全站儀在田野考古測繪中的應(yīng)用

李 強

（長沙市文物考古研究所，湖南 長沙410000）

考古研究的已有成果和考古研究的新需求推動著田野考古的不斷發(fā)展。測量是做好考古記錄工作中的重要一環(huán)，沒有必要的測量數(shù)據(jù)，就不能精確地進(jìn)行繪圖和文字記錄。在田野考古工作中，有許多需要進(jìn)行測量的項目，對大范圍的遺址，使用皮尺來測量是勝任不了的，需要借助專業(yè)的測量設(shè)備和儀器才能準(zhǔn)確測量。電子全站儀是近些年來被廣泛使用的一種新型測繪儀器，可以快捷、方便的對地物的角度、距離、高程以及坐標(biāo)信息進(jìn)行測量工作，儀器本身也可以保存數(shù)據(jù)[1]。田野考古工作中采用全站儀，不僅僅是測繪工作在技術(shù)層次的提升與更新，更是突破了傳統(tǒng)田野考古的工作思路與模式，是考古數(shù)字化的一個重要環(huán)節(jié)。

1 田野考古測繪的野外工作

1.1 田野考古的野外工作

田野考古的戶外工作主要有三項內(nèi)容：野外調(diào)查、現(xiàn)場發(fā)掘和現(xiàn)場清理。這幾項工作也是田野考古的主要工作。其中，田野考古調(diào)查工作不能破壞文物原先的狀態(tài)，考察和記錄文物遺存，收集已經(jīng)暴露在外的遺物，篩選出需要保護(hù)的遺跡。通過挖掘方式來發(fā)掘、揭露遺跡，對出露的文物進(jìn)行收集，并記錄揭露出來的現(xiàn)象。如果遺存遭到破壞的狀態(tài)下，就需要對其進(jìn)行清理，發(fā)掘遺跡的殘留部分，當(dāng)然清理也可以當(dāng)做是一種特殊的發(fā)掘。實際的發(fā)掘工作時，一次考古工作需要用到幾種工作方式，比如遺跡調(diào)查過程使用的試掘，而正式發(fā)掘中也穿插著調(diào)查工作[2]。

田野調(diào)查可以重復(fù)進(jìn)行，田野發(fā)掘則不能重復(fù)進(jìn)行。田野發(fā)掘具有雙重性的特點，既具有再現(xiàn)性和保護(hù)性，又具有破壞性和毀滅性。發(fā)掘能夠?qū)z存進(jìn)行揭露，使遺存得以再現(xiàn)，科學(xué)的記錄和收集遺存，進(jìn)而更好地保護(hù)遺存資料。同時，發(fā)掘不可避免地伴生著對遺存進(jìn)行不同程度的破壞、毀滅。有的是發(fā)掘者意識到的，但無法避免，如遺存的相對位置被破壞，挖下一層堆積必然把壓在其上的堆積挖掉。有些破壞是發(fā)掘者當(dāng)時并未意識到的。發(fā)掘中要求收集全遺物、記錄全遺跡現(xiàn)象都是相對的。有些現(xiàn)象現(xiàn)在認(rèn)為無意義，后來就可能認(rèn)為是有意義的。如土坑墓中骨架上的覆土以前發(fā)掘不采集，認(rèn)為沒有分析的價值，現(xiàn)在認(rèn)為也是采集的對象，可以檢測是否有衣服樹枝等覆蓋物。發(fā)掘的雙重性和不可重復(fù)性要求發(fā)掘時必須謹(jǐn)慎小心，盡可能發(fā)揮其再現(xiàn)性和保護(hù)性，減少其破壞性和毀滅性，發(fā)掘區(qū)的分布也要考慮到后來人的工作。

1.2 考古平面圖與地形圖的測量

1.2.1 平面圖測量

平板儀具有測量精確、效率高的優(yōu)點，因而成為測量大面積平面圖的主要儀器。使用平板儀要先調(diào)平圖板，然后移點，把地面上的測量基點移到圖上。利用方框羅盤的邊框繪出指北方向，注明比例。如果要反復(fù)在一個測站繪圖測量，要在圖上繪出一條定向線，即用照準(zhǔn)儀對中遠(yuǎn)方的一個固定目標(biāo)（如電桿、旗桿、樹干等），沿儀器尺邊繪方向線。下次測量時，在測站上把圖板擺成大致的原來方向。然后，令照準(zhǔn)儀尺邊與定向線吻合。轉(zhuǎn)動圖板，在儀器中尋找到定向目標(biāo)，圖板就與上次方向一致。轉(zhuǎn)換測站時，也需要定向。方法是移動儀器之前，在原測站畫出對下一測站目標(biāo)的方向線；把儀器移動到新測站后，儀器尺邊與方向線重合，從圖上新測站的基點回視原測站，用照準(zhǔn)儀照準(zhǔn)原目標(biāo)，圖板方向就與原方向一致。

1.2.2 全部實測繪制地形圖方法

對區(qū)內(nèi)的各測點進(jìn)行測繪，要首先按照測量對象特征，確定需要測繪的范圍。然后根據(jù)實際需要選定測繪比例尺，并在圖紙上標(biāo)注比例和指北方向。然后是選擇測站，多采用前方交會法、導(dǎo)線法等在圖紙上標(biāo)記出測點，并對標(biāo)注的位置準(zhǔn)確性進(jìn)行詳細(xì)檢查。測出各個測點的絕對高程和相對高程，絕對高程又叫做海拔，是測點垂直到海平面的高度，一般規(guī)定高于海平面的海拔是正值，低于海平面的的高程是負(fù)值。測點高程之差稱為高差，測點高的地方相對于測點低的地方，高差為正值，測點低的地方對于高處為負(fù)值。將測量到的高程數(shù)據(jù)標(biāo)注在測點上，測點就是在地形繪制中的控制點。下一個步驟是地形點的測繪，圖上的地形多用等高線表示。而繪制等高線的重要步驟就是在圖上求出各個等高線上的等高點位置，然后將等高點用線連接起來編成為等高線。最后在圖上繪制遺跡、村莊、道路、河流等。

1.2.3 利用現(xiàn)成地圖繪制考古地形圖

考古地形圖的繪制要利用到地圖有關(guān)知識在地形圖基礎(chǔ)上開展，需要清楚了解地形圖上的坐標(biāo)線及其圖上的其他注記。要選擇適合本次工作的比例尺，經(jīng)過測繪工作后，在圖上可以反映出遺址、遺跡地理位置、形狀、規(guī)模等。地圖上的已知點上作為測站，不論采用原圖還是放大圖，均需要在圖上標(biāo)記出遺跡的實際分布狀況，圖上選擇的已知點要距離遺跡或遺址較近同時也要能作為測站使用，選擇的已知點在地面上的辨識度要高。目前，采用地形圖上已知點來確定測站或遺跡已有較多方法，測繪的精度和速度與所采用的儀器有關(guān)。

2 電子全站儀在田野考古測量應(yīng)用

2.1 電子全站儀測量

全站儀具有角度測量、距離（斜距、平距、高差）測量、三維坐標(biāo)測量、導(dǎo)線測量、交會定點測量和放樣測量等多種用途。內(nèi)置專用軟件后，功能還可進(jìn)一步拓展。

2.1.1 水平角測量

（1）按角度測量鍵，使全站儀處于角度測量模式，照準(zhǔn)第一個目標(biāo)A。

（2）設(shè)置A 方向的水平度盤讀數(shù)為0°00′00″。

（3）照準(zhǔn)第二個目標(biāo)B，此時顯示的水平度盤讀數(shù)即為兩方向間的水平夾角。

2.1.2 距離測量

（1）設(shè)置棱鏡常數(shù)

測距前須將棱鏡常數(shù)輸入儀器中，儀器會自動對所測距離進(jìn)行改正。

（2）設(shè)置大氣改正值或氣溫、氣壓值

光在大氣中的傳播速度會隨大氣的溫度和氣壓而變化。實測時，可輸入溫度和氣壓值，全站儀會自動計算大氣改正值（也可直接輸入大氣改正值），并對測距結(jié)果進(jìn)行改正。

2.1.3 距離測量

距離測量時，首先是在全站以上操作使得目標(biāo)棱鏡中心對準(zhǔn)，按下測距鍵后，開始進(jìn)行距離測量，可以得到平距、斜距、高差等數(shù)據(jù)。

全站儀的測距模式分為精測、跟蹤、粗測等三種模式。期中精測模式最為常用，測量時間約為2.5 秒，可以顯示最小為1 毫米的單位。跟蹤模式多用于測量移動目標(biāo)以及放樣過程的連續(xù)測距，可以顯示最小為1 厘米的距離，測距時間大約是0.3 秒。粗測模式消耗的測量時間大約是0.7 秒，可以顯示最小單位是1 厘米或者1 毫米[3]。

2.1.4 坐標(biāo)測量

首先是對測站點三維坐標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，在這個過程中全站儀能夠完成后視方位角的自動計算，同時將后視方向的水平度盤讀數(shù)設(shè)定為方位角。其次是設(shè)定儀器的棱鏡常數(shù)，將相關(guān)氣溫、氣壓等參數(shù)值輸入進(jìn)全站儀中。當(dāng)儀器中照準(zhǔn)目標(biāo)棱鏡后，按下坐標(biāo)測量按鈕，全站儀便自動進(jìn)行測距，同時顯示測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.2 電子全站儀在田野考古測繪特點

全站儀通過發(fā)射、接收紅外射線自動讀取記錄數(shù)據(jù)，全站儀進(jìn)行常規(guī)測圖的特點。

（1）高精度、高效率。測量距離數(shù)據(jù)可精確到毫米，角度到秒。效率方面，面積為50 萬平方米的遺址，測量得到的特征點接近4000 個，繪制這種圖的費時不超過一周[4-5]。

（2）即時性。全站儀與電子計算機聯(lián)機作業(yè)，則可以實現(xiàn)測繪數(shù)據(jù)的實時互通，每個測點的信息在測量結(jié)束后便能夠快速顯示在計算機的屏幕中，點擊此點能夠得到這個點的屬性與三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)了實時修改刪除功能。也可以直觀看到斷崖、道路等有形地物。能夠及時改正跑點過程的錯誤和疏漏，降低測量誤差，減少了不必要的重復(fù)工作等[6]。

（3）多樣性。配合相應(yīng)的測量軟件，自動將電子全站儀測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，根據(jù)需要自動生成各種圖。比如不同等高距的等高線圖，角度不同的三維地模，內(nèi)容相異的分層地圖。基于已經(jīng)繪制好的矢量化地圖，往后的工作中可以根據(jù)實際需要快速生成類型各異的、具有不同比例的地形圖。

（4）選基點靈活，找基點方便準(zhǔn)確。在規(guī)劃遺址和布設(shè)探方時，全站儀也同樣體現(xiàn)出精確省時的優(yōu)點。這項工作將具有良好的延續(xù)性。比如多年的探方銜接不精確，或者擴方存在誤差等。假如需要在已經(jīng)開展過工作的地方挑開探方再次開展發(fā)掘工作，等到回填結(jié)束后再尋找準(zhǔn)確的探方位置是較為困難的。使用GPS 定位儀和全站儀則變得容易準(zhǔn)確[7-8]。

（5）可以以一個遺址總基點建立坐標(biāo)系，快速測量繪制遺跡平面圖與遺物平面圖、三維坐標(biāo)?？梢詮氐赘淖円蕴椒轿髂辖菫樘椒交c的傳統(tǒng)測繪方法，使工地遺跡遺物的數(shù)值測量準(zhǔn)確，能繪制出遺跡三維分布圖、遺物三維分布圖。

（6）全站儀在遺址發(fā)掘現(xiàn)場的測圖，不僅可以實現(xiàn)記錄單個現(xiàn)象，而且也可以記錄更大視野內(nèi)的信息，能夠在更大尺度范圍內(nèi)體現(xiàn)出遺跡分布特征，為下一步的發(fā)掘工作提供可靠資料，并促進(jìn)著田野考古工作。

3 結(jié)束語

田野考古可以使用的全站儀型號很多，各種型號的全站儀使用方法也不一樣，功能越來越強大，操作人性化。購買全站儀有詳備的說明書，商家還免費培訓(xùn)操作技巧，并有售后使用咨詢服務(wù)，學(xué)習(xí)和使用都方便。全站儀的更新升級很快，價格一路下調(diào)，在考古發(fā)掘的運用將很快普及。所以不久全站儀測量將成為田野考古的主要測量儀器。老式全站儀配帶專用棱鏡，紅外射線發(fā)射到棱鏡后被反射后為儀器接受到才能讀數(shù)，測量時需要一人立棱鏡于測點，并把棱鏡正對儀器。新式全站儀免棱鏡，紅外射線發(fā)射到被測物體就可以返回被儀器接受，不僅更方便，還擴大了可測范圍。一般的免棱鏡全站儀測距可達(dá)350 米，拓普康GPT-3000LN 系列（彩屏WinCE 智能脈沖圖像全站儀），已經(jīng)達(dá)到了1200 米，并帶有CCD 相機，可應(yīng)用于近景攝影測量。