數字化手段在大遺址考古工作中的應用

劉斌　王寧遠

摘要：良渚遺址和良渚古城是近年來中國史前考古進展最大的區域，也是典型的大遺址，其保護區紅線范圍即達42平方公里，而實際范圍遠大于此。在這樣大的范圍內，僅采取傳統的大規模鉆探和發掘等手段，完全無法滿足學科研究的需要。發掘者圍繞需要解決的學術問題，積極尋求多學科合作。其中數字化手段所起的作用尤其明顯，借助“數字高程模型”（DEM平面圖）在遺跡尋找上的重要指示作用，迅速擴大了良渚古城周邊的測繪范圍和分析手段，陸續發現良渚古城外圍的水壩等遺跡，確定古城中心的宮殿區、城墻和外郭依次降低，共同構成了三重同心結構，取得了中國古代城市研究的重大突破。

關鍵詞：良渚古城；文化遺產數字化；大遺址；數字商程模型（DEM）

考古學提供了時空坐標和大量的遺跡遺物，這些遺跡遺物包含著各方面的信息，遠遠超出考古學本身的技術方法所能提取的范疇，可供各相關學科開展研究。因此通過多學科手段將資料信息最大化提取和分析，能更好地幫助考古學對古代社會進行全面恢復和研究。同時，現代考古學的誕生，即是吸收了地質學、生物學理論與方法，形成考古地層學、類型學及年代學的基本方法。隨著自然科學的發展，各種技術和設備都以極快的速度被應用到考古研究中來，如C¹⁴等測年技術的引入，成為考古年代學的基本手段。所以從學科基因上來說，考古學是一門具有極強學習能力、兼跨文理、充滿朝氣和生命力的學科。現代考古學的終極目的是全面恢復古代社會的方方面面，因此，大遺址理念指導下的考古工作，多學科合作成為極重要的研究模式和手段。

良渚遺址和良渚古城是近年來中國史前考古進展最大的區域，是中華五千年文明實證。良渚遺址是個典型的大遺址，其保護區紅線范圍即達42平方公里，而實際范圍遠大于此。在這樣大的范圍內，僅采取傳統的鉆探和發掘等手段，完全無法滿足學科研究的需要。圍繞良渚古城需要解決的學術問題，結合傳統的考古學方法，我們積極采用多學科合作的手段開展大遺址工作，取得了不錯的效果。其中數字化技術所起到的作用尤為明顯。

一、DEM與良渚古城外圍結構的探索

在良渚古城發現后，研究其空間框架結構成為考古隊的首要目標。首要任務是要明確古城是否存在外郭城。在良渚古城發現之前，整個良渚遺址群內有根據現代地貌邊界標定的135個獨立遺址點。古城墻發現后，我們發現許多遺址點實際上是同一遺跡（如城墻）的不同位置，或者是城的不同功能區，只是因為后期的破壞導致彼此分離。因此以往基于遺址點的觀察角度，顯然已經無法適應對古城的整體研究需求。有了城墻這一明確的線索，考古工作的目標思路就豁然開朗，觀察的焦點集中到城墻外圍的區域，考古工作從某種意義上說進入了順藤摸瓜、按圖索驥的階段。以城墻的基本形態作為參考，我們特別注意尋找那些同屬于良渚時期、外形呈長條壟狀的遺址點，以及能構成框型結構的若干遺址點的位置關系。但是這些遺跡因為受到晚期的破壞，可能已經變得斷斷續續，所以需要在一個平面圖上去復原這些地點的原有關系。

這期間我們對古城東部區域進行了大規模的基礎鉆探。鉆探獲得了這個區域內古水系和文化堆積的翔實材料。但是我們發現這種基于傳統考古手段形成的平面圖，對于研究古城的外圍結構所能提供的直觀信息并不多。在這樣的情形下，迫切需要找到另外的手段來進一步分析遺址。

作為一種嘗試，我們利用良渚古城區域1：500比例的線劃圖在GIS軟件中制作了數字高程模型（DEM），結果有驚人的發現。圖1顯示的是該數字高程模型（DEM）的截圖，在這張圖里，莫角山標準的長方形輪廓，以及其上的大小莫角山和烏龜山這三個高臺顯示得非常規清晰，更為重要的是，這張范圍不大的圖里，我們可以明確地發現良渚古城東南部外側，存在著一個長方形的結構體，它由美人地、里山鄭村、卞家山分布構成北、東、南三面墻體，并和良渚古城的東墻和南墻相接續。結合之前鉆探的信息，我們認為這一周框狀的結構應和良渚古城密切相關，它可能是與古城不同階段的另一墻圈，也可能是古城同期的外部附屬結構。基于這樣的認識，我們迅速開展了這周墻體上的美人地、里山兩個地點考古工作，證實這些條壟狀遺跡是由良渚晚期若干次的居址逐步加高形成現狀的。作為良渚古城的附屬平民居址的可能性很大。這種長條形框狀聚落，與普通良渚基層聚落的形態完全不同。基層聚落都是呈散點狀分布的小聚落，每個間距500-1000米，聚落面積4000-20000平方米左右，每個聚落都以自身土臺為中心，周邊圍繞著該聚落的水域和耕地。這是水網平原地區和良渚稻作農業形式和水平結合形成的最優布局。而古城周邊的這一框狀長條聚落，相當于幾十個散點式基層聚落的面積總和，其上居住的人口甚多，如果居民也是從事稻作生產，則圍繞著它的稻田面積巨大，從居住地到稻田的距離會非常遠。而我們的稻作專項研究調查顯示，條壟周邊并沒有良渚稻田分布，而是一般的沼澤，所以這一圈的居民應該不是從事稻作生產的農民，而應該是最早的城市居民。因此，這周條形的居住地，當是古城的外郭。

所謂“數字高程模型”，通俗地說，就是把地圖上不同高程的范圍，依照某種色系的變化，涂上不同的顏色。這樣，即使一道城墻被破壞后呈若干分散的小段，其基本高程一致的話，在DEM平面圖上就顯示為相同的顏色，這樣就很容易順著某種幾何位置關系把它們聯系起來（圖2b）。而前述那張鉆探形成的水系和文化堆積分布圖（圖2a），實際上并沒有反映出高程信息，它反映的文化堆積范圍，既包括了地面上的人工堆筑高地，還有外圍河道等低地區域的廢棄堆積，所以，該圖標示的遺存范圍較大，沒有反映最重要的高程信息，對于尋找墻狀的結構很不直觀。另外，良渚遺址群還有分辨精度高達8厘米的數字正射影像（圖2c），谷歌地球（Google EarLh）也提供了本區分辨率達60厘米的高清影像（圖2d）。但是因為建筑和植被的干擾，這些影像對地面高程的變化反應也不敏感，從而使遺跡不能清晰顯現。而相反地，DEM反應的是單純的地表高程變化，所以能從復雜的地表植被和建筑的視覺干擾中，將遺存信息直觀反應出來。因此我們發現，在本地區尋找城墻結構，DEM是最有效的方法，優于線劃圖和高清衛片。

因為DEM在遺跡尋找上具有重要的指示作用，因此我們迅速擴大了古城周邊1：500地圖的測繪范圍，并根據新的地圖，制作了新的DEM。結果發現在古城的北邊，還有兩條長條形的結構，與美人地里山卞家山共同構成外郭結構。同時，我們發現良渚古城中心的宮殿區、城墻和外郭依次降低，構成了三重同心結構（圖3），是中國歷史時期都城的官城、王城、外郭三重結構的濫觴。這個重要的認識是中國古代城市研究的重大突破。

良渚古城區域數字線劃圖分別有1：10000、1：2000、1：500三種比例。其中以1：500的圖制作數字高程模型效果最好。這是與良渚遺址的堆積性狀、保存狀況密切相關的。比例不同的圖，其等高線密度不同：1：10000的圖，等高線間距為5米；1：2000的圖，等高線間距為2米，1：500的圖，等高線間距為0.5米。良渚地區的人工堆積，包括城墻遺跡，目前和周邊平原農地的相對高程，大體都在3 4米，另外還有些相對高程只有1-2米。這樣，如果使用1：10000的地圖，除了莫角山這種相對高程8-9米的巨型遺跡外，其他地點因為相對高程過小，幾乎無法從農田中辨識出來。所以，1：10000比例的地圖用于尋找城墻構造顯然是不合適的。同理，因為存在著不少相對高度2米以下的遺址，所以1：2000的圖制作DEM，也會有大量的信息漏失。而1：500的圖具有的0.5米的等高線密度，無疑是制作DEM理想的素材。實際上，我們感覺到在DEM制作中，最重要的因素在于地圖的高程分辨率，而非平面精度。地圖的比例即使是1：10000，只要其等高線能夠加密，達到0.5-1米的密度，也應該可以滿足需要。

DEM在本地區的考古工作中能發揮較大的作用，應該和良渚以及整個太湖地區聚落分布形態密切相關。水鄉平原地帶植物繁茂，人口密集，因此從遺址現場和衛片等角度觀察，干擾因素很多。但是太湖平原地區史前遺址多為人工堆筑的高墩，墩外多為水域和稻田，這種模式從良渚時期開始形成，一直延續到今天都沒有發生大的變化。所以，早期的人工高墩往往會被晚期繼續加高沿用，而不會推倒重起爐灶，從而使早期的遺址格局得以保留。因此通過DEM剔除了建筑和植被的干擾之后，遺址的原有格局就能比較好地得到反映。

二、遙感（RS）與GIS手段在良渚古城西北側

水利系統探索中的應用

隨著近年的良渚古城考古工作的推進，我們又確認良渚古城外圍存在一個龐大的水利系統。在這個系統整體結構的尋找中，遙感手段提供了關鍵的線索。而在分析這個系統的作用中，GIS發揮了重大作用。同時我們在制作大區域的DEM時，也針對一般的制作方法的缺陷，進行了探討和改良，取得了滿意的效果。

2009年夏，良渚古城西北部約8公里的彭公崗公嶺，因為偶然的施工發現了大型人工堆筑遺跡。通過調查，發現此處遺跡系在兩山之間的溝谷位置由人工堆筑大型壩體。壩體規模極為宏大，復原其堆筑高度可能近20米，寬度上百米。其內部中心由草裹淤泥的小土包壘砌，外圍覆以純凈黃土。這種堆筑方法與反山等良渚時期很多臺墩遺跡相同。在遺址現場發現有零星的良渚文化陶片，臺墩上部則有漢墓疊壓，因此推測這處遺跡可能屬于良渚時期。順此線索，我們在周邊山谷內又發現了秋塢、老虎嶺等幾處類似的壩體。當時我們的觀察，還是基于單體水利設施的角度對這些壩體進行解讀，推測可能是用于阻攔山谷的來水，使其改變流向，匯入山系北側的德清下渚湖，避免洪水沖擊遺址群。2010年夏，崗公嶺的3個草葉樣本經北京大學考古年代學實驗室C¹⁴測定，其樹輪校正年代距今約4800-5000年，證實了我們前期對這處遺跡的年代判斷。因此其重要性進一步引起我們的重視，繼續在周邊進行調查。

我們使用谷歌地球（Goole Earth）的高分辨率衛片對這一區域進行觀察，2011年年初，意外地發現，在崗公嶺這組壩體南面的鯉魚山也存在著一處明顯具有人工痕跡的大型壩體。現場鉆探調查證實這處300米長的壩體是人工堆筑的。同時發現在鯉魚山的東側獅子山也是一段已經被道路截斷的壩體。這次調查的意義并非僅僅增加了壩體的數量，關鍵在于鯉魚山和獅子山通過其東面的小山體，連接到了良渚遺址群西側規模巨大的水利工程——塘山。

塘山遺址長6.5公里，1990年代發現后曾進行多次發掘，一般認為是良渚遺址群外圍的擋水壩。但是當時是以單體遺跡的角度對其進行研究的，對塘山西側向南拐彎后的去向，考古隊曾在毛元嶺一帶多次找尋，但是一直不得要領。而鯉魚山和獅子山壩體的發現，證實塘山在向南拐之后，連接自然山體，復又向西南側延伸發展。因此，包括塘山在內的這些大小壩體，并非單體起作用，而是構成了一個極其龐大的復雜的防洪水利系統，塘山只是這個系統內最長的單體。

目前顯示，水利系統由11條堤壩組成，是良渚古城建設之初，統一規劃設計的城外有機組成部分。這些堤壩根據形態和位置的不同，可分為山前長堤、谷口高壩和平原低壩3類。

山前長堤即指塘山，全長約5公里，呈東北西南走向，是水利系統中最大的單體。從西到東可將其分成三段。西段為矩尺形單層壩結構。中段為南北雙層壩體結構，北壩和南壩間距約20-30米，并保持同步轉折，形成渠道結構。從corona衛片里可以清楚看見它的結構和與良渚古城的密切關系（圖5）。

谷口高壩：位于西北側較高的丘陵的谷口位置，包括崗公嶺、老虎嶺、周家畈、秋塢、石塢、蜜蜂弄等6條壩體。可分為東、西兩組，各自封堵一個山谷，形成一級水庫。

平原低壩：建于高壩南側約5.5公里的平原內，由梧桐弄、官山、鯉魚山、獅子山4條壩將平原上的孤丘連接而成，壩頂高程大約在10米左右。壩長視孤丘的間距而定，在35-360米間不等。高壩與低壩之間的庫區略呈三角形，面積約8.5平方公里。庫區東端與塘山長堤相接，共同組成統一的水利體系。

良渚水利系統的功用如何？我們和中國社科院考古研究所科技考古中心合作，通過GIS手段對這一系列遺跡進一步分析研究。首先我們發現，原來認為崗公嶺等高壩系統是將洪水導引到北側德清（縣）的認識是錯誤的。因為這些山谷上部的分水嶺遠遠高于壩體的高度，甚至高于壩體兩側的山體，所以，高壩系統實際上是能潴留洪水，形成兩個谷口水庫。劉建國研究員等通過對美國科羅納（CORONA）間諜衛星1970年代的衛片觀察，并結合地形數據的GIS分析，計算出它們現存的壩高可以抵御約870毫米的降水量，而本地區最高的降水量大約就在900毫米左右，因此這一水壩系統足以抵御百年一遇的洪水襲擊，保護遺址群的安全（圖6）。

最近通過GIS分析，推測該系統在運輸上也應具有重要作用。天目山系可以為遺址群提供豐富的石料、木材及其他動植物資源。天目山古稱“浮玉之山”，地質學家認為其具備玉器的成礦條件。塘山和德清楊墩等地點發現與制玉相關的遺存，百畝山則發現有石器的半成品，顯示良渚時期的玉、石料可能就是就地取材于天目山系內。遺址群內如美人地、卞家山、莫角山、馬金口等各地點都發現大量的木材。因此如何運輸是良渚人必須解決的問題。在輪式交通及配套的道路系統形成之前，水運是一種最經濟便捷的運輸方式。美人地木樁板上多次發現的有牛鼻穿，這是木材放排水運時用來穿繩，方便拖動的裝置，表明是用放排的方式運來。卞家山和莫角山的碼頭設施、出土的木漿等說明水運在當時的重要地位。與平原區發達的水網不同，本地區的山谷陡峻，降水季節性明顯，水量變化大，夏季山洪爆發，冬季則可能斷流，大多時候不具備行船的可能，通過筑壩蓄水形成的庫容，可以形成連接各個山谷的水上交通運輸網絡。如高壩系統的崗公嶺、老虎嶺和周家畈3壩，以壩頂高程最低的海拔25米計，根據谷底高程推算，滿水水面可沿山谷上溯1500米左右。低壩系統鯉魚山壩群海拔約9米，依據GIS的分析，蓄滿水時水面可北溯3700米左右，直抵崗公嶺壩下方；東北面可以與塘山渠道貫通。

在制作圖7這張DEM時，我們對常規的制作方法進行了一些改進。與圖1、圖3的DEM不同，整個良渚古城和外圍區域面積達百余平方公里，地面有山地丘陵和平原，海拔范圍從0米到500米。這個區域內我們有1：2000的數字線劃圖，其等高線密度為2米，理論上足夠滿足我們在整體表現古城和水利系統在整體區域內的顯示要求。但是我們發現，按照一般的方法制作DEM時，因為軟件默認的顏色差值，都是等距的。比如本區高程范圍為0-500米，分成50個顏色等級，它就自動以每10米為一種顏色。而實際上我們所有的遺跡，高程都集中在2 35米的范圍內，其中很多遺跡相對高度只有2-5米，如果以10米間距區分顏色，絕大部分遺跡都淹沒在相同色塊中，無法發現。如果以2米的精度區分顏色，則需要手動設置250個色級，而這么多色級的顏色區別在視覺上幾乎是不可辨識的。因此，我們考慮采取不等距的色級設置，即在有遺跡的高程范圍內加密設置，在沒有遺跡的高程范圍內消減色級。我們將遺跡集中的0-40米范圍內以1米為一個色級，40米高程之上，逐步將高程范圍加大，最后設置約60個色級，進行制作（圖8）。這個效果我們認為是比較符合我們需要的。根據我們的觀察，目前大部分的考古項目在委托測繪單位進行DEM制作時，都是按照軟件默認設置的高程平均值進行制作的。在高程懸殊的區域，這種DEM就很可能完全無法顯示出遺跡，達不到需要的效果。因此我們認為這是遺址GIS處理中需要關注的一個重要方面。

（責任編輯：孫秀麗）