基于ArcGIS的虛擬布方技術(shù)在大遺址考古中的應(yīng)用
——以哈薩克斯坦拉哈特遺址、陜西澄城劉家洼遺址為例

□趙汗青

ArcGIS是美國ESRI公司研發(fā)的地理信息系統(tǒng) （GIS）產(chǎn)品，主要包含 ArcMap、ArcCatalog和ArcToolbox三大應(yīng)用程序，通過這三個程序的協(xié)調(diào)工作，用戶可完成包括制圖、數(shù)據(jù)管理、空間分析、數(shù)據(jù)編輯和地理處理等多種GIS任務(wù)[1]。

在以往的田野工作中，考古工作者通常使用羅盤、皮尺，針對所需要的發(fā)掘區(qū)域布設(shè)探方，這樣難以建立大范圍統(tǒng)一、精確的控制系統(tǒng)。如果兩片發(fā)掘區(qū)域距離較遠(yuǎn)、發(fā)掘時間相隔較長的話，想在一張底圖上記錄長期以來的發(fā)掘成果就很困難。隨著專業(yè)測繪儀器及地理信息軟件的普及，在更大范圍內(nèi)進(jìn)行整體虛擬布方，跨時空收集整合考古資料成為可能。

2017—2018年，陜西省考古研究院和哈薩克斯坦伊塞克國家歷史文化博物館聯(lián)合組隊，對位于阿拉木圖（哈薩克斯坦最大的城市）市區(qū)以東50千米、阿拉套山北麓的拉哈特遺址開展了考古調(diào)查及發(fā)掘工作。拉哈特遺址中心是一座近長方形的高臺，頂部小、底部大，高約18米，頂端面積約1萬平方米，周圍有兩道壕溝圍繞。據(jù)當(dāng)?shù)乜脊湃藛T的說法，該高臺遺跡很可能是公元前7世紀(jì)—公元前3世紀(jì)的塞人王族生前的居住處所，也就是塞人王族的宮殿所在。1969年在伊塞克鎮(zhèn)發(fā)掘過塞人王族的墓葬，由于墓葬中出土了黃金制作的完整衣服，故被命名“金人”墓葬，該發(fā)現(xiàn)對中亞古代考古研究有著很大影響。

哈薩克斯坦伊塞克國家歷史文化博物館和陜西省考古研究院就拉哈特遺址、周邊遺存的考古工作簽訂了為期5年的合作協(xié)議。為了科學(xué)規(guī)劃這5年的考古工作，統(tǒng)一收集工作成果，在地面踏查、考古鉆探的基礎(chǔ)上，使用ArcGIS對遺址周邊1平方千米范圍進(jìn)行了虛擬布方，共布設(shè)10米×10米探方1萬個。

一、布方前準(zhǔn)備

（一）坐標(biāo)系的選擇

為了保證虛擬布方尺寸在ArcMap中的準(zhǔn)確性，坐標(biāo)系應(yīng)選用投影坐標(biāo)系，忌用地理坐標(biāo)系。因為地理坐標(biāo)系是基于球體的坐標(biāo)系，而非平面坐標(biāo)系，它使用基于經(jīng)緯度坐標(biāo)系統(tǒng)來描述地球上某個點所處的位置[2]。隨著經(jīng)緯度的變化，在ArcMap中布設(shè)的探方尺寸會有不同，在實際放樣過程中也會產(chǎn)生較大誤差。同時，由于域外考古的特殊性，無法采用國內(nèi)現(xiàn)有成熟坐標(biāo)系，因此筆者采用WGS84坐標(biāo)系，UTM投影 （通用橫軸墨卡托投影）對拉哈特遺址進(jìn)行控制測量。

（二）底圖的選擇

隨著無人機、RTK等設(shè)備的普及，獲取遺址大范圍正射影像已經(jīng)不是一件難事。考慮到便于領(lǐng)隊規(guī)劃田野工作、后期探方放樣等因素，使用ArcGIS布方時，應(yīng)盡量采用比例為1：2000或以上的正射影像。不便獲取遺址正射影像的，也可使用谷歌地球中提供的衛(wèi)星影像。

在使用正射影像時，要保證像控點、ArcGIS、放樣RTK等處于統(tǒng)一坐標(biāo)系內(nèi)。使用谷歌地球衛(wèi)星影像時，要對所下載的衛(wèi)星圖像進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換或圖像校準(zhǔn)，亦保證其處于統(tǒng)一坐標(biāo)系。

（三）基點的選擇

虛擬布方的基點可以采用實地控制點，也可以采用虛擬基點。使用實地點時，需測量該點準(zhǔn)確坐標(biāo)，在ArcGIS中標(biāo)注，結(jié)合底圖開展布方工作。使用虛擬基點時，可在ArcGIS中加載底圖，選擇合適位置標(biāo)點。虛擬基點應(yīng)在重要遺跡的整數(shù)距離處布設(shè)，避免遺跡跨探方，給資料記錄帶來不便。

二、具體步驟

（一）加載底圖

打開ArcMap，點擊添加數(shù)據(jù)，建立文件夾鏈接。選擇底圖存放文件夾后，添加底圖（圖1）。

（二）建立基點

在拉哈特遺址高臺上，有一蘇聯(lián)時期的大地測量標(biāo)志，筆者原擬以該點為整個發(fā)掘區(qū)域的基點進(jìn)行探方布設(shè)，但以該點為基點，無法完全將拉哈特高臺置于同一象限分區(qū)內(nèi)。遂以該點為基礎(chǔ)，向西460米，向南200米設(shè)置虛擬基點，布設(shè)10米×10米探方1萬個。

首先，打開ArcCatalog，右鍵選擇新建Shapefile文件，要素類型選擇“點”。為了便于調(diào)取數(shù)據(jù)，在使用ArcCatalog時，建立的文件夾鏈接宜與底圖等數(shù)據(jù)文件夾一致。同時，通過實測的蘇聯(lián)基點坐標(biāo)推算虛擬基點坐標(biāo)并記錄（圖2）。

其次，在ArcMap中，添加虛擬基點（操作同添加底圖）。添加完畢后，啟用編輯器工具，輸入推算出該點坐標(biāo)（圖3）。

圖1 加載底圖

圖2 新建Shapefile

圖3 添加虛擬基點并推算出該點坐標(biāo)

（三）使用漁網(wǎng)（Fishnet）工具創(chuàng)建網(wǎng)格

在虛擬基點添加完成后，我們打開ArcMap中的ArcToolBox工具，展開左側(cè)樹狀菜單，在“數(shù)據(jù)管理工具”的“要素類”中調(diào)取“創(chuàng)建漁網(wǎng)”功能。“創(chuàng)建漁網(wǎng)”功能打開后，首先，在“輸出要素類”選項中確定網(wǎng)格保存位置及名稱；其次，在“漁網(wǎng)原點坐標(biāo)”選項中輸入“虛擬基點坐標(biāo)（也可在模板范圍選項內(nèi)，下拉菜單，選擇與虛擬基點圖層相同選項進(jìn)行）”，在Y軸坐標(biāo)選項中，為了確保網(wǎng)格方向為正北，則保持X坐標(biāo)不變，Y坐標(biāo)增加100；再次，將像元寬度和高度設(shè)置為10，保證每個探方的尺寸為10米×10米，行數(shù)和列數(shù)設(shè)置為100，保證探方個數(shù)為100×100個；最后，不要勾選創(chuàng)建標(biāo)注點選項（圖4）。

（四）要素轉(zhuǎn)面及自動生成探方編號

由于創(chuàng)建的漁網(wǎng)本身不具有要素類屬性，無法生成、顯示編號，為了能夠自動生成探方編號，需要先將漁網(wǎng)轉(zhuǎn)換為面要素，進(jìn)而自動編號。

首先，打開ArcMap中的ArcToolBox工具，展開左側(cè)樹狀菜單，在數(shù)據(jù)管理工具的要素中調(diào)取“要素轉(zhuǎn)面”功能。“要素轉(zhuǎn)面”功能打開后，在輸入要素選項中選擇剛創(chuàng)建好的漁網(wǎng)文件，在輸出要素類選項中確定轉(zhuǎn)換后面要素的儲存位置及名稱，將創(chuàng)建的漁網(wǎng)轉(zhuǎn)為面要素。（圖5）。

其次，對完成轉(zhuǎn)換的面要素進(jìn)行設(shè)置，使其透明（圖6）。右鍵點該圖層，在屬性菜單中，選擇“標(biāo)注”，進(jìn)入后點擊“表達(dá)式(E)”，書寫表達(dá)式“T”+[FID](圖7)。特別需要注意的是，字母T所用雙引號應(yīng)為英文輸入法下輸入的半角符號。結(jié)果如圖8。

圖4 創(chuàng)建漁網(wǎng)參數(shù)設(shè)置

需要指出的是，此種表達(dá)式是依從左到右的順序，順序為每個探方編號，若要采用象限法編號，需要采用相應(yīng)的表達(dá)式。

圖5 要素轉(zhuǎn)面參數(shù)設(shè)置

（五）象限分區(qū)

從理論上來說，上述操作可以布設(shè)無限多的探方，覆蓋無限大的區(qū)域。但在實踐中，考古工作者們通常需要將探方號控制在四位數(shù)（含）以內(nèi)，所以使用以上方法布設(shè)10米×10米探方時，至多控制1平方千米的范圍，即100行×100列探方。

當(dāng)需要在更大范圍內(nèi)進(jìn)行測控布方時，就需要對控制區(qū)域進(jìn)行象限分區(qū)，避免出現(xiàn)探方編號過長的現(xiàn)象。結(jié)合陜西省考古研究院在陜西澄城劉家洼遺址的工作經(jīng)驗，將工作思路和方法介紹如下：

圖6 設(shè)置面填充為無顏色

劉家洼遺址在發(fā)掘之初，本著“站在墓地的角度挖墓葬，站在聚落的角度挖墓地，站在區(qū)域背景下看聚落”的思想進(jìn)行了較為全面的規(guī)劃，對大墓周邊100平方千米的范圍進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查和整體布方。

在大墓東北約1千米的地方設(shè)立虛擬基點，以該點為原點，將100平方千米的區(qū)域劃分為四個象限（圖9），每個象限覆蓋5千米×5千米的范圍。每個象限內(nèi)，又在200米×200米的范圍內(nèi)劃分單元格（25行×25列），在單元格內(nèi)進(jìn)行5米×5米探方布設(shè)。編號時，將通過原點的兩條軸線按照方向，劃分為N、E、S、W軸。N軸自南向北以數(shù)字1~25編號，S軸自西向東以字母A~Z編號（需要注意的是字母I與象限編號所用羅馬數(shù)字重復(fù)，所以不用），S軸自北向南以數(shù)字1~25編號，W軸自東向西以字母A~Z編號（圖10）。這樣，每個單元格的編號就可以通過各軸線上的編號讀出。比如，大墓所在區(qū)域編號就是ⅢE6，該單元格內(nèi)的探方編號表達(dá)式可表達(dá)為“ⅢE6T”+[FID]，其他單元格內(nèi)探方編號如此即可自動生成。

圖7 修改圖層標(biāo)注表達(dá)式

圖8 自動生成探方編號

圖9 劉家洼遺址象限分區(qū)

（六）現(xiàn)場放樣

在電腦中布設(shè)好虛擬探方后，需要在實際發(fā)掘中，實地放出這些探方。因為ArcMap是一款矢量軟件，所以其中進(jìn)行的操作都為矢量操作，圖形中的每個點都有對應(yīng)且唯一的坐標(biāo)。可以通過ArcMap中的識別功能，獲取在發(fā)掘范圍內(nèi)每個方格（探方）的四角坐標(biāo)或者西南角坐標(biāo)，導(dǎo)入RTK后，進(jìn)行現(xiàn)場點放樣。

隨著測控設(shè)備的進(jìn)步，現(xiàn)在多數(shù)RTK支持 CAD 格式（.dxf）或者 GIS 格式（.shp）文件整體導(dǎo)入，方便在手簿上進(jìn)行圖形放樣。可以將在ArcMap中做好的漁網(wǎng)方格導(dǎo)出為CAD格式（.dxf）或者 GIS 格式（.shp）文件，保存在RTK手簿中，進(jìn)行放樣。

需要注意的是，在進(jìn)行放樣作業(yè)時，RTK中新建的工程文件須與布設(shè)虛擬探方時所使用坐標(biāo)系保持一致，否則無法進(jìn)行現(xiàn)場放樣。

（七）圖形輸出

完成上述操作后，可以將ArcMap切換至布局視圖。在該視圖下，插入風(fēng)玫瑰、指北針、比例尺等制圖要素，完成后進(jìn)行頁面和打印設(shè)置，生成便于打印的圖形文件。在導(dǎo)出地圖時，注意設(shè)置圖像分辨率，一般以600dpi為宜（圖11）。

三、余論

1.GIS的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該盡快統(tǒng)一。在信息技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，越來越多的數(shù)字化手段被應(yīng)用到考古當(dāng)中。但目前常用的三維掃描、傾斜攝影測量、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)并無統(tǒng)一的國家（行業(yè)）標(biāo)準(zhǔn)，這給跨區(qū)域進(jìn)行的一些課題或長期進(jìn)行的大遺址考古帶來了諸如勘探成果難以統(tǒng)一、基礎(chǔ)資料難以共享等問題。各級文物部門應(yīng)當(dāng)將GIS系統(tǒng)建設(shè)納入考古項目，特別是大遺址考古之中。逐步建立針對各類遺址的技術(shù)規(guī)范，以便于未來數(shù)字化的遺產(chǎn)整合。

2.GIS是一種技術(shù)，更應(yīng)是一種思維。GIS的強大在于其多樣的數(shù)據(jù)整合能力、豐富的數(shù)據(jù)分析能力、全面的表達(dá)能力。在運用GIS技術(shù)時，必須根據(jù)具體對象特點，堅持問題導(dǎo)向的原則，緊緊圍繞考古課題目標(biāo)進(jìn)行，避免為了GIS而GIS。考古工作者在工作開始之前，應(yīng)從實際出發(fā)，合理設(shè)計可行的GIS架構(gòu)。

圖10 各軸線編號示意

圖11 導(dǎo)出地圖及分辨率設(shè)置

3.GIS與考古可以更加緊密地結(jié)合。由于目前考古工作者普遍不了解GIS強大的功能，其在考古工作中還無法發(fā)揮應(yīng)有作用。但是，筆者始終堅信，GIS與考古結(jié)合的推動者必然是考古工作者。因為考古需求才是發(fā)展進(jìn)步的內(nèi)在動力。多聽、多看，及時了解GIS等技術(shù)的最新動態(tài)和應(yīng)用案例，注重培養(yǎng)既懂考古又懂GIS的復(fù)合型人才，考古學(xué)必將在信息化時代得到新的發(fā)展。