基于考古發掘資料的遺址地形三維重建實驗研究

楊瑞霞 陳盼盼 唐際根

（作者單位 1.中國科學院遙感與數字地球研究所數字地球實驗室；2.河南省科學院地理研究所；3.聯合國教科文組織國際自然與文化遺產空間技術中心鄭州分中心；4.南方科技大學；5.中國社會科學研究院考古研究所）

地形地貌是遺址環境的重要組成部分，地貌重建尤其是微地貌重建對于回溯遺址存在時期地理環境特征，探討古人類選址、遺址形態布局等問題具有重要意義[1]。隨著科學技術的發展， 越來越多的科技手段和設備被運用到考古學上[2]。傳統考古學在宏觀尺度下的定性描述轉化為現代數字考古中微觀尺度的定量描述成為遺址地貌重建研究的發展趨勢與需求[3]。 在此方面，數字攝影測量[4]、三維激光掃描[5]、GPS 等技術被廣泛應用。 這些技術對于正在進行或即將進行的考古發掘現場的記錄與三維重建富有成效，但很難應用于那些已經完成田野考古發掘、 無法恢復的遺址[6]。對于這些遺址， 已經獲得的考古發掘資料是采集遺址早期地層信息的重要數據來源，可以作為早期地表形態重建的重要依據。

考古發掘資料是考古發掘的過程記錄和重要成果，蘊含著豐富的考古地層信息，但通常以文檔形式存在， 難以直觀反映歷史時期地貌形態特征以及地形地貌與遺跡的空間關系。 GIS（地理信息系統）具有數據整合與管理、地形模擬、分析與展示的功能，通過考古發掘資料中地層記錄信息的空間精細定位與地理編碼， 能夠實現文檔記錄信息的空間化處理和信息再利用， 實現從零碎地層文本信息到區域空間三維模型表達的轉換。 本研究以文本信息空間化為基礎，利用GIS 工具，嘗試提出一種基于考古發掘資料的遺址尺度早期地表形態三維重建方法， 并以安陽殷墟部分發掘區為實驗對象， 為考古遺址地形三維建模提供新的思路和借鑒。

一、遺址地形三維重建方法

本研究針對遺址早期地表形態重建困難的問題，充分利用考古發掘資料，將文檔記錄的地層信息經過篩選、整理，形成某時代遺跡的空間和屬性信息， 進而計算遺跡單元距離發掘時地表的深度， 形成發掘區域某時代地表高程數據集， 在遺址區域級差網格系統框架下，對遺址區早期地形進行三維重建，反演多種尺度下的遺址區地表形態。 技術流程如圖1 所示。

圖1 技術流程圖

1.遺址分區與網格編碼

為統一坐標系統與測量精度控制， 需要設置遺址區域坐標系統原點。 原點選取原則為地面基礎穩定，地點易于保存，位置明顯，能夠使得遺跡均勻分布在原點四周。 原點作為控制點，需要嚴格控制其測量誤差，精確測量平面坐標及高程。 原點選取后，對遺址區域進行分區編碼。 在對遺址分區圖進行空間校正的基礎上， 使用GIS 軟件構建遺址區域5000 米、1000 米、500 米、100 米的級差網格，對各級網格進行編號與命名， 得到多等級基礎網格分布圖。（圖2）基礎網格的等級和大小要求根據實際情況確定，遵循遺跡分布均勻，不密集于單個單元格的原則， 同時也應滿足多尺度三維模型的構建需要。

2.考古發掘資料處理

整理遺址區某時代遺跡的相關考古發掘資料，資料包括探方分布、層位信息、遺跡類型、出土遺物等。 記錄遺址相關的要素信息，包括探方號、位置文字描述、開口層位、開口距地表深度、空間位置等。 考古發掘資料處理流程主要分為兩個步驟： 一是遺跡位置的空間定標；二是單元網格內遺跡信息統計。

（1）遺跡位置空間標定

按照發掘資料提供的位置描述和記錄信息， 對某時代遺跡進行分類空間標定和地理編碼匹配。 為將整理的遺跡信息精確到每一個最小分區單元格內， 采用圖上標注法將每一個能提取空間位置信息的發掘記錄在現狀高分辨率遙感影像圖疊加網格圖的底圖上進行大致位置標示。 先判斷其位于哪個單元網格，再判斷其在該網格的具體方位或位置，然后在矢量網格圖上利用增加點的編輯方法標記該遺跡的空間位置。 在處理中需逐條進行處理， 盡可能將每一個有空間信息的遺跡發掘記錄都能較準確地配置在網格影像圖上。（圖3）由于有些遺跡發掘年代較早，記錄不規范， 位置信息描述不準確， 常常會出現諸如“位于北村村東的塬地和坡地上” 之類的描述，或記錄的地名已經發生多次變更的現象，因此需要盡可能收集不同時期的遺址區域地圖數據、 遙感數據， 找到當時描述的參照地物， 必要時還需要實地走訪調查并測量其空間坐標方位，以提高數據的精度。

圖2 多等級基礎網格分布圖

圖3 遺跡位置及空間標定（殷墟實驗區）

（2）單元網格遺跡信息統計

統計每個單元格內的遺跡發掘記錄，以網格序號、網格編號、遺址點數、探方數等生成遺址分區統計表。 根據統計資料，檢驗基礎網格系統的格網大小和等級是否滿足工程需要，是否符合其布設原則。 如果不合適需再次調整。

3.建立遺跡單元高程量算模型

為了計算遺跡時代 （如商代） 的地表高程， 需要依據發掘時現狀地表高程和遺跡距離地表的深度數據， 用遺跡時代的高程采用發掘起始面高程減去發掘資料中記錄的某時代遺跡距地面的高度獲得， 即以發掘時期t的現狀地表起始高程計算遺址早期某時代T的地表高程，具體公式如下：

式中，T 表示早期某個時代 （遺跡形成的時代）， 一個遺址區域可能包含多個時代（i=1，2，3， …，m）的遺跡；t 為某時代遺跡的發掘時間（j=1，2，3， …，n），H 是地表高程值，那么Ht 則表示發掘時期的某遺跡點位置的現狀地表高程；HT 表示該遺跡形成時代的計算地表高程，表示發掘資料中遺跡單元或記錄單元距發掘時地面的高度。對于墓葬，為墓口距發掘時現狀地表的深度；針對房址，為開口距地表的深度；對于發掘探方，為該時代最晚期文化層開口深度。 （圖4）

中國在過去的近百年考古發掘研究中，部分遺址經歷了多個時期跨度數十年的多次發掘過程， 考慮到過去的幾十年間地表形態的巨大變化，在計算遺跡時代的地層高程時，參照的現狀地表起始面應以接近發掘時期的地表高程為基準， 數據源可以為發掘時期地形圖、 實測三維坐標或數字高程模型DEM（Digital Elevation Model）數據等，選擇最接近當時狀態的地圖，經過數據處理和空間校正，定位遺跡位置， 提取現狀高程數據作為公式中的Ht 值。

圖4 遺跡深度示意圖

4.構建遺址地形三維模型

DEM 是用于表示地表高程起伏特征形態的有序數值陣列[7]。常用的表示方法有規則格網模型DEM 和不規則格網模型TIN（Triangled Irregular Network）。 TIN 可以根據區域的有限個點集將區域劃分為相等的三角面網絡。 相比規則格網模型，TIN 能夠避免地形平坦時的數據冗余， 又能按地形特征點表示數字高程特征[8]。因此本研究選用TIN 模型構建遺址地表形態。

先建立高程點圖層， 將最小分區單元的中心點作為高程記錄點。 利用整理好的遺址發掘信息按照空間位置與分區網格單元掛接， 遺跡單元的高程值作為最小分區單元的高程值存放在高程圖層的屬性表中。 利用最小分區單元的高程點數據， 選擇合適的空間內插方法， 將高程數據模擬到整個遺址區域后，創建TIN 模型，生成遺址早期三維地形模型，模擬遺跡古地表形態。

二、實驗與分析

基于上述遺址早期地形重建方法， 本研究以安陽殷墟遺址為案例， 進行商代地形三維重建實驗。安陽殷墟遺址規模大，發掘持續時間有90 余年， 保存了海量的考古發掘資料。長時間持續的遺址區域發掘，獲得了安陽遺址區大部分地區的考古發掘資料， 為區域商代地形的研究提供了理論可行性， 對于國內大遺址的多尺度早期地形重建具有重要的借鑒和示范價值。

1.遺址概況

殷墟位于河南省安陽市西北郊小屯村一帶，地理坐標為114°18′E，36°07′N，是商代后期的都城遺址。作為世界文化遺產，目前遺產地保護區核心面積414 公頃， 緩沖區面積為720 公頃。 （圖5）殷墟總體布局嚴整，以小屯村殷墟宮殿宗廟遺址為中心， 散布在洹河南北兩岸[9]。自20 世紀20 年代開始的殷墟發掘工作， 已經發現的主要遺跡包括小屯宮殿宗廟遺址、王陵遺址、洹北商城、后岡遺址以及族邑聚落遺址、手工業作坊遺址、墓葬遺址等。

2.實驗過程與結果分析

圖5 殷墟保護區主要遺址分布

實驗中涉及的安陽殷墟發掘資料主要包括商代墓葬、房址、道路、探方等508 條遺址發掘信息，以及殷墟分區示意圖等資料。 資料范圍包括小屯、孝民屯南區、大司空、劉家莊北地、人民醫院新址、二中、徐家橋、郭家莊、辛店集等14 個發掘區。 遺址發掘資料以未被盜掘的墓葬為主， 以商代層下直接疊壓生土的探方為主。 遺址分區坐標原點位于中國社會科學院考古研究所安陽工作站內， 在對遺址分區圖進行空間校正的基礎上， 在ArcGIS軟件中構建了遺址區域5000 米、1000 米、500米、100 米的級差網絡。 （圖2）

在具體實驗中， 因數據不能均勻覆蓋遺址區所有單元網格， 為了提高精度和充分利用數據，突破了原來設定的最小網格尺度，改為直接以每條記錄的實際位置進行水平空間定位，并基于上述早期地形重建方法，實現了實驗點殷墟商代地表形態復原， 局部復原6處發掘區，部分復原結果如圖6 所示。 為了進一步分析現代地表形態與商代模擬地表的形態特征，將制作的現代地表DEM 與模擬的商代地表模型疊加顯示（圖7），可以看出區域地形在過去的3000 多年整體趨勢一致。

圖6 殷墟遺址局部商代地表復原

研究中模擬復原了6 處發掘區的商代地表模型， 結果比較直觀顯示出商代晚期安陽殷墟地區地表高低起伏的形態特征。 商代地形與現代整體特征相似， 均為西北高東南低呈階梯狀展布。 從局部地貌看，孝民屯發掘區商代地表高程在80.8～85.3 米， 整體地勢較高，局部呈現自西北向東南的“凹弧形”相對降低，發掘區內主要遺跡如墓葬、居址等，密集分布在該區域地勢相對較高的西部及北部， 表明商代古人類在墓葬埋藏位置選擇以及房屋選址上對微地貌環境條件有一定的選擇傾向。 此外，通過對比現代地表，孝民屯東部為洹河， 該遺址區處于河流凹岸相對較高的地貌單元，但從現代地表“凹弧形”地貌的走勢看， 商代或之前的洹河該段可能與當今河流情況有所差別。 今后如果能夠擴大商代地表重建范圍， 可能比較完整地復原殷墟區域商代的地表形態， 進一步了解當時人類的生活方式和環境理念。

三、結論

本文提出了一種基于考古發掘資料的遺址地形三維重建方法，并通過殷墟局地發掘區的實驗， 實現早期地表形態的模擬逼近。 模型結果不僅具有直觀的地形可視化效果，而且空間精度較高，便于對不同時期地形變化進行對比分析。 早期地形重建方法基于遺址發掘檔案，通過數據挖掘和地理信息系統工具，可解決一直困擾業界的早期地表形態重建問題，對于大遺址的區域多尺度早期地表形態復原提供了經濟、 高效的途徑。本研究有助于考古發掘資料的規范化、數字化、可視化與深度挖掘，在考古遺址大數據支持下實現對遺址的再認知，促進考古遺址的環境與布局研究。

致謝：研究生耿同、盧一祎等協助整理數據。 鄭州市文物考古研究院“中原地區商代墓葬三維建模研究”課題的資助。