多種測繪技術綜合應用的考古發掘信息記錄

高振華 侯妙樂 馬昇 白曙璋 梁孝

摘要：考古發掘信息記錄和出土文物遺存共同構成了考古研究的珍貴載體，二者缺一不可。隨著信息技術的發展，考古發掘信息記錄手段越來越多樣化、智能化，測繪技術成為應用最廣泛的技術之一。測繪技術是記錄遺存位置、形狀、規模、分布及相互關系的重要手段。傳統考古將一種或幾種測繪技術應用于發掘信息記錄，但受技術、成本、應用對象和人為因素的限制，同時將地面激光掃描（TLS）、無人機（UAV）和近景攝影測量等多種測繪技術同時應用到一個考古項目的情況較少。聞喜酒務頭墓地發掘過程進行了全面的測繪記錄，另外還進行了光譜信息、紋理信息以及傳統的文字、圖像、錄像等記錄，構建了一套較為完整的考古發掘信息記錄體系，為深入開展考古研究提供了詳細、全面、直觀的記錄資料。

關鍵詞：聞喜酒務頭墓地;考古發掘;測繪技術;信息記錄;遺存空間信息

引言

考古發掘是一項復雜的科學研究工作，不僅需要對各種遺存進行細致的清理，還要對發掘過程和遺存信息進行客觀的記錄，只有這樣才能保證研究結果的科學性。遺存信息包括時間、空間、物質成分等，其中遺存的空間信息是研究古代人類行為及人地關系的重要因素，其記錄信息不可或缺，如位置、形狀、分布及相互關系等。客觀全面地記錄并表達遺存的空間信息一直是考古信息記錄的熱點和難點。研究人員也嘗試使用各種方法，如使用先進的技術設備替代傳統的手工作業，但效率和成本很難平衡，推廣應用較難實現。直到近年來地面激光掃描（TIS）、無人機（UAV）和近景攝影測量等測繪技術變得越來越智能化，無需太多的專業知識就可以快速獲取大量高精度空間數據，且成本大大降低，滿足了遺存空間信息記錄的客觀要求。

測繪技術在考古發掘信息記錄方面的應用已經非常成熟，也取得了很好的效果，例如：利用無人機攝影測量進行考古制圖、遺址建模和監測[1-7];利用GPS定位與無人機攝影測量聯合生產正射影像[8-10];利用地面激光掃描進行發掘現場遺跡的信息記錄和三維重建[11—17];使用結構光三維掃描儀記錄出土器物的三維信息并進行虛擬復原[18—20];使用全站儀和RTK進行位置測量或與其他測繪技術配合生成遺址三維模型[21-24];利用近景攝影測量記錄發掘場景并進行三維展示[25-27];利用高光譜成像實現遺址分布的探測和局部物質的識別[28-31];使用GIS對遺址進行分析、預測和多源數據管理等[32-36]。從文獻和現場調研的結果來看，僅有極少量的考古項目能將多種測繪技術同時綜合應用，大多是將一種或少數幾種測繪技術分別應用于考古發掘項目，僅是對傳統記錄方式的改進，提升記錄的效率和精度。形成這種現狀的原因是多方面的，可能是經費問題，也可能是發掘對象不適用多種測繪技術，或者是發掘人員工作理念和技術層面的問題。但從考古學發展的方向及新技術應用的需求來看，將多種測繪技術同時應用于一個考古發掘項目，全方位記錄遺存的空間信息，無疑會給后續研究提供更多的信息和幫助。

聞喜酒務頭墓地就是這樣一個多種測繪技術同時應用的典型案例，它具有良好的操作空間和工作條件，具有重要的文物價值和相對充足的經費投入。因此，研究人員將多種測繪技術綜合應用于酒務頭墓地考古發掘的遺存信息記錄，并貫穿于整個發掘過程，為后續的考古研究提供了更為詳盡的資料和更為直觀的成果，也為墓地的保護、利用、管理也提供了的豐富的信息資料。

一、對象、技術、裝備

（一）應用對象：聞喜酒務頭墓地

聞喜酒務頭商代墓地學術價值特別突出，曾被評為“2018年度全國十大考古新發現”。該墓地位于山西省運城市聞喜縣河底鎮酒務頭村西北，北、東、南三面環山，北臨沙渠河，南望湯王山。墓地處于垣曲盆地、運城盆地、臨汾盆地交匯的要沖之地，是古代從河南進入山西最便捷的通道之一，亦是考古學文化交融的關鍵地帶（圖1）。

2017至2018年，經過細致的考古勘探和科學發掘，考古工作者在5500平方米墓地范圍內發現12座商代晚期墓葬、6座車馬坑以及5個灰坑，共出土銅、玉、陶、骨等各類材質的文物500余件/組。其中最為重要的發現是：發現了5座商代晚期“甲”字形大墓及陪葬車馬坑;出土器物組合完整，發現大量帶有相同族氏銘文的青銅器（圖2）。

晚商帶墓道的墓葬在殷墟之外并不多見，這個發現對于研究商代墓葬的形制結構、葬俗、墓道功能與等級關系提供了極好的資料。根據墓葬形制與出土遺物判斷，酒務頭墓地時代為殷墟四期，應為晚商高等級方國貴族墓地。從青銅器中兩種族氏銘文的差異性來看，此墓地應為“匿”族墓地。該墓地的發現與發掘是商代考古的一次重大突破，不僅為“匿”族青銅器找到了歸屬，也填補了晉南地區晚商遺存的空白。

（二）測繪技術

考古測繪記錄所用的測繪技術大多是成熟的測繪技術，從大平板、小平板到全站儀、RTK，再到今天的無人機和三維激光掃描儀，均是在測繪空間信息領域相對成熟的技術，是成熟技術在新領域的應用。考古測繪與傳統測繪還存在一定的差異，尤其是對精度指標的要求，相比測繪領域要低一些。考古測繪更加側重考慮對象安全、所處環境以及效果實現的成本和效率等。考古測繪更強調局部細節的表現、相對位置關系的準確等，如出土器物的三維信息記錄，是典型的小場景大數據，需要精細的表現器物的紋飾;隨葬遺物的出土層位和位置是記錄，要準確記錄器物的位置關系和地層疊壓關系等。另外有些發掘場地空間非常局促，很多測繪設備無法使用，如GPS無信號，全站儀無架設機位等，現場條件也增加了測繪的難度和不確定性。

在綜合考慮現場環境及考古需求的條件下，酒務頭墓地用到的測繪技術包括：控制測量、地形測量、傾斜攝影測量、近景攝影測量、無人機攝影測量、三維激光掃描、結構光掃描等。另外還輔助以高光譜遙感分析和地理信息系統管理等。相關測繪技術的應用場景和應用目的見表1。

（三）測繪裝備

酒務頭墓地使用了從空中到地面，從宏觀到微觀，從幾何到光譜的多個維度的測繪技術和其他相關技術，盡可能保證信息的全面記錄。我們對使用的設備進行了統計，列出了沒備的廠家、型號和數據處理軟件等信息，方便同類項目的參考（見表2）。

二、發掘信息記錄

考古發掘信息記錄與發掘出土的遺存共同構成了考古研究的珍貴檔案。國家文物局<田野考古工作規程》（以下簡稱《規程》）規定[37]，考古發掘記錄包括文字、測繪和影像三種形式，構成了統一的記錄系統。文字記錄包括工作日記、遺跡記錄和表格等;測繪記錄包括發掘區、探方、遺跡的平剖面圖以及發掘區的三維點云、三維模型等;影像包括照片、錄像等（圖3）。本文主要探討多種測繪技術綜合應用下的“測繪”記錄方式、內容和成果。我們在酒務頭墓地發掘過程中按照考古工作流程依次開展了測繪記錄。在實施測繪記錄過程中遵循文物保護的基本原則，如最小干預、無損、非接觸等，首先要保證記錄對象的安全。

（一）基礎數據收集

開展考古發掘，首先要了解發掘地點的基本情況，如歷史、環境、水文、礦產、氣候等。獲取信息的主要手段是通過搜集縣志、歷史地圖、相關研究報告和論文等，進而提取與發掘地點相關的信息。聞喜酒務頭墓地發掘項目中我們收集其所在區域的資料包括，發掘區周邊的1：0000地形圖、中條山地區的1：250000地形圖、聞喜縣志、周邊考古研究報告和論文、衛星遙感圖像等，為展開工作奠定了基礎。

（二）建立統一坐標系

考古發掘項目多數使用獨立坐標系，部分項目與大地坐標系聯測，實現最終考古測繪成果的坐標系統一。酒務頭墓地使用西安80坐標系，利用網絡RTK進行控制測量，點位中誤差±5厘米。控制點布設在發掘區周邊或外圍硬化道路旁，便于尋找和使用。控制點標志使用10厘米測釘，并用紅色自噴漆標記。

（三）工作底圖測繪

考古發掘區的正射影像圖和地形圖非常關鍵，是所有考古測繪記錄的底圖，使用了無人機、RTK、全站儀和無人機攝影測量等技術和設備綜合實現。無人機攝影測量是當前最常用的手段，不論在發掘前、發掘過程中甚至發掘結束時都要使用。酒務頭墓地考古發掘中使用Djl Phantom 4Pro進行航攝，飛行高度控制在100米以內，地面站軟件為Djl GS Pro，同時使用RTK測繪像控點，利用Agisoft PhotoScan和Context Capture進行內業數據處理，最終得到發掘區的正射影像圖，影像空間分辨率優于10厘米。在此正射影像圖和局部高程采集的基礎上繪制了非全要素的地形圖，包括等高線、道路、河流、村莊、陡坎等，基本滿足考古工作的工作需求，成圖比例1：1000（圖4）。

（四）發掘分區與探方放樣

根據酒務頭墓地的規模及工作范圍，在墓地西南方向水泥路旁設置中心原點，按照正南北方向繪制笛卡爾坐標系，將整個墓地及周邊環境按照順時針方向分為I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個工作區域。在墓地正射影像圖和地形圖上，以原點為起點設計1 0米×1 0米探方格網，探方編號規則為：年份+區號+T+探方西南角橫軸坐標/5+探方西南角縱軸軸坐標/5。將設計好的探方格網坐標數據導ARTK，并將探方角點依次放樣并立樁布線。

（五）遺存測繪與制圖

遺存測繪和制圖是考古發掘過程中最為關鍵的記錄環節。遺存包括遺跡和遺物兩類，空間尺度差別大，有面積達數百平方米的墓葬，也有面積很小的陶片;遺存色彩豐富，有各種土色、彩繪陶器，也有銹蝕的青銅等。因此遺存信息的記錄應是多維度的全面記錄，不僅要記錄空間信息，還要記錄紋理信息、光譜信息等。酒務頭墓地遺存空間信息的記錄按照發掘區、單個墓葬和出土遺物三個尺度層次來記錄，分別使用不同的測繪技術和設備來實現（見表3）。不同遺存因空間尺度和自身物理特性的差異，對測繪技術的需求也存在一定的選擇性，如無人機適合場景較大的發掘區信息采集;墓葬或出土器物的紋理信息和光譜信息可使用光譜技術獲取。遺存的空間信息記錄主要依靠三維掃描儀、無人機、RTK等設備進行，紋理信息使用高清相機記錄，光譜信息使用高光譜成像儀和ASD地物光譜儀記錄（圖5）。

酒務頭墓地在綜合的使用多種測繪技術后，發掘過程全面記錄及成圖、遺存信息展現與分析等方面比傳統的考古測繪和制圖效果提升顯著，成果更加全面、更具有可讀性，可為規劃、文保等專業的人員提供更多的信息和素材。當然，由于技術的局限性和應用條件的限制，部分技術的應用仍需進一步的實踐和完善，如高光譜成像及ASD在國內考古發掘現場使用較少，相關的分析成果及波譜庫的建立仍需進一步完善。

（六）發掘信息綜合管理

經過上述幾個階段的信息記錄，積累了大量的矢量、柵格、文字等各種類型的數據。為方便數據的使用和管理，酒務頭墓地發掘使用由武漢數文開發的考古工地數字化管理平臺來實現考古數據的綜合管理。該平臺主要是運用網絡、CIS和數據庫等技術，在建立考古工地綜合數據庫的基礎上，搭建的多級考古項目及工地信息采集、數據管理、查詢統計、研究分析的集中平臺。該平臺的使用，一方面是整合了各種考古資料數據，方便考古人員隨時隨地對各種信息資料進行查詢檢索，提升了考古數據的使用效率;另一方面是考古數據能通過表格、圖形、三維模型等形式呈現，提高了考古數據的可讀性，為墓地后續的研究和保護提供了支撐。當然，在使用過程中也遇到了數據量大、數據格式不兼容、操作人員不熟練等問題，均需進一步完善和提高。

二、問題和討論

考古發掘信息記錄和出土文物遺存共同構成了考古研究的珍貴載體，二者缺一不可。如果沒有完整科學的記錄，考古發掘的意義將大大消減。酒務頭墓地考古發掘過程中，不僅進行了文字和影像記錄，同時使用先進的測繪技術進行“測繪”記錄，包括了位置、點云、模型等信息，繪制了正射影像圖、地形圖、探方平剖面圖等圖紙，還使用高光譜相機獲得墓室內部的高光譜影像，使用億像素級相機獲得了遺存的紋理信息，實現了空間+光譜+紋理信息的同步記錄，是一次非常有意義的集中使用多種測繪技術的典型案例。

多種測繪技術的綜合應用使得考古發掘現場的信息記錄得到極大的豐富，也為遺存的空間分析提供了幫助;但同時也帶來一系列的問題，如多源異構的大數據，預算成本的增加和人員使用等問題。

1.產生了多源異構的大數據。測繪記錄的數據類型多，數據量大，不僅使數據存儲、管理等方面難度加大，還對存儲空間、數據的深度融合等提出更高的要求。如何讓考古發掘記錄的數據之間互聯互通，實現數據有機融合難度較大。否則數據僅僅是一堆數據，無法真正實現為考古研究服務。我們在應用實踐過程中從控制測量和考古研究需求人手，一方面讓所有的測繪記錄構建在一個大的坐標體系內，首先要保證位置關系不會亂;另一方面根據研究對象的需求，確定測繪數據記錄的精度和范圍.盡可能減少冗余數據，在當前計算機軟硬件支持和研究需求的條件下實現測繪記錄的融合。

2.預算成本增加。多種測繪技術的使用，涉及到諸多沒備和軟件，尤其是三維掃描和高光譜成像設備，動輒幾十萬甚至上百萬，致使技術服務成本增加。本案例使用的設備多是自有或其他科研機構共享的，才能使成本降低。因此，在行業內有必要構建一套良好的設備技術共享機制和技術標準，不僅僅是測繪技術和設備，還應包括將其他相關的自然科學技術也納入進來，共同為考古研究服務。

3.人員的問題。測繪技術應用與考古發掘信息記錄是一項有意義的工作，也受到了眾多考古工作者青睞。但考古項目開展時，是否使用或怎么使用又成為選擇題，很多人持觀望的態度。要改變這種現狀，需要從兩方面人手，一方面需要考古研究人員對新技術認可和使用，另一方面需要技術人員了解考古或歷史，對歷史遺存要有敬畏感。只有當兩者充分結合在一起，才能產生良好的化學反應，測繪記錄才能高效并有用。

四、結論

酒務頭墓地考古發掘過程中的測繪記錄對我們認識酒務頭墓地的價值起到了非常積極的作用，不僅展現了墓地的選址、規模、分布等，還讓我們直觀地看到了墓葬的結構、體量等，對認識墓地在晚商時代的功能、等級提供了幫助。準確記錄的遺物出土位置和三維信息，為判斷墓地的年代和文化屬性起到了至關重要的作用，也為理清墓地的族屬及其和安陽的關系提供了重要線索（圖6）。高光譜影像記錄和分析為研究晚商顏料的使用和來源提供了線索，也為認知肉眼看不清的圖案提供了幫助。酒務頭墓地是眾多考古項目中的一個，隨著考古理念和測繪技術的進步，越來越多的考古項目將會把測繪作為考古記錄的一項重要工作。

隨著國家對文化遺產保護的重視，多種測繪技術綜合應用到一個發掘項目成為可能，本案例就是一個很好的參考。測繪記錄內容是多方面的，不僅要記錄空間信息，還要記錄紋理信息、光譜信息等，同時還要結合傳統的文字記錄和圖像記錄，共同構建一個完整的記錄體系，服務于考古學研究。

未來，隨著人工智能、云存儲、云計算等相關技術的發展，測繪技術在考古發掘信息記錄方面的應用會日趨成熟。但不管技術怎么發展，還應以考古研究的需求為導向，讓測繪技術能為考古研究服務，讓考古人認可測繪，讓測繪人懂考古，真正實現二者的有機融合。

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（責任編輯：孫秀麗）