田野考古中遺跡方向的測量

古人對方向的認識

從某種程度上講，田野考古工作就是提取被研究對象信息并進行研究的過程。遺跡的方向和空間位置是研究古人生活方式非常重要的兩個要素，因此準確測量出遺跡的方向坐標，對研究古人的思維方式及遺址的空間位置具有重要意義。

從殷墟已出土的甲骨卜辭中可以解讀出中心，東、南、西、北（四正），以及東北、東南、西北、西南（四維）的全方位概念。與四正相比，四維的出現次數較少，而四維之中又以東北、西南的方位比較常見，西北、東南的方位較為少見。由此判斷，方位體系在商人的概念里已經非常完善，這也對商人的生產生活有顯著的影響，例如都邑、房屋的建造及墓葬埋葬方向選擇等。商人將東北方位尊為吉向，認為東北方位為尊，比如鄭州商城、偃師商城、洹北商城等均為北偏東方向。楊錫璋先生認為，商人墓葬埋葬方向也多為北偏東方向。目前商代遺址考古發掘中并未發現用于測量方位的工具。因此推測商人應該是利用太陽、北極星等進行方位判定。商人對方位的理解和認識，對西周也產生了一定的影響。

現代田野考古發掘中經常使用圓盆式地質羅盤儀（以下簡稱羅盤儀）對遺跡方向進行測量。羅盤儀利用磁石與地球磁場的物理特性實現指北。最早發現并記載磁石可以吸鐵特性的是戰國時期《呂氏春秋》，書中提到“慈石召鐵，或引之也”。然而當時并未將其指北的特性應用于判斷方向，直到東漢王充在《論衡》中才較為準確提出“司南之杓，投之于地，其柢（抵）指南”，以此特性制作成司南。北宋沈括在《夢溪筆談》中完整記錄了“人工磁化”制作指南針的方法：“方家以磁石磨針鋒，則能指南”，并準確提出磁偏角的存在，“常微偏東，不全南也”。

古人測量方向的另一種方法是日影定向法，在同一天的不同時間對豎直桿子的日影進行測定，并將影子兩點連成一條直線，這條直線為東西方向，與這條線垂直的直線則為南北方向，向著太陽的一方為南方，反之則為北方。該方法在同一天不同時間測量，會存在一定的誤差，只能用于判斷大致方向。

現代田野考古常用指北方向

磁北方向、真北方向和坐標北方向是現代田野考古發掘中經常使用的三種指北方向。

三種指北方向特征

磁北方向即磁子午線北向，地球表面某點上的磁針在地球磁場的作用下，自由靜止時其北端所指的方向為磁北方向。磁北方向可用羅盤儀測定。

羅盤儀具有較高的便攜性、易用性和精確度，由磁針、刻度盤、長照準器、反光鏡、水準器等幾部分安裝在一個銅、鋁或木制的圓盆內。測量時，羅盤儀與遺跡標準基線平行，長照準器指向基線原點方向，并保證水準器水平，根據磁針指向刻度盤的度數，獲取遺跡的磁北角度。

真北方向即真子午線北向，是指沿著地球表面朝向地理北極的方向。由于北極星在天空中的位置變化極其微小，所以通常以指向北極星的方向為真北方向。真北方向可以利用陀螺經緯儀測得，因其測定和操作相對復雜，在田野考古中使用較少。

坐標北方向即坐標縱線方向，是高斯平面直角坐標系中坐標縱軸所指的方向。某點的坐標北方向可以利用RTK測繪儀器獲得。

RTK（Real-Time Kinematic）即“實時動態測量技術”，是以載波相位觀測量為根據的實時差分測量技術。基準站通過數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給移動站，移動站在接收數據的同時采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，從而獲取測量點的三維坐標，精度可達厘米級。

三種指北方向參照的標準不同，會存在三個夾角。其中磁北方向與真北方向的夾角為磁偏角，真北方向與坐標北方向之間的夾角為子午線收斂角，而磁北方向與坐標北方向的夾角為磁坐偏角。

磁北方向因為受地球磁場等作用的影響，具有不穩定因素，方向會不停地變動。真北方向由于地球的球體幾何形態，在繪制地圖時，采用比例小于1∶50萬的地理坐標網，且真北方向的測定和測繪相對比較復雜，不適合考古繪圖使用。

隨著RTK的普及和2000國家大地坐標系的使用，坐標北方向更符合我國測繪標準統一的要求，方便考古學與其他學科更好地協同合作。并且坐標北方向與磁北方向、真北方向相比具有固定不變的優點。基于上述原因，坐標北方向更適合作為田野考古北方向的標準。

羅盤儀校準磁坐偏角的方法

早期田野考古發掘中會使用羅盤儀布置探方，但只適合小范圍遺跡布方，無法對發掘區域進行系統布方。全站儀普及后，田野考古工地開始使用全站儀進行布方。全站儀布方較為精確，但沒有衛星定位功能，需要在發掘區域內設置永久性固定基點。而且不同發掘區域需要移動基準站，操作較為復雜。兩種方法布置的探方均為磁北方向。

隨著測繪技術的發展，RTK布方已經逐漸取代羅盤儀和全站儀，成為田野布方的新寵，它利用衛星定位功能對遺址進行大范圍系統布方。但RTK使用的是坐標北方向，與羅盤儀測量的磁北方向存在磁坐偏角的角度誤差。以安陽殷墟遺址為例，殷墟遺址地理坐標為北緯36°6′—36°8′，東經114°17′—114°20′。磁坐偏角誤差為北偏西6°—8°。磁坐偏角的存在會嚴重影響考古發掘中遺跡的繪制和方向的判斷。并且從資料的一致性和有效性角度而言，必須考慮磁北和真北因自然偏轉造成的測量誤差，這種誤差對研究工作會造成較大影響。

為解決RTK坐標北與羅盤儀磁北的磁坐偏角誤差，我們可以使用簡易的方法獲得磁坐偏角并對羅盤儀進行校準。首先在發掘區域的空曠位置，使用RTK測量出南北A、B兩點，使A、B兩點位于坐標北的同一軸線上。然后使用激光水平儀或基線將A、B兩點連接，此時A、B兩點即為坐標北的正南北。之后將羅盤儀水平放置，并與激光或基線平行，長照準器指向北側點，測量出磁坐偏角角度，最后使用偏角調節器對羅盤儀進行校準，使其長照準器指向0°，與A、B兩點一致。矯正后的羅盤儀所測的方向，即為坐標北方向。

羅盤儀測量古遺跡方向的標準

古人在埋葬或者建造房屋的時候，會存在一定的約束機制。而通過研究墓葬、房基等遺跡的建造方向，可以反向研究古人的約束機制和城市布局、功能分區等信息。

田野繪圖時原點對方向的影響

現代田野考古繪圖時，經常會使用導線垂距法、平板儀射線法、距離交會法和方格米網法等測繪方法。其中導線垂距法操作簡單，適合小范圍的遺跡繪制，因此較為常用。

導線垂距法也稱直角坐標法，需要用到的測量工具有皮尺、鋼卷尺、標準基線和羅盤儀。繪圖步驟可分為三步：首先使用標準基線和皮尺選擇遺跡的適當位置，并制定一條水平基線，視為坐標軸，用來測量遺跡各部位未知點的基準，這條標準基線也是繪制遺跡剖面的實際位置。然后使用鋼卷尺垂直標準基線，測量遺跡特征點到標準基線的垂直距離，根據測量的數值按一定比例關系相應地縮繪于圖上。最后，校準羅盤儀的磁北方向，使其與探方坐標北方向一致，使羅盤儀的長照準器水平放置，對準標準基線的原點即皮尺的零點，便可以獲得遺跡坐標北方向的數據。

繪制遺跡圖時，原點方向設置的不同，會影響到羅盤儀讀取方向北數據的差異。例如一座正南北方向的土坑豎穴墓葬，如果將原點設置在北方向，那么羅盤得出的數值為0°，但如果將原點設置在南方向，則羅盤讀出的數值為180°。因此，原點設置應該以反映遺跡方向的特點和性質為依據，才能準確獲取遺跡的真實方向。

原點方向設置的標準

古墓葬類 古墓葬的類型較多，如土坑墓、磚石墓、石室墓、巖洞墓等。但歸納起來也可以分為兩大類，即有墓道類和無墓道類。

無墓道的墓葬標準基線零點應以墓主頭部為原點，這樣可以較為準確反映古人埋葬的實際方向，繪圖時也較為方便。而且可以從羅盤儀的讀數上快速判斷出墓主頭向的大概方位，例如0°、90°、180°、270°可以判斷墓主頭向為北、西、南、東四個正方向；而316°—359°可以判斷為北偏西墓葬，1°—45°為北偏東墓葬；46°—89°可以判斷為東偏北墓葬，91°—135°為東偏南墓葬；136°—179°為南偏東墓葬，181°—225°為南偏西墓葬；226°—269°為西偏南墓葬，271°—315°為西偏北墓葬。

繪制有墓道的墓葬時，一般會將基線原點設置在墓道頂端。這樣可以較為方便地繪制墓葬平、剖面圖。同時墓道方向也能反映出古人埋葬時的方向。帶有墓道的墓葬相對于無墓道墓葬，在繪制時更加復雜。特別是帶墓道的磚室墓，僅依靠一條基線是無法完成繪制的，需要增加若干條輔助基線。輔助基線的方向應與主基線相垂直。測量墓葬方向時，以主基線零點為測量依據，而墓主埋葬方向，則需要單獨對墓主頭向進行測量。

被盜墓葬，則需要根據墓葬實際情況分析墓葬方向。如墓主骨骼并未完全擾亂，可以辨別墓主埋葬方向，則以墓主頭部方向為準。對于擾亂比較嚴重無法分辨墓主頭部埋葬方向的，則需要根據陪葬物擺放順序、棺槨、頭箱、壁龕等痕跡判斷墓主頭部方位并進行測量。

古居址類 古居址遺跡種類包含有灰坑、房址、車馬坑、窯址等。古居址方向的確定，應該以反映居址特性為依據。

灰坑一般是指古人將垃圾傾倒至凹坑內，使垃圾在坑內腐爛而形成灰色土壤的古代遺跡坑。灰坑多數為不規則或規則的圓形坑，因此對于灰坑的方向測量，應依據兩個方面進行確定。第一，以灰坑的形狀特性為依據。標準基線位置可以真實反映出灰坑的特點和剖面的形狀，例如窖穴基線方向的設置，應以反映窖穴步梯形狀和走向的特性為依據。第二，以灰坑填土堆積情況為方向設置的依據。根據灰坑填土堆積的早晚情況，將基線原點設置在完整表示填土早晚堆積剖面的位置，以此繪制灰坑的平剖面圖，并測量灰坑方向。

古代房址多為方形或圓形。因此，房址的方向測量應以門道方向為測量依據。門道為房屋的進出通道，門道的方向可以反映出房址建造時真實的朝向。如果房址被破壞，無法判斷其門道位置，可以根據房址的形制、柱網結構、房屋結構等因素判斷房屋朝向。

車馬坑主要包括兩個部分—車和馬。以商代車馬坑為例，車包含有車衡、車轅、車軸、車輪、車輿等。馬一般為兩匹，分別位于車轅兩側，馬尾朝向車輿。用羅盤儀對車馬坑進行測量時，應以羅盤儀的長照準器指向車轅方向，短照準器指向車輿，這樣測量車馬坑遺跡方向較為準確科學。

常見的古代窯址結構包括窯室、窯頂、煙道、火門、火膛、火道、窯柱、窯箅、火眼、操作間等。其中火門是進燃料的通道，位于窯體前端，煙道是排出廢棄空氣的通道，位于窯址后側。因此在測量窯址遺跡方向時，將基線原點設置在火門處較為合理。對于龍窯等特殊形制窯址，則需要根據其特殊性，合理設置基線及原點位置。

磁北與坐標北在多視角三維重建中的差異

隨著計算機繪圖的普及，多視角三維成像技術在田野考古繪圖中得到廣泛應用。特別是面對復雜的遺跡現象，使用數碼相機對遺跡進行全方位拍攝，獲取遺跡的數字影像。之后使用全站儀或者RTK對遺跡控制點進行測量，獲取遺跡控制點坐標數據。將遺跡完整的數字影像導入計算機，利用多視角三維重建軟件對遺跡進行三維建模。建模完成后將控制點數據輸入遺跡三維模型內，得到遺跡三維模型的具體數據。最后使用電腦繪圖軟件，對遺跡三維模型進行線圖繪制，獲得遺跡的平剖面圖。

測量遺跡控制點時，如果使用的是磁北方向，則遺跡模型正投影方向也會為磁北方向。當探方為坐標北方向時，遺跡三維模型會與探方存在磁坐偏角的問題。解決該問題的方法有兩種：第一種方法是對全站儀磁北方向進行校準，使其與坐標北方向一致；第二種方法是在軟件中對遺跡方向進行校準，將遺跡正投影校準為坐標北方向。

如果使用坐標北方向對遺跡控制點測量，并使用2000國家大地坐標系，則測量的控制點數據為絕對數據，與國家大地坐標系相關聯，遺跡模型正投影方向為坐標北方向。若使用RTK布方，則探方與遺跡模型同為坐標北方向，北方向角度一致。因此對遺跡進行多視角三維重建時，控制點北向應與探方北向保持一致，防止遺跡北方向與探方北方向不一致而出現偏差。

綜上，坐標北方向與磁北方向、真北方向相比具有固定不變的優點，同時也能真實客觀地反映出遺跡的相對位置。特別是國家文物局要求“考古遺址”一張圖及2000國家大地坐標系的使用等原因，坐標北方向逐漸替代磁北方向、真北方向，成為現代考古指北的標準。因此在考古工地開工前，必須對羅盤儀進行校準，使羅盤儀磁北方向與坐標北方向保持一致，確保遺跡測量數據統一。

現代考古學越來越重視遺跡方位的問題。在田野考古發掘中，方向的確定成為發掘之前首要解決的問題。不管是羅盤儀或者RTK等測量工具，其核心目的是更好地服務考古學，為考古學提供真實、有效的基礎數據，使考古學更加科學、嚴謹、系統地研究人類古代社會歷史。

（作者為中國社會科學院考古研究所安陽工作站文博館員）