數智時代下考古材料信息的數字化建設與數據可視化研究

摘要：考古材料是考古學進行研究和解釋的重要物質基礎，隨著考古挖掘的不斷積累，逐步形成豐富珍貴的物質材料庫，大量考古材料關聯的非結構化信息數量迅速增長，傳統的信息管理手段難以滿足數智時代下對考古材料信息數據管理的要求。借助三維數字化模型、虛擬現實技術、大數據分析、數據可視化技術等先進數字技術手段，考古材料信息的數字化建設和數據可視化分析能力不斷加強，顯著提升信息管理的數據安全性、數據挖掘及可視化分析能力，在增強考古材料信息管理能力和效率的同時，為考古學研究創新提供了新的視角和科學依據。

關鍵詞：考古材料；數字化建設；數據可視化；數字技術

考古學是一門以物質遺存研究為中心來探索人類過去的學科，而物質遺存不僅是人類生產生活的直接見證，也是文化意義的主要載體[1]。隨著信息技術的不斷革新，數字化和智能化的數字技術手段逐漸以多種形式融合到考古學研究的各個方面，助力考古學朝著更加自動化、科技化的方向發展。考古材料種類規模多樣，包含信息細節豐富，除了不可移動的遺址、遺跡、建筑物等大型遺存之外，數量占據絕大多數的是由各地區標本庫房保存的人骨、動植物遺存、陶器、石器、金屬器等標本，且數量和規模不斷擴大。因此，考古材料所包含的海量復雜的信息數據不斷擴增。面對數智時代下智慧化的數據信息管理先進理念和模式，不論從學術研究角度還是管理保存角度出發，考古材料信息管理都應積極借助先進的數字技術手段，加強數字化建設及數據可視化研究，在提升管理效率和能力的同時，深度挖掘其背后蘊含的巨大的學術研究價值和意義，同時也是加強遺產資源管理與提升考古科研創新能力的必然要求和發展趨勢。

一、加強數字化建設是考古材料信息管理的發展趨勢

1.數字技術發展多角度助力考古材料信息管理

考古材料信息管理貫穿于考古研究工作流程的全過程，從前期的戶外調查和田野考古挖掘，到收集和整理文物和遺跡資料，再到對考古材料開展交叉學科的實驗研究，都離不開對考古材料信息的數字化管理和數字技術的應用。借助現代測繪、計算機圖形學和數據庫等技術，在田野考古各工作環節中形成的一系列多類型考古材料信息，逐步實現電子化、數據化、智能化的管理[2]。水下考古是考古學的組成部分或重要分支，是陸地考古向水下的延伸[3]。水下考古涉及的考古材料主要有古船、古代水利工程設施、沉船、飛行器殘骸、人類散落的遺跡等。近年來引入信息技術與精密科研儀器，產生了大量的電子數據，多地建立如水文化遺產數據庫等智慧化數據管理服務系統[4]。先進多樣的數字技術正多角度、全方位地交叉融合到考古材料信息管理領域，在考古挖掘階段采用三維數字技術、地理信息技術，優化了考古材料數字信息的采集和構建流程。基于計算機信息技術、數據庫技術搭建的數據管理系統，大幅度提升了考古材料數字化信息的存儲與管理性能，借助大數據分析、云計算、人工智能技術，使考古材料數據管理具備智能化分析與可視化共享能力。

2.提升考古材料信息管理的數據安全性

由于考古材料本身價值的珍稀性和唯一性，確保其安全完好地運送到各地庫房永久保存，是加強文化遺產資源保護傳承的首要任務和要求。然而，考古材料在到達標本庫房入庫保存之前，需經過挖掘出土、采集搬拿、包裝運輸和清理修復等一系列環節，每一個環節都面臨著復雜的材料損害風險，且損害過程往往不可逆、不可修復[5]。不同種類考古材料的保存對環境條件有不同的要求，包括溫度、相對濕度、光照度、大氣環境、生物危害等因素，如果無法滿足適宜的保存條件，則材料極易出現劣化、病害和污染等現象[6]。因此，考古材料信息管理具有容錯性小且錯誤難以恢復、安全要求等級高、材料數據準確度要求高的特點，借助數字化手段可為考古材料管理在入庫保存前后階段均提供良好的安全性解決方案。在考古挖掘現場，利用三維激光掃描和數字化三維建模技術準確記錄考古材料出土過程的現場空間測量數據；在考古材料入庫后，采用計算機斷層掃描技術（CT）、圖像處理技術等多種數字化信息采集技術，多維度豐富各考古材料信息數據庫。作為考古材料在入庫前的重要田野考古信息記錄和入庫后重要的自身屬性數據，數字化的信息采集和存儲有效提升了信息管理的完整性、準確性和效率。相較于傳統的物理紙質記錄信息管理手段，數據存儲技術采用分布式云存儲系統、數據加密、容錯備份等多種科技手段提升并保障數據的安全性和實時性。多種信息的數字化使考古材料管理具備更高的容災、抗災能力，在實現安全長期存儲的同時，滿足多人同時實時調取、隨時查看任意數據信息。

3.挖掘分析考古材料信息背后的大數據價值

大數據分析是指通過對大規模數據集的分析和挖掘，提取并解讀出數據背后潛在的關聯價值和規律信息，主要技術包含數據采集、數據預處理、數據存儲和數據分析。考古材料的數據信息包含基礎測量數據、三維數據模型、鑒定檢測數據、文獻分析數據和修復復原數據等種類繁多的基礎數據，并隨著考古挖掘工作的持續開展，考古材料及其相關聯的信息不斷擴增，數字化信息數據采集和管理是大數據分析的基礎和重要數據來源。依托在線數據管理系統和智慧管理平臺，考古材料的數據管理水平和效率顯著提升，并為考古材料關聯的大量非結構化信息數據的存儲和整合提供技術基礎。陜西省文物保護研究院整合統計豐富的文物實體及其關聯的大量文物信息，建立翔實系統的數據庫，并通過數據處理模型進行大數據分析，為文物鑒定提供了重要的科學依據[7]。考古材料數據具有增長速度快、種類豐富多樣、數據非結構化、數據價值隱蔽等特點，依靠傳統的分析管理方法，難以全面分析整體的數據特征及其相互關系，從而無法準確地反映數據所蘊含的價值關聯，且易出現遺漏和偏差。大數據分析借助數據挖掘、云計算、機器學習等技術手段和強大的計算機硬件設施，自動化學習并分析海量數據蘊含的未知規律和研究意義，在確保結果準確性的同時保證高效的處理速度，為考古材料分析和研究提供新的視角和科學依據。

二、考古材料信息的數字化建設方法研究

1.三維數字化模型高精度還原材料形態

在先進的計算機圖形技術和高性能的計算機軟硬件條件支撐下，三維數字模型能夠高度還原物質實體豐富的空間信息和高精度的紋理細節信息。考古材料由于價值珍貴、信息細節豐富，且隨著保存時間的流逝，老化風險增加，借助數字化三維建模技術可以高精度還原考古材料形態的細節信息，包括顏色、劃痕、形狀、尺寸等。完成考古材料在入庫前的三維數字化建模流程，首先是利用三維激光掃描或近景攝影測量技術，全方位、無接觸地精確采集材料的所有細節特征，然后對獲得的點云數據執行預處理、去噪、拼接等操作，以提升數據質量。優化后的數據通過計算機建模軟件和圖像處理技術進行重建并優化，生成高還原度、高分辨率的三維數字化模型。最后利用相機采集的紋理和顏色素材圖像，對三維模型進行貼圖處理并根據渲染結果進一步優化，提升模型的真實感和細膩感。考古材料的三維數字化模型是考古材料信息管理中重要的數字資源，將物質實體信息無損精準映射到數字空間實現永久保存，詳細記錄考古材料入庫時的原始形態數據，為在此基礎上開展后續的模擬復原、虛擬重建等研究提供寶貴的原始資料數據庫。

2.虛擬現實技術創新考古材料研究方法

虛擬現實技術（VR）借助可穿戴式硬件互動設備，實現在虛擬環境中與場景和物體的沉浸式交互，并且隨著信息技術和硬件設施的不斷進步與發展，虛擬現實的互動性與真實性進一步提升。考古材料信息數字化采集與存儲方案的普遍應用，為考古材料的研究和展示方式提供了全新的數字化創新契機。基于數字化三維建模技術搭建的虛擬仿真平臺和虛擬現實模擬實驗環境，將考古材料本體完全復刻呈現在虛擬空間中，打破了由于考古材料存儲的時空限制而難以開展廣泛研究的困境。在不接觸考古材料實體、對考古材料無損害風險的前提下，滿足多個用戶通過網絡實時并不限次數地開展沉浸式的教學體驗和觀察研究活動。鄭州大學歷史學院開發的“田野考古發掘虛擬仿真實驗”網絡平臺，通過虛擬技術還原遺址內的地層、遺跡等堆積的結構情況，模擬復雜遺址的田野考古發掘工作流程，并進一步開發支持虛擬現實交互設備的系統版本[8]。北京大學考古虛擬仿真實驗教學中心設計開發的“文化遺產VR數據庫平臺”，將野外探查測繪獲得的文物古建筑數據上傳至數據庫，通過VR平臺實現對古建筑形制和拼接的教學[9]。考古材料的虛擬仿真研究平臺同樣具有重要意義，在作為珍貴的考古材料的一種數據化備份保護方案的同時，實現數據的實時共享，在不受限制、多角度地在虛擬環境中對材料進行測量、觀察等研究與教學，提升了考古材料信息數據的使用價值和頻率。

三、考古材料信息數據的可視化分析

在新時代建設文化強國背景下，考古遺跡和歷史文物的保護和利用是弘揚中華優秀傳統文化的重要任務和手段。豐富多樣的考古材料信息數據不斷產生和積累，使可供挖掘與分析的優質數據日益豐富，數據價值和蘊含豐富信息的可視化呈現和分析，為考古研究提供了新的視角和便利。

1.Echarts數據可視化技術的應用

數據可視化通過可視化工具，使數據的視覺表現形式更加立體豐富，將隱蔽在數據中的信息直接呈現出來，提升了數據的表達效率和數據間的聯系效率。Echarts數據可視化技術是一款兼容性強、具有較強的數據處理和數據轉換能力的、支持多種可視化圖表類型的可視化工具，不同類型的考古材料信息數據基于Echarts技術的可視化展示與實踐，均表現出優良的性能。中北大學景志宇建立特定文物數據庫挖掘文物數據價值，并結合Echarts技術實現數據的可視化，采用不同的圖表類型來展示館藏文物數據，將挖掘的信息直觀呈現，并有效揭示了數據價值的關聯和意義[10]。北京郵電大學安寧基于各種類型文物中的傳統紋飾構建數據模型，利用Echarts可視化技術，通過地理地圖可視化和隱喻地圖可視化的方式展現紋飾之間的關系及演化過程，為挖掘更多有價值的信息提供便利[11]。借助數據可視化技術手段，將復雜多樣的考古材料信息數據通過圖形、圖像等形式直觀地表達出來，使得大量數據的基本特征和分布情況，多維度清晰展現，可謂一目了然，且更有利于挖掘和發現隱藏在信息數據背后的規律和特征，從而提升從海量無規律數據中提煉有價值信息的效率和能力，為考古材料信息數據研究提供科學有力的支撐。

2.數據看板和地圖可視化呈現

不同種類考古材料出土的地理位置信息，可以反映不同區域的考古學和地方史研究的重點內容和發展趨勢。對于考古材料地理位置數據的可視化分析，可以幫助快速定位文物密集分布的重要地點，并實時更新不同地理位置最新挖掘出土的考古材料信息，通過數據看板和地圖可視化的形式進行呈現，對考古調查和文物保護具有重要的指導作用。數據看板可以將與考古材料相關的出土遺址、地理位置、年代等重要信息以多種形式、不同維度展現在數字化大屏中，通過自助式交互操作實現個性化的可視化分析，以滿足不同側重點的數據挖掘與對比。其中，考古材料信息數據看板中的地理數據可視化將地理數據信息具象投射到數據地圖上，以地圖的形式來直觀呈現和分析數據的關聯性，數據地圖包含2D/3D矢量地圖、邊界地圖、瓦片地圖等多種表現形式，基于地圖地區的不同數據，根據需要，支持以不同的效果疊加多層展示在同一地圖中，如散點效果、飛線效果和熱力效果等，并且進行縮放查看特定區域的詳細數據。從地理位置信息角度展現考古材料，實現對不同地理位置的考古材料情況的實時監控，幫助及時準確掌握各區域考古材料的類型和規律，從而更好地對考古材料開展挖掘與保護工作。

四、結論

考古材料信息的數字化建設貫穿于考古材料挖掘與管理的全過程，借助先進科學的信息化數字技術建立考古材料的數字化三維模型、數據管理系統和虛擬仿真研究平臺，通過無損高效的方式將考古材料信息精準提取并存儲到數字空間，有效提升了信息管理的數據種類豐富性、數據安全性和數據實時共享性。大量的考古信息數據通過數據挖掘和可視化分析來高質量提取隱藏在信息背后深層次的價值、規律和關聯關系，為考古遺產資源管理保護和考古學科創新研究提供了新的科技動能。

參考文獻：

[1]陳勝前.建設新時代中國考古學理論體系[J].歷史研究，2021（01）：23-31.

[2]馮永恒，黃偉，方輝.知識·遺產·記憶：田野考古檔案資源智慧化轉型路徑探析[J].檔案學研究，2022（05）：81-88.

[3]宋建忠.水下考古與中國行動[J].文物天地，2022（05）：113-117.

[4]任婧怡.水下考古數字檔案中心構想——基于對山東省水下考古研究中心和山東省考古研究院的實地調研[J].蘭臺世界，2023（11）：23-28.

[5]姜為民.考古發掘中文物的采集與保存[J].收藏，2023（03）：105-108.

[6]徐方圓，劉曉立.文物儲存環境的現狀和前景[N].藏書報，2023-04-03（011）.

[7]井明，許彩蓮，權敏.文物鑒定中大數據應用分析初探[J].文博，2020（04）：86-89.

[8]陳博，楊曉慶.考古發掘虛擬仿真實驗的建設與思考——以體素模型應用為中心[J].文物保護與考古科學，2021，33（05）：93-101.

[9]張劍葳，吳煜楠.虛擬仿真技術在文物建筑教學中的應用探索[J].中國大學教學，2019（11）：66-69.

[10]景志宇.基于特定文物數據的可視化分析研究[D].中北大學，2020.

[11]安寧.一類傳統紋飾演化關系發現與可視化研究[D].北京郵電大學，2020.

作者簡介：

趙瑞（1993—），女，吉林遼源人。工程師，碩士，研究方向：數字化考古與文化遺產保護、實驗室建設與管理研究。