基于ArcGIS的虚拟布方技术在大遗址考古中的应用——以哈萨克斯坦拉哈特遗址、陕西澄城刘家洼遗址为例

□赵汗青

ArcGIS是美国ESRI公司研发的地理信息系统 （GIS）产品，主要包含 ArcMap、ArcCatalog和ArcToolbox三大应用程序，通过这三个程序的协调工作，用户可完成包括制图、数据管理、空间分析、数据编辑和地理处理等多种GIS任务[1]。

在以往的田野工作中，考古工作者通常使用罗盘、皮尺，针对所需要的发掘区域布设探方，这样难以建立大范围统一、精确的控制系统。如果两片发掘区域距离较远、发掘时间相隔较长的话，想在一张底图上记录长期以来的发掘成果就很困难。随着专业测绘仪器及地理信息软件的普及，在更大范围内进行整体虚拟布方，跨时空收集整合考古资料成为可能。

2017—2018年，陕西省考古研究院和哈萨克斯坦伊塞克国家历史文化博物馆联合组队，对位于阿拉木图（哈萨克斯坦最大的城市）市区以东50千米、阿拉套山北麓的拉哈特遗址开展了考古调查及发掘工作。拉哈特遗址中心是一座近长方形的高台，顶部小、底部大，高约18米，顶端面积约1万平方米，周围有两道壕沟围绕。据当地考古人员的说法，该高台遗迹很可能是公元前7世纪—公元前3世纪的塞人王族生前的居住处所，也就是塞人王族的宫殿所在。1969年在伊塞克镇发掘过塞人王族的墓葬，由于墓葬中出土了黄金制作的完整衣服，故被命名“金人”墓葬，该发现对中亚古代考古研究有着很大影响。

哈萨克斯坦伊塞克国家历史文化博物馆和陕西省考古研究院就拉哈特遗址、周边遗存的考古工作签订了为期5年的合作协议。为了科学规划这5年的考古工作，统一收集工作成果，在地面踏查、考古钻探的基础上，使用ArcGIS对遗址周边1平方千米范围进行了虚拟布方，共布设10米×10米探方1万个。

一、布方前准备

（一）坐标系的选择

为了保证虚拟布方尺寸在ArcMap中的准确性，坐标系应选用投影坐标系，忌用地理坐标系。因为地理坐标系是基于球体的坐标系，而非平面坐标系，它使用基于经纬度坐标系统来描述地球上某个点所处的位置[2]。随着经纬度的变化，在ArcMap中布设的探方尺寸会有不同，在实际放样过程中也会产生较大误差。同时，由于域外考古的特殊性，无法采用国内现有成熟坐标系，因此笔者采用WGS84坐标系，UTM投影 （通用横轴墨卡托投影）对拉哈特遗址进行控制测量。

（二）底图的选择

随着无人机、RTK等设备的普及，获取遗址大范围正射影像已经不是一件难事。考虑到便于领队规划田野工作、后期探方放样等因素，使用ArcGIS布方时，应尽量采用比例为1：2000或以上的正射影像。不便获取遗址正射影像的，也可使用谷歌地球中提供的卫星影像。

在使用正射影像时，要保证像控点、ArcGIS、放样RTK等处于统一坐标系内。使用谷歌地球卫星影像时，要对所下载的卫星图像进行坐标系转换或图像校准，亦保证其处于统一坐标系。

（三）基点的选择

虚拟布方的基点可以采用实地控制点，也可以采用虚拟基点。使用实地点时，需测量该点准确坐标，在ArcGIS中标注，结合底图开展布方工作。使用虚拟基点时，可在ArcGIS中加载底图，选择合适位置标点。虚拟基点应在重要遗迹的整数距离处布设，避免遗迹跨探方，给资料记录带来不便。

二、具体步骤

（一）加载底图

打开ArcMap，点击添加数据，建立文件夹链接。选择底图存放文件夹后，添加底图（图1）。

（二）建立基点

在拉哈特遗址高台上，有一苏联时期的大地测量标志，笔者原拟以该点为整个发掘区域的基点进行探方布设，但以该点为基点，无法完全将拉哈特高台置于同一象限分区内。遂以该点为基础，向西460米，向南200米设置虚拟基点，布设10米×10米探方1万个。

首先，打开ArcCatalog，右键选择新建Shapefile文件，要素类型选择“点”。为了便于调取数据，在使用ArcCatalog时，建立的文件夹链接宜与底图等数据文件夹一致。同时，通过实测的苏联基点坐标推算虚拟基点坐标并记录（图2）。

其次，在ArcMap中，添加虚拟基点（操作同添加底图）。添加完毕后，启用编辑器工具，输入推算出该点坐标（图3）。

图1 加载底图

图2 新建Shapefile

图3 添加虚拟基点并推算出该点坐标

（三）使用渔网（Fishnet）工具创建网格

在虚拟基点添加完成后，我们打开ArcMap中的ArcToolBox工具，展开左侧树状菜单，在“数据管理工具”的“要素类”中调取“创建渔网”功能。“创建渔网”功能打开后，首先，在“输出要素类”选项中确定网格保存位置及名称；其次，在“渔网原点坐标”选项中输入“虚拟基点坐标（也可在模板范围选项内，下拉菜单，选择与虚拟基点图层相同选项进行）”，在Y轴坐标选项中，为了确保网格方向为正北，则保持X坐标不变，Y坐标增加100；再次，将像元宽度和高度设置为10，保证每个探方的尺寸为10米×10米，行数和列数设置为100，保证探方个数为100×100个；最后，不要勾选创建标注点选项（图4）。

（四）要素转面及自动生成探方编号

由于创建的渔网本身不具有要素类属性，无法生成、显示编号，为了能够自动生成探方编号，需要先将渔网转换为面要素，进而自动编号。

首先，打开ArcMap中的ArcToolBox工具，展开左侧树状菜单，在数据管理工具的要素中调取“要素转面”功能。“要素转面”功能打开后，在输入要素选项中选择刚创建好的渔网文件，在输出要素类选项中确定转换后面要素的储存位置及名称，将创建的渔网转为面要素。（图5）。

其次，对完成转换的面要素进行设置，使其透明（图6）。右键点该图层，在属性菜单中，选择“标注”，进入后点击“表达式(E)”，书写表达式“T”+[FID](图7)。特别需要注意的是，字母T所用双引号应为英文输入法下输入的半角符号。结果如图8。

图4 创建渔网参数设置

需要指出的是，此种表达式是依从左到右的顺序，顺序为每个探方编号，若要采用象限法编号，需要采用相应的表达式。

图5 要素转面参数设置

（五）象限分区

从理论上来说，上述操作可以布设无限多的探方，覆盖无限大的区域。但在实践中，考古工作者们通常需要将探方号控制在四位数（含）以内，所以使用以上方法布设10米×10米探方时，至多控制1平方千米的范围，即100行×100列探方。

当需要在更大范围内进行测控布方时，就需要对控制区域进行象限分区，避免出现探方编号过长的现象。结合陕西省考古研究院在陕西澄城刘家洼遗址的工作经验，将工作思路和方法介绍如下：

图6 设置面填充为无颜色

刘家洼遗址在发掘之初，本着“站在墓地的角度挖墓葬，站在聚落的角度挖墓地，站在区域背景下看聚落”的思想进行了较为全面的规划，对大墓周边100平方千米的范围进行了详细调查和整体布方。

在大墓东北约1千米的地方设立虚拟基点，以该点为原点，将100平方千米的区域划分为四个象限（图9），每个象限覆盖5千米×5千米的范围。每个象限内，又在200米×200米的范围内划分单元格（25行×25列），在单元格内进行5米×5米探方布设。编号时，将通过原点的两条轴线按照方向，划分为N、E、S、W轴。N轴自南向北以数字1~25编号，S轴自西向东以字母A~Z编号（需要注意的是字母I与象限编号所用罗马数字重复，所以不用），S轴自北向南以数字1~25编号，W轴自东向西以字母A~Z编号（图10）。这样，每个单元格的编号就可以通过各轴线上的编号读出。比如，大墓所在区域编号就是ⅢE6，该单元格内的探方编号表达式可表达为“ⅢE6T”+[FID]，其他单元格内探方编号如此即可自动生成。

图7 修改图层标注表达式

图8 自动生成探方编号

图9 刘家洼遗址象限分区

（六）现场放样

在电脑中布设好虚拟探方后，需要在实际发掘中，实地放出这些探方。因为ArcMap是一款矢量软件，所以其中进行的操作都为矢量操作，图形中的每个点都有对应且唯一的坐标。可以通过ArcMap中的识别功能，获取在发掘范围内每个方格（探方）的四角坐标或者西南角坐标，导入RTK后，进行现场点放样。

随着测控设备的进步，现在多数RTK支持 CAD 格式（.dxf）或者 GIS 格式（.shp）文件整体导入，方便在手簿上进行图形放样。可以将在ArcMap中做好的渔网方格导出为CAD格式（.dxf）或者 GIS 格式（.shp）文件，保存在RTK手簿中，进行放样。

需要注意的是，在进行放样作业时，RTK中新建的工程文件须与布设虚拟探方时所使用坐标系保持一致，否则无法进行现场放样。

（七）图形输出

完成上述操作后，可以将ArcMap切换至布局视图。在该视图下，插入风玫瑰、指北针、比例尺等制图要素，完成后进行页面和打印设置，生成便于打印的图形文件。在导出地图时，注意设置图像分辨率，一般以600dpi为宜（图11）。

三、余论

1.GIS的相关标准应该尽快统一。在信息技术日益发达的今天，越来越多的数字化手段被应用到考古当中。但目前常用的三维扫描、倾斜摄影测量、虚拟现实等技术并无统一的国家（行业）标准，这给跨区域进行的一些课题或长期进行的大遗址考古带来了诸如勘探成果难以统一、基础资料难以共享等问题。各级文物部门应当将GIS系统建设纳入考古项目，特别是大遗址考古之中。逐步建立针对各类遗址的技术规范，以便于未来数字化的遗产整合。

2.GIS是一种技术，更应是一种思维。GIS的强大在于其多样的数据整合能力、丰富的数据分析能力、全面的表达能力。在运用GIS技术时，必须根据具体对象特点，坚持问题导向的原则，紧紧围绕考古课题目标进行，避免为了GIS而GIS。考古工作者在工作开始之前，应从实际出发，合理设计可行的GIS架构。

图10 各轴线编号示意

图11 导出地图及分辨率设置

3.GIS与考古可以更加紧密地结合。由于目前考古工作者普遍不了解GIS强大的功能，其在考古工作中还无法发挥应有作用。但是，笔者始终坚信，GIS与考古结合的推动者必然是考古工作者。因为考古需求才是发展进步的内在动力。多听、多看，及时了解GIS等技术的最新动态和应用案例，注重培养既懂考古又懂GIS的复合型人才，考古学必将在信息化时代得到新的发展。