基于考古发掘资料的遗址地形三维重建实验研究

杨瑞霞 陈盼盼 唐际根

（作者单位 1.中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球实验室；2.河南省科学院地理研究所；3.联合国教科文组织国际自然与文化遗产空间技术中心郑州分中心；4.南方科技大学；5.中国社会科学研究院考古研究所）

地形地貌是遗址环境的重要组成部分，地貌重建尤其是微地貌重建对于回溯遗址存在时期地理环境特征，探讨古人类选址、遗址形态布局等问题具有重要意义[1]。随着科学技术的发展， 越来越多的科技手段和设备被运用到考古学上[2]。传统考古学在宏观尺度下的定性描述转化为现代数字考古中微观尺度的定量描述成为遗址地貌重建研究的发展趋势与需求[3]。 在此方面，数字摄影测量[4]、三维激光扫描[5]、GPS 等技术被广泛应用。 这些技术对于正在进行或即将进行的考古发掘现场的记录与三维重建富有成效，但很难应用于那些已经完成田野考古发掘、 无法恢复的遗址[6]。对于这些遗址， 已经获得的考古发掘资料是采集遗址早期地层信息的重要数据来源，可以作为早期地表形态重建的重要依据。

考古发掘资料是考古发掘的过程记录和重要成果，蕴含着丰富的考古地层信息，但通常以文档形式存在， 难以直观反映历史时期地貌形态特征以及地形地貌与遗迹的空间关系。 GIS（地理信息系统）具有数据整合与管理、地形模拟、分析与展示的功能，通过考古发掘资料中地层记录信息的空间精细定位与地理编码， 能够实现文档记录信息的空间化处理和信息再利用， 实现从零碎地层文本信息到区域空间三维模型表达的转换。 本研究以文本信息空间化为基础，利用GIS 工具，尝试提出一种基于考古发掘资料的遗址尺度早期地表形态三维重建方法， 并以安阳殷墟部分发掘区为实验对象， 为考古遗址地形三维建模提供新的思路和借鉴。

一、遗址地形三维重建方法

本研究针对遗址早期地表形态重建困难的问题，充分利用考古发掘资料，将文档记录的地层信息经过筛选、整理，形成某时代遗迹的空间和属性信息， 进而计算遗迹单元距离发掘时地表的深度， 形成发掘区域某时代地表高程数据集， 在遗址区域级差网格系统框架下，对遗址区早期地形进行三维重建，反演多种尺度下的遗址区地表形态。 技术流程如图1 所示。

图1 技术流程图

1.遗址分区与网格编码

为统一坐标系统与测量精度控制， 需要设置遗址区域坐标系统原点。 原点选取原则为地面基础稳定，地点易于保存，位置明显，能够使得遗迹均匀分布在原点四周。 原点作为控制点，需要严格控制其测量误差，精确测量平面坐标及高程。 原点选取后，对遗址区域进行分区编码。 在对遗址分区图进行空间校正的基础上， 使用GIS 软件构建遗址区域5000 米、1000 米、500 米、100 米的级差网格，对各级网格进行编号与命名， 得到多等级基础网格分布图。（图2）基础网格的等级和大小要求根据实际情况确定，遵循遗迹分布均匀，不密集于单个单元格的原则， 同时也应满足多尺度三维模型的构建需要。

2.考古发掘资料处理

整理遗址区某时代遗迹的相关考古发掘资料，资料包括探方分布、层位信息、遗迹类型、出土遗物等。 记录遗址相关的要素信息，包括探方号、位置文字描述、开口层位、开口距地表深度、空间位置等。 考古发掘资料处理流程主要分为两个步骤： 一是遗迹位置的空间定标；二是单元网格内遗迹信息统计。

（1）遗迹位置空间标定

按照发掘资料提供的位置描述和记录信息， 对某时代遗迹进行分类空间标定和地理编码匹配。 为将整理的遗迹信息精确到每一个最小分区单元格内， 采用图上标注法将每一个能提取空间位置信息的发掘记录在现状高分辨率遥感影像图叠加网格图的底图上进行大致位置标示。 先判断其位于哪个单元网格，再判断其在该网格的具体方位或位置，然后在矢量网格图上利用增加点的编辑方法标记该遗迹的空间位置。 在处理中需逐条进行处理， 尽可能将每一个有空间信息的遗迹发掘记录都能较准确地配置在网格影像图上。（图3）由于有些遗迹发掘年代较早，记录不规范， 位置信息描述不准确， 常常会出现诸如“位于北村村东的塬地和坡地上” 之类的描述，或记录的地名已经发生多次变更的现象，因此需要尽可能收集不同时期的遗址区域地图数据、 遥感数据， 找到当时描述的参照地物， 必要时还需要实地走访调查并测量其空间坐标方位，以提高数据的精度。

图2 多等级基础网格分布图

图3 遗迹位置及空间标定（殷墟实验区）

（2）单元网格遗迹信息统计

统计每个单元格内的遗迹发掘记录，以网格序号、网格编号、遗址点数、探方数等生成遗址分区统计表。 根据统计资料，检验基础网格系统的格网大小和等级是否满足工程需要，是否符合其布设原则。 如果不合适需再次调整。

3.建立遗迹单元高程量算模型

为了计算遗迹时代 （如商代） 的地表高程， 需要依据发掘时现状地表高程和遗迹距离地表的深度数据， 用遗迹时代的高程采用发掘起始面高程减去发掘资料中记录的某时代遗迹距地面的高度获得， 即以发掘时期t的现状地表起始高程计算遗址早期某时代T的地表高程，具体公式如下：

式中，T 表示早期某个时代 （遗迹形成的时代）， 一个遗址区域可能包含多个时代（i=1，2，3， …，m）的遗迹；t 为某时代遗迹的发掘时间（j=1，2，3， …，n），H 是地表高程值，那么Ht 则表示发掘时期的某遗迹点位置的现状地表高程；HT 表示该遗迹形成时代的计算地表高程，表示发掘资料中遗迹单元或记录单元距发掘时地面的高度。对于墓葬，为墓口距发掘时现状地表的深度；针对房址，为开口距地表的深度；对于发掘探方，为该时代最晚期文化层开口深度。 （图4）

中国在过去的近百年考古发掘研究中，部分遗址经历了多个时期跨度数十年的多次发掘过程， 考虑到过去的几十年间地表形态的巨大变化，在计算遗迹时代的地层高程时，参照的现状地表起始面应以接近发掘时期的地表高程为基准， 数据源可以为发掘时期地形图、 实测三维坐标或数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）数据等，选择最接近当时状态的地图，经过数据处理和空间校正，定位遗迹位置， 提取现状高程数据作为公式中的Ht 值。

图4 遗迹深度示意图

4.构建遗址地形三维模型

DEM 是用于表示地表高程起伏特征形态的有序数值阵列[7]。常用的表示方法有规则格网模型DEM 和不规则格网模型TIN（Triangled Irregular Network）。 TIN 可以根据区域的有限个点集将区域划分为相等的三角面网络。 相比规则格网模型，TIN 能够避免地形平坦时的数据冗余， 又能按地形特征点表示数字高程特征[8]。因此本研究选用TIN 模型构建遗址地表形态。

先建立高程点图层， 将最小分区单元的中心点作为高程记录点。 利用整理好的遗址发掘信息按照空间位置与分区网格单元挂接， 遗迹单元的高程值作为最小分区单元的高程值存放在高程图层的属性表中。 利用最小分区单元的高程点数据， 选择合适的空间内插方法， 将高程数据模拟到整个遗址区域后，创建TIN 模型，生成遗址早期三维地形模型，模拟遗迹古地表形态。

二、实验与分析

基于上述遗址早期地形重建方法， 本研究以安阳殷墟遗址为案例， 进行商代地形三维重建实验。安阳殷墟遗址规模大，发掘持续时间有90 余年， 保存了海量的考古发掘资料。长时间持续的遗址区域发掘，获得了安阳遗址区大部分地区的考古发掘资料， 为区域商代地形的研究提供了理论可行性， 对于国内大遗址的多尺度早期地形重建具有重要的借鉴和示范价值。

1.遗址概况

殷墟位于河南省安阳市西北郊小屯村一带，地理坐标为114°18′E，36°07′N，是商代后期的都城遗址。作为世界文化遗产，目前遗产地保护区核心面积414 公顷， 缓冲区面积为720 公顷。 （图5）殷墟总体布局严整，以小屯村殷墟宫殿宗庙遗址为中心， 散布在洹河南北两岸[9]。自20 世纪20 年代开始的殷墟发掘工作， 已经发现的主要遗迹包括小屯宫殿宗庙遗址、王陵遗址、洹北商城、后冈遗址以及族邑聚落遗址、手工业作坊遗址、墓葬遗址等。

2.实验过程与结果分析

图5 殷墟保护区主要遗址分布

实验中涉及的安阳殷墟发掘资料主要包括商代墓葬、房址、道路、探方等508 条遗址发掘信息，以及殷墟分区示意图等资料。 资料范围包括小屯、孝民屯南区、大司空、刘家庄北地、人民医院新址、二中、徐家桥、郭家庄、辛店集等14 个发掘区。 遗址发掘资料以未被盗掘的墓葬为主， 以商代层下直接叠压生土的探方为主。 遗址分区坐标原点位于中国社会科学院考古研究所安阳工作站内， 在对遗址分区图进行空间校正的基础上， 在ArcGIS软件中构建了遗址区域5000 米、1000 米、500米、100 米的级差网络。 （图2）

在具体实验中， 因数据不能均匀覆盖遗址区所有单元网格， 为了提高精度和充分利用数据，突破了原来设定的最小网格尺度，改为直接以每条记录的实际位置进行水平空间定位，并基于上述早期地形重建方法，实现了实验点殷墟商代地表形态复原， 局部复原6处发掘区，部分复原结果如图6 所示。 为了进一步分析现代地表形态与商代模拟地表的形态特征，将制作的现代地表DEM 与模拟的商代地表模型叠加显示（图7），可以看出区域地形在过去的3000 多年整体趋势一致。

图6 殷墟遗址局部商代地表复原

研究中模拟复原了6 处发掘区的商代地表模型， 结果比较直观显示出商代晚期安阳殷墟地区地表高低起伏的形态特征。 商代地形与现代整体特征相似， 均为西北高东南低呈阶梯状展布。 从局部地貌看，孝民屯发掘区商代地表高程在80.8～85.3 米， 整体地势较高，局部呈现自西北向东南的“凹弧形”相对降低，发掘区内主要遗迹如墓葬、居址等，密集分布在该区域地势相对较高的西部及北部， 表明商代古人类在墓葬埋藏位置选择以及房屋选址上对微地貌环境条件有一定的选择倾向。 此外，通过对比现代地表，孝民屯东部为洹河， 该遗址区处于河流凹岸相对较高的地貌单元，但从现代地表“凹弧形”地貌的走势看， 商代或之前的洹河该段可能与当今河流情况有所差别。 今后如果能够扩大商代地表重建范围， 可能比较完整地复原殷墟区域商代的地表形态， 进一步了解当时人类的生活方式和环境理念。

三、结论

本文提出了一种基于考古发掘资料的遗址地形三维重建方法，并通过殷墟局地发掘区的实验， 实现早期地表形态的模拟逼近。 模型结果不仅具有直观的地形可视化效果，而且空间精度较高，便于对不同时期地形变化进行对比分析。 早期地形重建方法基于遗址发掘档案，通过数据挖掘和地理信息系统工具，可解决一直困扰业界的早期地表形态重建问题，对于大遗址的区域多尺度早期地表形态复原提供了经济、 高效的途径。本研究有助于考古发掘资料的规范化、数字化、可视化与深度挖掘，在考古遗址大数据支持下实现对遗址的再认知，促进考古遗址的环境与布局研究。

致谢：研究生耿同、卢一祎等协助整理数据。 郑州市文物考古研究院“中原地区商代墓葬三维建模研究”课题的资助。