多种测绘技术综合应用的考古发掘信息记录

高振华 侯妙乐 马昇 白曙璋 梁孝

摘要：考古发掘信息记录和出土文物遗存共同构成了考古研究的珍贵载体，二者缺一不可。随着信息技术的发展，考古发掘信息记录手段越来越多样化、智能化，测绘技术成为应用最广泛的技术之一。测绘技术是记录遗存位置、形状、规模、分布及相互关系的重要手段。传统考古将一种或几种测绘技术应用于发掘信息记录，但受技术、成本、应用对象和人为因素的限制，同时将地面激光扫描（TLS）、无人机（UAV）和近景摄影测量等多种测绘技术同时应用到一个考古项目的情况较少。闻喜酒务头墓地发掘过程进行了全面的测绘记录，另外还进行了光谱信息、纹理信息以及传统的文字、图像、录像等记录，构建了一套较为完整的考古发掘信息记录体系，为深入开展考古研究提供了详细、全面、直观的记录资料。

关键词：闻喜酒务头墓地;考古发掘;测绘技术;信息记录;遗存空间信息

引言

考古发掘是一项复杂的科学研究工作，不仅需要对各种遗存进行细致的清理，还要对发掘过程和遗存信息进行客观的记录，只有这样才能保证研究结果的科学性。遗存信息包括时间、空间、物质成分等，其中遗存的空间信息是研究古代人类行为及人地关系的重要因素，其记录信息不可或缺，如位置、形状、分布及相互关系等。客观全面地记录并表达遗存的空间信息一直是考古信息记录的热点和难点。研究人员也尝试使用各种方法，如使用先进的技术设备替代传统的手工作业，但效率和成本很难平衡，推广应用较难实现。直到近年来地面激光扫描（TIS）、无人机（UAV）和近景摄影测量等测绘技术变得越来越智能化，无需太多的专业知识就可以快速获取大量高精度空间数据，且成本大大降低，满足了遗存空间信息记录的客观要求。

测绘技术在考古发掘信息记录方面的应用已经非常成熟，也取得了很好的效果，例如：利用无人机摄影测量进行考古制图、遗址建模和监测[1-7];利用GPS定位与无人机摄影测量联合生产正射影像[8-10];利用地面激光扫描进行发掘现场遗迹的信息记录和三维重建[11—17];使用结构光三维扫描仪记录出土器物的三维信息并进行虚拟复原[18—20];使用全站仪和RTK进行位置测量或与其他测绘技术配合生成遗址三维模型[21-24];利用近景摄影测量记录发掘场景并进行三维展示[25-27];利用高光谱成像实现遗址分布的探测和局部物质的识别[28-31];使用GIS对遗址进行分析、预测和多源数据管理等[32-36]。从文献和现场调研的结果来看，仅有极少量的考古项目能将多种测绘技术同时综合应用，大多是将一种或少数几种测绘技术分别应用于考古发掘项目，仅是对传统记录方式的改进，提升记录的效率和精度。形成这种现状的原因是多方面的，可能是经费问题，也可能是发掘对象不适用多种测绘技术，或者是发掘人员工作理念和技术层面的问题。但从考古学发展的方向及新技术应用的需求来看，将多种测绘技术同时应用于一个考古发掘项目，全方位记录遗存的空间信息，无疑会给后续研究提供更多的信息和帮助。

闻喜酒务头墓地就是这样一个多种测绘技术同时应用的典型案例，它具有良好的操作空间和工作条件，具有重要的文物价值和相对充足的经费投入。因此，研究人员将多种测绘技术综合应用于酒务头墓地考古发掘的遗存信息记录，并贯穿于整个发掘过程，为后续的考古研究提供了更为详尽的资料和更为直观的成果，也为墓地的保护、利用、管理也提供了的丰富的信息资料。

一、对象、技术、装备

（一）应用对象：闻喜酒务头墓地

闻喜酒务头商代墓地学术价值特别突出，曾被评为“2018年度全国十大考古新发现”。该墓地位于山西省运城市闻喜县河底镇酒务头村西北，北、东、南三面环山，北临沙渠河，南望汤王山。墓地处于垣曲盆地、运城盆地、临汾盆地交汇的要冲之地，是古代从河南进入山西最便捷的通道之一，亦是考古学文化交融的关键地带（图1）。

2017至2018年，经过细致的考古勘探和科学发掘，考古工作者在5500平方米墓地范围内发现12座商代晚期墓葬、6座车马坑以及5个灰坑，共出土铜、玉、陶、骨等各类材质的文物500余件/组。其中最为重要的发现是：发现了5座商代晚期“甲”字形大墓及陪葬车马坑;出土器物组合完整，发现大量带有相同族氏铭文的青铜器（图2）。

晚商带墓道的墓葬在殷墟之外并不多见，这个发现对于研究商代墓葬的形制结构、葬俗、墓道功能与等级关系提供了极好的资料。根据墓葬形制与出土遗物判断，酒务头墓地时代为殷墟四期，应为晚商高等级方国贵族墓地。从青铜器中两种族氏铭文的差异性来看，此墓地应为“匿”族墓地。该墓地的发现与发掘是商代考古的一次重大突破，不仅为“匿”族青铜器找到了归属，也填补了晋南地区晚商遗存的空白。

（二）测绘技术

考古测绘记录所用的测绘技术大多是成熟的测绘技术，从大平板、小平板到全站仪、RTK，再到今天的无人机和三维激光扫描仪，均是在测绘空间信息领域相对成熟的技术，是成熟技术在新领域的应用。考古测绘与传统测绘还存在一定的差异，尤其是对精度指标的要求，相比测绘领域要低一些。考古测绘更加侧重考虑对象安全、所处环境以及效果实现的成本和效率等。考古测绘更强调局部细节的表现、相对位置关系的准确等，如出土器物的三维信息记录，是典型的小场景大数据，需要精细的表现器物的纹饰;随葬遗物的出土层位和位置是记录，要准确记录器物的位置关系和地层叠压关系等。另外有些发掘场地空间非常局促，很多测绘设备无法使用，如GPS无信号，全站仪无架设机位等，现场条件也增加了测绘的难度和不确定性。

在综合考虑现场环境及考古需求的条件下，酒务头墓地用到的測绘技术包括：控制测量、地形测量、倾斜摄影测量、近景摄影测量、无人机摄影测量、三维激光扫描、结构光扫描等。另外还辅助以高光谱遥感分析和地理信息系统管理等。相关测绘技术的应用场景和应用目的见表1。

（三）测绘装备

酒务头墓地使用了从空中到地面，从宏观到微观，从几何到光谱的多个维度的测绘技术和其他相关技术，尽可能保证信息的全面记录。我们对使用的设备进行了统计，列出了没备的厂家、型号和数据处理软件等信息，方便同类项目的参考（见表2）。

二、发掘信息记录

考古发掘信息记录与发掘出土的遗存共同构成了考古研究的珍贵档案。国家文物局<田野考古工作规程》（以下简称《规程》）规定[37]，考古发掘记录包括文字、测绘和影像三种形式，构成了统一的记录系统。文字记录包括工作日记、遗迹记录和表格等;测绘记录包括发掘区、探方、遗迹的平剖面图以及发掘区的三维点云、三维模型等;影像包括照片、录像等（图3）。本文主要探讨多种测绘技术综合应用下的“测绘”记录方式、内容和成果。我们在酒务头墓地发掘过程中按照考古工作流程依次开展了测绘记录。在实施测绘记录过程中遵循文物保护的基本原则，如最小干预、无损、非接触等，首先要保证记录对象的安全。

（一）基础数据收集

开展考古发掘，首先要了解发掘地点的基本情况，如历史、环境、水文、矿产、气候等。获取信息的主要手段是通过搜集县志、历史地图、相关研究报告和论文等，进而提取与发掘地点相关的信息。闻喜酒务头墓地发掘项目中我们收集其所在区域的资料包括，发掘区周边的1：0000地形图、中条山地区的1：250000地形图、闻喜县志、周边考古研究报告和论文、卫星遥感图像等，为展开工作奠定了基础。

（二）建立统一坐标系

考古发掘项目多数使用独立坐标系，部分项目与大地坐标系联测，实现最终考古测绘成果的坐标系统一。酒务头墓地使用西安80坐标系，利用网络RTK进行控制测量，点位中误差±5厘米。控制点布设在发掘区周边或外围硬化道路旁，便于寻找和使用。控制点标志使用10厘米测钉，并用红色自喷漆标记。

（三）工作底图测绘

考古发掘区的正射影像图和地形图非常关键，是所有考古测绘记录的底图，使用了无人机、RTK、全站仪和无人机摄影测量等技术和设备综合实现。无人机摄影测量是当前最常用的手段，不论在发掘前、发掘过程中甚至发掘结束时都要使用。酒务头墓地考古发掘中使用Djl Phantom 4Pro进行航摄，飞行高度控制在100米以内，地面站软件为Djl GS Pro，同时使用RTK测绘像控点，利用Agisoft PhotoScan和Context Capture进行内业数据处理，最终得到发掘区的正射影像图，影像空间分辨率优于10厘米。在此正射影像图和局部高程采集的基础上绘制了非全要素的地形图，包括等高线、道路、河流、村庄、陡坎等，基本满足考古工作的工作需求，成图比例1：1000（图4）。

（四）发掘分区与探方放样

根据酒务头墓地的规模及工作范围，在墓地西南方向水泥路旁设置中心原点，按照正南北方向绘制笛卡尔坐标系，将整个墓地及周边环境按照顺时针方向分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个工作区域。在墓地正射影像图和地形图上，以原点为起点设计1 0米×1 0米探方格网，探方编号规则为：年份+区号+T+探方西南角横轴坐标/5+探方西南角纵轴轴坐标/5。将设计好的探方格网坐标数据导ARTK，并将探方角点依次放样并立桩布线。

（五）遗存测绘与制图

遗存测绘和制图是考古发掘过程中最为关键的记录环节。遗存包括遗迹和遗物两类，空间尺度差别大，有面积达数百平方米的墓葬，也有面积很小的陶片;遗存色彩丰富，有各种土色、彩绘陶器，也有锈蚀的青铜等。因此遗存信息的记录应是多维度的全面记录，不仅要记录空间信息，还要记录纹理信息、光谱信息等。酒务头墓地遗存空间信息的记录按照发掘区、单个墓葬和出土遗物三个尺度层次来记录，分别使用不同的测绘技术和设备来实现（见表3）。不同遗存因空间尺度和自身物理特性的差异，对测绘技术的需求也存在一定的选择性，如无人机适合场景较大的发掘区信息采集;墓葬或出土器物的纹理信息和光谱信息可使用光谱技术获取。遗存的空间信息记录主要依靠三维扫描仪、无人机、RTK等设备进行，纹理信息使用高清相机记录，光谱信息使用高光谱成像仪和ASD地物光谱仪记录（图5）。

酒务头墓地在综合的使用多种测绘技术后，发掘过程全面记录及成图、遗存信息展现与分析等方面比传统的考古测绘和制图效果提升显著，成果更加全面、更具有可读性，可为规划、文保等专业的人员提供更多的信息和素材。当然，由于技术的局限性和应用条件的限制，部分技术的应用仍需进一步的实践和完善，如高光谱成像及ASD在国内考古发掘现场使用较少，相关的分析成果及波谱库的建立仍需进一步完善。

（六）发掘信息综合管理

经过上述几个阶段的信息记录，积累了大量的矢量、栅格、文字等各种类型的数据。为方便数据的使用和管理，酒务头墓地发掘使用由武汉数文开发的考古工地数字化管理平台来实现考古数据的综合管理。该平台主要是运用网络、CIS和数据库等技术，在建立考古工地综合数据库的基础上，搭建的多级考古项目及工地信息采集、数据管理、查询统计、研究分析的集中平台。该平台的使用，一方面是整合了各种考古资料数据，方便考古人员随时随地对各种信息资料进行查询检索，提升了考古数据的使用效率;另一方面是考古数据能通过表格、图形、三维模型等形式呈现，提高了考古数据的可读性，为墓地后续的研究和保护提供了支撑。当然，在使用过程中也遇到了数据量大、数据格式不兼容、操作人员不熟练等问题，均需进一步完善和提高。

二、问题和讨论

考古发掘信息记录和出土文物遗存共同构成了考古研究的珍贵载体，二者缺一不可。如果没有完整科学的记录，考古发掘的意义将大大消减。酒务头墓地考古发掘过程中，不仅进行了文字和影像记录，同时使用先进的测繪技术进行“测绘”记录，包括了位置、点云、模型等信息，绘制了正射影像图、地形图、探方平剖面图等图纸，还使用高光谱相机获得墓室内部的高光谱影像，使用亿像素级相机获得了遗存的纹理信息，实现了空间+光谱+纹理信息的同步记录，是一次非常有意义的集中使用多种测绘技术的典型案例。

多种测绘技术的综合应用使得考古发掘现场的信息记录得到极大的丰富，也为遗存的空间分析提供了帮助;但同时也带来一系列的问题，如多源异构的大数据，预算成本的增加和人员使用等问题。

1.产生了多源异构的大数据。测绘记录的数据类型多，数据量大，不仅使数据存储、管理等方面难度加大，还对存储空间、数据的深度融合等提出更高的要求。如何让考古发掘记录的数据之间互联互通，实现数据有机融合难度较大。否则数据仅仅是一堆数据，无法真正实现为考古研究服务。我们在应用实践过程中从控制测量和考古研究需求人手，一方面让所有的测绘记录构建在一个大的坐标体系内，首先要保证位置关系不会乱;另一方面根据研究对象的需求，确定测绘数据记录的精度和范围.尽可能减少冗余数据，在当前计算机软硬件支持和研究需求的条件下实现测绘记录的融合。

2.预算成本增加。多种测绘技术的使用，涉及到诸多没备和软件，尤其是三维扫描和高光谱成像设备，动辄几十万甚至上百万，致使技术服务成本增加。本案例使用的设备多是自有或其他科研机构共享的，才能使成本降低。因此，在行业内有必要构建一套良好的设备技术共享机制和技术标准，不仅仅是测绘技术和设备，还应包括将其他相关的自然科学技术也纳入进来，共同为考古研究服务。

3.人员的问题。测绘技术应用与考古发掘信息记录是一项有意义的工作，也受到了众多考古工作者青睐。但考古项目开展时，是否使用或怎么使用又成为选择题，很多人持观望的态度。要改变这种现状，需要从两方面人手，一方面需要考古研究人员对新技术认可和使用，另一方面需要技术人员了解考古或历史，对历史遗存要有敬畏感。只有当两者充分结合在一起，才能产生良好的化学反应，测绘记录才能高效并有用。

四、结论

酒务头墓地考古发掘过程中的测绘记录对我们认识酒务头墓地的价值起到了非常积极的作用，不仅展现了墓地的选址、规模、分布等，还让我们直观地看到了墓葬的结构、体量等，对认识墓地在晚商时代的功能、等级提供了帮助。准确记录的遗物出土位置和三维信息，为判断墓地的年代和文化属性起到了至关重要的作用，也为理清墓地的族属及其和安阳的关系提供了重要线索（图6）。高光谱影像记录和分析为研究晚商颜料的使用和来源提供了线索，也为认知肉眼看不清的图案提供了帮助。酒务头墓地是众多考古项目中的一个，随着考古理念和测绘技术的进步，越来越多的考古项目将会把测绘作为考古记录的一项重要工作。

随着国家对文化遗产保护的重视，多种测绘技术综合应用到一个发掘项目成为可能，本案例就是一个很好的参考。测绘记录内容是多方面的，不仅要记录空间信息，还要记录纹理信息、光谱信息等，同时还要结合传统的文字记录和图像记录，共同构建一个完整的记录体系，服务于考古学研究。

未来，随着人工智能、云存储、云计算等相关技术的发展，测绘技术在考古发掘信息记录方面的应用会日趋成熟。但不管技术怎么发展，还应以考古研究的需求为导向，让测绘技术能为考古研究服务，让考古人认可测绘，让测绘人懂考古，真正实现二者的有机融合。

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（责任编辑：孙秀丽）