数字环境考古理论与实证研究
项目名称：数字环境考古理论与实证研究
完成单位：河南省科学院地理研究所 河南省遥感与 GIS 重点实验室
完成人员：杨瑞霞、鲁鹏、张震宇、郝利民、张莉 、陈盼盼、张继红、安春华、闫丽洁 赵向莉、张东月、常宗广、孙婷婷、蔡强、刘伟、宋立生
项目背景：
上世纪九十年代以来，新技术在环境考古中应用越来越多，尤其是与地学密切相关的遥感、地理信息系统、全球定位技术在地学、考古学、环境与区域研究中应用，大大提高了地学、环境学与考古学的定量水平，为环境考古文化序列及自然环境演变规律的探究与发现提供了数据与模型支持。近几年发展迅速的数字仿真和虚拟现实技术则为环境考古研究提供了直观、形象的成果展示模式。 21 世纪初，以 3S 技术为核心的数字技术广泛地应用到环境考古研究中，学者们已经无法用环境遥感考古等概念来描述这种学科与技术结合的理论与方法，数字环境考古概念被提出。
技术原理：
项目将“数字环境考古”定义为地理学、考古学、信息科学等诸多相关学科共同参与的多学科综合研究，其目的是探索古代文化发展与环境演变之间的内在联系。并通过广义与狭义两个角度对数字环境考古的内涵进行阐述，其中广义角度的数字环境考古定义为：综合利用信息化手段和工具 ( 主要包括遥感、卫星全球定位系统、数字测量、定量模型、数据库、计算机网络、地理信息系统与虚拟现实等技术 ) ，实现从古环境、古遗址、到古代人地关系等环境考古资料的全息数字化，在传统环境考古的基础上，对环境考古数据进行数字化管理、分析、过滤、计算、重组，并将人工智能引入其中，形成环境考古的知识库、逻辑库、方法库和模型库，构建一个数字空间，拓展古遗址、古环境的时间和空间维度，最终实现环境考古过程的全面数字化和研究结果的可视化。从狭义上讲，数字环境考古是指以“ 3S ”与“ VR ”技术为支撑具有区域特征的环境考古数字化系统，表现为环境考古以空间信息为核心的数据采集、管理、分析和可视化表达的研究过程。
作为一项多学科综合性研究，数字环境考古与诸多学科关系密切。但数字环境考古研究最密切的无疑是地理学人地关系理论、地理信息科学与环境考古学。其中人地关系理论为数字环境考古研究奠定了理论基础，使数字环境考古研究有了明确的研究目的。地理信息科学为数字环境考古研究提供了技术支撑，保证数字环境考古研究的技术先进性和解决环境考古问题的系统性和有效性。而环境考古学为数字环境考古研究提供了完备的方法体系，明确了数字环境考古的研究方式与研究过程。关系最为密切的三个研究领域共同构建了数字环境考古完整的理论与技术方法体系，使数字环境考古成为三个相关研究领域共同进行综合性系统研究的纽带和桥梁。
数字环境考古的核心为人地关系研究，因此数字环境考古的研究对象主要包括古代环境及其演化、古代文化时空布局与变化等，简言之，其研究对象是古代环境和古文化关系。数字环境考古研究目的主要包括三个方面。一是调查记录区域古文化遗址的空间信息与分布特征，并结合不同遗址的文化内涵对早期人类行为进行分析，尝试对区域早期人类社会进行复原。二是了解区域环境特征与演化规律，并通过数字技术与方法对其进行可视化。三是探索早期区域人类文化发展的环境背景，分析区域早期文化演
进与环境演化之间的关系。基于上述研究目的，数字环境考古研究内容可以概括为四个方面，即数字化调查与勘探、环境考古信息数字化记录与描述、环境考古模型化解释分析、信息数字化管理与可视化显示。数字环境考古研究的方法是以区域研究为基础，将数字技术有效融入环境考古研究流程而形成的系统方法。除环境考古所应用的方法外，数字环境考古研究主要包括以遥感与数字测量为基础的数据获取方法，以数据库为基础的数据存储与管理方法，以 GIS 为基础的空间分析、模型分析方法，以虚拟现实为基础的三维可视化方法等。数字环境考古以“ 3S ”技术为核心的空间信息技术为技术支撑，包括遥感、数字测量技术、空间数据库技术、地理信息系统、虚拟现实技术等。
本项目以狭义中原为主要研究区域，主要利用空间信息技术对研究区域丰富辉煌的古代文化遗存进行探索与分析，包括环境遥感考古、基于 GIS 的环境考古数据库研究、区域环境考古虚拟现实研究等几个方面。
环境遥感考古主要包括两方面内容。第一，利用遥感技术对中原地区的先秦城址进行研究。对早期城址进行调查发现，总结不同时期城址影像特征的演变规律。在整理中原地区仰韶至春秋战国时期典型城址遥感资料的基础上，对中原地区典型早期城址及其所处环境的遥感影像特征进行分析，总结中原地区早期城址影像特征，建立中原地区早期城址遥感影像典型谱系，为利用遥感技术进行早期城址研究提供必要的理论与方法支持。第二，通过对商丘地区两期（ 1966 年与 1972 年）数百张航片进行判释的基础上，发现并证实了大型古代人工沟渠遗址的存在。并通过数字测图技术对商丘地区大型人工沟渠遗址进行解译，发现遗迹分布范围较大，主要以商丘老城为中心，呈不封闭的外环和内环分布。外环从商丘西南与柘城交界的开荒店往东过顺河集折向东北方向，到商丘东北的贾寨附近又向西，一直到谢集折向西南到赵村集，再折向东南，止于王楼，包括在东北部的分叉，全长将近 140 公里 （不包括环绕村镇周围的锯齿状遗迹）。内环分布在商丘老城东南，从南部的小李庄到东部的侯庄，长度约 30 公里 （不包括环绕村镇周围的锯齿状遗迹）。全部遗迹长度近 170 公里 ，涉及面积近 1000 平方公里。在此基础上，设计相应的流程与算法对遥感影像上的人工沟渠遗址进行自动提取试验，并取得较为理想的效果。
基于 GIS 的中原地区环境考古数据库系统研究包括环境考古地理背景数据库与河南文物资源数据库系统两部分内容。地理背景数据库系统采用“集中式管理，分布式应用”的原则，采用客户机 / 服务器（ C/S ），浏览器 / 服务器（ B/S ）相结合的网络架构，逻辑框架基于标准的三层体系结构：数据层、业务逻辑层、应用层。其在 Oracle 10g+ArcSDE9.2 管理机制下建立，内容包括不同比例尺的地理基础数据库、专题数据库、统计数据库、相应的元数据库、法则信息数据库等。根据数据库的应用的业务需求，地理背景数据库提供数据入库、数据更新、数据管理、系统维护、检索查询、空间分析、专题图制作等功能，实现数据的全方位管理。河南文物资源数据库的数据内容主要包括两大类：文物专题数据和关于文物背景的其他数据。文物专题数据包括第三次文物普查获取的数据、文物考古调查与研究积累的数据以及文物管理数据，文物背景数据主要是指地理空间数据。系统采用 C/S 架构，对存储在 Oracle 中的地理空间数据通过 ArcSDE 空间数据引擎进行管理。对权限等属性数据，则通过 Web Service 进行数据管理。
区域环境考古虚拟现实技术包括四部分内容。第一，对环嵩山地区环境与古文化遗址分布进行了虚拟分析，实现环嵩山地区区域环境与古文化遗址分布特征的三维可视化，制作区域环境与古文化遗址分布三维立体图，为环嵩山地区环境考古研究提供更为直观的空间数据。此外，依据区域地势特征与水系特征及其文献记载对环嵩山地区按照古黄河、古淮河、古济水三个流域进行分区，统计各分区面积比重与遗址分布特征，在此基础上分析环嵩山地区三个区域的环境演化特征与文化发展规律，对二者之间的相互关系进行探索。第二，对溹须河流域环境与古代城址分布进行虚拟分析，对溹须河流域的区域地理环境进行三维虚拟再现，主要包括地势与水系状况，将古代城址分布情况转绘至三维效果图上，制作溹须河流域环境与古代城址分布三维效果图。利用溹须河流域环境与古代城址分布三维效果图对区域环境与古文化遗址的关系进行分析，研究区域古代城址密集分布的环境背景。第三，利用三维虚拟现实技术对具茨山岩刻符号进行研究，对具茨山岩刻符号所赋存的区域环境进行三维虚拟，为具茨山岩刻符号研究提供直观的空间数据资料。利用具茨山三维图像分析岩刻符号的分布规律，从侧面切入并以此了解具茨山岩刻符号的背景信息。第四，对关帝庙遗址商代地层进行实测，复原了关帝庙遗址商代地形特征，并与遗存分布特征进行叠加，分析了商代晚期遗存分布的区域地势特征。
鉴定及应用：
该项目于 2009 年 8 月 29 日 通过河南省科技厅组织的鉴定，鉴定委员会认为该项目利用数字环境考古的理论与方法，验证和深化了嵩山文化圈的科学概念，丰富了数字环境考古的内涵，推动了数字环境考古理论体系方法的形成，具有认识论和方法论的意义。成果围绕环境考古信息采集、管理、分析和可视化系统表达的流程，从宏观尺度、中观尺度和微观（遗址域）尺度，在中原地区开展了系统的数字环境考古实证研究。提出了一种自动提取航片图像考古目标物体的算法；设计并建立了环境考古数据库；开发了河南省不可移动文物资源管理试点系统；利用遥感影像得出区域不同时期城址演化的遥感影像图谱；利用 GIS 空间分析技术得到了中原地区采集文明到农业文明区域环境分异与文化分布的相对关系；利用古地貌的三维虚拟表达进一步解释了考古遗迹空间分布规律成果涉及地学、环境学、历史考古、空间信息技术等领域，体现了自然科学、社会科学与现代技术相互交叉融合，为中原地区早期人地关系研究奠定了方法与数据基础，对同类研究具有重要的参考价值。
本项目成果已在中国第四纪科学研究会环境考古专业委员会、中国科学院、教育部、国家文物局遥感考古联合实验室、河南省文物管理局、河南文物考古研究所、郑州市文物考古研究院等相关单位进行推广应用，并取得一定的实际应用效果。应用单位认为本项目为是一部应用性较强的科研成果。项目成果的有效应用一方面为数字技术在环境考古研究中的应用奠定了理论基础，另一方面成果的实证部分为田野考古、环境考古、数字考古等相关研究提供借鉴，对于传统改进田野考古研究的技术与方法起到一定的推动作用，对于考古与环境考古研究的数字化、信息化、自动化意义深远。同时，该成果对于考古、文物保护、环境考古、遥感考古等研究领域的发展具有一定的积极作用，相关技术与方法已在第三次全国文物普查、中华文明探源研究等工作中采用，并取得很好的效果。成果的应用带来良好的社会效益，其持续应用将直接或间接产生可观的经济效益，为相关领域的发展起到积极的推动作用。