时空解释新手段 欧美考古gis研究的历史、现状和未来.doc

期刊：考古雜誌期別:1997年 第7期 (總358期) 標題:時空解釋新手段歐美考古GIS研究的歷史、現狀和未來 作者:高立兵 引言 地理資訊系統（Geographic Information System，簡稱GIS）是年代中期開始逐漸發展起來的一種地理空間數據的數字處理技術。從系統實現的角度來看，GIS是一個具有空間數據的採集、存儲、管理、分析、可視輸出的應用軟體系統。GIS最初以解決土地資源管理問題而興起，如今已發展成為一門涉及計算機科學、地理學、測繪學、遙感學、環境學、資訊學和管理學等眾多學科的新興交叉學科。 考古數據的空間性特征是GIS應用於考古學的基礎。（GIS的空間數據管理和空間數據分析功能為解決考古學的空間性和多變數問題提供了一種有效的方法手段。將GIS應用於考古學研究開始於一年，主要集中在歐洲和北美，但相關技術的應用可追溯到年代後期。進入年代以來，國外的許多大學及考古研究機構積極開展考古計算技術的研究，紛紛建立相應的研究中心和學術組織，召開國際性學術會議，並出版了多種專業書籍和期刊。其中，GIS作為考古學時空性問題的新的解決手段而倍受青睞。 縱觀歐美GIS考古學研究的發展，可大至分為三個歷史階段：年代末，電腦圖形學、資料庫和統計分析等技術開始應用於考古研究；年代，GIS在北美興起，遺址預測成為考古GIS的主要研究方向；年代初，GIS開始被歐洲考古界所認識並接受，景觀考古GIS分析逐漸盛行。 本文主要介紹歐美考古GIS研究的歷史，探討GIS在考佔學應用中存在的問題以及考古學對GIS本身提出的發展方向，並展望GIS在中國考古學中的應用前景。 一、歐美考古GIS研究的歷史及發展趨勢 （一）年代電腦及定量分析在考古學中的初步應用 關於電腦及定量分析在考佔學中的早期應用，誇默（）曾做過非常好的回顧。最早與GIS相似的應用是電腦圖形學，電腦製圖和統計分析。從年代中期到年代早期，地質學中的趨勢面分析常被用來研究器物或其他考古遺蹟的分佈模式。除了多項式法外，考古學者還發展了加權平均空間插值等新的曲面分析方法。 按類型繪製發掘出土器物的分佈圖是電腦製圖的考古學應用之一。這方面最好的例子是埃弗蘭（）所做的工作，他利用簡單的繪圖儀從區域性考古資料庫中產生了夫國西南部不同時期的考古遺址分佈圖。 齊默爾曼（）和查德威克（）是電腦考古模擬應用的先行者。特別是查德威克在希臘所做的工作，他以公里公里網格對地理環境數據進行編碼（按人類開發利用的難易程度給環境要素賦予不同的權值），然後產生了希臘青銅文化早期和中期適合人類居住的地理區域的加權分佈圖。 最早的真正GIS考古學應用應該是美國西南部的格拉尼特礁（）一年考古項目。該項目組成員之一魯賓（）是個電腦專家，他開發了一個完整的柵格地圖處理系統。利用這一軟體，格拉尼特礁項目建立了覆蓋平方公里的高程、土壤類型、降雨量和溫度分佈等圖層。軟體可以以代數方式對這些圖層進行組合和處理，甚至可從高程數據中生成坡度、坡向等地形資訊。這些功能被充分地用來建立考古模型，以便研究適合於採獵和早期農業的地理環境。這種研究已與現在的基於GIS的聚落研究沒有多大區別。當時的考古出版物中還沒有出現過“GIS”這個詞，他們僅將自己的研究稱為“基於電腦的製圖分析系統”。 （二）年代北美GIS遺址預測的興起 年代未、年代初，數字高程模型（，在GIS中指具有空間定位的高程矩陣）開始應用於區域性考古研究。的應用一方面可以直觀化地表現考古遺址或遺蹟的分佈模式，另一方面也為後來遺址預測中的地形分析莫定了基礎。 考佔遺址預測模型是基於對特定區域內已知遺址進行的環境因素分析，如高程、坡度、到水系的距離、土壤類型等，找出遺址分佈的統計性規律和特征。然後，在這個區域的其他地方用多變數判別函數對遺址存在的可能性進行評價，給出潛在遺址的概率分佈。 遺址預測模型在北美考古GIS研究中佔有突出的地位。早在年代初，美國政府就因西部土地開發和人文資源管理（）的需要而開始發起和資助遺址預測模型的研究。朔爾茨（）在阿肯色、哈森特伯（）在新澤西、誇默（）在科羅來拉分別進行了開創性的工作人。 不過在年代前半期，北美的考古GIS研究發展得並不很快。這一方面是因為懂電腦的考古學家相對較少，缺乏相應的組織或學術會議，資訊交流也有困難（還沒有利用電子郵件）；另一方面，GIS遺址預測這種偏重於從數據中尋找規律的歸納程序也與當時美國考古界那種先假定模式，再抽樣驗證、演繹規律的“新考古學”派學風不相吻合；再者，缺少現成的應用軟體，要開展考古GIS研究，往往得親自編寫程式。因而，這種研究工作只在少數機構和個人間獨立地進行。 年代後半期，隨?象、和這樣的GIS軟體的出現，情況開始轉變。美國的一些政府部門開始將GIS作為資源管理的工具，建立了規模不等的考古資料庫。同時，與GIS有關的學術會議也促進了考古GIS的研究。美國考古夫會（）年年會上的“GIS：一種解決過去問題的未來u具”的討論可能是最早將GIS與考古學聯繫起未的學術會議。在隨後的美國考古協會年年會以及年世界考古大會（）上GIS的討論更加廣泛，並最終促成具有北美特色的：GIS的出版。這本書的面世標誌?GIS考古學研究的一個轉折點，它使更多的北美考古工作者知道了GIS，雖然可能還沒有用過它。 在中，既有關於GIS硬體和軟體的介紹、GIS在考古學中應用的綜述性評論，也有關於GIS如何應用於考古研究的理論性探討和應用實例。之所以說這本書帶有北美特色，一是因為書中僅有一篇論文出自歐洲作者；二是因為大部分實例是關於遺址預測的研究，這是北美考古傳統中多用統計等定量分析方法的反映。 另外兩個美國考古會議也值得一提，雖然論文集還沒有出版。一個是於年月在加利福尼亞召開的“通過地理資訊和分析來研究人類行為的人類學”，另一個會議是於年月在南伊利諾伊召開的“GIS與考古理論和方法的進步”。 （三）年代歐洲景觀考古GIS分析的盛行 當GIS考古研究在北美迅速發展的時候，歐洲考古界還缺乏對GIS的認識。史前及原始社會科學國際聯合會（ ，簡稱）第四委員會組織的兩個歐洲會議進一步擴大了歐美在GIS考古學研究發展上的這種不平衡性。在、年會議上僅有的篇與GIS有關的論文都來源於美國學者(11)。 電腦考古學應用（，筒稱）會議很好地促進了歐洲，特別是英國考古計算技術的發展。從至少可以瞭解該領域的歐洲發展情況。哈利斯（）和萬斯利本（）做出了早期的貢獻(12)，但直到年，年會也僅有篇與GIS有關的論文，討論的是GIS在英國人文資源管理中的潛在應用。不過到年時，即在出版個月後，年會論文集中至少有篇文章是關於GIS的(13)。這一突破性進展是令人矚目的，不僅在於其規模，而且從內容看，既有基於GIS的國家級考古資料庫研究，也有對考古GIS的數據結構和時問性問題的理論件探討，反映了歐洲作者對該領域表現出的真正而廣泛的興趣。在隨後的年會上即出現了篇關於GIS研究的論文(14)。 有感於北美考古GIS研究的蓬勃發展，歐洲大學文化遺產研究中心（）於年月在意大利組織召開了考古GIS研究的歐洲會議，並出版了具有歐洲特色的論文集：(15)。 較之北美，歐洲考古在時間和空間上都具有優勢，並且記錄了詳細而複雜的景觀資料。豐富的景觀條件促使人們更多地關注由不同的景觀元素（地形，道路、祭祀性遺址、聚落模式等）形成的空間關係所表達的文化內涵，並應用社會、經濟、政治等模型以獲得空間結構性解釋。不同的考古傳統又被反映在他們的GIS考古學應用中。從中可以看出，歐洲的GIS研究主要偏重於景觀分析，如遺蹟、遺物甚至區域遺址群間的空間模式的研究，以及與之相關的數據結構和遺址的定義等的討論。 最早將GIS用於歐洲遺址聚落形態研究的是加大尼（）和斯丹岑克（）(16)。在中，一些新的分析方法開始應用於GIS景觀研究，如可視域分析（）、累積可視域分析（）、成本或消耗曲面分析（）、虛擬現實（）技術以及神經網路（）中的有關理論等。這些分析方法與GIS的結合，極大地豐富了景觀考古的研究手段。 在GIS之前，許多與社會組織和空間類型或區域有關的問題只能通過傳統的相關分析、聚類分析等手段來解決。這類方法不僅難於運用，而且也不容易解釋和表達。GIS的空間分析功能使這類問題的研究變得容易，它與景觀考古的結合為研究古代社會體系與自然和文化環境的關係提供了強有力的理論和方法手段。 年以後，關於GIS的學術會議更加頻繁，如於年月在意大利召開的第屆大會以及於年月在英國伯明翰大學召開的周年大會上，考古GIS的研究都佔有較大的比例，前者還將會議的全部內容及相關資訊制成了光碟。在出版物中，除了上述光碟外，還有三本新書(17)和電子期刊。另外，年月GIS考古學應用專題討論組GIS在上的建立，為國際間的資訊交流和資源共享帶來前所未有的機會。據筆者年月份的檢索，GIS已有多個國家的多名成員，這標誌?GIS考古學研究達到了一個新的歷史階段。 二、GIS考古學應用中存在的問題及發展方向 在GIS應用於考古研究的早期，人們往往樂道於它輸出的漂亮結果。圖示的東西固然可以使問題直觀化，但也容易欺騙人的眼睛。因為圖形、圖像處埋技術能輕易地突出和強調某些特征而淡化和忽略其他部分，何況人們還常常有誇大自己發現的重要性的偏向。真正重要的還在於直觀化技術和空間分析方法的結合，以及認識和解釋空間關係內涵的考古學理論的發展。另外值得強調的是，GIS並不是一種客觀、無偏見的技術事實上，GIS的分析模型是人對客觀世界認識的再現，在考古數據的選擇、分類和採用的GIS分析類型上都明顯帶有人為因素的影響。考古學數據自身的非結構化和非精確性特征與GIS的定量分析也會產生矛盾。 目前GIS的最大的不足之處是用二維或維來表現客觀世界。那些所渭的處理第三維（如時間或深度）的應用往往只是利用科學可視化（）技術在一系列垂直的二維地理層間進行組合和分析。客觀世界的資訊都涉及到三個基本特征：空間位置；描述資訊或屬性；時問或持續時期。時、空、物概念同樣涉及到考古學研究的各個層次。在某種意義上，考古可以被看成通過空間採樣來瞭解人類過去的行為。遺憾的是，現有GIS軟體因受其表征空間數據的底層數據模型所限，僅停留在對空間一屬性數據表達和分析的二維層面上，未能對客觀現象隨時間變化的特征規律的認識和分析提供有效的方法，這無疑限制了GIS在考古學中的深層次應用。 考古學研究的是多維世界，不僅要研究遺蹟、遺物的平面分佈，還要考慮其上下層位以及前後時序關係。更廣泛他說，人類對客觀世界的認識已不滿足於局部的、靜態的層次，其他如全球資源與環境動態監測、輔助決策等領域也都對時空一體化數據的GIS（GIS）提出了迫切的需求，GIS的開發已成為目前GIS領域的當務之急，也引起了國際GIS領域的高度重視(18)。中已有這方面的理論探討和有益的嘗試。在（年會上，關於如何處理時間維的討論和軟體展示成為人們十分感興趣的話題。 反之，真三維技術或時空一體化的GIS又會在考古學中得到進一步的應用，如考古發掘資料的現場記錄和分析；隨時間變化的動態的考古學文化模型的研究；基於考古遺蹟、遺物的拓撲（）關系上的時一空模式研究等。 三、GIS在中國考古中的應用前景 （一）現狀及存在的問題 目前在中國考古學研究中電腦和定量分析的應用水準與國外還有相當差距，這一方面與以“區系類型”為研究綱領的中國傳統考古學所處的歷史發展階段有關，另一方面也與考古工作者缺乏這方面的訓練不無聯繫。 考古GIS研究在歐美分別經歷了被認識、接受和發展的程序，並因考古傳統和地理環境的差異而帶來不同的研究側重點。技術是相通的，但使用的方式和用來解決的問題卻帶有本地特色，甚至和學術氛圍以及管理體制都有關係，這是在中國開展考古GIS研究應該注意的地方。 另外需要考慮的兩個因素是：對GIS的認識和人才的培養。北美的經驗表明是人而不是技術本身限制了GIS的應用。只有大家都提高對GIS的認識，社會各界才能積極支援考古GIS的建設。另一方面，GIS的應用已從科研型向工程型發展，人在GIS項目實施中佔了極重要的地位，特別是組織實施項目的複合型人才。在知識結構上，他們既要熟悉遙感、電腦、地學，更要有考古知識和實踐，瞭解電腦考佔學應用背後的目標。 應當看到，作為考古大國，在中國開展考古GIS研究具有十分廣闊的前景。目前至少可從三個方面人手：電腦製圖、聚落研究和考古數據庫建設。 （二）電腦製圖 GIS最直接的應用就是考古數據製圖，這方面的應用包括區域中遺址分佈圖、遺址中遺物分佈圖、建築遺址結構圖、考古遙感專題製圖、三維地形圖等。用GIS處理地圖的優勢在於它可以將考古資料分成不同的圖層，如遺址、遺物、地形、地貌圖等，然後可以根據不同的研究需要進行圖層疊加，制成各種分類和專題圖。 進一步，可把GIS作為管理和決策的工具，如建立三峽庫區文物分布的“電子地圖”，既可按多種條件進行查詢，也可將查詢結果製圖輸出。 （三）GIS聚落研究 當中國考古學在建立起考古學文化的時空框架和發展譜系後，如何有效地開展區域性考古學研究越來越成為人們關注的焦點，如聚落考古，中國考古學在這方面還缺乏相應的理論和方法。而西方從經濟理論中引人的用於聚落研究的區位分析（）過分強調了抽象的幾何概念(19)，用來重建區域社會系統的聚落等級（）多為依靠聚落大小和象征器物來判斷的定性方法，而等級一規模（）分析方法利用的也僅是遺址面積這一伸縮性很大的參數(20)。理論和方法上的不足為在中國開展考古GIS聚落研究提供了契機。中國的人文景觀與歐洲頗為相似。在這方面，歐洲GIS聚落考古學研究有許多經驗可供借鑑。 （四）資料庫建設 歐美基於GIS以及其他各種區域性和國家級的考古數據不僅為人文資源管理帶來了方便，更重要的是服務於考古學研究。舉個簡單的例子，現在有不少學者在估算中國商周時期銅的總產量，要想收集散佈於各