地理信息系统在考古研究中的应用.pdf

MA N A G E ME N T A N D R E V I E W O FS O C I A L S C I E N C E S 2 0 0 6年第1期 总第2 9期 学科建设 地理信息系统在考古研究中的应用 刘建国 一 地理信息系统简介 地理信息系统简称G I S G e o g r a p h i c a l I n f o r m a t i o n S y s t e m 属于空间信息系统 它是2 0 世纪6 0年代开始迅速发展起来的地理学研究技术系统 它作为计算机技术 地理 遥感 测 绘 统计 规划 管理学和制图学等学科交叉运用的产物 代表了现代计算机应用技术和其 他学科相互渗透的发展方向 G I S技术是以地理空间数据库为基础 在计算机软件和硬件的 支持下 采用地理模型分析方法 运用系统工程和信息科学的理论 对整个或部分地球表面 包括大气层 与地理空间分布有关的数据进行采集 管理 操作 分析 模拟和表达 为地理 研究和地理决策服务提供多种空间地理信息的技术系统 G I S具有以下三个方面的特征 1 具有采集 管理 分析和输出多种地理空间信息的能力 具有空间性和动态性 2 以地理研究和地理决策为目的 以地理模型方法为手段 具有区域空间分析 多要素 综合分析和动态预测能力 产生高层次的地理信息 3 由计算机系统支持进行空间地理数据管理 并由计算机程序模拟常规的或专门的地 理分析方法 作用于空间数据 产生有用信息 完成人类难以完成的任务 所以G I S是由计算机硬件 软件 地理数据和人设计的有效地获取 存贮 更新 操作 分 析和显示所有地理信息的集成应用系统 数据是地理信息系统的基础 是地理信息系统的 基本组成 数据包括图形数据 图像数据和属性数据三类 G I S的硬件包括计算机 数字化 仪 图像扫描仪 绘图仪 打印机 磁带 盘 机等 其软件包括五个基本模块 数据输入和检 验 数据存储和管理 数据变换 数据输出和表示 用户接口等 从外部来看 地理信息系统 表现为计算机软硬件系统 而其内涵是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息 模型 是一个逻辑缩小的 高度信息化的地理系统 地理信息系统是整个地球或部分区域的资源 环境数据在计算机中的缩影 严格地讲 它是反映人们赖以生存的现实世界 资源与环境 的现状与演变的各类空间数据及描述这 些空间数据特征的属性数据 在计算机软件和硬件的支持下 按照一定格式输入 存贮 检 索 显示和综合分析应用的技术系统 随着计算机技术 空间技术和现代信息基础设施的飞 速发展 G I S技术在各国经济信息化进程中日渐重要 特别是当今 数字地球 概念的提出 使得人们对G I S的重要性有了更深刻的了解和更直观的认识 2 0世纪9 0年代以后 地理信息 系统在全球得到了空前迅速的发展 应用领域不断扩大 产生了巨大的经济和社会效益 作者 刘建国 中国社会科学院考古研究所副研究员 北京1 0 0 7 1 0 地理信息系统在考古研究中的应用 7 9 MA N A G E ME N T A N D R E V I E W O FS O C I A L S C I E N C E S 2 0 0 6年第1期 总第2 9期 二 国际上G I S的发展 G I S是2 0世纪6 0年代中期开始发展起来的交叉学科 最初是为了解决地理问题 至今已 成为一门涉及测绘学科 环境科学 计算机技术等多学科的交叉学科 地理信息系统一词于 1 9 6 3年由加拿大测量学家R F T o m l i n s o n首先提出 并建成世界上第一个G I S 加拿大地理信 息系统C G I S 用于自然资源的管理和规划 不久 美国哈佛大学提出了较完整的系统软件 S Y MA P 这应该是G I S的起步 进入7 0年代以后 由于计算机软硬件水平的提高 促使G I S朝 着实用方向迅速发展 一些经济发达国家先后建立了许多专业性的G I S 在自然资源管理和 规划方面发挥了重大的作用 8 0年代后兴起的计算机网络技术使地理信息的传输时效得到 了极大的提高 它的应用从基础信息管理与规划转向更复杂的实际应用 成为辅助决策的 工具 并促进了地理信息产业的形成 到1 9 9 5年 市场上有报价的软件已达上千种 并且涌 现出了一些有代表性的G I S软件 地理信息系统的存在与发展历时3 0余年 综观G I S发展 并 且根据北美地区的实际情况 可将地理信息系统发展分为以下几个阶段 1 6 0年代为地理信息系统开拓期 注重于空间数据的地学处理 初期地理信息系统发展 的动力来自于诸多方面 如学术探讨 新技术的应用 大量空间数据处理的生产需求等 对 于这个时期地理信息系统的发展来说 专家兴趣以及政府的推动起着积极的引导作用 并 且大多地理信息系统工作限于政府及大学的范畴 国际交往甚少 2 7 0年代为地理信息系统的巩固发展期 注重于空间地理信息的管理 地理信息系统的 真正发展应是7 0年代的事情 地理信息系统在继承6 0年代技术基础之上 充分利用了新的 计算机技术 但系统的数据分析能力仍然很弱 在地理信息系统技术方面未有新的突破 系 统的应用与开发多限于某个机构 专家个人的影响削弱 而政府影响增强 3 8 0年代为地理信息系统大发展时期 注重于空间决策支持分析 地理信息系统的应用 领域迅速扩大 从资源管理 环境规划到应急反应 从商业服务区域划分到政治选举分区 等 涉及到了许多的学科与领域 如古人类学 景观生态规划 森林管理 土木工程以及计算 机科学等 许多国家制定了本国的地理信息发展规划 启动了若干科研项目 建立了一些政 府性 学术性机构 这个时期地理信息系统发展最显著的特点是商业化实用系统进入市场 4 9 0年代为地理信息系统的用户时代 一方面 地理信息系统已成为许多机构必备的工 作系统 尤其是政府决策部门在一定程度上由于受地理信息系统影响而改变了现有机构的 运行方式 设置与工作计划等 另一方面 社会对地理信息系统认识普遍提高 需求大幅度 增加 从而导致地理信息系统应用的扩大与深化 三 中国G I S的发展 中国G I S的发展较晚 经历了起步 1 9 7 0 1 9 8 0 准备 1 9 8 0 1 9 8 5 发展 1 9 8 5 1 9 9 5 产 业化 1 9 9 6以后 等四个阶段 现在 G I S已在中国的很多部门和领域得到了广泛的应用 并 引起了政府部门的高度重视 一批地理信息系统软件 如G e o S T A R C i t y S t a r Ma p G I S S u p e r G I S等 已经研制开发成功 很多高等院校设立了一些与G I S有关的专业或学科 还要很多 地理信息系统在考古研究中的应用 8 0 MA N A G E ME N T A N D R E V I E W O FS O C I A L S C I E N C E S 2 0 0 6年第1期 总第2 9期 专门从事G I S产业活动的高新技术产业相继成立 些外 还成立了 中国G I S协会 和 中国 G I S技术应用协会 等 并且经常召开G I S方面的学术研讨会 中国地理信息系统方面的工作始于2 0世纪8 0年代初 以1 9 8 0年中国科学院遥感应用研 究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志 在几年的起步发展阶段中 中国地理信 息系统在理论探索 硬件配制 软件研制 规范制订 区域试验研究 局部系统建立 初步应 用试验和技术队伍培养等方面都取得了进步 积累了经验 为在全国范围内展开地理信息 系统的研究和应用奠定了基础 自1 9 8 5年起 地理信息系统研究作为政府行为 正式列入中国国家科技攻关计划 开始 了有计划 有组织 有目标的科学研究 应用实验和工程建设工作 很多高校和科研机构同 时展开了地理信息系统研究与开发工作 如全国性地理信息系统 或数据库 实体建设 区 域地理信息系统研究和建设 城市地理信息系统 地理信息系统基础软件或专题应用软件 的研制和地理信息系统教育培训 通过近五年的努力 打开了地理信息系统应用的新局面 并在全国性应用 区域管理 规划和决策中产生了实际的效益 自2 0世纪9 0年代起 地理信息系统跨入快速发展阶段 各相关部门执行地理信息系统 和遥感联合科技攻关计划 强调地理信息系统的实用化 集成化和工程化 使地理信息系统 从初步发展时期的研究实验 局部应用走向实用化和产业化 为国民经济重大问题提供分 析和决策依据 同时努力实现基础环境数据库的建设 推进国产软件系统的实用化 遥感和 地理信息系统技术一体化 这一阶段经营地理信息系统业务的公司逐渐增多 投入不断增 加 政府部门的扶持力度有很大程度的提高 总之 中国地理信息系统事业经过十年的发展 取得了重大的进展 地理信息系统的研 究和应用正逐步形成行业 具备了走向产业化的条件 四 考古研究中应用G I S的必要性 伴随着G I S技术的不断发展 考古研究中G I S技术的应用与研究也得到了足够的重视 并且取得了丰硕的成果 特别是G I S的空间分析技术应用于区域考古研究之中 为现代区域 考古学研究提供了一整套全新的方法和手段 拓展了考古学研究的领域 很多定期召开的 考古界国际学术研讨会都将G I S作为独立的专题 让考古界的学者与G I S方面的专业人员一 起进行交流和探讨 更加促进了考古研究中G I S技术的发展与理论的成熟 在考古学研究中应用G I S技术之前 考古调查和发掘中发现的各种遗迹或遗物的时空 分布情况 都要记录在遗迹分布图上 这些是研究古代社会经济 文化和社会形态的重要依 据 一个考古遗址的发掘 尤其是带有明确学术目的的主动发掘 往往需要进行若干次阶段 性发掘才能完成 因此就遗址的发掘和研究来说 又具有一定的长期性 而且每次发掘的内 容都应该及时补充到遗迹分布图中 这样才有利于考古研究工作的顺利进行 所以遗址的 发掘资料除了发掘记录外 通常是每次田野工作结束时 在现有地图或实测图上进行补充 和修正新的遗迹或现象 于是一个遗址的资料就会逐渐增多 在这样的情况下 对一个遗址 内大量而重要的资料进行查询 管理和综合研究时往往会显得力不从心 因为一些资料可 地理信息系统在考古研究中的应用 8 1 MA N A G E ME N T A N D R E V I E W O FS O C I A L S C I E N C E S 2 0 0 6年第1期 总第2 9期 能存在于一张或几张不同时期 不同范围的遗址分布图上 这些图的比例尺和注记格式往 往不一样 而另一些资料却在遗址的发掘报告 研究论文甚至在有关单位收藏品的记录 中 因此查询 收集这些资料既要耗费大量的时间 又非常麻烦 而且很难将大量的资料综 合在一起进行定性定量研究和三维空间的模拟分析 资料的利用率很低 所以在2 0世纪8 0 年代末 欧美考古学研究中引入了地理信息系统技术 很好地解决上述的那些问题 考古调查和发掘中获得的资料都具有空间属性 一个考古遗址的位置和范围可以使用 空间数据来表示 考古遗址内的遗迹 现象乃至一件器物或陶片都是在特定探方中特定位 置上 可以用准确的数据来表示各自的空间位置 考古学研究就是通过各种遗迹和器物及 其空间分布的状况 来模拟和重建当时的历史及其演变过程 传统的考古学研究方法往往 只是通过人脑的思考 然后使用文字给予一定的描述对研究结果进行归纳和总结 这种研 究方法非常简便 但是往往无法同时运用全部的考古信息进行综合研究 而且不便于进行 空间的分析和模拟 深入浅出地对考古学问题进行阐述和研究 地理信息系统技术正是从 考古遗迹或现象的空间位置出发 建立多种空间信息与属性信息并存的数据库和图形图像 库 从而能够方便地进行分层或综合显示 查询 模拟各类数据信息 直观 简洁地复原当时 的社会状况 五 考古研究中G I S项目的建立 运用G I S能够建立局部区域 全国乃至全球范围内的考古信息系统 也可以建立单个遗 址内不同时期遗物的分布特征方面的考古信息系统 用于考古研究的地理信息系统能够有 效地表示遗址范围内的各种遗迹及其所处的地理环境 这些遗迹可以大致抽象为点 线 面 三种类型 点可以确定遗址或遗址中遗物的位置 大范围的空间分析中可以将遗址 古城抽 象为点 线具有一定的长度和走向 表示古代的城墙 道路 河流等相互间或与遗迹之间的 联系 面确定遗址范围和形状 表示遗址的范围或各种面状的遗迹 考古信息数据包括考古遗址的空间数据和属性数据 及其相互间的连接 空间数据是 指各种遗迹所处的空间位置 属性数据是指遗迹的内容 说明等 空间数据包括地形图 专 题地图 遥感影像等等 空间数据的输入就是将这些图形或影像运用数字化仪 扫描仪等设 备输入到计算机中的过程 考古研究中的空间数据往往很多 因此需要对空间数据分层放 置 比如在一个区域考古信息系统中 第一层表示这个区域的地形即等高线 第二层表示水 系 第三层表示石器时代的遗址 第四层表示商周时期的遗址 第五层表示秦汉以后的遗 址 空间数据的分层方法多种多样 工作中应根据遗址的具体情况而定 属性数据包括现有 的各种考古资料 即考古钻探 发掘的所有记录等 考古信息系统的建立就是在一个特定的G I S软件中建立一组项目文件 然后调入相应 的图层文件 一般为矢量格式的线划图 也可以为栅格式的图像文件 矢量图形记录的是曲 线或闭合图形上各段线段的转点和方向 可以对各个元素单元赋予属性值 比如等高线可 以赋予高程数值 遗址点可以赋予遗址的名称 位置 大小 年代以及调查 发掘等情况 所 以在每个G I S项目中都需要大量的矢量图形 而且矢量图形的制作是最为关键性的工作 地理信息系统在考古研究中的应用 8 2 MA N A G E ME N T A N D R E V I E W O FS O C I A L S C I E N C E S 2 0 0 6年第1期 总第2 9期 矢量图形一般都是通过图纸的数字化或扫描图形的矢量化获取的 现在 数字化仪基 本上已经退出舞台 代之而起的是在矢量化软件的支持下 将扫描的图形进行分层矢量化 这种方法有着速度快 精度高 操作简便等诸多优点 因而在信息化工作中发挥了重要的作 用 得到了广泛的应用 考古G I S项目中 对图形进行矢量化时一般将等高线 水系 道路 居 民地等单独分层处理 其中等高线中的计曲线与首曲线 水系中的面水系与线水系 道路中 的铁路与各种等级的公路 居民地中的楼层数量等等 也都是可以通过不同的属性值加以 区别的 以便在最后的分析中能够充分发挥G I S技术的强大优势 考古遗址等情况可以在矢 量化时作为独立的一个或几个图层进行矢量化 也可以利用G I S软件的编辑功能在G I S项目 中建立相应的图层 G I S项目中往往具有很多的图层 图层的排列方式需要作合理的安排 以便在同时显示 诸多属性时 前面图层对后面图层的叠压和覆盖最少 一般情况下 以遥感影像或数字地面 模型作为底图 然后再依次叠加等高线 水系 道路 居民地等现代地物 最后再依次加入面 状 线状 点状等的考古遗迹图层 矢量化后的图层文件一般都能够直接调入到G I S项目中 然后在G I S软件中重新编辑或 建立地面信息与考古遗迹或遗物的属性库 将相关的考古信息输入到属性库中 为了更好 地描述各种属性 有时需要对一些信息进行简单的编码 以便简化工作量 提高工作效率 有些信息可能存在于专门的数据库中或网页上 这时就需要制作特定的连接 以便在使用 中能够通过G I S项目就可以直接访问相应的数据库 网页 充分发挥G I S技术的强大优势 六 考古研究中G I S实现的功能 建立考古G I S项目的目的 是利用G I S软件的强大功能 来实现考古研究中的一些目标 拓展考古学研究的领域 G I S技术的基本功能表现在如下方面 首先 地理信息系统具有强大的空间信息显示和查询功能 可以实现包括矢量图形 栅 格图形和遥感图像等空间信息以及各种描述 记录 数据等属性数据的显示和查询 在G I S 软件中 利用漫游和缩放工具能够改变图形显示的大小和位置 而且 各个图层既可以单独 显示 也可以根据需要 进行不同组合的显示 或者通过比例尺的变化 来显示局部地区考 古遗址的分布特征或整个研究区域不同时期遗址的分布情况 G I S软件还可以按照一定的 限制来进行查询和显示 提取距河流 中心聚落一定范围内的遗址的分布特征 其次 各图层可以被重新排列 编辑 剪切和粘贴 或者添加新的图层 每一个图层中的 特征也可以进行编辑或移位 同时能够打开对应的属性表 进行属性数据的编辑 如创建数 据表 定义表的结构 添加或删除字段 添加或删除记录 编辑修改图层数据和属性数据等 一定区域的考古研究往往需要很多年的时间才能完成 每次的考古调查和发掘都会有 新的收获 这就要求所建立的考古信息系统具有不断修改原有数据和增加新数据的能力 使考古信息系统始终拥有最新的数据和记录 及时反映考古研究的进展情况 第三 利用G I S软件 可以生成各种各样的图形和图像产品 为区域考古研究提供生动 美观 简洁的研究模型 对考古遗址及其所处的环境进行三维模拟和显示 这些图形或图像 地理信息系统在考古研究中的应用 8 3 MA N A G E ME N T A N D R E V I E W O FS O C I A L S C I E N C E S 2 0 0 6年第1期 总第2 9期 既能够反映整个研究区域的总体概括 又可以根据需要 灵活地反映任何一个特定区域的 遗址分布特征 同时 还能够根据研究需要 显示单个图层 多个图层乃至所有图层的信息 G I S生成的图形和图像可以直接输出到打印机或绘图仪上 打印出精美的图件用于印 刷制版 也能够以多种格式输出到的文件中 供其他软件调用 以便作进一步的处理和分 析 或编辑到超文本等格式的文件中 制作光盘或放置于网站之上供他人查询使用 第四 G I S软件具有对多重数据的访问和显示的功能 利用热连接功能 可以直接访问 或打开图形 图像 数据库 声音 视频乃至其它G I S文件 使地理信息系统能够与多重数据 进行广泛而快捷的联系 我们可以建立全国范围内的考古信息系统 并应用热连接功能调 用各省 局部区域直至单个考古遗址的考古信息 形成多级信息数据的使用与管理 七 空间分析技术支持的聚落考古研究 一个区域内各种考古遗迹或现象与周围环境之间都有着密切的联系 反映出当时人类 的生存受到自然环境的严重制约 在聚落考古调查和发掘工作中 考古学家记录了很多有 关考古遗迹或现象的空间数据 或者说那些数据具有重要的空间信息 所以能够运用空间 分析的方法对一个区域内的考古数据进行研究 揭示考古遗址的分布与自然环境等因素的 关系 在此 以山西省襄汾县境内 陕西省七星河流域等的聚落分布与环境关系研究为例 介绍G I S空间分析技术支持的聚落考古研究的特征 1 缓冲区分析 缓冲区又称影响区或影响带 是指围绕地理要素的一定宽度的区域 缓冲区是以某类 图形元素 点 线或面 为基础拓展一定的宽度而形成的区域 在襄汾县境内的聚落分布研 究中 各个时期的聚落基本上都是沿着河流分布 所以建立了河流缓冲区 并且发现全部聚 落基本上都是在汾河各支流两侧大约6 0 0米的范围内 而汾河两岸的聚落则非常稀少 这个 情况与其它一些地区的聚落分布特征比较一致 当时人们的生活与水源有着极为密切的关 系 人们在选择居住地点的时候首先要考虑与水源的距离 研究区域的西南部地势较平坦 现在修建了一些人工水渠 很难发现自然河流的痕迹 古代的自然河流遭到了严重的破坏 这里的聚落看起来显得与河流无关 但在当时应该是与河流有着密切的关系 产生这种情况的原因在于山西省属于半干旱性气候 全年的降水量分布极不均匀 一 般七 八两个月的降水量超过全年降水量的6 5 而另外1 0个月的总降水量还不到3 5 人 们为了在旱季也能够生存在这里 必须