TECHNOLOGYe-Science 技术

42 e-Science 2010年7月

摘 要：

考古学研究；数字摄影测量；遥感；地理信息系统；虚拟现实关键词：

The Progress of IT Applications and Practices in Archaeology

Liu JianguoInstitute of Archaeology, Chinese Academy of Social Sciences, Beijing 100710, China

With the development of modern archaeological research, the digitization and the integration research of different materials from archaeological field work and excavation become very important. Modern surveying and mapping, remote sensing, geographical information system and virtual reality etc. have been employed to make powerful support for archaeological research on data collection, mapping, analysis, integration and modeling, and have made Archaeological work keeping pace with IT development.

Archaeological research; Digital photogrammetry; Remote sensing; Geographical information system; Virtual reality

Abstract:

Keywords:

考古信息技术应用进展与实践

刘建国中国社会科学院考古研究所，北京 100710

随着现代考古学研究的不断深入，考古调查与发掘现场各种资料的信息化和多

重数据的集成研究显得尤为重要。现代测绘、遥感、地理信息系统、虚拟现实

等技术从数据的采集、成图、分析、集成、模拟等方面，为考古学研究提供强

有力的支持，使考古调查发掘与现代信息技术实现有机融合。

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1. 引言

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是研究

古代社会经济、文化与社会形态，

保护重要文化遗产的基本信息。其

时空分布特征要落实到遗址的遗迹

分布图或者探方图上，并作为研究

古代社会、经济、文化和社会形态

的重要依据。同时，发掘中获得的

资料都具有空间属性，具体考古遗

址的位置和范围可以通过空间数据

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，能够采用准确的

数据来表示。考古学研究的重要内

容之一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

的社会、文化，并探讨历史演变过

程，现代信息技术对于依赖多学科

知识与多技术平台综合运用的考古

调查和发掘来说，尤为重要。

从空间上，现代测绘与成

图技术能够精确反映各种考古遗

迹、现象与遗物的位置，并将

各种数据输入到地理信息系统

（GIS，Geographic Information

System）中进行集成，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。

2. 全球定位系统与电子全站

仪测绘

全球定位系统（GPS：Global

Positioning System）是以对地

观测卫星网络为基础，以无线

电为通讯手段，依据测量学的原

理，实行全球连续导航和定位的

高新技术系统，具有全球性、全

天候、高精度、快速实时的三维

导航、定位、测速和授时功能，

以及良好的保密性和抗干扰性。

GPS包括空间卫星系部分、地面控

制部分和用户接收部分。

测量型GPS可以进行静态或动

态的差分测量，能够满足考古测绘

中的控制测量与细部测量的需要，

具有很多优点：(1)高精度三维定

位，各点之间不存在误差积累。

(2)设计和布点方便灵活，不受地

面点间必须相互通视的限制，从而

使控制网图形设计和点间距离不受

限制，选点比较方便灵活。(3)对

地理条件和作业条件要求低。在沙

漠、高山，在孤岛、礁滩等处都可

以进行GPS定位观测。(4)工作效率

高。卫星定位系统也存在一些缺

陷，无法在沟槽、洞穴、地下墓室

中测量。总之，使用GPS进行测量

可以避免地面遮挡等的局限，没有

误差累积，特别适合于大型考古遗

址内的各种测量。

电子全站仪（ETS：Electronic

Total Station）是近年普遍使

用的一种新型测量仪器，能够方

便、快捷、精确地进行高精度的

角度、距离、高程、坐标等测量

工作，满足各种考古测绘的需

要，并可以与计算机联机作业，

配合相应的测量软件，自动将电

子全站仪测量数据传输到计算

机中进行成图。测量的图形能够

根据需要以多种形式和多种比例

尺打印输出，还能够输入到地理

信息系统中作为基本数据底图使

用。有的电子全站仪还带有激光

测距和卫星定位功能，不使用棱

镜就可以测量出点的坐标，适合

应用于测绘石窟、古建筑等不便

架设反射棱镜的独立场所。

3. 数字摄影测量与三维激光

扫描仪

3.1 数字摄影测量

数字摄影测量（Di g i t a l

Photogrammetry）称为全数字化

摄影测量，是基于数字影像和摄

影测量的基本原理，数字摄影

测量的核心技术之一是影像匹

配算法，并结合计算机技术、数

字影像处理、模式识别等多学科

的理论和方法，提取所摄对象用

数字方式表达的几何信息和物理

信息。它所表达的不仅是原始地

表的景观像片，更主要的是体现

经过标准化的数字化信息；它是

以计算机视觉代替人眼的立体观

测，其产品是以数字形式记录的

多种信息，常见的为数字地形

图、等值线图、正射影像图、三

维模型等（图1）。

摄影测量的主要特点是在影

像上所关注的目标实施量测，无

须接触物体本身，一般不受自然

和地理条件的限制，而且可以获

得瞬间的影像。各种类型影像均

是客观物体或目标的真实反映，

信息丰富、逼真，可以从中提取

研究目标的大量信息。考古研究

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中可以使用摄影测量技术测绘遗

址、建筑、石刻、器物等文化遗

产的等值线图等，为文化遗产的

研究和保护提供基础数据，多用

于对不同大小和类型的遗迹、遗

物进行拍摄和建模。

3.2 三维激光扫描

三维激光扫描是通过激光测

距原理（包括脉冲激光和相位激

光），瞬时获取被测物体表面空

间三维坐标数据的测量技术。扫

描仪产生并发射一束激光脉冲，

打在物体上并反射回来，最终被

接收器所接收。接收器准确地测

量激光脉冲从发射到被反射回的

传播时间或者相位差，从而精确

计算出测量距离。结合扫描仪的

高度、激光发射方向与扫描角

度，就可以准确地计算出每一个

光斑的三维坐标X、Y、Z。扫描结

果为三维点云（Point Cloud），

依据点云和照片能够生成等值线

图、正射影像图、三维模型等产

品。考古工作中可以对遗址、发

掘区、古建筑、石刻、小型文物

等进行测量和建模（图2，由北京

大学视觉与听觉信息处理国家重

点实验室扫描制作），三维点云

数据精确记录了文物表面的瞬间

空间信息，为文物成图、存档、

复制与监测提供科学依据。三维

激光扫描在考古领域有广泛的应

用前景，激光扫描技术与惯性导

航系统（INS）、全球定位系统

（GPS）、电荷耦合（CCD）等技

术相结合，在大范围数字高程模

型的高精度实时考古目标获取、

古遗址三维模型重建、古遗址环

境的模拟等具有显著优势，成为

摄影测量与遥感技术相结合应用

于考古工作的一项重要补充。

4. 遥感考古

遥感技术可以判定很多地下

遗迹或现象的位置、形状、深度

等特征，也可结合相关技术进行

遗址探查、测量、三维模拟等工

作，快速地为考古勘探和研究提

供重要线索。遥感数据处理中的

各种特征信息提取算法，并能用

于考古现场遗迹与文物影像的匹

配，得到相应的正射影像图，据

此可以快速绘制所需的线划图。

适宜在田野考古工作中及时获取

多时空尺度的遥感影像，在经过

标准化处理之后，通过不同时期

的影像信息开展工作。

在遥感考古工作中，各种时

空尺度的遥感影像记录了大量的

土壤学、地质学、地貌学、生态

学和地理学等信息，从不同层面

反映出考古遗迹或现象的特征。

为此，必须根据考古遗迹或现象

的影像特征建立考古目标的遥感

解译标志，才能展开遥感解译工

作。考古遗迹或现象以各自的方

式存在于自然环境中，形成独特

的遗迹土壤标志、遗迹阴影标志

与遗迹植被标志（图3），这三种

常见的遗迹标志是解译考古遗迹

的重要依据，构成考古遗迹最基

图1 根据照片生成的遗迹表面点云与三维模型

图2 三维激光扫描的佛像点云

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本的影像特征。

遥感影像记录的是成像瞬

间的信息，所以早期的遥感影像

上往往可以判读出现在已经毁坏

的重要考古遗迹。我国首次大规

模拍摄的航片在1960年前后，这

些资料对考古研究来说是很有价

值的，因为很多考古遗迹是在20

世纪70年代前后被毁坏的，更早

的航空影像就更有考古价值了。

例如，位于广西浦北县泉水乡旧

州村的旧州古城，城圈为土筑而

成，分子城和外城，南流江从城

东南过。1960年的航空影像上梯

形的子城与不规则的外城非常清

晰，子城在外城的东侧，城外应

该有护城壕，子城的西部伸入外

城内（图4 a）。由于人为的破

坏，现今仅存子城，而且其西南

角已经毁坏。外城除北面尚存部

分残墙外，其余已被辟耕地，基

本上无法辨认（图4 b）。实地调

查发现子城东西长约165米，南北

宽约110米，墙残高3～5米。城角

外突，有明显的角楼建筑特征。

现在商用卫星影像的全色波

段空间分辨率已经达到了50厘米

以内，对地表细节的结构、纹理

等刻画较为清晰，适合于地面信

息的提取、成图等工作。而高光

谱分辨率遥感数据也应用于考古

探测。其中，多光谱信息中的近

红外、中红外，以及热红外信息

对地表水分异常较为敏感。例

如，在安阳殷墟的遥感研究中，

使用了黑白航片、彩红外航片和

两个时相的TM影像，其中1993年

10月19日的TM影像上有大量的异

常图斑，这种影像异常，是一些

包含在地面信息之间的较弱的影

像图斑，它们分布在地块影像之

间或内部，色调较浅，边缘较清

晰，通过影像处理后能够明显地

反映出来，尤其在其与航空影像

等高分辩率影像叠加、融合后，

能够较为准确地确定各异常的地

面位置。出现异常图斑的地域应

该是较为干燥、致密的土壤，而

且腐殖质含量较少，或者说，

相应地域可能有很多夯土建筑基

址、墓葬等遗迹（图5）。

考古遥感技术在古城遗址

的研究中作用尤为明显，特别

是在地表残存一定遗迹的情况

下效果较为明显。遥感考古技

术能够通过现代信息技术作为

图3 遥感考古主要影像标志

a. 1960年的航空影像 b. 2002年的航空影像

图4 广西浦北县旧州城址航空影像

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平台，对古城遗址作全方位的

分析和研究，为城址考古提供

科学而合理的依据。

5. 考古地理信息系统

地 理 信 息 系 统 简 称 G I S

（Geographical Information

System），属于空间信息系统。

它是二十世纪六十年代开始迅速

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

和其它学科相互渗透的发展方

向。GIS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，已经广泛地应用于

多学科领域。

GIS是有效地获取、存贮、

更新、操作、分析和显示所有地

理信息的集成应用系统。其中，

数据是地理信息系统的基本组

成，主要包括图形数据、图像数

据和属性数据三类。

考古GIS的建设主要围绕考

古目标的发掘而展开，发掘墓葬

或探方中的所有数据通过建立考

古发掘数据

库实现数据

的收集、组

织和管理。

其中，考古

发掘中各墓

葬、灰坑、

建筑基址等

的详细图形

也都可以通

过GIS进行表

示，甚至表

现墓葬中的器物、陶片分布等细节

特征。然后针对不同的图层设置不

同的显示比例，以便在不同显示比

例的情况下，更好地展示特定的要

素。对开展后续工作以及遗址的保

护规划等都具有重要价值。

地理信息系统具有空间信息显

示和查询、图文互访、修改编辑、

图形图像生成与输出、多重数据访

问和显示等功能，同时还具有多

重空间分析功能，用于分析一个

完整区域中古代聚落的分布与演

变特征，探究古人与自然环境之

间的依赖与改造关系，有益于科

学地制定文化遗产的保护与规划

方案。山西省临汾盆地中各个时

期的聚落基本上都是沿着河流分

布，通过建立河流缓冲区，发现

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（图6）。山西省属于半干旱性

气候，全年的降水量较少，而且

分布极不均匀，人们为了度过漫长

的旱季，必须在雨季贮存足够的水

量。于是推测当时人们在居住地附

（图中黑、白小点表示钻探的探孔，白色小点表示发现有夯土）

图5 安阳殷墟的遥感影像图

图6 临汾盆地聚落分布的河流缓冲区分析

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近的河流上修建堤坝，使堤坝以

上的河段成为一个个小型水库，

常年贮存一定的水量以满足人们

长期生存的需要。

从山西临汾盆地中的坡度分

析模型可以看出坡度在1°以内和

超过3°的地带几乎没有聚落分布

（图7）。西部吕梁山沿线坡度很

大，河流的落差也很大，不适合修

建堤坝用来贮水，人类无法在这里

生存。而坡度在1°以内的平坦地

带，可能是河流的稳定性很差，山

洪爆发的时候经常发生河流改道等

事件，不便于人们居住。而1°至

3°的地带中，河道下切很深，河

流较为稳定，适合人类的生存。

水文分析就是研究地表水流

等情况。GIS技术可以根据地形

数据模拟生成局部区域中水流的

方向，计算出最小沟谷的集水区

域。集水区域间的分界线就是分

水岭，分水岭包围的区域称为一

条河流或水系的流域。

根据临汾盆地中水文分析的

结果，可以发现集水盆地的大小

与其下游分布的聚落大小直接相

关（图8）。塔儿山西部与西南

部独立水系的集水盆地都很小，

只有少量小型和中型聚落分布期

间。而塔儿山西北部与东南部的

独立水系都具有较大的集水盆

地，能够汇聚较多的水源，养活

更多的人口，所以分布着很多大

型乃至超大型的聚落。

6. 空间信息可视化与虚拟

现实

空间信息可视化是指运用计

算机图形图像处理技术，将复杂

的科学现象和自然景观及一些抽

象概念图形化的过程。更具体地

说，是利用地图学、计算机图形

图像技术，实现应用于考古研究

的相关信息的输入、查询、分析

和处理等功能，实现在可视化环

境下，完成基于考古学理论、技

术和方法的交互处理与分析。

虚拟现实（VR，Vi r t u a l

Reality）是空间信息可视化的

新方式，是对现实或虚幻现实的

仿真模拟，通过人与计算机进行

交互操作，产生与现实世界相同

的反馈信息，生成一个逼真的视

觉、听觉、触觉及味觉等多维感

观世界，使人们感到仿佛置身于

真实世界之中。

空间信息技术的一个重要

功能就是对研究区域的三维空间

模拟，在实现收集考古数据的基

础上，可以使用三维合成技术生

成逼真的三维古代环境、古代城

市、考古遗址、考古发掘现场、

考古博物馆等等，并配合相关的

声音等信息，用户可以直接用人

的技能和智慧对这个生成的虚拟

实体进行考察和操纵。如同很多

博物馆中制作一些考古遗址、墓

葬的沙盘一样，三维建模技术可

以根据考古调查、发掘的数据，

对发掘的情况或古代社会进行虚

拟，通过计算机动态地重现考古

发掘现场或古代的历史片段等场

景；也能够根据考古学家的假设

或推断进行三维动态的虚拟，检

验假设或推断的可靠性。

随着计算机技术和空间信息

技术的发展，考古学者不仅可以

图7 临汾盆地聚落分布的坡度与坡向分析 图8 临汾盆地聚落分布的水文分析

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形象地观察考古数据，而且可以

与三维模拟的对象进行交互，具

有从外到内或从内到外观察考古

数据空间的特征。比如用手（通

过传感器或跟踪装置）或其他三

维工具来操纵古代模型、感知模

拟对象的触觉乃至气息等等。这

样，考古学家可以充分地利用考

古数据，从不同角度使用多种方

式来研究考古学的问题，提高工

作效率；非考古专业的人士则可

以非常直观地感知考古研究的内

容，领略考古学家所揭示的古代

社会的“真实”面貌，走进视听

效果十分逼真的虚拟考古世界，

体验身临其境的感觉（图9）。

7. 考古空间信息技术的集成

考古研究中GPS、电子全站

仪、数字摄影测量、三维激光扫

描等测绘技术、遥感技术与地理

信息系统等的集成运用，形成一

整套针对考古目标的多时空尺度

观测、分析和应用的考古信息技

术平台。

测绘技术能够获取考古遗迹

精确的空间位置数据，与遥感技

术获取的数据既具有各自独立的

功能，又能够互相补充和完善。

测量所得的地面点位坐标数据，

能够作为遥感影像的地面控制点

信息，对遥感影像进行精确的几

何校正与配准，为遥感数据实

时、快速地进入GIS系统提供了

可能，保证考古遗址的遥感数据

与地面监测、调查等数据能够动

态地配准、动态地进入考古GIS

数据库。

遥感技术能够获取高空间

图9 北京明十三陵的三维模型

分辨率、高时间分辨率和高光谱

分辨率的地表信息，对考古遗址

进行地图更新，勘探地下未知遗

迹，实时掌握考古遗址及其周边

环境的变化特征，是信息提取与

分析的主要手段，遥感技术不仅

为GIS数据的动态更新和综合分

析提供保障，及时、准确、综

合和大范围地为GIS提供各种数

据，更为重要的是，通过遥感与

GIS的结合，拓展了考古学研究

空间，丰富了分析手段，增加了

应用深度。

GIS是考古空间信息技术的核

心技术之一，不仅能够将遥感等栅

格数据与测绘等矢量数据进行空间

叠加，并且通过检索、计算、分

析、模拟等功能实现针对考古调

查和发掘目标的多方面分析与判

断，具有广泛的应用前景。

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刘建国

中国社会科学院考古研究所研究员，主要研究方向为考古信息工程，从事考古测绘、

遥感、GIS等方面的应用研究。

作者信息

收稿时间：2010年4月27日

[1] 中国社会科学院考古研究所．1989．晋南考古调

查报告．考古学集刊（6）．

[2] David W. & Gillings M.．2002．Spatial Technology

and Archaeology — The Archaeological Applications

of GIS．London：Taylor & Francis．

[3] 李德仁等．2004．摄影测量与遥感概论．北京：

测绘出版社．

[4] Kenneth L. K．1999．Recent Direct ions and

Developments in Geographical Information Systems

．Journal of Archaeological Research，7（2）.

[5] Wilson, D. R. 1982, Air Photo Interpretation for

Archaeologists, St. Martin's Press, Inc., New York.

[6] 刘建国、王琳，GIS支持的临汾盆地古代人地关系

研究，7000字，考古，2007年第7期.

[7] 刘建国，安阳殷墟的遥感考古研究，考古，1999

年第7期.

参考文献: