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1、3 国家自然科学基金(批准号49801001)和国家自然科学基金 “ 中国西部环境和生态科学 ”重大研究计划(批准号 90202004)资助项目。 地理信息系统在考古研究中的应用类型 3 齐乌云 1 周成虎 2 王榕勋 3 (1 1中国社会科学院考古研究所,北京 100710; 2、31中国科学院地理科学与资源研究所,北京 100101) 关键词:考古研究;地理信息系统;应用类型 摘 要:本文简单介绍了地理信息系统的基本概念及GIS考古学的国内外研究状况,并结合国家自然科学基金项目 “GIS支持的山东沭河上游聚落考古研究 ”课题和 “ 基于GIS的黄河上游官亭盆地史前文化人地关系研究 ”课题所
2、完成的 工作,初步总结了地理信息系统在考古研究中的应用类型。 Key words:archaeol ogicl research, GIS, application sphere Abstract:Based on her two proiects,“Settlement archaeological research of the upper Shu River valley based on GIS”and“Researches on man - land relationships in GuantingBasin of the upper Yellow River valley sup
3、ported by GIS”, the author tries to sum up the ap2 plication Sphere of the GIS in archaeological studies . 一、引 言 地理信息系统( Geographic lnfor mation Systems,简称 GIS) 是上世纪60年代中期 开始逐渐发展起来的一种采集、存储、管 理、分析、显示与应用地理信息于一体的计 算机系统,是分析和处理海量地理数据的通 用技术。作为一种通用技术,GIS按一种崭 新的方式去组织和使用地理信息,以便更有 效地分析和生产新的地理信息;同时,GIS 的应用也改变了
4、地理信息分发和交换的方 式。因此,GIS提供了一种认识和理解地理 信息的新方式,从而使GIS进一步发展成为 一门处理空间数据的学科。作为一种空间决 策支持系统,GIS不仅拥有信息系统所具备 的一般特征,而且具有处理和分析空间信息 的能力。正因为GIS这种通用的空间信息分 析处理能力,使其在近30年内得到惊人的 发展和长足的进步,已广泛地应用于资源调 查、环境评估、区域发展规划、公共设施管 理、交通安全等领域,成为一个跨学科、多 方向的研究领域 1 。GIS无论在哪个研究领 域中的应用,它都包括三个研究阶段:11 原始数据的数字化及其制图;21建立模型; 31模拟、分析、预测。GIS因为其特殊的
5、组 织和使用信息的方式,逐渐成为考古信息管 理和考古研究分析的强有力的工具。 二、GIS考古学的国内外研究状况 综观欧美GIS考古学研究的发展,可大 致分为三个历史阶段:20世纪70年代末, 计算机图形学、数据库和统计分析等技术开 始应用于考古研究; 80年代,GIS在北美兴 起,遗址预测成为考古GIS的主要研究方 向; 90年代初,GIS开始被欧洲考古界所认 识并接受,景观考古GIS分析逐渐盛行 2 。 关于GIS在中国考古研究中的应用,现在的 资料还非常的缺乏,实际的工作更是稀少。 801华夏考古 2005年第2期 并且主要的工作集中于利用GIS进行考古数 据库建立,例如三峡库区文物分布的
6、 “ 电 子地图 ”;长江三角洲地区考古信息管理信 息系统 3 ;河南省文物考古研究所和美国 密苏里州立大学人类学系于1996年在河南 颍河上游两岸10千米范围内的聚落考古调 查中,使用GIS和GPS对遗址进行了较精 确的测绘 4 ;山东沭河上游人地关系研究 中的考古数据库、考古信息管理系统、考古 遗址预测模型的建立等等。 三、GIS在考古研究中的应用类型 GIS在考古中的应用研究是多方面的, 可以应用于从考古数据采集到考古数据存 储、分析、解释以及表达的各个方面。综观 GIS在考古研究中的应用类型,可以归纳以 下几个方面。 (一)计算机制图 空间性是考古研究的关键特性,它涉及 到考古研究在理
7、论、方法以及实践中的各个 层次。考古数据的时空特征是GIS应用的基 础。GIS的空间数据管理和空间数据分析功 能为解决考古学空间性和多变量问题提供了 一种有效的方法手段。 GIS在考古研究中的最直接的应用就是 利用考古数据制图,这方面的应用包括区域 内遗址分布图、古水系分布图、古植被分布 图、古地貌分布图、三维地形图等。利用 GIS处理地图的优势在于它可以将考古资料 分成不同的图层,如遗址、遗物、水系、地 貌图等,然后根据不同的研究需要可进行图 层叠加,制成各种专题地图和综合地图。 进一步,可把GIS作为管理和决策的工 具,如山东沭河上游史前文化遗址分布图, 既可按多种条件进行查询,也可将查询
8、结果 制图输出。 (二)考古数据库建设 GIS是一种地理空间数据的数字处理技 术,利用GIS不仅能够表达对地物的描述性 的属性信息,而且还能表达地物诸如位置、 空间形态等的空间信息,用地理特征唯一 I D码的机制,将空间信息与属性信息结合 起来,使人们不仅知道存在什么样的信息, 而且知道其发生在什么地方,及其在空间与 时间上的变化。当今流行的商业GIS软件 中,实体的空间数据和属性数据是分开存储 的,目前正在发展一种面向对象的数据库 (ObjeotOriented Database) ,根据地理景观 的结构特点,设计空间数据结构,实现属性 和图形在数据结构上的统一:对于考古遗址 的描述,考古学
9、家不仅关注其诸如文化层时 代、文化层埋深、文化内容以及面积等属性 信息,而且还关注其诸如空间位置、遗址间 分布关系等空间信息以及这些内容随时间的 变化等等。另外,在GIS中,客观世界各种 地理现象或空间实体被抽象成点、线、面三 种基本的地理特征类型,从而实现在统一的 地理空间中,去认识、理解和分析各种复杂 空间现象和过程;GIS的这种数据组织方 式,实现了考古遗址同其周边环境的无缝集 成,对于考古研究提供了极为有利的条件。 所有这些,都使得GIS成为考古数据库建立 的最理想的平台工具。 要建立考古数据库时,可以将考古遗址 抽象为点,也可以抽象为面,这将根据表达 的需要以及数据的可获取性和数据源
10、的比例 尺而定。数据库的字段和记录可根据自己的 需要而定,如选择每一遗址的位置、文化性 质、海拔高度、坡度、坡向、遗址与河流之 间的距离等等。 目前西方不少国家和组织正在寻求以标 准的考古数据记录格式,通过基于GIS的网 络数据库来达到信息的共享;以电子出版物 和虚拟考古遗址的形式在国际互连网上实现 无 “ 时差 ”的信息交流 5。 (三)考古信息系统研究与建立 考古数据库和考古信息管理系统的建立 是开展各种考古分析的基础。目前,考古研 901地理信息系统在考古研究中的应用类型 究和文物管理单位面对纷繁复杂并迅速积累 的考古、文博资料,主要采用档案的人工管 理方法,这种方法不仅费时费力,效率很
11、 低,而且信息安全和共享程度不足,查询和 表达手段更是不能满足信息时代的要求。只 有将GIS和M IS技术结合起来应用到考古信 息管理中,才能实现对考古信息进行高效的 科学管理,使考古资料的效益得到充分有效 的发挥。欧美考古界在这一研究领域内已取 得了很大的进展,国内现在也已经有人对这 个问题进行了初步的尝试。如长江三角洲地 区考古信息管理系统 6 、山东沭河上游史 前文化考古信息系统等。山东沭河上游考古 信息管理系统的设计和制作是以GIS技术为 支撑,初步建立了该区古文化遗址数据库, 对该库目前所含112处史前遗址的空间分 布、文化分期、保存程度等基本资料以及有 关的文本和图形、图像、现场录
12、像等信息进 行科学的管理和分析,以对今后的考古研究 及GIS在考古中的应用分析提供了基础和保 障。 考古信息管理系统的设计以数据库为核 心,共有三个基本模块构成,即数据采集模 块、数据管理模块和系统应用模块。在系统 设计方面,系统的硬件和软件要求配置合 理,体现效率;系统的数据源要求精确,在 系统设计的数字化、数据编辑、数据转换等 过程中减少误差,提高数据的精确性。整个 系统力求层次清晰,功能分割条理清楚,用 户界面简明易懂,便于系统操作人员的管理 和使用。系统提供的数据管理功能要求能够 体现方便、快捷的特点。系统设计要留有接 口,随着社会经济条件、科学技术的发展, 如欲增加新的功能模块,要求
13、现有模块不做 大的改动或不影响整个系统的结构。作为一 种基于GIS的系统,本系统除了具有空间数 据库的查询、检索、输入、输出的通用功能 外,还能为科研部门提供空间模拟、空间分 析等功能。 查询检索功能是所有管理信息系统的基 本功能,但是一般的管理信息系统只能对属 性数据进行查询和检索,而GIS支持的管理 信息系统除了具有此项功能外,还可以对空 间信息进行方便的查询和检索。 考古信息管理系统的模拟与分析功能有 很广的内涵,可以从不同的研究目的出发, 调用系统中部分甚至全部空间数据和属性数 据,利用系统内部所包含的模拟分析工具或 者链结有关的外部模拟分析模型加以实施。 (四)考古遗址预测模型的建立
14、 考古遗址预测模型的研究是迄今GIS在 考古应用中开展的最为广泛和最为主要的研 究 7 。其基本的方法就是对研究区域建立 一个数学模型,该模型能够根据研究区域任 何给定位置的一些环境变量对该位置存在考 古遗址的概率进行预测。考古学和地理学是 姊妹学科,他们所关心的对象都是人类活动 在空间和时间上的模式。这充分说明了将 GIS应用于考古研究的直观性和必然性。 从本质上讲,GIS与考古遗址预测模型 的结合是一个GIS与应用模型集成的问题。 GIS是建立考古遗址预测模型的理想工具。 首先, GIS使得大范围高精度的海量考古信 息和环境信息的集成成为可能;第二,GIS 技术提供了预测文化资源分布的复杂
15、模型的 实现方法和能力;最后,GIS提供了对预测 结果进行显示和检测的方法和能力。 (五)景观考古GIS分析研究 GIS在景观考古的理论建立方法方面的 应用有着极大的潜力。我们知道,GIS最大 的优势在于其强大的空间分析和模型分析功 能,许多原来无法或难以应用于景观分析的 方法如可视域分析(Viewshed Analysis)、 累积可视域分析(Cumulative Viewshed A2 nalysis)、成本或消耗曲面分析 (Cost Sur2 face Analysis)、虚拟现实(Virtual Reality) 技术以及神经网络(Neural Network)中的 有关理论由于GIS
16、的引入而使其在景观考古 011考古学理论与方法 中的分析应用成为可能,从而可以极大地丰 富景观考古的研究手段。在GIS被引入之 前,许多与社会组织和空间类型或区域有关 的问题只能通过传统的相关分析、聚类分析 等手段来解决,而这类方法在进行区域性遗 址空间分析时有很多缺陷,最明显的不足之 处是不能把遗址放在一个更具现实的环境中 进行考察。GIS则可以充分利用地理信息 (地形、土壤、植被、水系、资源等 ) , 在 一个较具现实的古环境中来观察遗址的空间 分布关系,以及人类活动与其环境的关系 等。 (六)GIS聚落考古研究 当中国考古学建立起考古学文化的时空 框架和发展谱系后,如何有效地开展区域性 考古学研究越来越成为人们关注的焦点,如 聚落考古,中国考古学在这方面已经开始投 入了大量的人力、物力、财力,但需要更 多、更先进的研究方法来提高聚落考古的研 究水平。而西方从经济地理中引入的区位分 析(CatchmentAnalysis)过分强调了抽象的 几何概念,用来重建区域社会系统的聚落等 级(Setelement Hierarchy)多为依靠聚落大 小和象
