耿同^1,2, 杨瑞霞¹, 杨树刚^3,4
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所 中国科学院数字地球重点实验室, 北京 100094;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 河南省文物考古研究院, 郑州 450000;
4. 城市考古与保护国家文物局重点科研基地, 郑州 450000
2018年12月24日 收稿; 2019年3月4日 收修改稿
基金项目: 中国科学院A类先导专项子课题资助（XDA19030502）
通信作者: 杨瑞霞，E-mail:yangrx@radi.ac.cn

摘要: 空间位置是考古遗址的重要属性。中国早期考古发掘受技术设备等因素限制，部分已经发掘并回填的遗址因缺少准确的空间定位信息，为后续研究和保护带来极大不便。利用已有考古发掘记录、文献资料、高分辨率遥感影像和早期地图等多元信息，基于GIS技术，构建早期考古发掘遗址重定位的方法模型。以河南省辉县孟庄遗址为例，利用多元地理信息综合定位方法进行试验分析和应用。结果表明，该方法很好地控制了遗址空间位置和分布的模糊度及不确定性，能够为遗址复探、遗址保护规划方案的编制和再研究提供支持。
关键词: 早期发掘考古遗址重定位GIS
A relocation method for early archaeological excavated sites and a case study
GENG Tong^1,2, YANG Ruixia¹, YANG Shugang^3,4
1. Key Labortory of Digital Earth Science of CAS, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Henan Provincial Institute of Cultural Heritage and Archaeology, Zhengzhou 450000, China;
4. Key Scientific Research Base of Urban Archaeology and Protection, State Administration of Cultural Heritage, Zhengzhou 450000, China


Abstract: Spatial location is an important attribute of an archaeological site. The early archaeological excavation in China was limited by technical equipments and other factors. Some excavated and backfilled sites lack accurate spatial location information, which causes major inconvenience to follow-up research and protection. In this work, a relocation model for early archaeological excavated sites was established, based on GIS technology and multi-geographic information including existing archaeological excavation records, data from references, high-resolution remote sensing images, and early maps. The model is tested at Mengzhuang Site in Huixian County, Henan Province. The results show that the method significantly reduces the ambiguity and uncertainty of the site location and distribution, and hence this study provides support for archaeological site reconnaissance, protection planning, and restudy.
Keywords: early excavationarchaeological sitesrelocationGIS
田野考古发掘是考古专家了解人类历史的重要方法，也是相关考古研究工作展开的基础^[1]。考古遗址内各种遗迹、现象、器物等空间位置及其分布状况是模拟和重建历史及其演变过程的重要材料^[2]。以往的考古发掘是比较全面掌握遗址空间形态的重要手段，但部分考古遗址由于发掘时间早、历时长、发掘次数多，所设的非永久基点设施如民房、线杆、道路等^[3]缺失或改变(表 1)，考古发掘地点缺乏空间绝对定位，使遗址在后续研究中常会出现历年探方无法精确衔接、扩方出现误差、回填地表上探方准确位置确定困难等问题^[4]，为遗址后续研究和保护带来极大不便。如藁城台西遗址以“南台”、“西台”、“北台”3个高大土丘为遗址位置参照，后期村民取土活动使南台基本消失，导致遗址的南界无法确定。因此对早期考古发掘目标进行位置识别及重新定位，减少其位置和空间分布模糊度及不确定性，具有重要的现实意义。
Table 1

表 1 部分重要遗址考古发掘时间Table 1 Time of archaeological excavation of some important sites 名称 初次发掘年份 发掘次数 布方基点或参照物描述 台西遗址 1973 2 土丘 尚庄遗址 1975 2 遗址中心最高处 天湖墓地 1979 4 灌渠 前掌大墓地 1981 6 机耕路、水渠 东贾柏遗址 1989 2 机井 孟庄遗址 1992 5 电缆标杆 滩小关遗址 1992 1 蓄水池

表 1 部分重要遗址考古发掘时间Table 1 Time of archaeological excavation of some important sites

近年来考古遗址重定位研究在聚落考古、遗址保护管理与规划等领域逐渐受到关注。目前主要的研究集中在以下几个方面：1)遗址位置或布局粗略标注，如王嘉琪^[5]通过对比隋大兴唐长安城格局与佛寺考古资料，采用里坊位置节点和方位标识展示隋唐佛寺遗址历史位置；郑鑫^[6]利用遗址空间方位信息将渤海遗址进行粗略定位；乐玲和张萍^[7]在北宋初期丝路要道灵州道复原研究中，利用城镇政府驻地点确定地名精确的考古遗址，根据地形特征标注地名非精确遗址。2)实地考察空间位置校正，即通过实地考察，对之前的发掘遗址位置和布局进行校正。金秉骏^[8]通过现场勘探测定墓葬经纬度坐标，校正山东汉代墓葬准确位置；陈淳等^[9]对小长梁遗址发掘点及过去历次的探方作GPS定位，梳理与解决小长梁遗址以往发掘中的无序状态。3)基于卫星影像遗址定位，Thomas等^[10]利用Google Earth对阿富汗进行大范围的虚拟田野调查，更新和核查已知遗址的平面图，并通过图像解析标注可能存在的未知遗址；西村阳子和北本朝展^[11]提出对比空间图像史料的相似性复核丝绸之路遗址的地理位置等。上述研究在位置获取的精度、效率和技术难度等方面各有优劣：位置粗略标注可以充分利用已有资料获得大空间尺度的遗址分布特征，而遗址定位精度低；实地考察、GPS定位精度较高，但容易受到遗址赋存环境限制、费时费力，且难以准确掌握遗址遗存分布情况；利用卫星影像可以实现遗址较高精度定位，但仅对遗存可见于影像或埋藏较浅的遗址适用。此外，3类方法都难以实现对已经发掘、而地表覆盖变化较大尤其是回填后的发掘区位置准确定位，难以对早期发掘的遗存位置及布方情况进行空间复原。鉴于此，本文在已有研究的基础上，综合利用现有技术，提出一种对早期考古发掘遗址的基点、遗迹或探方等对象重定位的方法，以期为解决遗迹、探方等空间不确定性问题提供参考。
本文以早期考古发掘而目前地表不具明显指示的重要遗址为对象，针对性地搜集、整理遗址相关资料，挖掘、梳理与遗址空间位置相关的信息，对相关位置描述信息进行空间量化与转换，借助GIS工具实现早期考古发掘遗址位置定标并还原遗址遗存分布格局，为遗址保护规划方案编制、环境影响评价以及遗址再研究等提供空间数据支持。
1 重定位技术方法早期考古发掘遗址重定位旨在解决遗址位置参照物丢失、遗迹遗物坐标不明、考古信息与现实地表位置剥离等问题。通过搜集、梳理与早期考古发掘遗址地理位置有关的资料，根据信息表达形式归纳为位置描述信息和多源异构空间数据。位置描述信息是指文本形式的遗址位置的相关描述及说明，如考古记录表中的描述。多源异构空间数据是指以图形、图像形式表达的遗址空间位置信息，如卫星影像、早期地形图、考古绘图等，多源异构性体现在空间坐标的多参考系、多尺度、多精度等级以及数据格式多样性等方面^[12]。
对早期考古发掘遗址重定位的技术方法：首先通过梳理并提炼位置描述信息中的空间关系特征，利用空间关系转化方法，对遗址进行初步定位与位置关系分析；然后整合多源异构空间数据，使之转化为有效的地理空间信息，结合二者定位结果，最终确定遗迹或探方位置坐标及其与周边地物的空间关系，并在大比例尺地图或高分辨率影像图上对目标进行标注，形成遗址(遗迹)位置图，实现遗迹或探方布局的准确再定位制图，可供田野考古参照，考古资料整理和研究以及保护规划方案编制等直接应用。
遗址位置描述信息的空间转化首先需要从考古发掘记录、文献资料等文本中提取出遗址地理位置相关的描述信息。位置描述信息通常应包含3个要素：目标对象、参照对象以及它们之间的空间关系。目标对象可以是遗址区、发掘区、考古探方、遗迹等要素；参照对象通常是指村镇、河流等地物要素；目标对象与参照对象之间空间关系，包含方位关系、度量关系以及拓扑关系。为了充分利用文本资料进行再定位参考，需要建立空间关系转化规则，将基于文本描述的空间关系转化为地理坐标。
早期考古发掘遗址资料中包括大量的考古绘图、照片及影像数据，但空间参考不统一、参照物消失、控制点缺失等使得已有空间信息难以直接利用，不能成为有效的地理空间信息来源^[13]。地理配准可以利用已有地理空间信息数据，建立地理空间与图像空间映射关系，使其具备统一空间参考下的绝对坐标。地理配准的精度主要由配准使用的地理数据和配准方法决定。最常用的地理配准模型方法有多项式法、共线方程法、有理函数模型等。多项式法因其原理简单直观，计算速度快，尤其是对地形相对平坦的地区，具有足够好的校正精度，在地理空间定位与精校正实践中得到广泛应用^[14]。通过采集若干控制点标靶作为坐标匹配的控制点，将控制点的坐标信息导入地理配准模型，进行坐标转换计算，完成待配准图形图像坐标匹配校正。配准精度通过控制点均方根误差(root mean square error，RMSE)约束。对于考古遗址的复查定位实际情况，通常均方根误差控制在0.5 m以下，即可满足基本田野考古复探、复查的需要。
2 应用案例2.1 遗址概况及数据源孟庄遗址位于河南省辉县市孟庄镇东侧(图 1)，为新石器时代至春秋战国时期遗址。考古调查与勘探表明，遗址近似椭圆形，总面积约30万m²。1992—1995年期间曾进行多次考古发掘，揭露面积达4 600 m²，发掘出属于多个文化时期的城墙、水井、墓葬、居址等遗存。由于遗址考古发掘时间较早且进行了回填保护，之后经过土地平整、农田水利基本建设活动等对地表的多次改造，目前遗址区地势平坦，地表被农作物覆盖，从现状地表难以找到历次发掘的位置，遗址范围、整体布局以及遗存分布等信息难以在现状大比例尺地图或高分辨率图像上定位。研究中以孟庄遗址为例，基于GIS技术利用多元数据综合定位方法对该遗址进行重新定位。
Fig. 1

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图 1 研究区地理位置图 Fig. 1 Location of the study area 图 1 研究区地理位置图 Fig. 1 Location of the study area -->

研究中搜集的辉县孟庄遗址相关资料来源于学术期刊、互联网资源等，其中文献资料包括河南文物考古研究所编著的《辉县孟庄》^[15]，考古发掘简报及相关研究文献；数据资料包括2009年12月—2017年12月多期孟庄镇Google高分辨率遥感卫星影像图，2010年由中国建筑设计研究院设计并公开的孟庄遗址规划图等。
2.2 数据处理2.2.1 位置描述信息的空间转化筛选并整理出隐含遗址地理位置的描述信息，然后确定信息中参照对象与目标对象之间的空间关系特征，利用空间关系转化规则实现描述信息空间化。
1) 位置描述信息及其空间关系分析
《辉县孟庄》一文中提到，“孟庄遗址位于河南省辉县市孟庄镇东侧的台地之上，遗址近似椭圆形，总面积约30万平方米”；“1992年以兴华中学围墙东北角为基点，向东520 m，向南560 m，为重点保护区。自重点区向西向东各100 m，向南80 m，向北120 m为一般保护范围”；“遗址分区总基点设在遗址的东南部，以一电缆标杆为标志”；“1992年12月~1993年4月，为配合新辉乡到辉县公路的基本建设，对孟庄遗址中东部进行了考古发掘”。
《中共辉县党史》^[16]记录，“百泉东一支渠，原为孟庄渠，也称普济第一渠。1928年冯玉祥从百泉引水到孟庄。1934年续建，延伸到涧头村南。1970年用石料将百泉东一支渠从梅溪以下修成暗渠”。文中所提到的孟庄渠与暗渠，与《辉县孟庄》对应：“20世纪30年代在遗址北部修建一条水渠，使遗址中北部遭受严重破坏。20世纪60年代在遗址西部修建孟庄渠，龙山文化及商代的西城墙的西半部基本全部被破坏”。
此外，利用网络资源得知，在孟庄东1 km，辉县至新乡的公路上立有辉县孟庄遗址的重点文物保护碑，地理坐标113°57′E，35°26′N^[17]。标识碑一般设在文物保护单位出入口。
综合以上信息，结合遗址区现状，筛选出有效的文本信息并分析其包含的空间关系，如表 2所示。
Table 2

表 2 位置描述信息空间关系分析Table 2 Spatial relationship analysis of location description information 参照对象 参照对象类型 目标对象 空间关系 拓扑关系 方位关系 度量关系 孟庄镇 面 遗址区 相交或相离 东 — 兴华中学围墙东北角 点 重点保护区 被包含 正东 520 m 正南 560 m 重点保护区 面 一般保护区 被包含 正东 100 m 正西 100 m 正南 80 m 正北 120 m 公路 线 遗址区 相交 — 0 重点文物保护碑 点 遗址区 被包含 — 0

表 2 位置描述信息空间关系分析Table 2 Spatial relationship analysis of location description information

2) 位置描述信息空间转化
根据参照对象类型和位置描述精确度的不同，选取的空间转化方法以及参数有所差异。重点保护区划定的文本中提到的“兴华中学围墙东北角”现存完好，且与目标物方位关系和度量关系明确，因此遗址重点保护区和一般保护区范围可直接空间量化(图 2(a))。孟庄镇与遗址区均为面数据，且仅能确定其方位关系，因此可以将参照对象简化为面中心点，利用方位关系进行定位，以孟庄镇中心为圆心，孟庄镇中心至涧头村西南角的距离为半径，绘制圆心角45°的扇形区域表示“孟庄东”(图 2(b))。公路相交于遗址中部，遗址形状近似椭圆形，总面积约30万m²，那么遗址区半径约为310 m。公路若以孟庄镇中心为起点，以涧头村西南角为终点，根据度量及拓扑关系，则遗址区域定位在公路的310 m缓冲区范围(图 2(c))。将各图叠加分析，结果如图 3所示。遗址位置描述信息空间转化后所覆盖的空间范围均有可能为遗址所在区域，重叠度越大的区域为遗址区的概率越高，条纹符号区域即为遗址可能存在的最高概率范围。
Fig. 2

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图 2 位置描述信息空间转化图 Fig. 2 Transformation map of location description information 图 2 位置描述信息空间转化图 Fig. 2 Transformation map of location description information -->

Fig. 3

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图 3 基于位置描述信息的遗址空间定位图 Fig. 3 Site space location based on location description information 图 3 基于位置描述信息的遗址空间定位图 Fig. 3 Site space location based on location description information -->

2.2.2 多源异构空间数据整合及遗址重定位通过梳理遗址文献及数据资料，整理相关空间数据，并对数据质量进行分析评价(表 3)，形成可用于遗址图上定位的数据集。研究中以孟庄镇2017年高分辨率遥感影像作为具有大地坐标的参考数据，坐标范围为113.814°~113.843°E，35.442°~35.412°N，中央经线114°E，利用ArcGIS10.2将遥感影像投影变换为高斯克吕格投影。
Table 3

表 3 空间数据来源及质量分析Table 3 Spatial data sources and quality analysis 名称 时间 分辨率/比例尺 坐标投影 数据质量 遥感影像 2009—2017年 0.27 m WGS1984 坐标准确，空间分辨率高，地理信息丰富 2008—2025孟庄遗址保护总体规划 2010年 1:10 000 无 无坐标，有遗址和地理背景信息，图像分辨率低 孟庄古城发掘分区和古城址平面图 1992—1995年 1:4 000 无 比例尺较大，无坐标，有遗址分区和发掘探方的空间位置信息，图像清晰 探方遗迹平面图 1992—1995年 1:100 无 大比例尺测图，无坐标，有遗迹和分区探方位置信息

表 3 空间数据来源及质量分析Table 3 Spatial data sources and quality analysis

孟庄遗址规划图有较清晰的地理背景底图和遗址边界(城墙、护城河等)^[18]，参照2017年遥感影像数据，在规划图底图上选取相应可识别地物，形成多对控制点，进行地理配准和校正。校正模型采用二阶多项式模型。经过反复多次实验，选取用于坐标匹配的控制点8对，校正RMSE=0.5 m，实现对遗址边界的空间位置定位。
遗址发掘分区图有较清晰遗址边界和发掘探方信息，空间地理坐标未知。因此将分区图与规划图进一步空间配准和校正，以获取更详细的遗址空间分布信息。将校正后的遗址规划图作为参考图像，选取遗址发掘分区图标识的城墙或护城河拐点、探方角点等8个特征点作为控制点与遗址规划图对应位置进行匹配校正，校正后RMSE=0.4 m。根据校正后遗址发掘分区图，矢量化遗址相关要素信息，获得孟庄遗址分布图(图 4)，基于位置描述信息的遗址定位图与空间数据定位结果叠加效果图(图 5)。
Fig. 4

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图 4 孟庄遗址分布图 Fig. 4 The distribution map of Mengzhuang Site 图 4 孟庄遗址分布图 Fig. 4 The distribution map of Mengzhuang Site -->

Fig. 5

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图 5 基于位置描述信息和空间数据定位结果叠加 Fig. 5 Superposition of location results based on location description information and spatial data 图 5 基于位置描述信息和空间数据定位结果叠加 Fig. 5 Superposition of location results based on location description information and spatial data -->

2.3 结果分析2.3.1 遗址重定位结果分析通过对孟庄遗址空间位置重定位，获得遗址分区、考古发掘探方、相关遗迹以及现状地物等空间位置信息。基于GIS工具拾取遗址特征点的空间坐标，遗址分区总基点位于113.834°E，35.422 7° N，距S229省道85.42 m；龙山文化早期遗存主要分布在第8区，中心坐标113.831° E，35.423 7° N；龙山文化晚期遗存在8区及20区最多，20区探方中心坐标113.833° E，35.425 4° N；二里岗时期广场位于13区，中心坐标113.831° E，35.424 5° N。
2.3.2 遗址重定位精度分析及验证孟庄遗址共分为21个考古发掘区，每个分区大小为100 m×100 m，其中2~21区紧密排列，一区独立于城址东侧。测量2~20区外轮廓边界总长度为1 799.674 m，与理论值1 800 m相差0.326 m，误差约为0.02%，精度较高。误差可能来源包括两类：一是图像信息载体介质产生的误差^[19]，遗址发掘分区图是利用纸质出版物进行图像扫描获取，纸张变形以及扫描精度导致校正误差；二是部分数据源精度不高，如遗址规划图为互联网公开资源，图像分辨率有限，具有明显马赛克效应，校正后空间分辨率为2.8 m，严重影响控制点的精准定位。为减少误差对结果的影响，首先确保考古发掘分区总基点位置的准确性。孟庄遗址分区总基点位于5区东南角(即6区西南角)，因此本文以5区和6区为基准进行空间校正，严格控制该分区的控制点残差，校正结果满足田野考古野外作业技术要求。基于重定位结果，选取若干点进行实地考古勘测，验证了该结果的可靠性。
2.3.3 遗址核心区地表覆被现状分析基于定位配准后的孟庄遗址分布图(图 4)进行图测，孟庄遗址城墙总长为1 282.29 m，护城河总长为1 497.97 m，考古探方总面积约为5 392.1 m²。考古发掘探方主要集中分布于遗址区东北部与中西部。整个遗址从发掘至今，受人类活动尤其是城镇化影响显著，遗址西侧的城墙、护城河以及2、3、8、13、6分区的考古探方已位于孟庄镇建设范围内，13、9区的探方为道路覆盖，其他探方的地表覆被以农田为主。
3 结论本文从早期考古发掘遗址的资料特征分析入手，通过构建位置描述信息空间转化规则，利用多源异构空间数据集成方法，提出遗址多元地理信息综合再定位方法，并以辉县孟庄遗址为案例，实现早期考古发掘遗址的空间重定位。空间信息挖掘和空间特征量化相结合，是对遗址重定位方法研究的一次有益尝试。但是鉴于遗址之间的差异性，针对不同类型的遗址，在模型方法上还需进一步改进和完善。
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