【考古文博公開課】科技考古學概論 西北大學（已附整合版配套課件） P9 - [6.1.4]--第四節GPS、GIS在考古調查中的應用

以上給大家介紹了在咱們進行化學勘探當中常用的和零酸鹽的勘探方法 接下來我給大家介紹一下咱們在考古調查當中還用到的GPS和GIS 我們知道當考古工作人員把調查結果進行在咱們登記表當中 就說明瞭演化調查的工作基本結束 但是對於這個內涵非常豐富的遺址 我們對一張表格或者僅僅的這些文字記錄還是無法充分地反映零酸的一些概況 我們要想把整個遺址的大量信息如果把它詳盡地記錄下來 那怎麼辦呢 我們就要藉助於咱們所講的這種GPS和GIS 那麼GPS和GIS在考古當中 它主要可以是提供了研究古代遺存的時空內工具 它可以具有以下幾個功能 第一個 可以對其數據的分析是一個可重復的無損的考古信息的一個利用過程 因為它們記錄了已探測的和正在探測的遺存的保存和破壞狀況 藉助於各種數據庫輸入相關的考古信息 就利於計算機建立若干可視的遺址完整的結構圖 咱們後面會講到作為信代分析計算機 在咱們科技考古當中也發揮了很大的作用 那麼計算機在考古當中的應用 其實也是GPS和GIS必不可少的工具 第二 它的功能就是為考古學文化資源管理提供一個方便的遺址定位模式 因為從特定區域的已知遺址數據庫當中進行GIS分析 看看這些遺址具有何種特徵 由規律性的以及地下分層結構 然後分析該區域哪些地方也具有同樣的特徵 再去抓重點進行尋找 那麼這種方法往往還是比較有效的 甚至可以對被發現的 還沒探測到的遺址的特點做出比較確切的預測 這是第二個功能 第三個功能 它對考古資料可以進行空間意義上的分析 因為我們過去講的母語文化是連續的 是不斷演變的 那麼我們應用GPS和GIS以後 我們可以從世界範圍和大的區域範圍 從多因素的分析考古資料 可以瞭解特定空間內的遺存的組成特徵 以及周圍的相互關係和聯繫特徵 這是第三個 第四個特點就是可以加深理解物質遺存 所反射的人類行為的具體的實控特徵 通過對某一範圍內的遺存的所有資料分析獲得一些規律 建立我們遺址的一些模式特徵 應用這些模式與更大範圍內的其他遺存進行比較 並且透析出人類行為的特點 其實通過這個比較的時候 就是看看這兩個地區的人為的特點是不是一樣 還是有什麼的一種聯繫 這是GPS和GIS在考古研究當中的 它有這樣的一些功能 那麼接下來我們具體看一下 GPS和GIS在考古當中的刊登當中的一些應用 首先我們看一下這個GPS 那麼GPS在咱們考古當中主要是來確定遺址的地理座標 那麼GPS它是實時測距導航系統 全球定位系統的一個簡稱 它主要是利用衛星定位系統 那麼這個系統其實GPS最早是在軍方上使用的 後來到了1994年以後 1994年以後完全進入完全運行的狀態 但是這時候還主要為軍事導航和定位服務 後來才逐漸變為民用 那麼GPS它主要是以衛星為基礎 以無線電為通訊的手段 依據天文大地測量學的原理 實行全球連續導航和定位的高星技術系統 它具有全球性 全天候的高精度的快速實時的三維導航定位測速和受視功能 以及良好的保密性和抗幹擾性 這是它GPS的一個特性 那麼正因為這樣的特性 它就有很多的優點 第一個就是高精度的三維定位 可以滿足各種考古測量的要求 第二就是設計和佈點比較方便靈活 空地之間不必通識 第三就是對地理條件和作業條件的要求低 高山沙漠這些特殊的地區 它也能夠進行全天候的作業 第四就是工作效率比較高 因為它可以通過我們的計算機來控制 可以進行自動的觀測記錄和計算 所以在這個測位行業 GPS用的是非常多的 但是GPS它有一些不足之處 就是說不能在樓宇 如果樓層樓非常多密集的地方 甚至來進行測量 再一個在地下的一些地方 也是無法進行測量的 是需要注意的 我接下來看一下GPS的組成 那麼GPS組成 它主要有三個部分 第一個部分就是咱們叫空間衛星部分 就是天上的部分 第二部分叫地面的監控部分 第三部分就是我們用戶個人所拿的一個東西 叫做用戶設備三部分組成 這就是它的空間通過衛星 通過它的地面的監控系統 然後對用戶實施一種管理 就是用戶來接收並測量衛星信號 記錄和處理數據 提供導航定位信息 對下面咱們做個瞭解 空間部分就是GPS衛星 現在有不止24顆衛星了 其中有21顆工作衛星 3顆備用衛星 這些衛星都在固定的軌道上來進行運行 來給我們進行服務 那麼GPS衛星的主要功能 它是接收並存儲由地面監控站發來的導航信息 接收並執行主控站發出的控制命令 由調整衛星的姿態 啟用備用衛星等等 向用戶連續發送衛星導航定位所需要的信息 比如說衛星軌道參數 衛星健康狀態 及衛星信號發射時間標準等等 這是它的空間部分 控制部分就是在地面上一個監控部分 它是分佈在世界各地的 五個地面的站組成 五個地面站可以看出有五個地方 它有一個主控站 五個監測站 三個助援站 這是它在地面上的控制區 那麼用戶部分 就是我們所謂的用戶所掌握的東西 那麼用戶設備主要是有GPS接收機 晶片 還有數據處理軟件 微機處理機和中端設備組成 就是我這用戶拿了這些設備以後 根據衛星的一些導航 我就可以得到一些信息 所以用戶的部分 主要任務是捕獲衛星信號 來跟蹤並鎖定衛星信號 對接收的衛星信號 我進一步進一步處理 測量出GPS信號 從衛星到我們所接收天線之間 這個傳播的一個時間 溢出GPS衛星發出的導航電文 實時計算 接收天線的三位位置速度和時間 那麼接收機的分類 主要有導航型的 導航型就像我們這個汽車當中 看到這個GPS 還有測地型的 用於大地測量 工程測量 還有地球形面測量的測地型 還有就是受時型的接收機 它主要是利用GPS衛星 提供高精度的時間標準進行受時 用於天文的受時 電力系統 無線電的通信 這樣的一個 通信中的一個時間通報 這樣的一個應用 還有一個姿態測量型 這主要在飛機上面 調整它的航天角 楊浮角 滾動角等等 這是介紹了它的一個類型 那麼GPS定位原理是比較簡單的 其實我們就是把衛星 看作一個飛行的控制點 在一支瞬間座標條件下 以GPS衛星和這個用戶 接收天線之間的距離為觀測量 進行空間距離後 來進行這樣的交匯 從而確定用戶 接收機的天線所處的一個絕對位置 比如說你這個汽車 你親手撞到哪裡 就能夠隨時知道 你是哪一點 那對於考古來說 也能知道你這個考古遺址點 所處的確切的一個遺址點 那麼定位方法主要有幾種分類 第一個就是根據這個不同位置 可以分為絕對定位和相對定位的方法 那麼如果按照用戶接收機 在作業當中所處的狀態 可以分為靜態定位和動態定位 這兩種方式 另外給大家介紹一個 就是我們用的最多的 就是電子全站儀 那麼電子全站儀 是一種新型的測量儀器 它同時具備了電子經緯儀 和光電測距儀的功能 因此它能夠方便 快速地測量出角度距離 而且能夠自動顯示記錄 存儲各種數據 並進行數據處理 可以在野外 直接獲取規測點的座標和高層 這在咱們的考古遺址的發掘當中 電子全站儀基本上都在用 因此我們只要用這個全站儀 就可以把很多的這些信息的數據 都採集到了 所以把它叫做全站儀 那麼全站儀 根據觀測這個數據 可以通過軟件自動編輯 生成一些不同的圖形 這是咱們的GPS它的使用情況 還有電子全站儀 它的測量情況 那麼隨著測繪儀器的改進 測繪的成果 也由單一的線畫圖 發展到像不同的 像4D產品的 比如說從數字三格網 到數字規劃圖 到正攝影圖像 到地面的模型 可以看到 它變得立體感越來越強 那麼GPS技術 用於天線考古具有這樣的一些優點 第一就是高精度的範圍定位 所以對於考古來說 它誤差積累比較小 第二設計和布點方便靈活 那麼GPS的定位精度 和GPS點的集合圖形 基本無關 所以它不受地點 地面點間的相互通視的限制 什麼通視 就是你能不能看 第三 就對地理條件和作業條件要求比較低 在一些特殊的環境當中 比如高山 沙漠 孤島 它都可以使用 第四 就是不受氣候的限制 所以說不讓你刮風下雨 它不受影響 信號不受影響 所以說功能效率比較高 那麼GPS 在咱們考古當中的應用 主要是輔助航空攝影 輔助航空攝影 可以使航空攝影測量技術速度更快 進度更高 它能夠迅速測量出 遺跡的分佈範圍 各遺跡的大致輪廓和相互間的關係 第二個就是GPS 在咱們水下考古當中的一個應用 可能也是一個未來發展的趨勢 就是說利用GPS接收機 和水聲儀器 計算機 繪圖儀 組成水下地形測量自動化系統 可能為水下考古 咱們提供更好的一個服務 那麼用GPS技術 它只能得到一個宏觀結果 所以說它的測量技術 還是有一定的不足之處 那麼GPS技術 它也會產生誤差 它與所接收地點所處的位置 外面大地層的變化 定位儀的功能 和其他的一些元素 還是有關係的 因此在用GPS的時候 還要和其他的一些物理勘探也好 表感勘探 要結合起來使用 上面我們介紹GPS 在考古地理信息 考古地理座標上面的一個應用 第二我們來介紹一個GIS 在考古材料上處理的一個應用 那麼GIS 我們叫地理信息系統 它是一個在計算機制止下 將空間數據輸入存儲 檢索 運算 顯示和分析應用的一個技術 它主要處理地理信息 那麼地理信息 它是指於空間地理分佈 有關的信息 你比如說表示地表物體的 地表物體和周圍環境的 固有的質量 數據 分佈特徵 聯繫和規律的數字 文字 圖形 圖像 這樣的都是一些地理信息的一個內容 那麼信息系統 就是具有對數據和信息進行採集 存儲 加工處理 管理和分析能力的一個系統 它能夠為用戶提供各種有用的信息 各種有用的信息 那麼地理信息系統 可以看到 它通過數字化圖樣處理 數據庫 有數據庫空間數據庫 組成了這樣的一個地理信息系統 那麼這個地理信息系統 其實在很多的行業都在使用 可以看到在稅務部門旅遊 企業等等 可以看到用的範圍還是比較多的 用的領域還是比較多的 那麼GIS系統 它作為一個通用技術 它是按照一種新的方式 去組織和使用地理信息 以便更有效的分析和產生新的地理信息 那麼GIS的應用 也改變了地理信息分發和交換的這種方式 因此 GIS提供了一種認識和理解地理信息的一種新方式 進一步發展成為處理地理空間數據的一個科學 所以說它這個使用越來越廣 那麼它的原理 主要是介於信息科學 空間科學和地理地球科學間的一門技術 那麼在GIS系統下 用戶可以根據自己的專業知識 通過這種軟件來進行區分 軟件區來分析處理 一定區域範圍內的各項專業數據 以得到自己所需要的新的有關信息 那麼GIS的核心 其實就表示地理信息的空間數據 那麼這個空間數據 主要是以空間數據庫的形式的存在 空間數據庫的形式存在 那麼這個空間數據庫 實際上是表示這些信息的地圖 以及對圖上對象詳細特徵的一種表達 那我把這個數據庫 GIS地理數據庫建立以後 我就可以進行空間分析 它可以進行簡單的空間搜索和空間疊加 空間格局的描述 以及空間格局的關係的判別 對機理清晰的空間過程進行模擬等等 這是GIS工作的一個原理特徵 那麼它的組成主要有硬件 像計算機掃描儀 繪圖儀 磁帶機 網絡組成它應用部分 那麼軟件 它的一些所必須的各種運算程序 另外還有一些空間地理數據 GIS的操作對象和管理內容等等 那麼對用戶來說 組成的第四步的用戶 GIS是一個動態的地理模型 是一個複雜的人機的系統 它是一個系統的管理 維護和使用 所以我們使用人員 也是GIS組成當中的一個很重要的因素 就是你必須人來進行操作 來對系統的軟件的運行和管理 那麼它的工作流程 主要分為五個步驟 第一部分將實體圖形數據和描述的 它的屬性數據 我們輸入到來進行編輯 輸入到計算機當中來進行編輯 將不同的數據源 不同的類型 不同的比例 不同的時間的數據 集成統一座標的數據庫系統 這是第一步 第二步是根據我們研究的範圍 進度要求 對這個圖符進行拼接或者分割 那麼第三步 就是對空間數據進行座標轉換和幾何轉換 第四步 第四步就對適量數據和三個數據進行轉換 轉換的時候 就先必須確定三個元素的大小 兩者之間的作者表示 它的第五步 就是空間數據經過初步的處理以後 用戶可以根據自己的研究目的 來進行各種數據的分析 那麼JS在考古當中 它的應用功能主要體現在以下幾個方面 第一個就有強大的空間信息顯示和查詢的功能 我們可以根據需要改變圖形顯示的大小 位置圖層的組合 顯示考古遺存的局部 或者整個研究區不同時期的分佈情況 第二 就各圖層及其特徵 可以被重新的排列 編輯剪貼 還可以增加新的一些考古資料 第三個部分 就是它的功能 就根據需要來進行區域考古的研究模型 對考古遺存進行三維模擬的再現 第四個功能 就是具有多重數據的訪問和顯示功能 那麼利用熱連接功能 可以直接訪問或者打開所有的JS的文件 甚至與多重數據進行廣泛的快捷的連接 那麼用JS可以有效地進行考古遺存的定位 分佈和多種因素的分析 但是它取決於 怎麼輸入材料的精確性 全面性 但是有時候會犯誤的人們 放棄必要的統計和思考 所以使用JS對使用者的要求是非常高的 因此使用者操作的時候 一般要全面詳細地考慮 就是這個人素質要比較高 而且經常要和多人合作 對資料進行處理 那麼接下來給大家介紹一個 利用JS系統來研究咱們考古遺址的一個例子 這是咱們做的一個工作 就是利用JS系統對菱粉盆地的聚落考古 給你做了一個工作 咱們看到第一張圖 它是各種數據在JS項目當中所顯示的一個數據結構 因此JS可以在空間上顯示數據的分層結構 咱們第二張圖 它顯示的是田野考古發掘當中的JS系統的一個應用 考古JS系統的建設 一般在考古發掘當中 根據發掘墓葬或者探訪當中的大量數據來進行組織 建立考古發掘的圖文數據庫 像這個第二張圖 它就是一個田野考古發掘的局部區域內的 就是考古發掘區的一個局部圖形 這個圖形就顯示了遺跡圖層所對應的一些信息 比如說它的編號 位置 方向 文化 屬性 年代 策定等等 這樣就有助於對考古遺址區域內很多的信息 能夠同時進行編輯 進行處理 進行管理 第三張圖 它是利用JS系統來研究遺址的緩衝區 緩衝區又稱影響區或者影響帶 它是圍繞地理要素的一定寬度的區域 緩衝區都是以母類圖形的元素 點 線和麪的形式為基礎 拓展一定的寬度 形成這樣的一個藍色區域 在零分盆地當中的聚落分佈當中 可以發現各個石區的聚落基本上都是沿著河流分佈的 像這紅色的點 像這個點 這都是它的聚落遺址的分佈區 可以看到基本上沿著河流進行分佈的 所以建立了河流緩衝區 並且發現了全部聚落基本上都是在分河和支流兩側 大約600米的範圍內 而分河南岸的聚落則非常稀少 南岸就非常稀少 這是利用GS系統的緩衝區來判斷它的聚落分佈情況 這種聚落分佈情況和咱們陝西的七星河流域緩衝區的聚落分佈情況做了對比 它的相似程度還是比較大的 都是沿著河流的兩面 沿著緩衝區河流兩面來進行遺址分佈 也說明瞭人類對遺址的選擇其實與河流的匯集之地有一定的密切聯繫 下面這張圖它是林墳盆地地面坡度 利用GS系統來進行分析的 那麼地面坡度是描述地形的一個重要參數 表示地表表面斜坡的傾斜程度 由於空間區面上不同位置的坡度是不同的 那麼地面上給定點的坡度是區面上該點的法線和垂線方面的一個夾角 那麼從這個林墳盆地中 據說的總體分佈上可以看到什麼呢 可以看到 各個時期的聚落基本上都集中在中部區域 都集中在中部區域 南部和北部很少有聚落 而且很多都是在東部的塔爾山的山麓地帶 通過GS軟件生成坡度分析模型以後 就可以看出坡度一般在1度以內 和超過3度的地帶幾乎沒有聚落分佈 這是利用GS系統進行一個坡度的分析 這張圖是一種可視性分析 那麼可視性分析它屬於對地形最優化處理的範疇 那麼可視性分析有兩種 一個通識性分析 一個是可視域的分析 那麼這張圖就顯示了 這個連峯盆地 龍山時期典型的仰朝龍山時期 還有東夏墳幾個時期的大型和中型的聚落為試點 分別建立相應時期的可視域 發現各個時期的小聚落 基本上都不在相應時期大型遺址的可視區域裡 就是說大型遺址和大型遺址之間的關係比較勻 這是第六個圖 這張圖也是利用GS系統來分析水文特徵 那麼水文分析就是研究地表的水流的情況 那麼這個連峯盆地的水文分析結果 發現積水盆地的大小 與其下游分佈的聚落大小之間的關係 可以看到朝下游的大型聚落比較多一些 這就是利用GS系統分析了連峯盆地的一些聚落應用的例子 這是咱們考古當中一個比較成功的例子 給大家做一個介紹 那麼最後給大家做一個3S機身技術 在考古學當中的應用 那麼3S技術就是前面講的搖桿技術 後面我講的GPS技術和GS技術 這三種技術的結合 因為我們簡式介紹了 這三種技術各有自己的優缺點 那麼如果結合起來 可以進行曲長步的 那麼可以獲得的信息更加的準確 豐富 因此在實驗當中 經常把這三種的結合在一起使用 那麼這種結合在一起使用 就可以得到很多的信息了 從地面的信息 從它的地理的信息 從它的這種數據的管理 都能夠在一起 那麼3S機身技術可以形成不同的模式 目前有這樣四種結合模式 就是GPS和GS GPS和RS GS和RS 還有GPS和GS和RS 這三個技術在一起利用 在1996年6月到8月 中國河南省文物考古研究所 和美國密蘇裏州立大學人類學系 曾經又採用地面勘察 觀察斷崖坡面 文物鑽探 以及GPS和GS方法的一種綜合運用 調查了咱們河南錦河上游兩岸長約100公里內 龍山文化晚期到阿里頭文化時期的聚落遺址 取得了很多的一些信息 另外咱們中國歷史博物館 遼港和航空考古中心這些單位 也曾經對內蒙古中東部地區的 大型古代遺址的勘察 也做過一些研究 也取得一些很重要的信息 具體的內容 我們可以看到一些 它的參考的一些書目和文獻 在這裡就不詳細說了 那麼3S進程技術 雖然已經取得了比較好的成效 但是它還是存在一些問題 主要是目前系統的設計應用過程不完善 比如說機身系統的實時空間定位 一體化的數據管理 信息的自動的提取 數據的自動更新 數據實時的通信 影像的空間可視化等等 還需要不斷地去完善 我相信隨著這個技術的不斷完善 隨著咱們研究人員技能的提高 我想在這個方法上 可能更進一步地提高 這就是我們今天給大家所講的 地區化學勘探方法和GPS GIS技術 在咱們考古勘探當中的應用情況 具體內容如果大家有什麼疑問 咱們可以繼續再討論