1 引言

　　长期以来，我国田野考古发掘、保护与研究主要存在以下几个方面的问题和不足。

　　（1）就考古发掘的实际操作过程而言，绝大多数发掘项目都是处在一种封闭状态下完成的，其发掘质量与进度因发掘领队和队员业务水准不同而有较大差别，对层位和遗迹现象相互关系、遗迹现象原貌与性质容易误判和错判。

　　（2）田野考古发掘是一定意义上的文物破坏，一个考古工地一旦发掘，便破坏了其原始场景。而目前数据采集与记录手段均不完善，仍停留在手工测量数据、手工绘制线图阶段，不仅工作效率极低，而且数据精度、绘图质量因人而异。

　　（3）世界的本原是处在三维空间中的, 而目前所有发掘现场绘制的线图都只是二维平面图,这种将现实世界简化为平面上二维投影的概念模型注定了它在描述三维空间现象上的无能为力, 无法对整个发掘区所有发掘单位各种线图、文字记录、影像资料按要求进行系统性整合，实现考古现场环境的模拟与再现；更无法通过互联网对发掘现场进行远程监控、专家会诊和相关研究资料的共享。为克服这些缺陷，迫切需要基于三维的分布式考古信息系统的问世。

　　（4）面对数量与种类繁多的发掘文物，文物保护部门难于进行有效管理。

　　文物与地下埋藏的古代文化遗存都是不可再生资源，一旦出现失误就不可挽回。目前田野考古发掘过程中存在的上述问题和缺陷，严重制约了田野考古发掘质量的提高，影响了考古学本身的发展和深入研究，并给重要文化遗产的保护带来种种不良影响。科学的发掘过程、现场资料的完整准确记录、海量考古数据的科学分析与直观形象表达，是对发掘资料科学使用、正确解释考古遗存和现象性质的必要条件。为此，田野考古发掘与文化遗产保护部门迫切需要建立田野考古地理信息系统，一方面为田野考古提供一个实用的应用环境，不断提高田野考古的工作质量，提高田野资料记录的科学性与准确性；另一方面为田野考古提供一个高效的科研环境，使田野考古发掘现场、相关文物研究与保护单位共享信息、群体决策，从而提高田野考古的决策水平与研究深度。

2 研究目的与意义

2.1 研究目的

　　该系统的总体功能是使各田野考古现场能通过有线与无线网络两种方式与有关文物保护机构、职能部门、科学研究单位等联系成为一个互动的整体，通过已有的遗迹遗物信息和建立的专家知识，发现田野发掘现场问题，制定和调整重大发掘方案，从而提高田野发掘的质量与水平。

　　研究的重点放在具体的田野考古点上，直接深入到了田野考古发掘过程的最前缘，管理和整合田野考古发掘过程中的三维动态数据，研究并应用三维体视化技术、三维GIS技术，实现多媒体技术、体视化技术与地理信息系统技术的集成，形成基于体视化和虚拟过程模拟的田野考古地理信息系统，将整个发掘过程中的各种文字记录、线图和影像资料进行系统整合，实现考古发掘资料的计算机管理及考古发掘对象原始环境的三维再现。

2.2 研究意义

　　（1）田野考古地理信息系统的研究在国内尚无先例。它的意义在于通过采用先进的技术手段，改进田野考古工作者落后的工作方式，减轻现场工作人员繁重、低级的部分劳动，帮助发掘人员正确的判断和认识各种文化现象的关系与性质，对于提高田野考古发掘的质量与水平，大大提高发掘工作的劳动效率具有极其现实的实用价值。

　　（2）地理信息技术的基础理论、方法，尤其是三维地理信息系统技术方面，还有许多问题亟待研究和解决。通过本项目的研究，将在发展真三维GIS数据模型和三维体视化技术等科学技术问题上有不同程度的突破，扩大地理信息系统技术在考古学领域的应用广度和深度，对于地理信息系统技术的发展具有重要的理论价值。

　　（3）更重要的是通过两个学科基于现实应用的交叉研究，实现通过互联网对发掘现场进行远程监控、专家会诊和相关研究资料的共享，有力地推动中国考古学田野发掘与研究，以及文化遗产保护手段与技术的科学化、现代化进程，对于推动两个学科的发展具有深远的影响。

3 国内外研究现状与发展趋势

3.1 国外研究现状

　　地理信息系统（简称GIS，下同）是20世纪60年代中期开始逐渐发展起来的一种集计算机科学、地理科学、测绘学、空间科学、信息科学、管理科学等学科为一体的新兴边缘学科。将GIS应用于考古学研究开始于80年代初，主要集中于欧洲和北美。欧美GIS在考古学领域的研究和发展，可大致分为三个历史阶段：70年代末，计算机图形学、数据库和统计分析等GIS相关技术开始应用于考古研究；80年代，在北美遗址预测成为考古GIS的主要研究方向；90年代，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。

3.2 国内研究现状

　　1987年南京博物院与华东师范大学合作在中国首次利用遥感技术完成了江苏省镇江地区商周台型遗址和土墩墓的考古调查。1998年河南省在颖河上游的考古调查中利用GPS与GIS获得初步成功；1999年南京师范大学为长江下游地区500个考古遗址点建立了GIS支持的资料信息管理系统；2001年河南省地理研究所与开封市文物工作队利用遥感技术对七朝古都开封市的地下埋藏文物进行了考古调查应用试验。陕西省文物考古研究所与意大利文物保护部门合作利用遥感开展了关于汉中地区汉唐王陵墓区的考古调查。山西省文物考古研究所受国家文物局委托建立了文物信息资料中心，并着手开始建立文物普查资料地理信息管理系统；2002年华东师范大学城市与环境遥感考古开放研究实验室完成上海地区遥感考古调查，发现有古遗址特征的地点200余处。近年，我国还利用遥感技术进行了秦始皇陵、长城、内蒙古东部地区大型遗址等多处考古调查。目前，计算机技术在国内田野考古领域内的利用已开始为人们所重视，如广州正道科技有限公司研制了计算机应用软件“田野考古2000”等。

　　综上所述，我国GIS技术在考古领域里利用的主要方向与成果均集中在与遥感技术应用于地面和地下文物大范围的普查方面，以期从宏观上快捷准确地把握古代文物埋藏地点的空间分布规律与组合特征。而利用GIS进行野外考古研究主要侧重于考古数据库建立，例如三峡库区文物分布的“电子地图”研制，中国社会科学院考古研究所承担的中国考古数据库建立，南京师范大学进行的长江三角洲地区考古信息管理系统研究，山西省文物考古研究所受国家文物局委托建立文物信息资料中心，建立文物普查资料地理信息管理系统等。上述文物考古GIS系统的侧重点放在文物与考古普查资料的管理方面，而本项研究的重点放在具体的考古点上，管理和整合田野考古发掘的三维动态数据，将各种文字记录、线图和影像资料进行系统整合，实现考古发掘资料的完整系统记录及考古发掘对象原始环境的三维再现。

3.3 发展趋势

　　目前，国内外考古应用GIS技术主要有三个新的发展趋势：一是把虚拟现实、可视域分析等技术应用于考古研究，该方向的关键技术问题是解决如何快速获取面对的研究区域的大量三维空间数据问题；二是将三维可视化技术应用于考古研究，该方向的关键技术问题是如何根据已有的散乱的、片面的、局部的三维空间数据构建出研究区域的三维空间模型，恢复古人类活动的古地形、古环境；三是将遥感与GIS相结合应用于考古研究，该方向研究的是用现有遥感技术可以从技术角度解决大范围的、宏观的考古学问题，如美国利用卫星遥感影像发现了早已沉没海底数千年的古埃及名城亚历山大，欧洲发现了地下古罗马的建筑与著名的“罗马大道”，欧美联手发现了南美密林深处的十世纪玛雅人的宫殿等。

4 系统研究目标及主要研究内容

4.1 系统研究目标

　　系统研究的目标是，建立能够实现对田野考古资料的计算机管理、田野考古发掘工作的协同管理以及实现专家对发掘物的远程会诊、对古代人类环境的模拟与再现，具备对发掘环境进行信息查询、预警提示、空间分析与辅助决策等功能的田野考古地理信息系统。

　　田野考古地理信息系统解决的主要问题是通过面对的田野考古发掘工作中的实际问题，提出解决这一系列科学研究问题的思路与方法，并把它们与现有的成熟的技术结合在一起，尽快转化为现实生产力。涉及的主要技术问题是：通过对田野考古发掘过程中三维数据的采集与多源数据融合的研究，解决三维空间数据快速获取与处理、古环境地形建模及与田野考古学专业应用模型集成等关键技术问题；研究描述和表达各种文化层及田野考古发掘对象的三维数据结构以及体视化处理算法，和对发掘区进行三维体视化过程中所涉及的关键技术问题的解决方案，为田野考古三维地理信息系统的构建与网络发布提供一些行之有效的方法。

4.2 主要研究内容

　　（1）田野考古探方剖面图、底面图线图的自动获取与文字信息的采集、管理和处理。田野考古探方剖面图、底面图线图的自动获取问题涉及图像的采集、管理、处理与线图的自动生成，包括图形图像数据库的构建研究，数据采集系统中对剖面图的影像校正、图像镶嵌、矢量线图提取，以及对底平面的三维表面模型的构建与遗迹现象开口线的提取等数据处理功能的设计与实现；田野考古文字信息的采集、管理和处理问题涉及各种发掘物数据的采集、分类、入库管理、查询、统计、制表输出，包括田野考古发掘数据库构架的逻辑设计和物理设计，以及各种数据采集与处理标准规范的制定等。

　　（2）通过考古线图与影像等资料构建发掘现场的原始三维场景，再现每个文化层所处时代的人类古环境。该问题涉及各种文化层与各类考古发掘对象的三维体的空间模型构建、融合与处理。针对揭示古代文化层空间分布特征与各个发掘对象的属性特征的多源性问题，构建具有普遍意义的三维多源空间数据融合框架模型，以及具有通用意义的描述各类文化层构造和遗迹现象的三维数据模型与数据结构。

　　（3）将近景摄影测量技术、无线网络传输系统和GPS、GIS的数据相融合，建立跨地域大范围的三维空间数据快速采集、传输、管理、发布等处理的集成系统。包括采用近景摄影测量技术，研究为田野考古环境静态场景的构建提供快速有效的数据获取整体解决方案，以及基于无线网络对偏远不便地区的发掘现场的各种静态与动态属性数据、图像数据和图形数进行准实时的储存、传输、更新、管理等。

　　（4）基于田野考古发掘空间知识库进行各种发掘对象之间的空间关系的识别与推断，以及对古环境中人类活动的空间分布进行推测，同时基于数据挖掘技术，通过对田野考古发掘对象原始环境的研究与基于时间上、空间上二个尺度上的合理推测，模拟再现人类古环境的时空发展变化。该问题包括分析、综合、归纳田野考古工作的经验，并对这些经验知识进行规范化、形式化处理，采用适宜描述和表达这类空间关系知识的知识库模型，建立相应的田野考古空间知识库。重点在于通过田野考古空间知识库的建立，挖掘各个文化层和各类发掘对象的空间关系。还将包括基于对田野考古空间知识库进行知识推理的推理机模型的研究与开发，通过该模型实现对人类古环境中人类活动空间分布等规律的推测。该部分研究内容还包括虚拟考古环境系统与三维体视化技术集成研究、田野考古时空数据库的构建与时空数据挖掘机制研究、虚拟空间中知识共享机制研究等。

　　（5）综合Web GIS、三维GIS等地理信息科学研究成果，以及分布式交互国际标准，以数据服务应用框架，恢复和建立基于网络的虚拟考古地理环境，使不同地区的田野考古工作者就某个田野考古发掘问题展开共同探讨、研究，为专家诊断与远程决策提供了一个新的支撑环境，该问题主要关键技术是协同工作、远程监控与专家会诊技术研究。该部分的研究内容包括数字摄影测量、GIS与三维可视化系统数据互操作研究、田野考古文化层层位关系的错误预警机制研究、田野考古知识发现模型研究、多用户远程数据传输与实时通信机制研究以及群体决策模型构建与协同工作机制研究等。

5 系统研究技术路线

　　本系统主要在以下三个阶段进行研究，以提供一种方便、实用、科学的问题解决方案，使GIS真正成为田野考古发掘工作中一种不可缺少的工具。

　　（1）运用近景摄影测量技术与遥感图像处理技术，进行基于数码相机拍摄图像以及遥感图像的田野考古发掘数据采集与处理研究，解决包含三维空间数据等田野考古数据的快速获取问题。与此并行进行的是建立田野考古数据采集处理规范，运用GIS技术研究考古资料采集、管理与应用中存在问题的解决方法。

　　基于三维体体视化和三维GIS技术的田野考古空间模拟与再现技术的研究，实现从多方位、多角度、多层面直观、形象地对田野考古发掘区及其内部的考古发掘对象进行三维模型构建、任意剖分与模拟展示。此阶段需要针对古代文化层空间分布特征与各个遗迹现象的属性特征等问题，构建具有普遍意义的三维多源空间数据融合框架模型，以及具有通用意义的描述各类文化层构造和考古发掘对象的三维数据模型与数据结构。

　　（2）运用GIS空间分析功能与构建田野考古知识库，进行远程网络发布以及知识推理技术的研究。运用GIS的空间分析功能可对遗迹遗物进行空间统计分析、对比分析、缓冲区分析、遗址空间分布模式分析、可视域分析等多种分析，揭示遗迹遗物的区位特征与组合特征。在此基础上结合田野考古知识库，通过无线组网技术和Web GIS信息发布技术实现田野考古发掘过程中准实时远程监控与专家会诊、遗迹现象全貌推测、层位关系比较和错误预警等。

　　（3）基于虚拟现实技术和三维时空场景的构建技术，进行智能群体决策支持系统的研究。该研究基于网络发布的虚拟考古三维地理环境，使不同地区的田野考古工作者就某个田野考古发掘问题展开共同探讨、发表各自的意见。该部分研究内容包括虚拟考古环境系统与三维体视化技术的集成与互操作研究、田野考古时空数据库的构建与时空数据挖掘机制研究，以及群体决策智能模型构建与协同工作机制的研究等。

6 系统实施思路

　　本项目基于SuperMap地理信息系统开发平台研制，具有数据采集与处理、知识获取与管理、空间决策支持、虚拟考古环境、图表生成与管理、系统管理、信息发布等诸多功能模块。田野考古地理信息系统因其功能强大、模块众多、开发周期较长，需采取分阶段、迭代式研究与开发方法，化繁为简，降低开发难度与风险。按照由易到难、由底层到高层的顺序开发上述功能模块，从而形成系统建设工作的MIS及Web GIS构建阶段、虚拟环境构建与知识库建立阶段、空间决策支持系统构建阶段等三个阶段。

6.1 MIS及Web GIS构建阶段

　　开展国内外相关研究文献资料收集与田野考古现场问题调查，进行项目的系统规划与实施准备工作。特别是进行田野考古GIS系统的架构设计，并提交相关的技术标准规范。该阶段需要充分研究揭示文化层空间分布特征与内部考古发掘对象属性的数据来源、表达形式以及存储格式，制订采集各类空间数据的规范化标准；抽象田野考古中各类文化层构造与田野考古发掘对象的概念模型，构建它们的三维数据模型与数据结构，并进行试验，验证其可行性；最后实现三维空间数据与属性数据一体化管理的空间数据库设计与构建。

6.2 虚拟环境构建与知识库建立阶段

　　在这期间首先解决田野考古GIS系统的数据模型研究，支持田野考古GIS的元数据数据库、场景数据库、模型库、规则库的实现技术研究，田野考古的专业应用模型与GIS集成研究等关键问题。同时开展通过构建田野考古规则知识库，实现对描述文化层空间分布特征的定性数据与知识性数据的解释器的研究开发；研究三维空间体数据生成的插值方法，选择文化层构造与发掘对象类型发育齐全，以及文化层与发掘对象研究程度较高的试验区，开展三维空间体数据生成的试验研究工作，并验证插值方法的正确性等。

　　第二是基于Web GIS网络发布技术和无线组网技术，设计并实现田野考古GIS的协同工作、远程监控与初步的专家会诊功能。主要的关键技术问题包括层位关系错误预警机制研究与实现，研究与实现田野考古知识推理技术，进行田野考古知识发现模型的研究与实现，以及远程网络数据传输、多用户实时通信与在较大的发掘区范围内进行并行协同工作机制的研究与实现等。

6.3 空间决策支持系统构建阶段

　　该阶段首先研究并实现田野考古发掘对象原始环境的模拟与再现。主要研究包括综合应用数字摄影测量技术、GIS与三维可视化技术进行数据互操作的研究与程序实现，基于虚拟考古环境系统与三维体视化技术的集成研究与实现、虚拟空间共享机制的研究等。同时进行基于网络群体决策和三维时空数据模型及其数据挖掘技术的智能决策支持系统的研究，该研究基于网络发布的虚拟考古三维地理环境，使不同地区的田野考古工作者就某个时代或某个区域的田野考古发掘问题展开共同探讨、发表各自的意见，通过决策表决模型，得到一个为各方接受的局部最优的发掘方案。

　　第二是基于上述的开发成果，以二个考古现场为例，进行田野考古GIS应用示范系统的实验验证与测试开发。同时扩展研究适合于复杂文化层结构体视化与复杂发掘对象的体绘制算法研究，扩展已开发的体视化应用系统，利用试验区的实际数据对提出的体绘制方法进行试验验证；最后进行体视化与GIS集成研究，实现体视化与GIS的无缝集成，并探索田野考古领域三维GIS构建的关键技术。在系统的结束阶段需要整合各部分的成果，整合项目的各种研究报告、技术文档，进行项目研究成果鉴定并结题。

7 结语

　　通过对田野考古地理信息系统的研究及第一个阶段的系统建设工作，该系统已实现了有效地支持田野考古发掘、研究与文物保护工作，且能够快捷、精确地对田野发掘现场及器物的空间信息及属性信息进行采集、处理、存储、查询、分析、输出，显著提高了田野考古发掘与文物保护的质量及效率。第一阶段的工作实践表明，我们的研究框架与实施思路是正确的，可行的。但由于这是一个全新的研究领域，还需要较长的一个时期才能完成三个阶段的全部工作,达到预期的研究目标。

(作者单位：南京师范大学文博数字研究中心)

参考文献

[1] 中国河南省文物考古研究所、美国密苏里州立大学人类学系. 河南颖河上游地区考古调查GPS和GIS的初步报告. 华夏考古[J]，1998,01:1-16.

[2] 吴爱琴，赵红杰，杨瑞霞等. 开封市古城址和古河道遥感考古实验研究[J]. 地域研究与开发，2002,03:85-88.

[3] 陈德超，刘树人，陈中原等. 上海地区古遗址遥感初步研究[J]. 华东师范大学学报（自然科学版），2002,03:83-87.

[4] 龚建雅. 虚拟地学环境[M]. 北京：清华大学出版社，2000.

[5] 俞瑞钊、陈奇著. 智能决策支持系统实现技术[M]. 杭州：浙江大学出版社，2000.12.

[6] 金为铣，杨先宏等著， 摄影测量学[M]. 武汉：武汉大学出版社，1996.

[7] 高洪深. 决策支持系统（DSS）理论·方法·案例[M]，第二版. 北京：清华大学出版社，2000.

[8] 管伟光. 三维体视化技术[M]. 北京：清华大学出版社，1998.