探究文物古跡的“前世今生”—衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在考古工作中的應(yīng)用

徐菁（北京空間科技信息研究所）

探究文物古跡的“前世今生”—衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在考古工作中的應(yīng)用

徐菁（北京空間科技信息研究所）

中國(guó)是世界著名的文明古國(guó)，擁有幾千年?duì)N爛文明，沉積形成了眾多反映中華文化和民族特色的文物古跡，保護(hù)文物古跡就是保護(hù)我國(guó)悠久的歷史文化。如何將我國(guó)文物古跡完好地保存和傳承，是考古學(xué)家追求的目標(biāo)，以衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)為代表的現(xiàn)代高科技手段已經(jīng)日益廣泛地運(yùn)用到考古學(xué)領(lǐng)域，不僅使我國(guó)考古工作朝著更加科學(xué)、準(zhǔn)確的方向發(fā)展，而且能給考古學(xué)家?guī)?lái)便捷，大大減輕野外考察的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 考古中的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)用于考古學(xué)已有近20年的歷史，在考古調(diào)查和發(fā)掘過(guò)程中得到充分運(yùn)用。

首先，在考古調(diào)查時(shí)，考古學(xué)家可以利用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，輔助記錄調(diào)查路線、尋找和確定遺址中心位置，了解海拔，掌握地形和環(huán)境特征、遺址范圍等空間信息。在接下來(lái)的考古發(fā)掘中，遺址內(nèi)的遺跡、現(xiàn)象乃至每件器物或陶片都在特定探方中的特定位置上，利用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)提供的準(zhǔn)確空間數(shù)據(jù)來(lái)表示各自的位置，這些位置數(shù)據(jù)同樣是研究古代社會(huì)經(jīng)濟(jì)、文化和社會(huì)形態(tài)的重要資料。所以，運(yùn)用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，根據(jù)遺址中各種遺跡和器物的空間分布狀況，從考古遺跡或現(xiàn)象的空間位置出發(fā)，結(jié)合遙感（RS）技術(shù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)建立多種空間信息與屬性信息并存的數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形圖像庫(kù)，從而能夠方便地進(jìn)行多重空間分析和模擬，直觀、簡(jiǎn)潔地重建和復(fù)原當(dāng)時(shí)的社會(huì)狀況，反映某些歷史及其演變過(guò)程。

考古中的常用設(shè)備之一是衛(wèi)星定位手持機(jī)，其水平定位精度可達(dá)到5～10m以?xún)?nèi)，被廣泛應(yīng)用在野外考古調(diào)查中確定遺址的位置和邊界，采集遺址的空間屬性信息（經(jīng)緯度坐標(biāo)）。衛(wèi)星定位手持機(jī)除了能進(jìn)行定位、導(dǎo)航和記錄航跡外，還具有電子羅盤(pán)、速度表、里程表、溫度計(jì)等功能，而且體積小，攜帶方便。手持機(jī)采用專(zhuān)業(yè)外觀設(shè)計(jì)，一般能防水、防震；且功能豐富，操作簡(jiǎn)單，可以與個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）、掌上電腦（PDA）、手機(jī)等智能化產(chǎn)品連接，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

不過(guò)，衛(wèi)星定位手持機(jī)不能滿(mǎn)足考古挖掘中細(xì)部測(cè)繪工作的需要，只能借助于高精度測(cè)量型衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備，于是一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的載波相位實(shí)時(shí)差分（RTK）技術(shù)應(yīng)用于考古學(xué)。它能實(shí)時(shí)提供厘米級(jí)（1～10cm）的三維定位精度，具有定位精度高、施測(cè)方便靈活、條件要求低、工作效率高等特點(diǎn)，在建立遺跡三維模型，進(jìn)而還原古代遺跡原貌方面充分體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。

RTK測(cè)量型接收機(jī)

2 長(zhǎng)城資源調(diào)查—呈現(xiàn)“數(shù)字長(zhǎng)城”

“都說(shuō)長(zhǎng)城兩邊是故鄉(xiāng)，你知道長(zhǎng)城有多長(zhǎng)？”這句歌詞曾被無(wú)數(shù)遍傳唱。的確，長(zhǎng)期以來(lái)，長(zhǎng)城的長(zhǎng)度在每一位中國(guó)人心底其實(shí)只是一個(gè)概念，一個(gè)心理的數(shù)字“萬(wàn)里”，然而長(zhǎng)城的具體長(zhǎng)度，人們無(wú)法詳知。

作為人類(lèi)歷史上最偉大的建筑之一和世界文化遺產(chǎn)，長(zhǎng)城的現(xiàn)狀令人堪憂(yōu)，它的保護(hù)和研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外各界的極大關(guān)注。于是，2006年國(guó)家文物局啟動(dòng)了“長(zhǎng)城保護(hù)工程”，這項(xiàng)有史以來(lái)我國(guó)最大規(guī)模的文物保護(hù)行動(dòng)，旨在保護(hù)長(zhǎng)城這一瀕危的世界遺產(chǎn)，使這個(gè)中華民族的精神象征在社會(huì)發(fā)展中被傳承和發(fā)展。然而，整個(gè)工程面臨一個(gè)核心問(wèn)題：綿延三千多年的“萬(wàn)里長(zhǎng)城”究竟有多長(zhǎng)，準(zhǔn)確位置在哪里，保護(hù)狀況如何？由此，摸清長(zhǎng)城“家底”、開(kāi)展長(zhǎng)城資源調(diào)查、建立長(zhǎng)城文物記錄檔案，成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。從2007年開(kāi)始長(zhǎng)城資源調(diào)查工作歷時(shí)5年時(shí)間，分為明長(zhǎng)城調(diào)查、秦漢長(zhǎng)城調(diào)查和其他時(shí)代長(zhǎng)城調(diào)查三個(gè)階段進(jìn)行，調(diào)查范圍覆蓋15個(gè)?。ㄊ校﹨^(qū)。

文物發(fā)掘現(xiàn)場(chǎng)

畫(huà)中長(zhǎng)城

被嚴(yán)重風(fēng)化的長(zhǎng)城殘壁

在這次長(zhǎng)城資源調(diào)查工作中，調(diào)查員利用衛(wèi)星定位手持機(jī)，精確地定位出長(zhǎng)城的地理坐標(biāo)和海拔高度，并結(jié)合紅外測(cè)距儀、數(shù)碼照相等先進(jìn)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算，最終獲得一套具有權(quán)威性的有關(guān)現(xiàn)存長(zhǎng)城分布、長(zhǎng)度、高程等內(nèi)容的地理信息數(shù)據(jù)。2009年和2012年，國(guó)家文物局先后公布了明長(zhǎng)城和歷代長(zhǎng)城的資源調(diào)查成果：明長(zhǎng)城東起遼寧虎山[124°30′56.70″（E）、40°13′19.10″（N）]，西到甘肅嘉峪關(guān)，長(zhǎng)度8851.8km；歷代長(zhǎng)城總長(zhǎng)度21196.18km。

通過(guò)長(zhǎng)城資源調(diào)查，還建立了長(zhǎng)城文物記錄檔案和長(zhǎng)城信息資源數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制出歷代長(zhǎng)城總圖，對(duì)編制長(zhǎng)城保護(hù)規(guī)劃、開(kāi)展長(zhǎng)城保護(hù)工程、加強(qiáng)長(zhǎng)城保護(hù)管理和進(jìn)行科學(xué)研究都具有重要現(xiàn)實(shí)意義。另外，以長(zhǎng)城基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的“數(shù)字長(zhǎng)城”在互聯(lián)網(wǎng)上與世人見(jiàn)面，公眾足不出戶(hù)便可瀏覽長(zhǎng)城景象。

3 第三次全國(guó)文物普查—構(gòu)建文物信息化管理平臺(tái)

文物是國(guó)家不可再生的文化資源，為了全面掌握不可移動(dòng)文物的數(shù)量、分布、特征、保存現(xiàn)狀、環(huán)境狀況等基本情況，為準(zhǔn)確判斷文物保護(hù)形勢(shì)、科學(xué)制定文物保護(hù)政策和規(guī)劃提供依據(jù)。2007年4月－2011年12月，我國(guó)開(kāi)展了第三次全國(guó)文物普查工作，這是繼20世紀(jì)50年代和80年代之后我國(guó)第三次文物家底全面盤(pán)點(diǎn)工作。

與前兩次普查相比，這次普查不僅規(guī)模大、涵蓋內(nèi)容豐富，而且最顯著的特點(diǎn)是，通過(guò)運(yùn)用包括衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在內(nèi)的現(xiàn)代科技手段，提高了文物普查的準(zhǔn)確率和科技含量，面向信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析和共享需要，以大比例尺基礎(chǔ)地形圖為依托，在數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施支持下，綜合運(yùn)用衛(wèi)星導(dǎo)航、遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建文物信息的空間可視化與綜合管理平臺(tái)，對(duì)全國(guó)各文物點(diǎn)進(jìn)行全面摸底調(diào)查，準(zhǔn)確掌握全國(guó)的文物總量，為下一步開(kāi)展文物保護(hù)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在第三次全國(guó)文物普查過(guò)程中，文物調(diào)查人員在野外利用基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、集傳統(tǒng)手持機(jī)和數(shù)據(jù)采集器功能于一體的手持設(shè)備開(kāi)展工作。這種手持設(shè)備不僅可以用來(lái)采集文物的經(jīng)緯度坐標(biāo)，而且集成了PDA的“移動(dòng)辦公”功能，采用電子化表單的方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的信息化采集、記錄、存儲(chǔ)和入庫(kù)。這種專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集器針對(duì)文物普查的數(shù)據(jù)采集工作可定制GIS萬(wàn)能屬性庫(kù)，即在記錄經(jīng)緯度、時(shí)間的同時(shí)，只需選擇分類(lèi)信息和輸入相關(guān)的描述信息即可完成屬性信息錄入。根據(jù)文物普查技術(shù)規(guī)范輸入相關(guān)內(nèi)容后，回到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)可以在PC機(jī)中自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)表格，并可打印輸出，實(shí)現(xiàn)普查數(shù)據(jù)上報(bào)，方便統(tǒng)計(jì)分析等功能。該設(shè)備的使用打破了傳統(tǒng)考古調(diào)查的局限性，使得調(diào)查收集的數(shù)據(jù)更加全面、詳盡。文物調(diào)查人員將收集來(lái)的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)結(jié)合GIS、RS等先進(jìn)的空間分析技術(shù)，還可以得出很多有價(jià)值的結(jié)論，比如不同時(shí)期古代聚落的分布與自然環(huán)境的關(guān)系，古代人類(lèi)活動(dòng)行為方式等。

第三次全國(guó)文物普查數(shù)據(jù)采集專(zhuān)用軟件界面

4 “南海一號(hào)”整體打撈—讓水下文物重見(jiàn)天日

說(shuō)起大名鼎鼎的“南海一號(hào)”，它的發(fā)現(xiàn)富有戲劇性。1987年，廣州救撈局與英國(guó)海洋探測(cè)公司在廣東省附近海域?qū)ふ覗|印度公司沉船萊茵堡號(hào)時(shí)，并沒(méi)有找到東印度公司的沉船，卻意外地發(fā)現(xiàn)了深埋在水下23m的另一艘古代沉船，并從沉船上打撈出200多件瓷器。經(jīng)考古專(zhuān)家鑒定,這是一艘南宋時(shí)期福建泉州特征的木質(zhì)古沉船，可能與“海上絲綢之路”有關(guān)，從而引起了世界矚目。后來(lái)，這艘古沉船被命名為“南海一號(hào)”。

“南海一號(hào)”古船是迄今世界上發(fā)現(xiàn)的年代最早、船體最大、保存最完整的古代遠(yuǎn)洋貿(mào)易商船。令人驚奇的是，這艘沉沒(méi)海底近千年的古船船體保存相當(dāng)完好，船體的木質(zhì)仍堅(jiān)硬如新。這艘沉船的出現(xiàn)對(duì)我國(guó)古代造船工藝、航海技術(shù)研究以及木質(zhì)文物長(zhǎng)久保存的科學(xué)規(guī)律研究，提供了最典型標(biāo)本。同時(shí)，它也為復(fù)原海上絲綢之路的歷史、陶瓷史提供極為難得的實(shí)物資料。

由于受限于我國(guó)當(dāng)時(shí)考古技術(shù)水平，無(wú)法對(duì)“南海一號(hào)”進(jìn)行有效的發(fā)掘。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)和考古學(xué)的進(jìn)步，國(guó)家決定對(duì)“南海一號(hào)”進(jìn)行整體打撈。然而，經(jīng)過(guò)20多年淤泥的沉積，20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)的“南海一號(hào)”沉船已不見(jiàn)蹤影，需要重新確定沉船精確位置，這是整體打撈要解決的首要問(wèn)題。而要解決這個(gè)問(wèn)題，就必須用到衛(wèi)星導(dǎo)航水下定位系統(tǒng)。

衛(wèi)星導(dǎo)航水下定位系統(tǒng)主要由導(dǎo)航衛(wèi)星、差分衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)基準(zhǔn)站、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)浮標(biāo)、安裝于水下載體的水下收發(fā)機(jī)、船基數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控中心、水上無(wú)線電通信鏈路、水下水聲通信鏈路組成。其工作流程如下：將衛(wèi)星導(dǎo)航水下收發(fā)機(jī)安裝在沉船上，由工作船上的數(shù)據(jù)控制中心向水下收發(fā)機(jī)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)，激活水下收發(fā)機(jī)向浮標(biāo)發(fā)射定位信號(hào)；浮標(biāo)接收到定位信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行精確時(shí)延估計(jì)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)連同浮標(biāo)姿態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行調(diào)制后發(fā)送至數(shù)據(jù)控制中心；數(shù)據(jù)控制中心將基準(zhǔn)站差分信號(hào)與以上信息進(jìn)行融合處理后計(jì)算出水下沉船的位置，并動(dòng)態(tài)顯示水下載體在大地測(cè)量坐標(biāo)系中的位置。

2007年12月，“南海一號(hào)”經(jīng)整體打撈出水后移駐廣東海上絲綢之路博物館的水晶宮內(nèi)，終于讓這艘沉睡在海底近千年的古船“重見(jiàn)天日”，整體打撈工程畫(huà)上了圓滿(mǎn)的句號(hào)。未來(lái)幾年，“南海一號(hào)”及船載的6萬(wàn)～8萬(wàn)件文物將最終展露出全貌，我國(guó)考古文物又將增添一顆璀璨的“明珠”。

“南海一號(hào)”復(fù)原模型

整體打撈“南海一號(hào)”

5 結(jié)束語(yǔ)

如今，基于衛(wèi)星導(dǎo)航等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研制的考古儀器和設(shè)備在考古調(diào)查和發(fā)掘中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，使中國(guó)幾千年來(lái)燦爛奪目的文物古跡能夠得到更好的保護(hù)。隨著現(xiàn)代考古學(xué)的深入研究和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在我國(guó)考古學(xué)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

徐菁/本文編輯