基于對象時空模型的鄭洛地區(qū)史前聚落遺址群時空演變分析

畢碩本，楊鴻儒，計晗，梁靜濤，喬文文

（1.南京信息工程大學遙感學院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學計算機與軟件學院，江蘇 南京 210044）

0 引言

時空數據模型是研究地學時空過程的基礎數據設施條件［1］。隨著面向對象技術的發(fā)展，越來越多的學者開始采用面向對象的方法進行時空建模。Worboys運用面向對象思想，基于實體關系的數據建模方法，提出了面向對象時空數據模型［2］；Renolen、Li等對面向對象的時空數據模型進行了擴展研究［3，4］。在國內，龔健雅提出的面向對象的時空數據模型是將版本信息標記在屬性上，表達空間對象的歷史變化［5］；林廣發(fā)等認為事件是驅動時空數據發(fā)生變化的根本原因，提出以事件為核心的面向對象時空數據模型［6］；舒紅、曹志月、陳新保等也曾利用面向對象思想進行時空數據建模研究［7－9］?？梢姡嫦驅ο蟮臅r空數據模型具有重要應用價值。隨著田野考古的快速發(fā)展、聚落考古的深入研究，考古時空信息引起了廣泛關注。朱光耀等對安徽省新石器和夏商周時代遺址時空分布和人地關系進行了研究，認為環(huán)境只是古聚落分布和數量變化的基礎因素，生產力的因素也在起作用［10］；安成邦等通過分析甘青文化區(qū)新石器文化的時空分布變化，發(fā)現研究區(qū)文化在空間上的擴張、收縮與氣候干濕狀況的變化密切相關［11］；郭媛媛等對山東省北部地區(qū)聚落遺址時空分布特征進行分析，并探討聚落時空分布與環(huán)境演變的關系［12］。然而，將面向對象的時空數據模型運用于考古研究鮮有報道。本文將鄭洛地區(qū)新石器時代4個文化時期的聚落群看作時空對象，建立聚落群對象時空數據模型，從時間序列（包括時間變量和時空拓撲）角度，對鄭洛地區(qū)新石器時代聚落群進行時空數據挖掘研究，從而找到潛在的空間分布和時空演變的規(guī)律性知識，為聚落考古提供新的研究思路，并為輔助決策服務。

1 聚落群對象時空數據模型

面向對象方法以更自然的方式對復雜的時空信息模型化，是支持時空復雜對象建模的最有效手段［8］。本文建立聚落群對象時空數據模型，將各時期聚落群看作空間對象，由空間特征、屬性特征的單獨改變或同時改變表示時變特征，描述聚落群對象的發(fā)生、發(fā)展、消亡，以及聚落群的合解方向、速度等。如圖1，四幅圖表示同一地理空間下地理對象在不同時刻的狀態(tài)?？梢钥闯?，地理對象在不同時刻其狀態(tài)不同；在不同時刻有不同的地理對象。這一系列時刻狀態(tài)圖清晰地再現了地理對象的時空演變過程。

圖1 基于對象的時空數據模型Fig.1 Spatio－temporal data model based on objects

地理對象有產生、存在和死亡3種狀態(tài)?？臻g特征、屬性特征的單獨改變或同時改變都可能導致對象的死亡。圖1中，在T2時刻，對象3死亡，同時產生了對象6和7；在T3時刻，對象4和5死亡，同時產生了對象8、9、10；在T4時刻，對象1死亡，對象11產生，或者說對象1被對象11繼承，即對象1只是屬性名稱發(fā)生了改變。

本研究的4個連續(xù)文化時期中，聚落群的產生、死亡時間不能精確到時刻，但這不妨礙在大時段內的研究。所以，研究中，單個聚落群規(guī)模擴大或縮小導致的結果都被認為是聚落群得到了繼承。同時，用聚落群的中心點標志該聚落群，能夠更好地分析聚落群合解變化的速度和方向。在文化末期，該文化時期的聚落群已存在，可視為一個狀態(tài)。分析聚落群中心點的演變軌跡、速度，結合聚落群的面積、遺址密度，可進一步挖掘聚落群的時空演變規(guī)律。

可將聚落群中心點視作多邊形中心點進行求取。多邊形的中心點（質心或重心）可通過將多邊形分割為三角形，求取三角形的中心點，然后將三角形的中心點加權求和取得。三角形的中心點（cx，cy）是三角形3個頂點坐標的平均，公式如下：

求取聚落群的中心點后，結合聚落群對象時空數據模型，可得出中心點演變的分解速度，從聚落群中心點的變化推斷聚落群分布的變化速度，即用中心點之間的距離除以變化時間（變化前后經歷的文化時期）。將中心點看作帶有時間變量的三維坐標（xi，yi，ti），則中心點的變化速度為v，公式如下：

聚落群可視作任意二維平面多邊形，其在矢量結構下，面狀地物以其輪廓邊界弧段構成的多邊形表示，一個二維多邊形可被分解為多個三角形。無洞多邊形頂點Pi（xi，yi），于是聚落群的面積SΩ（單位：108m2）為：

同時得到聚落群的遺址密度Dm（個／（108m2））：

式中：C表示聚落群遺址總數。

2 聚落群時空演變分析

通過聚落群對象時空數據模型的構建，分析聚落群時空演變規(guī)律。

（1）用中心點算法求取中心點，4個文化時期的聚落群及中心點基本信息如圖2－圖4。在裴李崗時期，產生、存在P1、P2兩群。經過仰韶前期，P1群分解為YE1、YE2兩群的一部分，且有一小部分完全消融，P2群分解為YE1、YE3兩群的一部分，同時YE1、YE2、YE3 3個群都得到發(fā)展；另外，在仰韶前期還產生了YE4群。在仰韶后期，YE4群得到發(fā)展，成為YL4群；YE2群大部分分解為YL2群的一部分，小部分分解為YL3和YL1群的一部分；YE3群大部分分解為YL2群的一部分，小部分分解為YL1群的一部分；YE1群大部分分解為YL1群的一部分，小部分分解為YL3群的一部分；同時，YL1、YL2、YL3群得到發(fā)展。另外，到仰韶后期末，P1、P2兩群幾乎全部合并為仰韶后期的YL1群。龍山時期，YL4群縮小為LC1群，YL2群分解為LB1、LB2、LB3、LB4、LC2群及 LA 群的一部分，YL1群分解為LC3、LC4、LC5、LC6、LC7、LB5、LB6、LB7群及LA群的一部分，YL3群分解為LB8群及LA群的一部分。

圖2 裴李崗到仰韶前期Fig.2 Peiligang period to Yangshao prophase

圖3 仰韶前期到仰韶后期Fig.3 The prophase to the late of Yangshao period

圖4 仰韶后期到龍山時期Fig.4 The late of Yangshao period to Longshan phase

綜上所述，只有YE4群一直被繼承，除了規(guī)模的縮小或擴大外，一直存在，其他聚落群體都隨著時間的推移分解成其他群體（圖5）。

（2）用聚落群中心點的變化軌跡、速度、聚落群面積、聚落群遺址密度探討聚落群的時空演變。

圖5 4個文化時期聚落群的合解歷程Fig.5 The solution process of four cultural clusters

由裴李崗時期聚落群相關情況（表1）可知，P2面積是P1的8倍多，遺址密度是P1的2倍多。

表1 裴李崗時期聚落群Table 1 The settlement cluster of Peiligang period

由仰韶前期聚落群相關情況（表2）可知，若取相同的500a，仰韶前期聚落群遺址總數是裴李崗時期遺址總數的近3倍，仰韶前期聚落群的總面積是裴李崗時期聚落群總面積的2倍多。裴李崗時期到仰韶前期，ti＋1－ti＝1 500a，即仰韶前期歷經1 500a。裴李崗時期到仰韶前期中心點間①、②、③、④（為裴李崗時期到仰韶前期聚落群中心點連線的編號，見圖2）的合解速度分別為55.1m／a、21.7m／a、30.8 m／a、67.1m／a。從聚落群中心點變化的速度可以看出，從裴李崗時期到仰韶前期，聚落群向西、西南方向（①、④）擴展速度明顯高于向東、北方向（②、③）。

表2 仰韶前期聚落群Table 2 The settlement cluster of Yangshao prophase

由仰韶后期聚落群相關情況（表3）可知，若取相同的500a，仰韶后期聚落群的遺址總數是仰韶前期聚落群遺址總數的2.5倍左右，仰韶后期聚落群的總面積是仰韶前期聚落群總面積的2倍多。仰韶后期東部群YL1和西部群YL2面積分別為143.27×108m2、136.91×108m2，相差不大。仰韶前期到仰韶后期，ti＋1－ti＝1 000a，即仰韶后期歷經1 000a。該時期中心點間“①－⑦”（為仰韶前期到仰韶后期聚落群中心點連線的編號，見圖3）的合解速度分別為51.3m／a、52.0m／a、94.7m／a、24.7m／a、110.9 m／a、88.1m／a、52.9m／a。經計算可知，仰韶前期聚落群YE1平均分解速度51.7m／a，聚落群YE2平均分解速度76.8m／a，聚落群YE3平均分解速度70.5m／a。

表3 仰韶后期聚落群Table 3 The settlement cluster of the late of Yangshao period

由龍山時期聚落群相關情況（表4）可知，龍山時期聚落群遺址總數為392，聚落群總面積為200.65×108m2。若取相同的500a，龍山時期16個聚落群的遺址總數是仰韶后期4個聚落群遺址總數的3倍左右，龍山時期聚落群的總面積與仰韶后期聚落群總面積相差不大。龍山時期中心聚落群LA面積為89.3×108m2；LB面積為56.5×108m2，單個聚落群平均面積為7.06×108m2；LC面積為54.9×108m2，單個聚落群平均面積為7.8×108m2。從分布上看，中心群被兩個小群帶圍繞，主從式分布格局明顯。仰韶后期到龍山時期，ti＋1－ti＝500a，即龍山時期歷經時間為500a。在表5中，“①－○17”（圖4）為仰韶后期到龍山時期聚落群中心點連線的編號。

表4 龍山時期聚落群Table 4 The settlement cluster of Longshan period

表5 仰韶后期到龍山時期中心點合解速度Table 5 The solution speed of center point from the last of Yangshao to Longshan period

圖4中，龍山時期LA聚落群有3個箭頭匯入，分別來自仰韶后期聚落群YL1、YL2、YL3，可求得向LA聚落群擴展的平均速度為129.6m／a，速度較快；其余15個聚落群僅來自仰韶后期聚落群中的某一個，擴展速度有快有慢。

將4個時期聚落群分別作為一個整體考慮，可得每個時期聚落群的總中心點及其演化軌跡（圖6）。同時，可計算出總中心點的移動速度。鄭洛地區(qū)新石器時代4個文化時期的聚落群總中心先向西南方向快速移動，即裴李崗時期到仰韶前期的聚落群總中心向西南方向移動，平均速度為61.0m／a；再向東北方向移動，即仰韶前期到仰韶后期及仰韶后期到龍山時期的聚落群總中心向東北方向移動，平均速度分別為15.9m／a和53.6m／a。

圖6 4個時期聚落群總中心點演化軌跡Fig.6 Evolution of the center of settlement cluster for the four consecutive cultural periods

根據4個時期聚落群遺址總數及總面積，可得裴李崗時期、仰韶前期、仰韶后期、龍山時期聚落群遺址平均密度分別為0.54個／（108m2）、0.79個／（108m2）、0.89個／（108m2）、1.95個／（108m2）。從中可得仰韶前期聚落群遺址平均密度是裴李崗時期的1.5倍左右，仰韶后期聚落群遺址平均密度與仰韶前期相差不大，龍山時期聚落群遺址平均密度是仰韶后期2倍多。因此，可以看出4個文化時期的聚落群遺址平均密度呈上升趨勢，前3個時期上升緩慢，龍山時期上升明顯。

3 結論與討論

本文將鄭洛地區(qū)新石器時代4個文化時期的聚落群看作時空對象，依據面向對象的思想，建立聚落群對象時空數據模型。基于聚落群中心點的演變軌跡和演變速度，結合聚落群的面積、遺址個數、遺址密度，論述了聚落群的空間分布隨著時間的動態(tài)變化特征。研究結論主要包括：1）從聚落群的合解歷程看，裴李崗時期、仰韶前期幾乎無分化，仰韶后期東西對峙，龍山時期分級明顯，主從式聚落群分布格局出現。2）聚落群中心點先向西南方向快速移動，即裴李崗時期到仰韶前期的聚落群中心向西南方向移動；再向東北方向移動，即仰韶前期到仰韶后期以及仰韶后期到龍山時期的聚落群中心向東北方向移動。3）聚落群遺址平均密度呈上升趨勢，仰韶前期聚落群遺址平均密度是裴李崗時期的1.5倍左右，仰韶后期聚落群遺址平均密度比仰韶前期略微上升，龍山時期聚落群遺址平均密度是仰韶后期2倍多。

上述內容驗證了考古學家的結論。裴李崗時期時代早、人口少，以山地為主的聚落分布格局限制了聚落面積，聚落遺址的平均密度較低［13］。仰韶前期，聚落向黃土丘陵區(qū)的河谷地帶遷移。于是，從裴李崗時期向仰韶前期，聚落群中心點移動速度加快。仰韶后期，聚落規(guī)模繼續(xù)擴大，農業(yè)技術提升，出現剩余產品，聚落初步分化。龍山時期因鑿井技術的出現，人們可以到遠離河流或其他水源的地方建設新聚落。于是，從仰韶后期到龍山時期聚落群中心移動速度較快。平原地帶，地勢平坦、土壤肥沃、交通便利，使得龍山時期聚落分布密度大大增加；同時，這一時期生產力水平不斷提升，聚落群主從分明，原始氏族的平等、民主制度已遭到踐踏，整個社會處于文明的前夜［14，15］。

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