數(shù)字化手段在大遺址考古工作中的應(yīng)用

劉斌　王寧遠(yuǎn)

摘要：良渚遺址和良渚古城是近年來中國(guó)史前考古進(jìn)展最大的區(qū)域，也是典型的大遺址，其保護(hù)區(qū)紅線范圍即達(dá)42平方公里，而實(shí)際范圍遠(yuǎn)大于此。在這樣大的范圍內(nèi)，僅采取傳統(tǒng)的大規(guī)模鉆探和發(fā)掘等手段，完全無法滿足學(xué)科研究的需要。發(fā)掘者圍繞需要解決的學(xué)術(shù)問題，積極尋求多學(xué)科合作。其中數(shù)字化手段所起的作用尤其明顯，借助“數(shù)字高程模型”（DEM平面圖）在遺跡尋找上的重要指示作用，迅速擴(kuò)大了良渚古城周邊的測(cè)繪范圍和分析手段，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)良渚古城外圍的水壩等遺跡，確定古城中心的宮殿區(qū)、城墻和外郭依次降低，共同構(gòu)成了三重同心結(jié)構(gòu)，取得了中國(guó)古代城市研究的重大突破。

關(guān)鍵詞：良渚古城；文化遺產(chǎn)數(shù)字化；大遺址；數(shù)字商程模型（DEM）

考古學(xué)提供了時(shí)空坐標(biāo)和大量的遺跡遺物，這些遺跡遺物包含著各方面的信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出考古學(xué)本身的技術(shù)方法所能提取的范疇，可供各相關(guān)學(xué)科開展研究。因此通過多學(xué)科手段將資料信息最大化提取和分析，能更好地幫助考古學(xué)對(duì)古代社會(huì)進(jìn)行全面恢復(fù)和研究。同時(shí)，現(xiàn)代考古學(xué)的誕生，即是吸收了地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)理論與方法，形成考古地層學(xué)、類型學(xué)及年代學(xué)的基本方法。隨著自然科學(xué)的發(fā)展，各種技術(shù)和設(shè)備都以極快的速度被應(yīng)用到考古研究中來，如C¹⁴等測(cè)年技術(shù)的引入，成為考古年代學(xué)的基本手段。所以從學(xué)科基因上來說，考古學(xué)是一門具有極強(qiáng)學(xué)習(xí)能力、兼跨文理、充滿朝氣和生命力的學(xué)科?，F(xiàn)代考古學(xué)的終極目的是全面恢復(fù)古代社會(huì)的方方面面，因此，大遺址理念指導(dǎo)下的考古工作，多學(xué)科合作成為極重要的研究模式和手段。

良渚遺址和良渚古城是近年來中國(guó)史前考古進(jìn)展最大的區(qū)域，是中華五千年文明實(shí)證。良渚遺址是個(gè)典型的大遺址，其保護(hù)區(qū)紅線范圍即達(dá)42平方公里，而實(shí)際范圍遠(yuǎn)大于此。在這樣大的范圍內(nèi)，僅采取傳統(tǒng)的鉆探和發(fā)掘等手段，完全無法滿足學(xué)科研究的需要。圍繞良渚古城需要解決的學(xué)術(shù)問題，結(jié)合傳統(tǒng)的考古學(xué)方法，我們積極采用多學(xué)科合作的手段開展大遺址工作，取得了不錯(cuò)的效果。其中數(shù)字化技術(shù)所起到的作用尤為明顯。

一、DEM與良渚古城外圍結(jié)構(gòu)的探索

在良渚古城發(fā)現(xiàn)后，研究其空間框架結(jié)構(gòu)成為考古隊(duì)的首要目標(biāo)。首要任務(wù)是要明確古城是否存在外郭城。在良渚古城發(fā)現(xiàn)之前，整個(gè)良渚遺址群內(nèi)有根據(jù)現(xiàn)代地貌邊界標(biāo)定的135個(gè)獨(dú)立遺址點(diǎn)。古城墻發(fā)現(xiàn)后，我們發(fā)現(xiàn)許多遺址點(diǎn)實(shí)際上是同一遺跡（如城墻）的不同位置，或者是城的不同功能區(qū)，只是因?yàn)楹笃诘钠茐膶?dǎo)致彼此分離。因此以往基于遺址點(diǎn)的觀察角度，顯然已經(jīng)無法適應(yīng)對(duì)古城的整體研究需求。有了城墻這一明確的線索，考古工作的目標(biāo)思路就豁然開朗，觀察的焦點(diǎn)集中到城墻外圍的區(qū)域，考古工作從某種意義上說進(jìn)入了順藤摸瓜、按圖索驥的階段。以城墻的基本形態(tài)作為參考，我們特別注意尋找那些同屬于良渚時(shí)期、外形呈長(zhǎng)條壟狀的遺址點(diǎn)，以及能構(gòu)成框型結(jié)構(gòu)的若干遺址點(diǎn)的位置關(guān)系。但是這些遺跡因?yàn)槭艿酵砥诘钠茐?，可能已?jīng)變得斷斷續(xù)續(xù)，所以需要在一個(gè)平面圖上去復(fù)原這些地點(diǎn)的原有關(guān)系。

這期間我們對(duì)古城東部區(qū)域進(jìn)行了大規(guī)模的基礎(chǔ)鉆探。鉆探獲得了這個(gè)區(qū)域內(nèi)古水系和文化堆積的翔實(shí)材料。但是我們發(fā)現(xiàn)這種基于傳統(tǒng)考古手段形成的平面圖，對(duì)于研究古城的外圍結(jié)構(gòu)所能提供的直觀信息并不多。在這樣的情形下，迫切需要找到另外的手段來進(jìn)一步分析遺址。

作為一種嘗試，我們利用良渚古城區(qū)域1：500比例的線劃圖在GIS軟件中制作了數(shù)字高程模型（DEM），結(jié)果有驚人的發(fā)現(xiàn)。圖1顯示的是該數(shù)字高程模型（DEM）的截圖，在這張圖里，莫角山標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)方形輪廓，以及其上的大小莫角山和烏龜山這三個(gè)高臺(tái)顯示得非常規(guī)清晰，更為重要的是，這張范圍不大的圖里，我們可以明確地發(fā)現(xiàn)良渚古城東南部外側(cè)，存在著一個(gè)長(zhǎng)方形的結(jié)構(gòu)體，它由美人地、里山鄭村、卞家山分布構(gòu)成北、東、南三面墻體，并和良渚古城的東墻和南墻相接續(xù)。結(jié)合之前鉆探的信息，我們認(rèn)為這一周框狀的結(jié)構(gòu)應(yīng)和良渚古城密切相關(guān)，它可能是與古城不同階段的另一墻圈，也可能是古城同期的外部附屬結(jié)構(gòu)。基于這樣的認(rèn)識(shí)，我們迅速開展了這周墻體上的美人地、里山兩個(gè)地點(diǎn)考古工作，證實(shí)這些條壟狀遺跡是由良渚晚期若干次的居址逐步加高形成現(xiàn)狀的。作為良渚古城的附屬平民居址的可能性很大。這種長(zhǎng)條形框狀聚落，與普通良渚基層聚落的形態(tài)完全不同?；鶎泳勐涠际浅噬Ⅻc(diǎn)狀分布的小聚落，每個(gè)間距500-1000米，聚落面積4000-20000平方米左右，每個(gè)聚落都以自身土臺(tái)為中心，周邊圍繞著該聚落的水域和耕地。這是水網(wǎng)平原地區(qū)和良渚稻作農(nóng)業(yè)形式和水平結(jié)合形成的最優(yōu)布局。而古城周邊的這一框狀長(zhǎng)條聚落，相當(dāng)于幾十個(gè)散點(diǎn)式基層聚落的面積總和，其上居住的人口甚多，如果居民也是從事稻作生產(chǎn)，則圍繞著它的稻田面積巨大，從居住地到稻田的距離會(huì)非常遠(yuǎn)。而我們的稻作專項(xiàng)研究調(diào)查顯示，條壟周邊并沒有良渚稻田分布，而是一般的沼澤，所以這一圈的居民應(yīng)該不是從事稻作生產(chǎn)的農(nóng)民，而應(yīng)該是最早的城市居民。因此，這周條形的居住地，當(dāng)是古城的外郭。

所謂“數(shù)字高程模型”，通俗地說，就是把地圖上不同高程的范圍，依照某種色系的變化，涂上不同的顏色。這樣，即使一道城墻被破壞后呈若干分散的小段，其基本高程一致的話，在DEM平面圖上就顯示為相同的顏色，這樣就很容易順著某種幾何位置關(guān)系把它們聯(lián)系起來（圖2b）。而前述那張鉆探形成的水系和文化堆積分布圖（圖2a），實(shí)際上并沒有反映出高程信息，它反映的文化堆積范圍，既包括了地面上的人工堆筑高地，還有外圍河道等低地區(qū)域的廢棄堆積，所以，該圖標(biāo)示的遺存范圍較大，沒有反映最重要的高程信息，對(duì)于尋找墻狀的結(jié)構(gòu)很不直觀。另外，良渚遺址群還有分辨精度高達(dá)8厘米的數(shù)字正射影像（圖2c），谷歌地球（Google EarLh）也提供了本區(qū)分辨率達(dá)60厘米的高清影像（圖2d）。但是因?yàn)榻ㄖ椭脖坏母蓴_，這些影像對(duì)地面高程的變化反應(yīng)也不敏感，從而使遺跡不能清晰顯現(xiàn)。而相反地，DEM反應(yīng)的是單純的地表高程變化，所以能從復(fù)雜的地表植被和建筑的視覺干擾中，將遺存信息直觀反應(yīng)出來。因此我們發(fā)現(xiàn)，在本地區(qū)尋找城墻結(jié)構(gòu)，DEM是最有效的方法，優(yōu)于線劃圖和高清衛(wèi)片。

因?yàn)镈EM在遺跡尋找上具有重要的指示作用，因此我們迅速擴(kuò)大了古城周邊1：500地圖的測(cè)繪范圍，并根據(jù)新的地圖，制作了新的DEM。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在古城的北邊，還有兩條長(zhǎng)條形的結(jié)構(gòu)，與美人地里山卞家山共同構(gòu)成外郭結(jié)構(gòu)。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)良渚古城中心的宮殿區(qū)、城墻和外郭依次降低，構(gòu)成了三重同心結(jié)構(gòu)（圖3），是中國(guó)歷史時(shí)期都城的官城、王城、外郭三重結(jié)構(gòu)的濫觴。這個(gè)重要的認(rèn)識(shí)是中國(guó)古代城市研究的重大突破。

良渚古城區(qū)域數(shù)字線劃圖分別有1：10000、1：2000、1：500三種比例。其中以1：500的圖制作數(shù)字高程模型效果最好。這是與良渚遺址的堆積性狀、保存狀況密切相關(guān)的。比例不同的圖，其等高線密度不同：1：10000的圖，等高線間距為5米；1：2000的圖，等高線間距為2米，1：500的圖，等高線間距為0.5米。良渚地區(qū)的人工堆積，包括城墻遺跡，目前和周邊平原農(nóng)地的相對(duì)高程，大體都在3 4米，另外還有些相對(duì)高程只有1-2米。這樣，如果使用1：10000的地圖，除了莫角山這種相對(duì)高程8-9米的巨型遺跡外，其他地點(diǎn)因?yàn)橄鄬?duì)高程過小，幾乎無法從農(nóng)田中辨識(shí)出來。所以，1：10000比例的地圖用于尋找城墻構(gòu)造顯然是不合適的。同理，因?yàn)榇嬖谥簧傧鄬?duì)高度2米以下的遺址，所以1：2000的圖制作DEM，也會(huì)有大量的信息漏失。而1：500的圖具有的0.5米的等高線密度，無疑是制作DEM理想的素材。實(shí)際上，我們感覺到在DEM制作中，最重要的因素在于地圖的高程分辨率，而非平面精度。地圖的比例即使是1：10000，只要其等高線能夠加密，達(dá)到0.5-1米的密度，也應(yīng)該可以滿足需要。

DEM在本地區(qū)的考古工作中能發(fā)揮較大的作用，應(yīng)該和良渚以及整個(gè)太湖地區(qū)聚落分布形態(tài)密切相關(guān)。水鄉(xiāng)平原地帶植物繁茂，人口密集，因此從遺址現(xiàn)場(chǎng)和衛(wèi)片等角度觀察，干擾因素很多。但是太湖平原地區(qū)史前遺址多為人工堆筑的高墩，墩外多為水域和稻田，這種模式從良渚時(shí)期開始形成，一直延續(xù)到今天都沒有發(fā)生大的變化。所以，早期的人工高墩往往會(huì)被晚期繼續(xù)加高沿用，而不會(huì)推倒重起爐灶，從而使早期的遺址格局得以保留。因此通過DEM剔除了建筑和植被的干擾之后，遺址的原有格局就能比較好地得到反映。

二、遙感（RS）與GIS手段在良渚古城西北側(cè)

水利系統(tǒng)探索中的應(yīng)用

隨著近年的良渚古城考古工作的推進(jìn)，我們又確認(rèn)良渚古城外圍存在一個(gè)龐大的水利系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的尋找中，遙感手段提供了關(guān)鍵的線索。而在分析這個(gè)系統(tǒng)的作用中，GIS發(fā)揮了重大作用。同時(shí)我們?cè)谥谱鞔髤^(qū)域的DEM時(shí)，也針對(duì)一般的制作方法的缺陷，進(jìn)行了探討和改良，取得了滿意的效果。

2009年夏，良渚古城西北部約8公里的彭公崗公嶺，因?yàn)榕既坏氖┕ぐl(fā)現(xiàn)了大型人工堆筑遺跡。通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)此處遺跡系在兩山之間的溝谷位置由人工堆筑大型壩體。壩體規(guī)模極為宏大，復(fù)原其堆筑高度可能近20米，寬度上百米。其內(nèi)部中心由草裹淤泥的小土包壘砌，外圍覆以純凈黃土。這種堆筑方法與反山等良渚時(shí)期很多臺(tái)墩遺跡相同。在遺址現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有零星的良渚文化陶片，臺(tái)墩上部則有漢墓疊壓，因此推測(cè)這處遺跡可能屬于良渚時(shí)期。順此線索，我們?cè)谥苓吷焦葍?nèi)又發(fā)現(xiàn)了秋塢、老虎嶺等幾處類似的壩體。當(dāng)時(shí)我們的觀察，還是基于單體水利設(shè)施的角度對(duì)這些壩體進(jìn)行解讀，推測(cè)可能是用于阻攔山谷的來水，使其改變流向，匯入山系北側(cè)的德清下渚湖，避免洪水沖擊遺址群。2010年夏，崗公嶺的3個(gè)草葉樣本經(jīng)北京大學(xué)考古年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室C¹⁴測(cè)定，其樹輪校正年代距今約4800-5000年，證實(shí)了我們前期對(duì)這處遺跡的年代判斷。因此其重要性進(jìn)一步引起我們的重視，繼續(xù)在周邊進(jìn)行調(diào)查。

我們使用谷歌地球（Goole Earth）的高分辨率衛(wèi)片對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行觀察，2011年年初，意外地發(fā)現(xiàn)，在崗公嶺這組壩體南面的鯉魚山也存在著一處明顯具有人工痕跡的大型壩體?，F(xiàn)場(chǎng)鉆探調(diào)查證實(shí)這處300米長(zhǎng)的壩體是人工堆筑的。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在鯉魚山的東側(cè)獅子山也是一段已經(jīng)被道路截?cái)嗟膲误w。這次調(diào)查的意義并非僅僅增加了壩體的數(shù)量，關(guān)鍵在于鯉魚山和獅子山通過其東面的小山體，連接到了良渚遺址群西側(cè)規(guī)模巨大的水利工程——塘山。

塘山遺址長(zhǎng)6.5公里，1990年代發(fā)現(xiàn)后曾進(jìn)行多次發(fā)掘，一般認(rèn)為是良渚遺址群外圍的擋水壩。但是當(dāng)時(shí)是以單體遺跡的角度對(duì)其進(jìn)行研究的，對(duì)塘山西側(cè)向南拐彎后的去向，考古隊(duì)曾在毛元嶺一帶多次找尋，但是一直不得要領(lǐng)。而鯉魚山和獅子山壩體的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)塘山在向南拐之后，連接自然山體，復(fù)又向西南側(cè)延伸發(fā)展。因此，包括塘山在內(nèi)的這些大小壩體，并非單體起作用，而是構(gòu)成了一個(gè)極其龐大的復(fù)雜的防洪水利系統(tǒng)，塘山只是這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)最長(zhǎng)的單體。

目前顯示，水利系統(tǒng)由11條堤壩組成，是良渚古城建設(shè)之初，統(tǒng)一規(guī)劃設(shè)計(jì)的城外有機(jī)組成部分。這些堤壩根據(jù)形態(tài)和位置的不同，可分為山前長(zhǎng)堤、谷口高壩和平原低壩3類。

山前長(zhǎng)堤即指塘山，全長(zhǎng)約5公里，呈東北西南走向，是水利系統(tǒng)中最大的單體。從西到東可將其分成三段。西段為矩尺形單層壩結(jié)構(gòu)。中段為南北雙層壩體結(jié)構(gòu)，北壩和南壩間距約20-30米，并保持同步轉(zhuǎn)折，形成渠道結(jié)構(gòu)。從corona衛(wèi)片里可以清楚看見它的結(jié)構(gòu)和與良渚古城的密切關(guān)系（圖5）。

谷口高壩：位于西北側(cè)較高的丘陵的谷口位置，包括崗公嶺、老虎嶺、周家畈、秋塢、石塢、蜜蜂弄等6條壩體?？煞譃闁|、西兩組，各自封堵一個(gè)山谷，形成一級(jí)水庫(kù)。

平原低壩：建于高壩南側(cè)約5.5公里的平原內(nèi)，由梧桐弄、官山、鯉魚山、獅子山4條壩將平原上的孤丘連接而成，壩頂高程大約在10米左右。壩長(zhǎng)視孤丘的間距而定，在35-360米間不等。高壩與低壩之間的庫(kù)區(qū)略呈三角形，面積約8.5平方公里。庫(kù)區(qū)東端與塘山長(zhǎng)堤相接，共同組成統(tǒng)一的水利體系。

良渚水利系統(tǒng)的功用如何？我們和中國(guó)社科院考古研究所科技考古中心合作，通過GIS手段對(duì)這一系列遺跡進(jìn)一步分析研究。首先我們發(fā)現(xiàn)，原來認(rèn)為崗公嶺等高壩系統(tǒng)是將洪水導(dǎo)引到北側(cè)德清（縣）的認(rèn)識(shí)是錯(cuò)誤的。因?yàn)檫@些山谷上部的分水嶺遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壩體的高度，甚至高于壩體兩側(cè)的山體，所以，高壩系統(tǒng)實(shí)際上是能潴留洪水，形成兩個(gè)谷口水庫(kù)。劉建國(guó)研究員等通過對(duì)美國(guó)科羅納（CORONA）間諜衛(wèi)星1970年代的衛(wèi)片觀察，并結(jié)合地形數(shù)據(jù)的GIS分析，計(jì)算出它們現(xiàn)存的壩高可以抵御約870毫米的降水量，而本地區(qū)最高的降水量大約就在900毫米左右，因此這一水壩系統(tǒng)足以抵御百年一遇的洪水襲擊，保護(hù)遺址群的安全（圖6）。

最近通過GIS分析，推測(cè)該系統(tǒng)在運(yùn)輸上也應(yīng)具有重要作用。天目山系可以為遺址群提供豐富的石料、木材及其他動(dòng)植物資源。天目山古稱“浮玉之山”，地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為其具備玉器的成礦條件。塘山和德清楊墩等地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)與制玉相關(guān)的遺存，百畝山則發(fā)現(xiàn)有石器的半成品，顯示良渚時(shí)期的玉、石料可能就是就地取材于天目山系內(nèi)。遺址群內(nèi)如美人地、卞家山、莫角山、馬金口等各地點(diǎn)都發(fā)現(xiàn)大量的木材。因此如何運(yùn)輸是良渚人必須解決的問題。在輪式交通及配套的道路系統(tǒng)形成之前，水運(yùn)是一種最經(jīng)濟(jì)便捷的運(yùn)輸方式。美人地木樁板上多次發(fā)現(xiàn)的有牛鼻穿，這是木材放排水運(yùn)時(shí)用來穿繩，方便拖動(dòng)的裝置，表明是用放排的方式運(yùn)來。卞家山和莫角山的碼頭設(shè)施、出土的木漿等說明水運(yùn)在當(dāng)時(shí)的重要地位。與平原區(qū)發(fā)達(dá)的水網(wǎng)不同，本地區(qū)的山谷陡峻，降水季節(jié)性明顯，水量變化大，夏季山洪爆發(fā)，冬季則可能斷流，大多時(shí)候不具備行船的可能，通過筑壩蓄水形成的庫(kù)容，可以形成連接各個(gè)山谷的水上交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。如高壩系統(tǒng)的崗公嶺、老虎嶺和周家畈3壩，以壩頂高程最低的海拔25米計(jì)，根據(jù)谷底高程推算，滿水水面可沿山谷上溯1500米左右。低壩系統(tǒng)鯉魚山壩群海拔約9米，依據(jù)GIS的分析，蓄滿水時(shí)水面可北溯3700米左右，直抵崗公嶺壩下方；東北面可以與塘山渠道貫通。

在制作圖7這張DEM時(shí)，我們對(duì)常規(guī)的制作方法進(jìn)行了一些改進(jìn)。與圖1、圖3的DEM不同，整個(gè)良渚古城和外圍區(qū)域面積達(dá)百余平方公里，地面有山地丘陵和平原，海拔范圍從0米到500米。這個(gè)區(qū)域內(nèi)我們有1：2000的數(shù)字線劃圖，其等高線密度為2米，理論上足夠滿足我們?cè)谡w表現(xiàn)古城和水利系統(tǒng)在整體區(qū)域內(nèi)的顯示要求。但是我們發(fā)現(xiàn)，按照一般的方法制作DEM時(shí)，因?yàn)檐浖J(rèn)的顏色差值，都是等距的。比如本區(qū)高程范圍為0-500米，分成50個(gè)顏色等級(jí)，它就自動(dòng)以每10米為一種顏色。而實(shí)際上我們所有的遺跡，高程都集中在2 35米的范圍內(nèi)，其中很多遺跡相對(duì)高度只有2-5米，如果以10米間距區(qū)分顏色，絕大部分遺跡都淹沒在相同色塊中，無法發(fā)現(xiàn)。如果以2米的精度區(qū)分顏色，則需要手動(dòng)設(shè)置250個(gè)色級(jí)，而這么多色級(jí)的顏色區(qū)別在視覺上幾乎是不可辨識(shí)的。因此，我們考慮采取不等距的色級(jí)設(shè)置，即在有遺跡的高程范圍內(nèi)加密設(shè)置，在沒有遺跡的高程范圍內(nèi)消減色級(jí)。我們將遺跡集中的0-40米范圍內(nèi)以1米為一個(gè)色級(jí)，40米高程之上，逐步將高程范圍加大，最后設(shè)置約60個(gè)色級(jí)，進(jìn)行制作（圖8）。這個(gè)效果我們認(rèn)為是比較符合我們需要的。根據(jù)我們的觀察，目前大部分的考古項(xiàng)目在委托測(cè)繪單位進(jìn)行DEM制作時(shí)，都是按照軟件默認(rèn)設(shè)置的高程平均值進(jìn)行制作的。在高程懸殊的區(qū)域，這種DEM就很可能完全無法顯示出遺跡，達(dá)不到需要的效果。因此我們認(rèn)為這是遺址GIS處理中需要關(guān)注的一個(gè)重要方面。

（責(zé)任編輯：孫秀麗）