吐魯番文物遺址地理空間信息化發(fā)展與思考*

徐佑成 李輝朝

吐魯番文物遺址地理空間信息化發(fā)展與思考*

徐佑成 李輝朝

近年來，在國家的重視下，吐魯番文物遺址考古調(diào)查、發(fā)掘、保護與展示利用工作逐步得到實施，大量文物遺址的主要病害得到有效控制，文物價值得到較好展示。如大遺址交河故城、高昌故城、柏孜克里克千佛洞、吐峪溝石窟、坎兒井水利工程、長城資源烽燧等，各項文物保護工程正全面實施。由于地理空間信息技術(shù)在文物遺址中的應(yīng)用與發(fā)展起步較晚，吐魯番文物遺址的地理空間信息化及監(jiān)測預(yù)警工作還處于發(fā)展階段。文章就吐魯番文物遺址本體保存現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)外地理空間信息化發(fā)展，對吐魯番遺址地理空間信息化進行分析，提升考古挖據(jù)、文物保護及開發(fā)利用水平。

吐魯番 文物遺址 地理空間信息化

一、吐魯番文物遺址概況

吐魯番位于新疆的東部，是四大文明的交匯地，是古代“絲綢之路”的重要樞紐。由于特殊的自然環(huán)境，該盆地保存有大量豐富的文物遺存，種類繁多。據(jù)第三次全國文物普查統(tǒng)計，吐魯番不可移動文物增至1491處，新增1277處。其中，世界文化遺產(chǎn)3處，全國重點文物保護單位13處，自治區(qū)級文物保護單位37處。同時，大量新類型文化遺產(chǎn)不斷呈現(xiàn)，如：長安-天山廊道的路網(wǎng)、唐代西州13條交通路線、長城延續(xù)-烽燧、坎兒井等。吐魯番文物遺址主要集中分布于火焰山以南，艾丁湖以北范圍內(nèi)，呈網(wǎng)狀分布。

吐魯番文物遺存類型多，如石窟、墓葬、城址及建筑等，大部分遺址為土遺址，本研究將依據(jù)遺址范圍面積大小分為兩類(圖一)，一類(遺址范圍>10公頃)：大型遺址高昌故城、交河故城、洋海古墓群、柳中古城、柏孜克里克千佛洞、勝金口石窟、吐峪溝石窟、阿斯塔那古墓群、讓布公商城址及蘇公塔(含安樂古城)等。二類(遺址范圍≤10公頃)：闊坦吐爾古城、拉木帕公相城址、阿薩協(xié)亥爾古城、大墩古城等。此次將依據(jù)遺址范圍面積大小，對遺址地理空間信息化現(xiàn)狀進行分析，對遺址今后地理空間信息化的發(fā)展方向提出一些想法，為文物遺址保護與管理提供合理化意見。

吐魯番重要文物遺址范圍面積統(tǒng)計表

圖一 吐魯番文物遺址范圍面積大小分布圖

二、吐魯番文物遺址地理空間信息化與監(jiān)測預(yù)警現(xiàn)狀

吐魯番文化遺產(chǎn)地理空間信息建設(shè)管理與環(huán)境監(jiān)測預(yù)警方面起步較晚。2008年，在國家文物局、自治區(qū)文物局的重視下，初步建立了第三次全國文物普查管理系統(tǒng)，長城資源管理系統(tǒng)，以及坎兒井管理系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)在文物遺址保護中起到了積極作用，不過在遺址地理空間信息化建設(shè)方面較為簡單，僅反映了遺址的分布相對位置，對文化遺產(chǎn)的空間信息化應(yīng)用遠遠不夠。遺址地理空間信息化建設(shè)對于了解歷史發(fā)展的軌跡、演變規(guī)律有著十分重要的作用。近年來，我市在文物遺址地理空間信息化方面做了大量實驗性的研究工作，特別對于大型土遺址進行了有益的嘗試，積累了大量經(jīng)驗和基礎(chǔ)材料。從吐魯番地理空間信息化發(fā)展進程來看，共經(jīng)歷了三個階段，第一階段，采用平板儀及全站儀繪儀器對遺址保護范圍進行專題測繪，結(jié)合傳統(tǒng)調(diào)查，對遺址形制及分布情況有了詳細的記錄，形成了專題地圖，此階段測繪成果受人為因素影響較大，文物遺址信息量提取也因人而異。第二階段，采用航拍與RTK技術(shù)對遺址保護范圍進行高清晰、高精度的航拍與測繪，該階段空間信息化有效保存了遺址真實性與完整性問題，RTK測繪技術(shù)結(jié)合航拍資料，極大地減少了室外的作業(yè)時間，提高了工作效率與測繪的精度和質(zhì)量，獲取航片資料覆蓋面廣、分辨率高，對于遺址的監(jiān)測預(yù)警有著獨特的優(yōu)勢。第三階段，針對目前，不適宜航飛的石窟或地下墓葬遺址，采用地面三維激光掃描與近景攝影技術(shù)對遺址進行測繪，建立三維數(shù)字化成果，實現(xiàn)遺址全方位、近距離的漫游展示。

應(yīng)當說，地理空間信息技術(shù)的發(fā)展，有力的推動了文物遺址保護與研究成果，但在實際應(yīng)用中，該技術(shù)與文物遺址并未得到有效結(jié)合，兩者普遍存在分離的現(xiàn)實問題。比如，文物遺址在監(jiān)測、編制規(guī)劃、設(shè)計方案及考古過程中，需要對遺址進行多次重復(fù)測量，現(xiàn)實的測繪機構(gòu)難以做到常態(tài)定期測繪，同時文物工作者對空間信息技術(shù)的認識與理解存在諸多困難。再有，文物遺址空間化信息化成果也不盡相同，缺乏進行有效整合，導(dǎo)致信息化資源的重復(fù)與浪費。目前，我國對遺址地理空間信息化建設(shè)尚未形成統(tǒng)一的標準與規(guī)范。本文將從文物保護與研究角度，結(jié)合近年來吐魯番開展遺址地理空間信息化工作，提出一些切實可行的文物遺址空間信息化建議，提高地理空間信息化成果的利用率，使成果資料更為科學(xué)與規(guī)范。

三、吐魯番文物遺址地理空間信息化技術(shù)具體案例

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種空間信息技術(shù)在文化遺產(chǎn)保護方面廣泛應(yīng)用，使文物保護與研究水平顯著提高，做好遺址本體空間信息化建設(shè)有利于文化遺產(chǎn)有效保護與管理。基于吐魯番特殊的地理環(huán)境，豐富的文物資源，開展文物地理空間信息化研究與試點，對于深入研究文物遺址歷史價值有著重要的意義?，F(xiàn)將近年來地理空間信息技術(shù)在吐魯番遺址中的具體應(yīng)用進行簡要介紹，并針對遺址地理空間信息化應(yīng)用中的特點進行分析。

3.1交河故城空間信息化建設(shè)研究

交河故城為公元前2世紀—公元14世紀位于絲綢之路沿線天山南麓吐魯番盆地的重要中心城鎮(zhèn)遺址。其遺產(chǎn)區(qū)面積680.33公頃，涉及范圍大，建立符合大遺址地理空間信息化建設(shè)十分必要。作為世界文化遺產(chǎn)，交河故城空間信息化建設(shè)大致經(jīng)歷了三個時期。第一個時期為2008年，利用地面激光掃描技術(shù)、遙感技術(shù)、現(xiàn)代攝影技術(shù)完成了交河故城大佛寺空間信息化建設(shè)試驗研究，為文物遺址本體提供真實可靠的數(shù)據(jù)檔案，實現(xiàn)遺址空間信息的多方位可視化，提升交河故城遺址的科學(xué)保護與考古研究能力，推動了大型文物遺址保護、預(yù)警和研究；不足之處，由于遺址空間信息化包含數(shù)據(jù)存儲量巨大，影響數(shù)據(jù)實時可視化速度，在文物遺址展示宣傳方面需要提升。第二個時期為2013年，此次采用航拍技術(shù)與地面激光掃描技術(shù)對遺址保護范圍部分區(qū)域建立了空間信息化，并對重要遺址區(qū)域進行了三維空間信息化建設(shè)(圖二、圖三)；不足之處，未建立遺址地理空間信息化系統(tǒng)，未能對遺址進行有效整合與復(fù)原。第三個時期為采用遙感技術(shù)、地理空間信息技術(shù)、數(shù)字攝影三維建模技術(shù)對交河故城實施的三維建模空間信息化建設(shè)。實現(xiàn)從空中和地面等不同角度瀏覽和欣賞文化遺產(chǎn)留存的豐富歷史文化信息，同時為游客在網(wǎng)上身臨其境體驗文化遺產(chǎn)提供了新的展示平臺，該項技術(shù)集成了多項技術(shù)，對遺址可起到較好的保護與展示，但在遺址監(jiān)測預(yù)警方面還有待提升。

圖二 交河故城大佛寺三維數(shù)字化成果截圖

圖三 交河故城東門三維建模成果截圖

3.2 高昌故城空間信息建設(shè)與考古調(diào)查

高昌故城是公元前1世紀至公元14世紀絲綢之路東天山南麓吐魯番盆地的第一大中心城鎮(zhèn)，遺產(chǎn)區(qū)面積459.97公頃。2014年，項目組對高昌故城開展的超低空航空攝影測量，以獲得遺址正射影像圖；根據(jù)航拍影像數(shù)據(jù)，配合地面測繪數(shù)據(jù)構(gòu)建遺址的二維平面圖和全局彩色三維模型。結(jié)合地球物理探測與考古鉆探方法，探測到高昌故城的城門、道路(包括地上與地下的文物遺存)、建筑區(qū)域格局等(圖四)。通過對遺址試點研究，建立高昌故城空間信息化建設(shè)系統(tǒng)；同時將探測的高精度磁測和電磁波成像平面數(shù)據(jù)融入該系統(tǒng)，將考古解釋結(jié)果賦以屬性意義，從而形成一套帶有地球物理考古調(diào)查和解釋多重屬性的空間信息化系統(tǒng)，使城址功能布局更為直觀。此次研究，首次利用多種空間信息技術(shù)對地上、地下文物遺址建立三位一體的遺址信息建設(shè)，應(yīng)當說此次研究對未發(fā)掘地下文物遺跡建立空間信息提供了方向。

圖四 高昌故城地球物理調(diào)查項目試驗工區(qū)測量結(jié)果及推測解釋平面圖

3.3 吐峪溝石窟地理空間信息化建設(shè)研究

吐峪溝石窟始鑿于公元5世紀前后，經(jīng)歷了沮渠氏北涼政權(quán)、麴氏高昌(公元5-6世紀)、唐西州時期(7-8世紀)和高昌回鶻時期(9-13世紀)等不同的發(fā)展階段，是已知的吐魯番地區(qū)開鑿時間最早、規(guī)模最大的佛教石窟群，也是古“絲綢之路”新疆段吐魯番地區(qū)沿線上一處重要的佛教遺跡。在此發(fā)掘出的書寫于晉元康六年(296)的《諸佛要集經(jīng)》寫本殘片，是我國現(xiàn)存最早的、有明確紀年的漢文佛經(jīng)文獻。

為真實、全面地保存并延續(xù)其歷史信息及文化價值，本研究采用三維激光掃描和攝影測量相結(jié)合的方法，對吐峪溝石窟具有代表性的洞窟(以壁畫窟為主，并兼顧洞窟的不同形制)進行精細三維掃描、影像數(shù)據(jù)獲取和高清紋理映射，建立精細三維數(shù)字模型，為吐峪溝石窟重點遺存現(xiàn)狀記錄、建檔、展示、宣傳、研究等提供真三維數(shù)據(jù)(圖五、圖六)。同時對吐峪溝石窟溝谷兩側(cè)崖壁立面進行1∶100比例尺數(shù)字正射影像圖制作，以影像方式實現(xiàn)對崖壁洞窟空間分布以及現(xiàn)存主要病害現(xiàn)象的直觀和形象描述。

三維激光測繪技術(shù)在吐峪溝石窟遺址得到了很好應(yīng)用，同時獲得了多項真實、準確、詳實的數(shù)據(jù)成果，有效保存了洞窟遺存信息，為今后的保護、研究、展示及利用提供了重要數(shù)據(jù)支持。該項技術(shù)在吐魯番文化遺產(chǎn)中有益的嘗試，形成出一套行之有效的方法，提高了文化遺產(chǎn)保護的科技含量和精細化、標準化水平，為吐魯番乃至新疆文化遺產(chǎn)保護提供了新的思路和途徑。

圖五 44號窟整體白模圖 圖六 44號窟彩色紋理模型圖

3.4 吐魯番土遺址地理空間信息化建設(shè)與調(diào)查研究

土遺址是古人在長期的生活和生產(chǎn)中，依靠當?shù)貧夂颦h(huán)境、自然資源，因地制宜而創(chuàng)造出來的文化遺產(chǎn)，吐魯番有近80%遺址為土遺址，分布區(qū)域廣，基本位于野外，保護難度大。運用空間信息技術(shù)對土遺址進行保護與監(jiān)測預(yù)警研究，無疑為文物保護與研究領(lǐng)域新方法。2015年結(jié)項的國家社科項目《基于空間信息技術(shù)的吐魯番地區(qū)大型土遺址考古與保護研究》，該項目利用空間信息技術(shù)，結(jié)合野外實地調(diào)查法、文獻研究法、實證研究、無損探測法和定量分析方法，分析了土遺址環(huán)境情況及地表環(huán)境類型時空變化情況，定量地分析了土遺址病害和所在環(huán)境的發(fā)展變化情況,進行了土遺址生態(tài)安全動態(tài)評價以及病害分析與價值評估，實現(xiàn)了基于探地雷達技術(shù)的土遺址裂隙病害分析。應(yīng)當說，此次利用空間信息化技術(shù)對吐魯番大遺址展開了較為深入的研究，獲取了多項地理空間信息化研究成果，證實了地理空間信息技術(shù)在文物遺址應(yīng)用中的多樣性與可行性。

圖七 高昌故城60年代遙感影像圖 圖八 高昌故城2008年3月快鳥遙感影像圖

四、地理空間信息化技術(shù)在文物遺址中應(yīng)用的思考

隨著測繪設(shè)備及軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，地理空間信息化技術(shù)與方法也呈現(xiàn)多樣性，如遙感、全球定位技術(shù)與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合，三維激光掃描技術(shù)，以及近景攝影技術(shù)與計算機技術(shù)的融合。多種技術(shù)的綜合應(yīng)用，有利于高效解決文物遺址在考古發(fā)掘、保護及利用中存在的難題。在實際應(yīng)用中，由于文物遺址存在形制大小、類型等不同，同時文物遺址展開的項目要求不同，采用的技術(shù)與方法也不盡相同。近年來，在吐魯番文物遺存地理空間信息化的應(yīng)用案例中，開展了大量的文物遺址三維空間信息化課題研究工作，由于每個項目研究側(cè)重點與方向不同，一直未建立統(tǒng)一規(guī)范的文物遺址空間信息化系統(tǒng)。目前，吐魯番文物遺址空間信息化建設(shè)已具備了大量的研究基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗。針對吐魯番文物遺存保存現(xiàn)狀，結(jié)合當前空間信息技術(shù)的發(fā)展，吐魯番的高昌故城、交河故城、柳中古城等大型遺址，已形成了大量的歷史、地理及環(huán)境空間信息化基礎(chǔ)資料，對現(xiàn)有資料進行整理與補充，可構(gòu)建大遺址空間信息化管理系統(tǒng)，同時加強定期采集高分辨率的遙感影像，對其遺址環(huán)境進行常態(tài)對比監(jiān)測，將極大提升文物遺址保護管理水平。吐魯番中小型遺址，如闊坦吐爾古城、讓布公商城址、拉木帕公相城址、阿薩協(xié)亥爾古城、安樂古城等，在面積上屬于中等，采用當前較為成熟的無人機航拍，結(jié)合測繪技術(shù)，建立遺址地理空間分布形態(tài)研究，對遺址進行監(jiān)測與管理，有利于文物實時保護與管理。

五、展 望

可以說，地理空間信息技術(shù)在文物遺址考古調(diào)查、監(jiān)測及保護方面是非常有效的。我們應(yīng)利用地理空間信息技術(shù)的優(yōu)勢，結(jié)合傳統(tǒng)方法，對遺址進行科學(xué)全面的分析，挖掘文物歷史價值，提高文物保護管理水平。當前，地理空間信息技術(shù)在文物遺址保護中的應(yīng)用日益廣泛，正逐步走向成熟。

針對如何做好今后吐魯番文物遺址地理空間信息化的問題，結(jié)合吐魯番遺址空間信息化案例及國內(nèi)外文化遺產(chǎn)空間信息化發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，我們認為：

首先，應(yīng)加強遺址的新老遙感數(shù)據(jù)的積累，遙感數(shù)據(jù)直觀真實的展現(xiàn)了遺址保存的現(xiàn)狀，有利于對遺址空間信息進行科學(xué)解讀。同時，做好不同時段的遙感數(shù)據(jù)的對比分析，有利于對遺址時空變化情況進行科學(xué)監(jiān)測，為遺址下一步保護提供決策和依據(jù)。

其次，無人機航拍、航攝技術(shù)已成為中小型文物遺址考古發(fā)掘、保護與管理的重要信息技術(shù)手段，我們應(yīng)加強地理空間信息新技術(shù)、新方法的應(yīng)用與研究，尤其是航空、傾斜攝影測量、近景攝影測量和3D GIS軟件的綜合管理與分析方法在文物遺址考古研究。

再次，將虛擬現(xiàn)實、增強顯示技術(shù)與考古、探測、環(huán)境等學(xué)科進行有效結(jié)合，制作大眾喜聞樂見的文化產(chǎn)品，使游客能體驗到古人生活的現(xiàn)實場景，真正將文物遺址歷史價值展現(xiàn)和利用好。

總的來說，通過地理空間信息技術(shù)在文物遺址中的綜合應(yīng)用，我們將從大至整個區(qū)域文物遺址，小至一個探方或一件文物，均可依照文物數(shù)字化標準和規(guī)范建立系統(tǒng)，進行有效管理和展示，真正實現(xiàn)將文物保護成果惠及廣大群眾。

[1] 高飛、王心源等：《3S技術(shù)在遺址探查中的應(yīng)用》，《文物保護與考古科學(xué)》，2009年第4期。

[2]江紅南、李肖等：《集成空間信息技術(shù)的大型土遺址信息化保護》，《測繪科學(xué)》2012年。

[3]駱社周、習(xí)曉環(huán)等：《 激光雷達遙感在文化遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用》，《遙感技術(shù)與應(yīng)用》，2014年第12期。

The Development and Reasoning on Geospatial Information of Turfan Cultural Relics Sites

Xu Youcheng & Li Huichao

Recently, in recognition of the country, archaeological inspection, excavation, preservation and presentation work of Turfan's cultural relics have been carried out gradually, and many Pests and Diseases of cultural relics have been controlled effectively and their cultural relics value were also well displayed. Such as Yar Sites, Kotcho City, Beziklik Grottoes, Tuyuk Grottoes, Karez water conservancy project and resources of The Great Wall etc. all kinds of projects of cultural relics are ongoing. As the geospatial information utilization in the protection of cultural relics sites starts very late. The work of Geospatial information of Turfan cultural relics sites and environment monitoring are just in the development stage. This work will analyze geospatial information of Turfan cultural relics sites in the light of current situation of Turfan cultural relics sites, combining with the development of geospatial information domestic and overseas, to promote the level of archaeological excavation, cultural relics preservation and development and utilization.

Turfan; Cultural Relics Sites; Geospatial Information

吐魯番學(xué)研究院課題“柳中古城形制布局時空演變研究”(TX2012-017)資金資助。

吐魯番學(xué)研究院)