GIS在索、須、枯三河流域新石器時(shí)代遺址研究中的應(yīng)用

□劉云飛

GIS （Geographic Information System 或Geo-Information System，GIS）， 即地理信息系統(tǒng)，也稱為“地學(xué)信息系統(tǒng)”。 它是一種特定的十分重要的空間信息系統(tǒng)， 是一種在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層（包括大氣層）空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。 它是一門綜合性學(xué)科， 結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計(jì)算機(jī)科學(xué)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。本文嘗試運(yùn)用GIS 對(duì)索、須、枯三河流域新石器時(shí)代遺址作考古研究。

一、研究資料及其數(shù)據(jù)處理

索河、須河、枯河（簡(jiǎn)稱索、須、枯河）位于鄭州地區(qū)， 發(fā)源于嵩山， 共同流入賈魯河，最終匯入淮河。 流域內(nèi)黃土堆積較厚，水資源充沛，氣候溫和宜人，非常適合人類的繁衍生息[1]。 2011 年10 月至2012 年4月， 鄭州市文物考古研究院分兩次對(duì)索、須、枯河區(qū)域各時(shí)期聚落進(jìn)行系統(tǒng)踏查，調(diào)查區(qū)域大致位于北緯34°37′～34°55′、 東經(jīng)113°20′～113°34′。 （圖1）

本文使用該調(diào)查報(bào)告發(fā)表的新石器時(shí)代遺址信息材料，配合索、須、枯河流域的高程地圖①高程地圖即可準(zhǔn)確反映地貌高度特征的數(shù)字地面模型(DEM)。本文所使用的數(shù)字地面模型，來(lái)自美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)公布的30 米分辨率的STRM 數(shù)據(jù)。，建立該區(qū)域內(nèi)新石器時(shí)代聚落分布的地理信息系統(tǒng)。

作資料處理：首先，將報(bào)告中新石器時(shí)代遺址的位置信息錄入到地理信息系統(tǒng)中。 然后，對(duì)區(qū)域高程數(shù)據(jù)進(jìn)行提取河網(wǎng)的操作，包括洼地填充、提取水流方向、計(jì)算匯流累計(jì)量、河網(wǎng)分級(jí)、定義出水口和生成積水區(qū)域等幾個(gè)步驟。 最后，分別通過(guò)制作河流緩沖區(qū)圖、地面坡度圖、水文分析圖和重要遺址的可視域圖， 直觀地呈現(xiàn)新石器時(shí)代遺址同河流、地形的關(guān)系，以及體現(xiàn)遺址相互之間的關(guān)系， 從而總結(jié)新石器時(shí)代的居民地選址特點(diǎn)。 同時(shí)，通過(guò)呈現(xiàn)出來(lái)的選址特點(diǎn)， 篩選出研究區(qū)域內(nèi)符合這些特征的地區(qū)， 為將來(lái)本區(qū)域同時(shí)期其他遺址的野外調(diào)查儲(chǔ)備參考資料。

圖1 索、須、枯河流域位置示意圖

圖2 600 米河流緩沖區(qū)圖

二、索、須、枯河流域新石器時(shí)代的人地關(guān)系研究

（一）緩沖區(qū)分析

為了說(shuō)明新石器時(shí)代居民地選址與河流的關(guān)系， 本文采用緩沖區(qū)分析的方法。GIS 中的緩沖區(qū)，指的是基本空間要素點(diǎn)、線、面實(shí)體周圍建立的具有一定寬度的臨近區(qū)域[2]。 通過(guò)分析遺址與河流緩沖區(qū)的關(guān)系，可以說(shuō)明遺址與河流的距離關(guān)系。 研究區(qū)域內(nèi)，大部分遺址距離河流都較近， 已有學(xué)者得出距離河流600 米的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值[3]。 因此，本文也選取600 米作為緩沖距離。 （圖2）

圖3 研究區(qū)域坡度圖

研究結(jié)果表明，分布在600 米范圍之內(nèi)的遺址占絕大多數(shù)。 這大致說(shuō)明，在文明和社會(huì)發(fā)展程度不高的新石器時(shí)代， 人們對(duì)水的依賴性是非常高的。 為了取水方便，人們的選址一般不會(huì)距離河流較遠(yuǎn)。 同時(shí)，為了防止水患， 又不得不與河流保持一定距離。 遺址大都分布在600 米之內(nèi)，印證了該區(qū)域新石器時(shí)代居民這種對(duì)于靠近河流的思維模式。 隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)人們?nèi)∷辛似渌麃?lái)源之后，如學(xué)會(huì)打井技術(shù)等，這種遺址的分布現(xiàn)象才發(fā)生了一定的變化。

（二）地面坡度分析

地面坡度， 會(huì)在一定程度上影響人們的生活， 坡度的大小意味著人們體力消耗的多少。 在GIS 中進(jìn)行“空間分析”“表面分析”中的“坡度”操作，生成研究區(qū)域內(nèi)的坡度圖。 以往對(duì)黃河流域的坡度分析研究中，大都以3°為分界線[4]。也就是說(shuō)，“3°”，其實(shí)也是個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。 結(jié)合索、須、枯河流域的地勢(shì)較平的特征，本文定坡度標(biāo)準(zhǔn)為0°～3°和3°以上，并制作成圖。 （圖3）

淺綠色區(qū)代表坡度小于3°的區(qū)域，綠色區(qū)代表坡度大于3°的區(qū)域。 結(jié)果顯示：在0°～3°的遺址居多， 而3°以上幾乎沒(méi)有新石器時(shí)代遺址分布。 仰韶、龍山時(shí)代，農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為人們生活中不可分割的一部分，低角度的選址不僅適宜人類的居住，而且更重要的是平坦的地帶更便于人們的耕種。 然而，由于索、須、枯河流域本身就較為平整，地面起伏不大，流域內(nèi)3°以下的區(qū)域面積占絕大多數(shù)可能是自然原因?qū)е碌摹?本文認(rèn)為，大量遺址選擇在地勢(shì)更加平整的地帶而不是地勢(shì)落差較大的地區(qū)，已經(jīng)說(shuō)明了人們對(duì)選址的傾向性， 該區(qū)域的平整正是源于人的選擇，而非巧合。 因此，“為了農(nóng)業(yè)耕作”的結(jié)論，較“恰好”為平地的推論更為合理些。

（三）水文分析

河流的積水流域可自然地將遺址進(jìn)行分割， 同時(shí)也能在一定程度上反映人們對(duì)居址位置選擇上的喜好。 通過(guò)河網(wǎng)圖生成出水口點(diǎn)位圖， 再通過(guò)出水口點(diǎn)位圖積水盆地圖（圖4），然后對(duì)遺址與積水盆地的關(guān)系進(jìn)行分析。

圖4 研究區(qū)域水文圖

遺址在索、須、枯河流域中的分布特征，在積水盆地上的表現(xiàn)為：在積水盆地大小的尺度上，積水盆地小的遺址數(shù)量總體上反而表現(xiàn)較多；在干流支流的尺度上，分布在干流流域附近的積水盆地上的遺址數(shù)量多于分布在支流上的。 新石器時(shí)代的人們?cè)谶x址上是否傾向于相對(duì)小而封閉的地域，我們不得而知。 然而，在本文的研究區(qū)域內(nèi)，似乎呈現(xiàn)了古人對(duì)小積水盆地更加喜好的特征。 較靠近支流的積水盆地來(lái)說(shuō)，新石器時(shí)代人們更易選擇靠近干流的積水盆地， 說(shuō)明當(dāng)時(shí)由支流提供的水量并不能解決當(dāng)時(shí)人們的用水問(wèn)題， 只有干流提供的水才能滿足他們的需求。 當(dāng)時(shí)何以需求如此大的水量？ 我認(rèn)為耕作可能是重要原因。 同時(shí)，支流的水量還很有可能不足以提供給積水盆地內(nèi)多個(gè)聚落的人群。

（四）可視域分析

如果一個(gè)遺址所在的位置可以觀察到另外一個(gè)或者一些遺址， 甚至幾個(gè)遺址間都相互可見(jiàn)，那么，這些遺址在很大程度上有著較為密切的聯(lián)系。 如Gaffney 對(duì)羅馬時(shí)期的Hvar 島的視域分析中， 觀察到相鄰遺址的瞭望塔間相互可視， 從而說(shuō)明了這些遺址間的密切聯(lián)系[5]。 在GIS 中，可視域分析功能可以很直觀地觀察遺址間視域的現(xiàn)象。 報(bào)告顯示，青臺(tái)、西山、點(diǎn)軍臺(tái)、方靳寨和汪溝，在索、須、枯河流域的92 個(gè)新石器時(shí)代聚落中是發(fā)展程度最高的5 個(gè)聚落。也就是說(shuō)，如果索、須、枯河流域的新石器時(shí)代遺址中有聯(lián)系， 很大可能性是這5 個(gè)遺址 （或者其中的幾個(gè)） 與其他遺址的聯(lián)系。 若這5 個(gè)遺址對(duì)其他遺址沒(méi)有可視關(guān)系， 其他遺址中就更不會(huì)出現(xiàn)有密切聯(lián)系的遺址了。

如此說(shuō)來(lái)， 我們只需要將這5 個(gè)遺址對(duì)其他聚落進(jìn)行可視域分析， 便可獲知新石器時(shí)代的索、須、枯河流域是否存在聚落間聯(lián)系在可視域上的證據(jù)。在ArcGIS 中，由這5 處聚落對(duì)區(qū)域內(nèi)其他聚落進(jìn)行可視域分析，其結(jié)果如圖5，亮色表示可視，淺色表示不可視。

遺址落在淺色區(qū)域的占有很大比重，它們對(duì)五個(gè)大的聚落都沒(méi)有明顯的可視關(guān)系。點(diǎn)軍臺(tái)遺址的可視域稍微大一些，卻在可視域范圍內(nèi)不見(jiàn)有其他小聚落。 青臺(tái)遺址、西山遺址、方靳寨遺址和汪溝遺址的可視域極小，最多也只能觀察到一個(gè)小聚落。 這說(shuō)明，研究區(qū)域內(nèi)大的聚落對(duì)其他的小聚落并沒(méi)有可視關(guān)系，遺址間的緊密聯(lián)系在新石器時(shí)代的索、須、枯河流域可能還沒(méi)有建立，至少在可視域分析的證據(jù)上得不到體現(xiàn)。

圖5 大型聚落的可視域圖

三、結(jié)語(yǔ)

索、須、枯河流域是中原地區(qū)的腹地，地勢(shì)平坦，北、西、南環(huán)山，也有田野考古的調(diào)查材料，非常適合于地理信息系統(tǒng)的分析和研究。 本文的研究，依據(jù)索、須、枯河流域內(nèi)聚落的分布特征、水系、地形與遙感影像等數(shù)據(jù)，通過(guò)GIS 的緩沖區(qū)分析、地面坡度分析、 水文分析和可視域分析的技術(shù)手段，研究索、須、枯河流域中新石器時(shí)代聚落分布與自然環(huán)境的關(guān)系，揭示水系、地形對(duì)聚落分布的影響，總結(jié)了該區(qū)域新石器時(shí)代遺址的分布特征。 并通過(guò)可視域分析這一手段，從GIS 的角度提供研究當(dāng)時(shí)遺址間是否存在遺址間等級(jí)關(guān)系的可能。 研究結(jié)果表明：新石器時(shí)代，人們?cè)谒?、須、枯河流域的選址，傾向于距河600 米之內(nèi)、遺址居住面較為平坦、 靠近干流且相對(duì)較小的分水嶺區(qū)域。 此外，新石器時(shí)代聚落間的相互聯(lián)系在索、須、枯河流域的表現(xiàn)并不明顯。

本文限定影響遺址預(yù)分布的因素?cái)?shù)量較少。 如果條件允許，可以將影響古人類選址的因素豐富化， 并且在此基礎(chǔ)上分析每種因素對(duì)選址的影響程度，進(jìn)而綜合各個(gè)因素分析，從而構(gòu)成更為龐大、全面的遺址預(yù)測(cè)模型，為將來(lái)的考古調(diào)查提供更為完善的地形標(biāo)準(zhǔn)。

除此之外，還可以在GIS 中對(duì)該區(qū)域從新石器時(shí)代到更晚期遺址的各段遺址分布特征進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上更為宏觀地把握區(qū)域內(nèi)從早到晚遺址的演變狀況，進(jìn)行更多的專題研究。 如：社會(huì)復(fù)雜化、中心聚落的轉(zhuǎn)移及其原因探索、 早期遺址間道路的研究，以及各個(gè)專題的結(jié)合研究，等等。 這都是未來(lái)可拓展的研究方向。