數(shù)字化測量儀器在考古測量工作中的運(yùn)用研究論文
考古測量是田野考古工作中記錄遺存信息的重要手段之一，主要包括對考古遺存所處地形地貌的實(shí)地勘測和對考古工作中所見遺跡、遺物三維坐標(biāo)（X、Y、Z 三個軸向）的測量�？脊艤y量數(shù)據(jù)是分析各類遺存之間的空間分布關(guān)系、探究人類活動與地理環(huán)境之間的聯(lián)系，進(jìn)而理解和闡釋古代人類行為方式不可或缺的重要資料。隨著現(xiàn)代測量技術(shù)的飛速發(fā)展，RTK、全站儀等高精度數(shù)字化測量儀器被日益頻繁的應(yīng)用于考古測量工作中，高精度的測量工作不僅對科學(xué)合理的開展田野考古工作大有裨益，同時對于客觀真實(shí)的記錄遺存信息，深入研究遺存的空間分布形態(tài)意義顯著。在復(fù)雜多樣的田野考古環(huán)境中如何科學(xué)合理的選擇各類測量儀器值得我們探索和思考。
一、建立遺址三維測繪坐標(biāo)系統(tǒng)的意義。
為滿足考古測量工作的精度要求，在對遺址進(jìn)行測量時必須首先建立起三維測繪坐標(biāo)系統(tǒng)，即在遺址上設(shè)立一個或多個永久性測量控制點(diǎn)，并通過控制測量獲取各控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，建立起有效的測量控制網(wǎng)①。基于統(tǒng)一的三維測繪坐標(biāo)系統(tǒng)的考古測量工作不僅能夠保障測量精度，同時對于科學(xué)的開展田野考古工作亦具有十分重要的意義。
首先，通過對考古發(fā)掘區(qū)域的精確測量，能夠準(zhǔn)確記錄考古發(fā)掘區(qū)域在地理空間中的三維坐標(biāo)，即以北坐標(biāo)、東坐標(biāo)、高程三個數(shù)值替代了諸如“村西約 200 米”、“縣城以南約 1 公里”等含混不清的描述方式。在實(shí)際考古工作中，對于工作年限較長的遺址，往往因遺址周邊地貌環(huán)境發(fā)生改變，參加考古工作的人員不斷變更等諸多因素造成了難以確定遺址準(zhǔn)確位置的情況。而獲取了考古工作區(qū)域的三維坐標(biāo)即可確保在長時段的考古工作中隨時準(zhǔn)確定位歷年考古工作區(qū)域，為持續(xù)開展考古工作和劃定文化遺產(chǎn)保護(hù)范圍提供極大便利。
其次，基于統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的考古測量工作，能夠確保考古人員在布設(shè)探方（溝）時，探方（溝）方向完全統(tǒng)一。而在以往的田野工作中，因利用羅盤、皮尺等工具布設(shè)探方（溝），難以建立起遺址統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系統(tǒng)，故而極易造成相鄰探方（溝）在距離和方向上出現(xiàn)一定的偏差。尤其是對于發(fā)掘年限較長或發(fā)掘區(qū)域較大的遺址，長時間、大區(qū)域在方向和距離上的誤差積累，易造成相鄰探方（溝）之間出現(xiàn)交疊、錯位等問題，此類問題會造成實(shí)際發(fā)掘區(qū)域與圖上規(guī)劃區(qū)域不一致，不利于考古人員對發(fā)掘區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確規(guī)劃和對遺址整體布局進(jìn)行綜合判斷。同時，相鄰探方出現(xiàn)錯位等問題亦干擾了準(zhǔn)確記錄各類遺存的空間信息。
再次，精確測量遺跡的三維坐標(biāo)，能夠讓考古人員明確不同遺跡之間準(zhǔn)確的平面距離和垂直高差，例如通過比對三維坐標(biāo)即可知曉同一處遺址中居址和墓地之間的平面距離和高度落差。而對于城墻、環(huán)壕等大型遺跡，精確測量能夠獲取該類遺跡準(zhǔn)確的平面形制圖，便于考古人員分析遺跡走向和比對東墻與西墻、南壕與北壕等方面的長度差異和高程落差。對于古代城址、寺院等平面布局相對復(fù)雜的遺址，精確測量能夠準(zhǔn)確記錄各處遺跡的三維坐標(biāo)，這為記錄復(fù)雜遺跡之間的空間位置關(guān)系提供極大便利，遺跡的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)也將成為考古工作結(jié)束后復(fù)原古代城址、寺院等遺址平面形態(tài)的關(guān)鍵資料。
由此可見，基于統(tǒng)一的三維測繪坐標(biāo)系統(tǒng)的考古測量工作，對于科學(xué)的開展田野考古工作、客觀準(zhǔn)確的記錄考古資料進(jìn)而提升考古學(xué)研究水平具有重要意義。
二、數(shù)字化測量儀器的優(yōu)勢。
傳統(tǒng)的考古測量工作多以基線、皮尺、羅盤、平板儀等為主要工具②，存在著誤差較大、效率低下等問題，難以客觀記錄遺存空間信息。而要建立遺址的三維測繪坐標(biāo)系統(tǒng)必須借助于 RTK、全站儀等高精度數(shù)字化測量儀器，數(shù)字化測量儀器的引入不僅確保了測量精度提高了工作效率，亦能提升考古測量數(shù)據(jù)的利用價值。
具體而言，數(shù)字化測量儀器的引入，將傳統(tǒng)考古測量手段所獲取的紙質(zhì)資料轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂?jì)算機(jī)為載體的電子資料，便于考古測量數(shù)據(jù)在不同媒介之間進(jìn)行共享和交流。與此同時，數(shù)字化測量儀器所測得的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)成圖軟件的輔助下，能夠便捷地生成遺跡、遺物及地形、地貌的電子三維圖像，較之于傳統(tǒng)測量方法所繪制的紙質(zhì)二維圖像，三維圖像更加真實(shí)、準(zhǔn)確和直觀，有助于對考古遺存開展深入研究和進(jìn)行生動展示。
然而 RTK 與全站儀作為兩種不同類型的數(shù)字化測量儀器③，在田野考古實(shí)踐的各個環(huán)節(jié)中展現(xiàn)出了不盡相同的工作效能，依據(jù)各類遺址的具體情況選擇合適的測量儀器方能最大限度的發(fā)揮不同儀器的優(yōu)勢，提高考古測量工作的效率。
三、遺址地形的測量。
對遺址地形的測量是為了獲取反映遺址環(huán)境地貌特征的地形圖，以體現(xiàn)遺址微地貌特征和所處區(qū)域的自然、人文景觀。在建立起遺址的三維測繪坐標(biāo)系統(tǒng)后，便可借助測量儀器對遺址地形進(jìn)行測量。RTK（圖一）與全站儀（圖二）作為兩類不同的測量儀器在對遺址地形進(jìn)行測量時，呈現(xiàn)出了明顯差異。
�。ㄒ唬� RTK.
RTK 技術(shù)是在高精度的 GPS 基礎(chǔ)上使用的實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)，通過移動站能夠?qū)崟r測算出任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)，精度可達(dá)厘米級④。在測量時移動站與基準(zhǔn)站之間無需通視，由單人操控移動站及手簿即可完成測量。
在對大型遺址，如大型聚落、城址、墓葬群等進(jìn)行考古測量時，其遺址面積通常較大，遺存散布于多個地點(diǎn)且相互之間難以通視，針對這一特點(diǎn) RTK 顯示出了明顯優(yōu)于全站儀的工作性能。若運(yùn)用全站儀對大型遺址的地形進(jìn)行測量，則需 2~3 人頻繁搬動儀器以保障通視效果，工作效率低下。
此外，部分大型遺址地表植被茂密，地形較為復(fù)雜，近距離通視效果亦較差。因此，運(yùn)用全站儀對遺存分布零散或地表植被密集的`遺址地形進(jìn)行時測量效率低下且難度較大。而運(yùn)用 RTK 進(jìn)行對遺址地形進(jìn)行測量時，RTK 的信號覆蓋范圍可達(dá) 5 公里左右，且測量點(diǎn)與基準(zhǔn)站之間無需通視，單人即可完成測量，每個測量點(diǎn)觀測時間僅需 3~5 秒，其工作性能和效率俱佳。由此可見，在地形復(fù)雜、遺存分布零散、植被覆蓋密集等通視條件不佳的遺址進(jìn)行測量時，RTK 的工作性能明顯優(yōu)于全站儀。
�。ǘ� 全站儀。
全站儀通過發(fā)射、接收紅外射線自動讀取、計(jì)算坐標(biāo)數(shù)據(jù)，精度亦可達(dá)厘米級⑤。在測量時全站儀與棱鏡需要保持通視，由 2~3 人配合可完成測量。
相較于大型遺址而言，在田野考古實(shí)踐中更為常見的是面積較小的小型遺址，此類遺址往往遺存分布相對集中，運(yùn)用全站儀即可快捷的完成對其遺址地形的測量。同時，對于地勢平坦開闊，通視效果良好的遺址，即使其面積較大運(yùn)用全站儀亦能高效便捷的完成測量工作。且全站儀作為光學(xué)測量儀器，不受電磁信號干擾的影響，在 RTK 難以正常工作的區(qū)域和時段，如高壓線、大型建筑附近和信號異常的時段，仍然能夠正常工作。因此，在對面積相對較小或其他通視效果良好的遺址進(jìn)行測量時，全站儀依舊發(fā)揮著難以替代的作用。
四、發(fā)掘過程中的測量。
�。ㄒ唬� 布設(shè)探方（溝）。
布設(shè)探方是目前國內(nèi)十分常見的田野考古發(fā)掘方式，運(yùn)用全站儀布方，即通過全站儀的放樣功能在實(shí)地確定出布方點(diǎn)位，一般要放樣出一個設(shè)計(jì)的點(diǎn)位，往往需要來回多次移動棱鏡，搜尋目標(biāo)點(diǎn)，且需要 2~3 人配合操作方可完成。對于發(fā)掘地點(diǎn)較為集中的遺址，用全站儀布方尚可，而對于存在多個發(fā)掘地點(diǎn)且發(fā)掘區(qū)互不通視的遺址，運(yùn)用全站儀布方則效率低下。
若采用 RTK 布方，僅需將預(yù)設(shè)的布方點(diǎn)位坐標(biāo)輸入到電子手簿中，由單人攜帶移動站和手簿，RTK 手簿則會自動指引測量員移動到目標(biāo)點(diǎn)上，無需來回移動搜尋，直至完成布方。無論是對于發(fā)掘區(qū)域集中還是發(fā)掘地點(diǎn)散布多處的遺址，利用 RTK 布方均高效便捷，明顯優(yōu)于全站儀。
由此可見，在對各類遺址布設(shè)探方時，RTK 展現(xiàn)出了明顯優(yōu)于全站儀的工作性能。
�。ǘ� 對考古遺跡的測量。
在對田野考古發(fā)掘中常見的灰坑、房址、墓葬、窯址等遺跡進(jìn)行測量時，運(yùn)用 RTK 或全站儀均可便捷的開展測量工作。且全站儀不受電磁信號干擾等因素的影響，在 RTK無法正常工作的地點(diǎn)，全站儀仍然能夠照常工作，對環(huán)境的適應(yīng)性優(yōu)于 RTK.但在實(shí)際考古工作中存在著測量難度相對較大的部分特殊遺跡，在對其測量時需要采用相應(yīng)的技術(shù)手段方能順利完成測量工作。依據(jù)遺跡的形制本文將其分為洞穴類遺跡和崖壁類遺跡。
1. 洞穴類遺跡。
洞穴類遺跡包括古人活動的洞穴、磚（石）室墓、洞式墓及古代礦井等類似洞穴式的遺跡。在對此類遺跡進(jìn)行考古測量時，因其多處于一個相對封閉的空間，RTK 無法接收來自衛(wèi)星和基準(zhǔn)站的差分信號，故而無法正常工作。而全站儀則無需接受電磁信號，在相對封閉的環(huán)境中依然能夠正常對遺跡的三維坐標(biāo)及進(jìn)行精確測量。
2. 崖壁類遺跡。
此類遺跡包括懸棺、崖墓、摩崖石刻等，多分布于陡峭崖壁的一類遺跡。因地形所限，此類遺跡所處的空間往往十分狹窄險峻，沒有足夠的空間架設(shè)全站儀全套設(shè)備，且將全站儀搬運(yùn)至遺跡所在地也存在諸多不便。若運(yùn)用 RTK 對此類遺跡進(jìn)行測量，則僅需將 RTK 基準(zhǔn)站在附近區(qū)域開闊地帶架設(shè)完畢，由單人攜帶移動站到達(dá)指定地點(diǎn)即可開始測量，RTK 操作起來十分便捷，不受空間狹窄、難以架設(shè)儀器的限制。
由此可見，對于大多數(shù)較為常見的考古遺跡，運(yùn)用 RTK或全站儀均可順利完成遺跡的測量工作，而對于測量難度較大的遺跡，應(yīng)針對遺跡所處環(huán)境和其自身的特點(diǎn)，選擇合理的測量儀器方能較好的完成測量工作。
五、總 結(jié)。
與專業(yè)大地測量不同，考古測量其目的在于獲取和記錄遺存的空間信息。而更加便捷的開展田野考古工作和更加精準(zhǔn)全面的采集遺存空間信息是考古測量技術(shù)手段不斷革新的根本動力。在充分了解各類測量儀器性能和熟練掌握儀器操作的前提下，針對不同遺址的特點(diǎn)搭配使用相應(yīng)測量儀器或許能夠最大限度地發(fā)揮各類測量儀器的優(yōu)勢，以便于更加全面精準(zhǔn)地采集遺存信息，深入地分析和研究考古遺存，進(jìn)而不斷提升考古學(xué)研究水平。
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