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GIS在考古中的应用

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什么是考古学?“考古”的词源最早来自希腊语àρχαιολογα,意为“研究古代与古代事物之学问”。早在公元前4世纪,柏拉图就开始用此词代指古代史研究;到了17、18世纪则指研究古物美术品。这种说法一直延续到19世纪,才改为研究一切古物古迹。在中国,考古一词的发展也颇有历史:公元1-2世纪业已有“古学”,如贾逵《为古学》,主要作研究古代之用;公元11世纪学者们又开始了金石学的研究,主要是研究青铜彝器和石刻;吕大临在1092年编纂的《考古图》虽然只是考证古文字和古文章,但也算标志着“考古”一词出现。可直到今天,我们都难以明确地定义到底什么是考古学。有人

认为“考古是一门通过实物遗存研究过去社会和文化的学科”,也有

人认为“考古学是研究如何寻找和获取古代人类社会的实物遗存,以及如何依据这些遗存来研究人类社会历史的一门学问”,简单来说,考古学就是利用实物遗存来研究过去历史。

不管是研究文化史还是人类学考古,利用地层学原理逐层发掘再结合类型学进行分析断代是传统手段。然而随着科技的发展,办公逐渐脱离纸质、信息管理逐渐数字化,考古学的发展又将延伸到什么领域呢?

1 GIS为这一切提供了无限的可能性

GIS即为Geographic Information System,是一门结合地理学和地图学广泛应用于不同领域的空间信息技术学科,主要用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据。它主要分为人员、数据、硬件、软件和过程,使信息系统的一个类别,通过运作处理地理参照属性数据和空间数据,应用于科学调查、资源管理、财产管理、发展规划以及绘图和路线规划等诸多方面。早在一万五千年前,Cro Magnon猎人就已经开始用图案和线条来记录猎捕动物以及与之相关的描述路线了,这大概算得上是最早期的一个图形文件对应一个属性数据库的雏形。公元18世纪,地形图绘制的现代勘测技术业已实现,并出现了早期版本的专题绘图,上世纪60年代,核武器的研究又进一步推动了通用计算机绘图的发展,而GIS空间分析的功用也渐趋成熟。

2 考古与GIS到底有什么关联呢?

早在上世纪80年代,欧美地区的考古工作者就开始将GIS应用于考古研究中。上世纪70年代末的Granite Reef项目是GIS考古相结合的最早实践。在这一项目中,考古工作者利用MAPS建模,制作了区域高程土壤类型、降雨量以及温度分布的图层,整合各图层的数据用以研究早期适合采集狩猎与耕作的地理环境。此时GIS尚未定名,考古工作者称其为基于计算机的制图分析系统。而中国也在20世纪末期开始利用GIS技术着眼于区域系统调查和数据管理[1]。三峡地区淹没迁建区文物总貌复原、良渚地区文化分布的遥感分析,都是GIS在考古学中应用的成功案例。

GIS有助于更精准地布方。万事开头难,对于田野发掘来说,布方的精准与精巧不亚于外科手术。后者的失误会害人性命,而前者的误差也会要了遗迹遗物的“命”。有时我们会遇到这种情况:许多重要遗迹被压在隔梁下。这不仅为发掘工作增加了难度,更容易对遗迹产生损害。也就是说,布方时产生的微小的误差会对之后的一系列工作产生不必要的麻烦和消极影响。如果利用GIS的空间分析技术在勘探前期结合洛阳铲的探洞数据以及金属探测器等探测仪器的帮助,细致分析、大胆预测待发掘区遗迹分布状况,就能最大程度地避免此类问题。

GIS的图层分析和空间分析功能同样有助于田野发掘。考古学的传统发掘方法是依据地层学原理按年代早晚逐层清理,图层分析和空间分析技术在此就有了用武之地。众所周知,GIS图层分析技术已被广泛应用于地图编辑,以层的形式进行管理不仅效率高而且还能将数据体现的清晰明了;而作为空间分析的常用方法之一的叠置

GIS 在考古中的应用

李舒桐

(郑州大学历史学院 河南郑州 450000)

摘要:随着考古学研究的进一步深入,传统的田野考古手段与新科技手段相结合已成为必然的趋势。GIS由于其具有良好的空间分析能力和强大的数据建模能力在考古学研究中得到越来越广泛的应用。

关键词:GIS 考古信息技术

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中图分类号:

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TP39

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文献标识码:

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A 文章编号:

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1007-9416(2014)06-0148-01

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作者简介:李舒桐(1993-)女,汉族,河南郑州人,现就读于郑州大学历史学院,主修考古学。

图1 GIS 的数据组织示意图

图2

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实时背景图像。

1.3 光流法

光流法其实是目前运动目标检测最准确的算法,算法复杂度高。它主要是把三维空间中的运动投影到二维的平面中就会呈现中光流的表象,通过二维平面中每一个像素的灰度信息的分析得到灰度运动的瞬时速度。在摄像机固定的时候,背景一般不会发生变化,所以其灰度不变,其对应的光流为0,也就是说光流不为0的地方就是前景,当摄像机运动的时候可以分析像素灰度的相对运动来检测运动目标。

外界的光线变化时即使没有运动目标也会产生光流;灰度等级不够时由于被量化,变化被隐藏观测不到光流。

2 运动目标跟踪

运动目标跟踪建立在运动目标检测基础上,是计算机视觉领域的重要内容。目标跟踪主要分为特征提取和匹配搜索两个步骤。主要有基于目标模板的跟踪、基于目标特征的跟踪、基于目标区域的跟踪及基于目标轮廓的跟踪四种基本跟踪方法。

2.1 基于模板的跟踪

模板匹配法是最基本的算法,基本原理是用运动目标的像素信息作为模板,选用一种搜索算法用当前帧中搜索区域与模板进行比对,判断的标准主要依据相似性度量,核心是获得正确目标模板。

2.2 基于特征的跟踪

基于特征的跟踪是最普通的目标跟踪,首先对目标的特征进行提取,常见特征提取方法有不变矩特征、颜色特征、空间直方图特征等,然后找到一种相似度量进行目标匹配。基于灰度图像相关度量有ABS(Absolute balance search),归一化相关匹配,直方图匹配等算法。

2.3 基于区域的跟踪

基于目标区域的跟踪把检测到的运动目标区域当作目标模板,用运动目标的颜色信息进行匹配。运动目标以颜色作为相似度量,特征的提取主要包括以像素值统计为基础的颜色直方图,以图像像素的矩为基础的颜色矩以及以视觉颜色空间为基础的颜色集。

2.4 基于轮廓的跟踪

基于目标轮廓的跟踪首先表示出运动目标的大体轮廓信息,然后将目标边界作为特征模板进行搜索。比较经典的搜索算法主要有全局搜索,分布搜索,钻石搜索以及改进的三步搜索和四步搜索法。

3 相关性度量算法

目标的匹配通过计算相关性实现,方法主要有ABS和归一化相关匹配。ABS匹配算法主要是用从运动目标中获取的像素模板图像与视频序列中的图像的像素值的差的绝对值来表示二者的相关性,找出相关性最大的点作为最佳匹配点。常用算法有最小均方误差(MSE),最小平均绝对值差值(MAD),最大匹配像素统计(MPC)。归一化互相关匹配算法通过计算目标模板与当前帧图像互相关性匹配,互相关性最大点就是最佳匹配点。

4 结语

目前运动目标的跟踪算法还存在一些尚未很好解决的共性问题,如跟踪过程中目标性状、尺寸、位置、运动方向的改变;背景环境及光照条件的改变;目标被遮挡及部分遮挡的情况等。如何利用DSP 等实现运动目标的实时性检测与跟踪,多个摄像机之间如何进行联合跟踪,这些问题都需要进一步探索和研究。

参考文献

[1]庞国瑞,葛广英,葛菁等.基于金字塔多分辨率和钻石搜索的目标跟踪算法及其在DSP上的实现[J].数据采集与处理,2012,27(6)710-716.

[2]余梦泽,刘正熙,骆健等.基于块背景建模的运动目标检测[J].四川大学学报:自然科学版,2011,48(3):566-570.

分析,在通过将各个图层叠加成新一层后,利用一些数学模型分析计算新图层属性而将原图层属性与新图层属性相关联,产生新的属性、空间关系,不仅能高效地分析庞大繁杂的数据,更能为研究者提供精确有效的数据信息。将这一技术应用于田野发掘可谓一劳永逸。以前期勘探调查手段收集数据为基础,结合GIS在该地原有的数据基础,将收集到的数据录入进行分析,利用3D制图简单制作出一个立体的三维模型,在数据充足且准确的前提下建模并模拟发掘经过,不但可以避免正式发掘时造成的一些人为不可逆损伤(如地层遗迹间年代关系混乱、出土遗物被毁等),更能提高效率节约人力、物力等资源。这一设想的成败在于前期数据收集是否足以支撑建模,因此也有无法忽视的漏洞有待解决。

GIS技术同样可以解决部分人工作业难度大的区域。例如海洋考古,某些海域在勘探初期具有一定的危险性,这时GIS的空间分析功能就能极大地避免伤害、推动工作的进行。海洋考古问世于二战“水肺”发明之后,相对来说起步较晚,它的产生于最开始有牟利目的的救助打捞相关,早期潜水爱好者的试探性潜水活动也是海洋考古出现并发展的诱因。[2]随着越来越多的水下考古遗迹的发现和发掘,考古学研究延伸至海洋领域已成为必然的趋势。然而未知海洋中潜伏着的各种危险也危及着考古工作者的生命,我们当然不希望像基斯·马克思这样有着天才灵感的研究者命丧蓝海,因而有什么手段比海洋地理信息技术系统更能最大限度地降低危害呢?利用GIS技术,将一定海域内的信息输入、存储、检索、运算、显示、更新和综合分析,以海洋地理信息为基础管理分析海洋资源、灾情预测、生态平衡以及勘探水下遗迹遗物分布状况。水下考古的工作特点决定了其工作难度。水的浮力阻碍水下考古工作者完成力量型工作;氧气罩则限制了他们的视野。GIS的应用不但能将海洋考古工作者从初期具有一定危险性的水下调查中解放出来并提供清晰明了的数据信息,更能帮助分析水下分布状况从而帮助考古工作者高效高质地完成研究、打捞作业。

从以上三点应用来看,地理信息技术系统在考古学中的发展前景是极其广阔的。考古学的空间作为一个更为复杂的概念不仅具有其它空间概念所共有的物理性,更和人类文化模式密切相关。如何从这个复杂的空间概念中提炼出有效准确的信息,这个任务当然应该交付给考古信息系统来完成。对于未来它的发展前景,不同的研究者有着大体相同的展望:

为文化资源管理提供方便的遗址定位模式、将GIS研究与考古学理论模式有关的区域聚落形态问题相联系[3]、利用GIS数据建模[4]、管理并将成果可视化[5]。

我相信考古工作者的诉求大抵相同:将庞大的数据以极具调理、方便高效的方式保存整理,不但有利于提高当时研究工作的效率,更为相关研究保留数据方便日后查询。同时,数据建模更可以为研究者提供多种发掘方案从而极大地避免遗迹遗物被误伤以保护遗迹单位的相对完整性。可以说,地理信息技术系统在考古学上的应用对于考古学自身的发展起着不可忽视的推动性作用。不止如此,在利用GIS空间分析、数据管理的同时,其3D建模功能也可以将已发掘的考古遗址制作成三维动画向公众推广,这样既增添考古的趣味性让更多人了解考古,又实现了发展公众考古的诉求推动考古学的进步发展。

注:

图1引自《考古GIS和遗址预测模型研究》梅启斌、汪诚波。

图2引自《考古信息技术研究进展》刘建国。

参考文献:

[1]齐乌云,周成虎,王榕勋.地理信息系统在考古研究中的应用类型.华夏考古.2005年第二期,第108页.

[2]王兴涛,翟世奎.地理信息技术系统的发展及其在海洋领域中的应用.海洋地质与第四纪地质.2003-05.

[3]曹兵武.GIS与考古.考古与文物.1997-04.

[4]梅启斌,熊霞.地理信息系统在考古学中的应用研究.浙江万里学院学报.2005-04.

[5]鲁鹏,杨瑞霞,张震宇.数字环境考古学科基础与技术方法研究.中国地理学会2012年学术年会学术论文摘要集.2012-10.

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作者:李舒桐

作者单位:郑州大学历史学院 河南郑州 450000

刊名:

数字技术与应用

英文刊名:Digital Technology and Application

年,卷(期):2014(6)

本文链接:http://www.sodocs.net/doc/f1547c2fbe1e650e52ea99c3.html/Periodical_szjsyyy201406108.aspx