GIS功能与考古应用

一、空间查询与量算

空间查询，首先是借助诸如 ArcGIS、SurperMap 等 GIS 软件，为空间数据与属性数据构建索引并建立关联，当执行查询操作时，依据特定的空间关系来锁定符合条件的空间对象，然后则凭借已建立的关联获取这些空间对象相应的属性信息，而这些属性信息存储于属性表内，以表格化的形式清晰展现各个空间对象的属性字段及其对应的值，同时，也能够依据属性表中的信息反向查询相关的空间信息，从而实现空间与属性数据之间灵活的双向查询与分析。 

空间查询在考古领域具有极为强大的信息筛选能力。当建立好标准、统一数据库后，它能够依据属性精准地查询特定年代的考古资料，比如快速定位出某一历史时期的所有考古发现，从而梳理出该时代的文化脉络与发展轨迹；也可以针对特定类型遗迹展开查询，如房址、古墓等，有助于研究单个类型遗迹分布特征；还能够聚焦于特定区域，像特定的流域、山脉周边或者大型遗址核心区域等，提取特定信息，揭示区域间的文化差异与交流融合；也可按照特定类型，如陶瓷器、青铜器、玉器等不同文物类型进行查询，便于对各类文物的分布、制作工艺演变等进行系统分析，为考古学研究提供多维度、精细化的信息支撑。

空间量算涵盖了距离量算与面积量算等重要方面，通过距离量算能够确定遗址内各个遗迹点之间的间隔，有助于绘制出更为精准的遗址地图，也可为考古调查路线提供辅助规划。

二、缓冲区分析

缓冲区分析是围绕地理空间中的点、线、面等要素，按照给定的距离条件，生成一个具有一定宽度的区域，这个区域就是缓冲区。

构建缓冲区有两种基本方法（以ArcGIS为例）：欧式方法和测地线方法，欧式缓冲区测量二维笛卡尔平面中的距离，该平面用来计算平坦表面（笛卡尔平面）上两点之间的直线距离或欧氏距离，适合于分析投影坐标系中要素周围的距离。测地线缓冲区表示地球的实际形状（即大地水准面）， 并会计算曲面上两点间的距离，测地线缓冲区在平面地图上可能会显示异常，但在三维地球上可正确显示。

缓冲区分析可以确定遗址保护范围，如以考古遗址为中心建立缓冲区，明确其核心保护区，向周边设置不同级别的保护范围，保障考古发掘的安全性；还可以预测遗址的分布范围，依据已知遗址的分布与特征，分析其与周边环境的关系，如水源、交通等，通过对这些环境要素建立缓冲区，分析其中的交叉区域，从而推测可能存在新遗址的区域，提高考古调查的效率与针对性；也可以分析遗址间的关联性，对不同时期、类型的遗址建立缓冲区，判断它们在空间上是否存在相互影响、关联的可能，研究古代人类的迁徙、文化传播与区域文化演变。

三、地形分析

数字高程模型（DEM）是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面数字化模拟的一种实体地面模型，是地形分析的核心数据，它以规则矩形格网或不规则三角网形式表示地形的高程信息，通过对地形表面的采样点进行测量和内插计算生成；坡度是通过某点的切平面与水平地面的夹角，反映地表面在该点的倾斜程度；坡向是地表面上一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角，表示该点高程值变化的最大方向。

如上图分别是重庆市的DEM图、坡度图和坡向图，它们都可以三维形式呈现地表信息，相较于二维平面地图，它能让我们直观地观测到实际的地表状况，通过 DEM，可以透过被植被覆盖的区域使地形的起伏变化一目了然，从而精准地还原地表的真实面貌，从而识别出可能存在的遗址的区域，如在山区，古代聚落或防御工事可能建于地势较高、易守难攻之处；在平原，遗址则可能位于靠近水源、地势稍高的地方；通过坡度分析能确定地形的倾斜程度，较陡的山坡上一般不会有大规模遗址，但在一些特殊地貌如梯田状山坡，可能会有古人开垦居住的遗迹；通过坡向分析信息可反映不同方向的光照和通风条件，古代人类居住遗址多选择在向阳、通风良好的坡向，以获得更好的生活环境。

四、水文分析

在GIS的水文分析中， DEM数据起着关键作用。首先是水流方向的确定，通过创建从每个像元到其下坡相邻点流向的栅格来达成，其中最常用的是 D8 算法（单流向法），此算法基于水往低处流的特性，对比中心栅格与周围 8 个栅格的高程差，从而确定水流方向。例如，当中心栅格比东边相邻栅格高且与其他相邻栅格的高程差更大时，水流便确定流向东方，模拟了地表径流在重力作用下于实际地形中如雨水沿山坡坡度最陡方向向下流动的自然趋势。

流域划分的核心在于分水岭这一概念，它是分隔相邻流域的山岭或高地。在 GIS 技术下，借助已确定的水流方向数据追踪山脊线，从山顶起，遇到两个不同方向水流的汇聚点，通常这个点即为分水岭所在。如山脉两侧雨水分别流入不同河流，此山脉山脊便是分水岭，其两侧分属不同流域。明确分水岭后，便可将研究区域细分为多个流域单元。

汇流累积计算则是统计各栅格单元上游的汇水面积，依据已确定的水流方向追踪栅格单元的水流路径，累计计算水流经每个单元的情况。当某栅格单元周围有多个上游栅格单元水流汇聚时，其汇流累积量相应增加，如同水系中多条支流汇聚导致水量不断累积。通过汇流累积计算，能够识别水系网络，通常在汇流累积量达到特定阈值之处，便可能形成河流或溪流等水系特征，进而还可深入分析水系的等级与长度等信息。

下图为利用重庆市DEM数据进行水文分析结果，通常借助水流方向与汇流累积量等信息，可确定水源充沛且便于取水的区域，从而判断古代遗址及早期灌溉设施的方位。鉴于水系在古时多为关键交通要道，运用 GIS 水文分析明确河流走向与支流分布状况，可为研究古代水上交通路线提供基础数据，从而对古代人类的迁徙轨迹、贸易往来及文化交流路径加以推断。同时分析遗址周边水文条件，如预防洪水淹没、水土流失等，可为遗址保护规划提供科学依据，以降低自然因素对遗址的损害与破坏。

凭借水文分析中水流方向的判定、汇流累积量的统计以及河网划分等功能所提供的数据支撑，得以开展古遗址淹没分析工作，进而对古遗址、古文化的淹没历程予以推演。

SuperMap WebGIS模拟淹没分析

在 GIS 三维分析工作流程中，数据收集处于首要地位。三维数据来源广泛，可借助多种渠道获取。例如，通过遥感影像能够大范围地捕捉三维地貌，数字高程模型可提供地形起伏高度数据，利用激光扫描建模可精确地获取物体的三维点云信息，无人机或相机拍照建模则可生成带有纹理贴图的三维模型，另外还可对二维矢量模型进行拉伸处理以快速生成简单的三维结构。

在考古应用领域，三维 GIS 技术逐渐深入。比如对于考古绘图（已带坐标）里的遗迹位置图，先绘制为二维矢量面，随后借助 GIS 软件依照推测的遗址高度进行拉伸操作，如此便能简便地展示出三维遗迹的白膜效果，使遗迹有了初步的立体呈现。

 SuperMap WebGIS 三维遗址平面

再如，运用三维激光扫描技术针对古城墙、古遗址等关键遗迹展开高精度扫描工作，由此得到数量庞大的点云数据，然后把这些分散的数据进行整合与处理，最终构建出完整的遗址三维模型，这一模型能够精准地反映古遗址在空间中的分布态势，将遗址的立体结构与空间布局直观地展现出来，为考古研究与遗址展示提供支持。

三维分析还包括可视域分析、日照分析和剖面分析等。在构建三维模型数据库的基础上，可视域分析能够确定遗址内不同区域的可视范围，例如，对古代城堡遗址进行可视域分析，可以明确城墙、瞭望塔等建筑的视野范围，进而推断其军事防御功能，了解其如何监控周边区域以抵御外敌入侵；日照分析能够深入探究古遗址与古建筑的朝向和日照之间的关联，通过日照模拟分析，研究古代建筑布局与光照条件的紧密联系，可为研究古人的建筑相关和生活习性提供帮助；剖面分析是考古遗址地层研究的重要工具，对地层的剖面分析，能够直观将地层的结构、层次以及包含物等信息呈现出来，在面对复杂遗址时，剖面分析对于考古绘图也有着辅助作用。

本文仅对部分 GIS 功能及其在考古领域的应用予以阐述。展望未来，数据获取手段将愈发多样与精准，高分辨率测绘技术不断精进，多源遥感数据融合也将更为成熟，这会让 GIS 在考古中的空间数据基础更加精确。随着人工智能与机器学习算法深度融入 GIS 后，能够助力其精准识别考古遗迹特征，并对遗址分布进行有效预测，从而提升考古研究效率。而虚拟现实（VR）、增强现实（AR）技术与 GIS 及建筑信息模型（BIM）的有机结合，则可使考古成果的展示和传播更加生动直观。