何凯：田野考古中遗迹方向的测量

田野考古发掘中经常会使用圆盆式地质罗盘仪来测量遗迹的磁北方向。罗盘仪获取的遗迹磁北方向与陀螺经纬仪及 RTK 获取的真北方向和坐标北方向会存在磁偏角、子午线收敛角和磁坐偏角三个不同的夹角。所以我们需要正确使用并校准罗盘仪，确保测量遗迹的准确性和统一性，为考古研究提供真实、有效的基础数据。

从某种程度上讲，田野考古工作就是提取被研究对象信息并进行研究的过程。遗迹的方向和空间位置是研究古人生活方式非常重要的两个要素，因此准确测量出遗迹的方向坐标，对研究古人的思维方式及遗址的空间位置具有重要意义。

从殷墟已出土的甲骨卜辞中可以解读出中心，东、南、西、北（四正），以及东北、东南、西北、西南（四维）的全方位概念。与四正相比，四维的出现次数较少，而四维之中又以东北、西南的方位比较常见，西北、东南的方位较为少见。由此判断，方位体系在商人的概念里已经非常完善，这也对商人的生产生活有显著的影响，例如都邑、房屋的建造及墓葬埋葬方向选择等。商人将东北方位尊为吉向，认为东北方位为尊，比如郑州商城、偃师商城、洹北商城等均为北偏东方向。杨锡璋先生认为，商人墓葬埋葬方向也多为北偏东方向。目前商代遗址考古发掘中并未发现用于测量方位的工具。因此推测商人应该是利用太阳、北极星等进行方位判定。商人对方位的理解和认识，对西周也产生了一定的影响。

现代田野考古发掘中经常使用圆盆式地质罗盘仪（以下简称罗盘仪）对遗迹方向进行测量。罗盘仪利用磁石与地球磁场的物理特性实现指北。最早发现并记载磁石可以吸铁特性的是战国时期《吕氏春秋》，书中提到“慈石召铁，或引之也”。然而当时并未将其指北的特性应用于判断方向，直到东汉王充在《论衡》中才较为准确提出“司南之杓，投之于地，其柢（抵）指南”，以此特性制作成司南。北宋沈括在《梦溪笔谈》中完整记录了“人工磁化”制作指南针的方法：“方家以磁石磨针锋，则能指南”，并准确提出磁偏角的存在，“常微偏东，不全南也”。

古人测量方向的另一种方法是日影定向法，在同一天的不同时间对竖直杆子的日影进行测定，并将影子两点连成一条直线，这条直线为东西方向，与这条线垂直的直线则为南北方向，向着太阳的一方为南方，反之则为北方。该方法在同一天不同时间测量，会存在一定的误差，只能用于判断大致方向。

磁北方向、真北方向和坐标北方向是现代田野考古发掘中经常使用的三种指北方向。

三种指北方向特征

磁北方向即磁子午线北向，地球表面某点上的磁针在地球磁场的作用下，自由静止时其北端所指的方向为磁北方向。磁北方向可用罗盘仪测定。

罗盘仪具有较高的便携性、易用性和精确度，由磁针、刻度盘、长照准器、反光镜、水准器等几部分安装在一个铜、铝或木制的圆盆内。测量时，罗盘仪与遗迹标准基线平行，长照准器指向基线原点方向，并保证水准器水平，根据磁针指向刻度盘的度数，获取遗迹的磁北角度。

真北方向即真子午线北向，是指沿着地球表面朝向地理北极的方向。由于北极星在天空中的位置变化极其微小，所以通常以指向北极星的方向为真北方向。真北方向可以利用陀螺经纬仪测得，因其测定和操作相对复杂，在田野考古中使用较少。

坐标北方向即坐标纵线方向，是高斯平面直角坐标系中坐标纵轴所指的方向。某点的坐标北方向可以利用RTK测绘仪器获得。

RTK（Real-TimeKinematic）即“实时动态测量技术”，是以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术。基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给移动站，移动站在接收数据的同时采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，从而获取测量点的三维坐标，精度可达厘米级。

三种指北方向参照的标准不同，会存在三个夹角。其中磁北方向与真北方向的夹角为磁偏角，真北方向与坐标北方向之间的夹角为子午线收敛角，而磁北方向与坐标北方向的夹角为磁坐偏角。

磁北方向因为受地球磁场等作用的影响，具有不稳定因素，方向会不停地变动。真北方向由于地球的球体几何形态，在绘制地图时，采用比例小于1∶50万的地理坐标网，且真北方向的测定和测绘相对比较复杂，不适合考古绘图使用。

随着RTK的普及和2000国家大地坐标系的使用，坐标北方向更符合我国测绘标准统一的要求，方便考古学与其他学科更好地协同合作。并且坐标北方向与磁北方向、真北方向相比具有固定不变的优点。基于上述原因，坐标北方向更适合作为田野考古北方向的标准。

罗盘仪校准磁坐偏角的方法

早期田野考古发掘中会使用罗盘仪布置探方，但只适合小范围遗迹布方，无法对发掘区域进行系统布方。全站仪普及后，田野考古工地开始使用全站仪进行布方。全站仪布方较为精确，但没有卫星定位功能，需要在发掘区域内设置永久性固定基点。而且不同发掘区域需要移动基准站，操作较为复杂。两种方法布置的探方均为磁北方向。

随着测绘技术的发展，RTK布方已经逐渐取代罗盘仪和全站仪，成为田野布方的新宠，它利用卫星定位功能对遗址进行大范围系统布方。但RTK使用的是坐标北方向，与罗盘仪测量的磁北方向存在磁坐偏角的角度误差。以安阳殷墟遗址为例，殷墟遗址地理坐标为北纬36°6′—36°8′，东经114°17′—114°20′。磁坐偏角误差为北偏西6°—8°。磁坐偏角的存在会严重影响考古发掘中遗迹的绘制和方向的判断。并且从资料的一致性和有效性角度而言，必须考虑磁北和真北因自然偏转造成的测量误差，这种误差对研究工作会造成较大影响。

为解决RTK坐标北与罗盘仪磁北的磁坐偏角误差，我们可以使用简易的方法获得磁坐偏角并对罗盘仪进行校准。首先在发掘区域的空旷位置，使用RTK测量出南北A、B两点，使A、B两点位于坐标北的同一轴线上。然后使用激光水平仪或基线将A、B两点连接，此时A、B两点即为坐标北的正南北。之后将罗盘仪水平放置，并与激光或基线平行，长照准器指向北侧点，测量出磁坐偏角角度，最后使用偏角调节器对罗盘仪进行校准，使其长照准器指向0°，与A、B两点一致。矫正后的罗盘仪所测的方向，即为坐标北方向。

古人在埋葬或者建造房屋的时候，会存在一定的约束机制。而通过研究墓葬、房基等遗迹的建造方向，可以反向研究古人的约束机制和城市布局、功能分区等信息。

田野绘图时原点对方向的影响

现代田野考古绘图时，经常会使用导线垂距法、平板仪射线法、距离交会法和方格米网法等测绘方法。其中导线垂距法操作简单，适合小范围的遗迹绘制，因此较为常用。

导线垂距法也称直角坐标法，需要用到的测量工具有皮尺、钢卷尺、标准基线和罗盘仪。绘图步骤可分为三步：首先使用标准基线和皮尺选择遗迹的适当位置，并制定一条水平基线，视为坐标轴，用来测量遗迹各部位未知点的基准，这条标准基线也是绘制遗迹剖面的实际位置。然后使用钢卷尺垂直标准基线，测量遗迹特征点到标准基线的垂直距离，根据测量的数值按一定比例关系相应地缩绘于图上。最后，校准罗盘仪的磁北方向，使其与探方坐标北方向一致，使罗盘仪的长照准器水平放置，对准标准基线的原点即皮尺的零点，便可以获得遗迹坐标北方向的数据。

绘制遗迹图时，原点方向设置的不同，会影响到罗盘仪读取方向北数据的差异。例如一座正南北方向的土坑竖穴墓葬，如果将原点设置在北方向，那么罗盘得出的数值为0°，但如果将原点设置在南方向，则罗盘读出的数值为180°。因此，原点设置应该以反映遗迹方向的特点和性质为依据，才能准确获取遗迹的真实方向。

原点方向设置的标准

古墓葬类 古墓葬的类型较多，如土坑墓、砖石墓、石室墓、岩洞墓等。但归纳起来也可以分为两大类，即有墓道类和无墓道类。

无墓道的墓葬标准基线零点应以墓主头部为原点，这样可以较为准确反映古人埋葬的实际方向，绘图时也较为方便。而且可以从罗盘仪的读数上快速判断出墓主头向的大概方位，例如0°、90°、180°、270°可以判断墓主头向为北、西、南、东四个正方向；而316°—359°可以判断为北偏西墓葬，1°—45°为北偏东墓葬；46°—89°可以判断为东偏北墓葬，91°—135°为东偏南墓葬；136°—179°为南偏东墓葬，181°—225°为南偏西墓葬；226°—269°为西偏南墓葬，271°—315°为西偏北墓葬。

绘制有墓道的墓葬时，一般会将基线原点设置在墓道顶端。这样可以较为方便地绘制墓葬平、剖面图。同时墓道方向也能反映出古人埋葬时的方向。带有墓道的墓葬相对于无墓道墓葬，在绘制时更加复杂。特别是带墓道的砖室墓，仅依靠一条基线是无法完成绘制的，需要增加若干条辅助基线。辅助基线的方向应与主基线相垂直。测量墓葬方向时，以主基线零点为测量依据，而墓主埋葬方向，则需要单独对墓主头向进行测量。

被盗墓葬，则需要根据墓葬实际情况分析墓葬方向。如墓主骨骼并未完全扰乱，可以辨别墓主埋葬方向，则以墓主头部方向为准。对于扰乱比较严重无法分辨墓主头部埋葬方向的，则需要根据陪葬物摆放顺序、棺椁、头箱、壁龛等痕迹判断墓主头部方位并进行测量。

古居址类 古居址遗迹种类包含有灰坑、房址、车马坑、窑址等。古居址方向的确定，应该以反映居址特性为依据。

灰坑一般是指古人将垃圾倾倒至凹坑内，使垃圾在坑内腐烂而形成灰色土壤的古代遗迹坑。灰坑多数为不规则或规则的圆形坑，因此对于灰坑的方向测量，应依据两个方面进行确定。第一，以灰坑的形状特性为依据。标准基线位置可以真实反映出灰坑的特点和剖面的形状，例如窖穴基线方向的设置，应以反映窖穴步梯形状和走向的特性为依据。第二，以灰坑填土堆积情况为方向设置的依据。根据灰坑填土堆积的早晚情况，将基线原点设置在完整表示填土早晚堆积剖面的位置，以此绘制灰坑的平剖面图，并测量灰坑方向。

古代房址多为方形或圆形。因此，房址的方向测量应以门道方向为测量依据。门道为房屋的进出通道，门道的方向可以反映出房址建造时真实的朝向。如果房址被破坏，无法判断其门道位置，可以根据房址的形制、柱网结构、房屋结构等因素判断房屋朝向。

车马坑主要包括两个部分—车和马。以商代车马坑为例，车包含有车衡、车辕、车轴、车轮、车舆等。马一般为两匹，分别位于车辕两侧，马尾朝向车舆。用罗盘仪对车马坑进行测量时，应以罗盘仪的长照准器指向车辕方向，短照准器指向车舆，这样测量车马坑遗迹方向较为准确科学。

常见的古代窑址结构包括窑室、窑顶、烟道、火门、火膛、火道、窑柱、窑箅、火眼、操作间等。其中火门是进燃料的通道，位于窑体前端，烟道是排出废弃空气的通道，位于窑址后侧。因此在测量窑址遗迹方向时，将基线原点设置在火门处较为合理。对于龙窑等特殊形制窑址，则需要根据其特殊性，合理设置基线及原点位置。

随着计算机绘图的普及，多视角三维成像技术在田野考古绘图中得到广泛应用。特别是面对复杂的遗迹现象，使用数码相机对遗迹进行全方位拍摄，获取遗迹的数字影像。之后使用全站仪或者RTK对遗迹控制点进行测量，获取遗迹控制点坐标数据。将遗迹完整的数字影像导入计算机，利用多视角三维重建软件对遗迹进行三维建模。建模完成后将控制点数据输入遗迹三维模型内，得到遗迹三维模型的具体数据。最后使用电脑绘图软件，对遗迹三维模型进行线图绘制，获得遗迹的平剖面图。

测量遗迹控制点时，如果使用的是磁北方向，则遗迹模型正投影方向也会为磁北方向。当探方为坐标北方向时，遗迹三维模型会与探方存在磁坐偏角的问题。解决该问题的方法有两种：第一种方法是对全站仪磁北方向进行校准，使其与坐标北方向一致；第二种方法是在软件中对遗迹方向进行校准，将遗迹正投影校准为坐标北方向。

如果使用坐标北方向对遗迹控制点测量，并使用 2000 国家大地坐标系，则测量的控制点数据为绝对数据，与国家大地坐标系相关联，遗迹模型正投影方向为坐标北方向。若使用 RTK 布方，则探方与遗迹模型同为坐标北方向，北方向角度一致。因此对遗迹进行多视角三维重建时，控制点北向应与探方北向保持一致，防止遗迹北方向与探方北方向不一致而出现偏差。

综上，坐标北方向与磁北方向、真北方向相比具有固定不变的优点，同时也能真实客观地反映出遗迹的相对位置。特别是国家文物局要求“考古遗址”一张图及 2000 国家大地坐标系的使用等原因，坐标北方向逐渐替代磁北方向、真北方向，成为现代考古指北的标准。因此在考古工地开工前，必须对罗盘仪进行校准，使罗盘仪磁北方向与坐标北方向保持一致，确保遗迹测量数据统一。

现代考古学越来越重视遗迹方位的问题。在田野考古发掘中，方向的确定成为发掘之前首要解决的问题。不管是罗盘仪或者 RTK 等测量工具，其核心目的是更好地服务考古学，为考古学提供真实、有效的基础数据，使考古学更加科学、严谨、系统地研究人类古代社会历史。