“十一五”国家科技支撑课题：GIS技术与VR技术在中华文明探源中的应用研究

2013-02-25

　　“中华文明探源工程”是继国家“九五”重点科技攻关项目“夏商周断代工程”之后又一项由国家支持的、多学科相结合的中国历史与文化的重大科研项目。该项目历经预研究、一期、二期后，第三期——“十一五”国家科技支撑项目“中华文明探源工程及其相关文物保护技术研究”无论是研究的时间范围和空间范围，还是所涉及的课题广度，都需要深入探索自然科学手段对考古信息搜集、管理、解读的标准。在此情况下，“GIS技术与VR技术在中华文明探源中的应用研究”被纳入探源三项目的课题之一，该课题承担单位为清华大学，课题负责人为清华大学建筑学院教授毛锋，课题参与单位为中国社会科学院考古研究所、中国科学院遥感应用研究所和浙江大学。

　　课题基于GIS 技术从宏观、中观、微观，以及时间和空间、专项和综合等方面，针对中华文明探源的复杂目标（如环境考古与人地关系分析、聚落考古与人类活动分析、社会结构及人口规模预测、文明起源及形成过程模拟等）进行研究。随着中华文明探源工程的深入以及中华文明综合地理信息系统的完善，在统一历史地理时空框架下，将使各种解释和推论之间的矛盾逐渐暴露，如文献之间的矛盾、考古资料理解与解释的不同观点。同时，随着数据库资料越来越充实和时空数据库质量的提高，基于GIS的中华文明探源专家支持系统的可靠性将越来越高，空间信息技术对中华文明探源的支撑作用也会越来越大，所展示的古代中华文明图景也将越来越逼真。

一、研究内容

1．基于GIS的考古空间分析模型

GIS技术在考古中的作用不但是要对考古区域的不同来源的数据进行有效的管理，更重要的作用是帮助考古人员进行考古研究，提高考古决策能力。为此，需要提供诸如人地关系分析、生产组织和生产关系分析以及聚落分布模式等空间分析模型，而这些空间分析模型的建立需要不同学科人员的共同参与，建模难度大。

2.遗址古环境三维重建与虚拟分析

遗址古环境的三维重建不仅涉及对地形地貌、考古地层、单体建筑、单体遗迹等的三维数据采集与建模的技术与方法，更需要与大量的专业考古分析数据的结合，数据表达的难度比常规三维地形的表达要复杂的多，这需要研究新的理论与方法的支持。

3．多源异构数据的融合及海量空间数据的处理

探源工程综合地理信息系统数据来源多样，不仅包括基础地理数据、卫星影像数据，还包括考古调查数据、考古发掘数据以及由GPS、全站仪和三维激光扫描仪所获取并经过加工处理的数据，还有其他的如相关的探源工程科学数据、场景点云数据、三维几何模型、纹理图像、视频、文字信息以及关联的文献资源等数据。如何实现这些数据的融合及大数据量的处理是本课题要解决的问题之一。

4．古遗址信息的多媒体数据表达模型研究

古遗址信息中包含了测绘数据、场景三维数据、图形图像、视频、文字等一系列不同类型的信息，并相互关联。如何建立一致性的表达接口兼容不同信息格式，并支持综合关系表达是本课题研究的关键技术之一。

二、研究技术路线

深入、系统地分析我国考古调查、考古发掘以及考古研究的业务模型和数据模型，在此基础上提出基于GIS技术和VR技术进行考古研究的理论和技术框架，建立考古空间信息数据模型、数据标准以及数据采集规范,研建中华文明探源工程综合地理信息系统。通过该系统以共同的时空框架来整合中华文明探源工程不同阶段所获取的古遗址相关考古与自然环境等信息及研究成果，并为研究不同时期古代聚落的分布与自然环境的关系，以及特定区域中的古代人地关系提供有效的考古决策支持功能（如古环境建模与可视化、位置分析与建模、区域模拟、通视分析、空间配置模型和遗址路径分析等）和考古知识发现技术，最终为中华文明探源工程考古研究提供强有力的数据和技术支撑。

三、主要研究成果

1. 时空框架的建立

中华文明探源地理信息系统根据考古学调查、发掘、展示、分析、研究的特点，建立了中华文明探源地理信息系统时空框架，数据的采集、处理、入库、展示、查询检索、分析等都遵循此时空框架，旨在特定的时空下探索考古与中华文明探源的特征与演变。

中华文明探源时空框架

2．中华文明探源地理要素分类编码

课题针对中华文明探源工程研究、成果展示等需求，参考国家相关标准规范，研究了中华文明探源空间数据分类编码标准规范，共分为13大类，53小类，352个要素。

3．研究支撑平台研发

中华文明探源综合地理信息系统的研发重点在于整合考古遗址区域基础地理数据、考古发掘空间数据和已有考古研究成果数据，为整个文明探源项目的开展提供一个全面、系统的数据支撑平台，在此平台上集数据查询、图形查询、图形生产、图形管理于一体，实现数据-图形的双向可视化查询和管理，将空间位置信息和相关属性建立起联系，从而扩展空间查询、空间分析的能力，为考古研究人员提供一套用于考古分析研究的数据展示与数据分析工具。

4．考古遗址分析与展示应用

考古遗址需要分析展示的内容很多，比如遗址简介、发现过程、发掘工作、遗址组成、遗迹类型和分布、出土遗物、遗址分期以及与相关考古学文化的关系、考古研究成果等等。系统以共同的时空框架来整合中华文明探源工程不同阶段所获取的古遗址相关考古与自然环境等信息及研究成果，采用地图、图片、文字描述相结合的方式，对遗址进行综合展示。

（1）遗址介绍

对具体遗址进行详细的介绍，主要包括遗址概述、考古发现、遗址展示、遗址形成过程、遗址文献、相关新闻链接。

（2）遗址、遗迹、遗物关联展示

遗址、遗迹、遗物三者在空间上是从宏观到微观的包含关系，系统充分考虑了这种关系，提供按空间位置和包含关系对不同范围粒度下要素信息进行检索的功能，实现这种检索方式即搭建出时空框架中的空间轴。系统在宏观上可以按照行政区划、文化区系、地理类型、考古学文化地域等方式进行地图检索；在中观上可以按照遗址功能分区、遗迹类型等方式进行地图检索；在微观上可以按照所属遗迹、遗物类型、用途、尺寸外观等方式进行检索。

（3）遗址形成过程研究应用

“遗址形成过程”是中华文明探源项目课题组把GIS/VR技术应用在中华文明探源工程中的主要目标和突破点，中华文明探源综合地理信息系统作为GIS应用于考古的展示平台，其功能着重围绕展示“遗址形成过程”来展开。

系统根据考古学研究结论对各个遗址的形成过程进行划分，比如二里头遗址分为四期，陶寺遗址分为早中晚三期。系统将遗址分期信息作为时空框架中的时间轴组成成分之一，把各分期出现的遗迹要素动态叠加在地图上，最后显示出整个二里头遗址中发掘出的遗迹要素分布情况。

（4）遗址考古发掘记录

以上的系统功能为用户提供了遗址的详细文字描述和时空框架下的地图检索，另外对考古遗址的发现过程、发掘工作、考古研究成果等信息提供了清晰的图文描述。

5．文化与文明演进时空展示应用

系统利用搭建的时空框架实现时空分析应用，包括按考古学文化年代进行时空展示、对遗址形成过程的展示。这种时空展示分析有助于考古研究人员对繁杂的考古数据形成更加直观、综合的概念，为研究不同时期古代聚落的分布与自然环境的关系，以及特定区域中的古代人地关系提供有效的考古决策支持和知识发现。

6．项目管理与项目成果宣传应用

中华文明探源工程管理人员可以使用项目管理模块充分了解十七个子课题的进度情况并及时获取各课题的成果资源和相关资料；各课题成员可以对各自项目进展信息进行增删改查，可以按照各自课题考核指标上传成果文件，也可以查询下载相关考古文献和其他课题成果；考古研究人员可以利用本系统提供的GIS功能辅助分析研究。 

（1）项目成果管理

项目成果管理模块向用户介绍中华文明探源项目的基本目标、研究任务、现实意义等信息，并对该项目十七个子课题的承担单位、研究方向、考核指标分别进行详细说明。中华文明探源工程对每个承担单位所负责的子课题提出了具体的考核指标，该考核指标是衡量各课题组是否符合验收要求的参照标准，各课题组对应具体指标上传相应的成果文件。该功能应用有利于各子课题之间数据共享和成果的高效利用，同时方便大项目组的项目管理和成果验收。

（2）宣传应用

中华文明探源综合地理信息系统具有一个新闻发布系统，用来对外发布与中华文明探源工程相关的新闻、项目公告、通知等信息，有利于民众了解项目动态和研究进展，同时提供各考古遗址相关的外网新闻链接。

四、成果推广应用展望

本研究建立的中华文明探源时空框架、分类编码与图示图例及中华文明探源综合数据库，将为中华文明探源工程多学科、多专业、多遗址综合研究提供数据采集、分析、结果展示等辅助研究工具，随着中华文明探源工程研究的遗址数量扩展，本课题研究成果将成为集研究、互动交流、成果展示于一体的综合信息平台，为中华文明探源工程研究提供有力的技术支撑。

课题主持人简介：

毛锋，清华大学建筑学院教授，博士生导师，空间信息技术在文化遗产保护中应用研究国家文物局重点科研基地（清华大学）主任。1963年2月出生。主要从事地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、全球定位系统（GPS）、数字城市与城乡规划、建筑测绘的教学和科研工作，研究方向主要为：3S集成技术在城乡规划中的应用方法研究和“数字城市”、“数字油田”和“数字海洋”建设和应用系统开发，3S技术在文化遗产保护中的应用以及全球变化研究。

作为项目负责人完成了国家自然科学基金“基于RS/GIS的城乡空间规划辅助支持系统”、国家“十五”攻关课题“数字塔里木油田示范”与“数字塔河油田”、国家863重大专项课题“数字海底技术渤海示范区建设”、海洋908专项“海洋数据挖掘”、“十一五”国家科技支撑计划课题“空间信息技术在大遗址保护中的应用”、“灾后文化遗产抢救性保护综合信息平台”等重大科研课题。作为负责人之一完成了“南水北调中线干线工程建筑环境规划”项目，作为负责人完成了“大庆市总体城市设计”、“大庆市庆西新城概念规划”、“大庆石油管理局GIS平台研究”等项目。目前正在主持国家自然科学基金“土地利用变化对碳源碳汇的影响机制及低碳城乡规划方法研究”、863计划子课题“数字博物馆多时空数据的集成导览技术研究”等课题。作为主编出版了“空间信息技术与文化遗产保护”丛书以及《数字油田的理论与实践》等9本专著，发表学术论文近百篇，其中30篇被SCI或EI检索。