摘要：人类已经进入以数字网络为标志的全方位信息化时代，“数字地球”战略的提出与实施，为环境考古研究提供了新的思路和机会，以多学科交叉为主要特征的环境考古研究越来越倚重数字信息的获取与应用，“数字环境考古”概念也应运而生。对数字环境考古学概念、技术体系、研究的内容与重点发展方向等的探讨，对数字环境考古学学科建设具有积极的意义。
关键词：数字环境考古学；技术体系；研究内容；发展方向
中图分类号：X144
文献标识码：A
文章编号：1007—905X(2005)03-0101-03
遵照国家科技发展和文化遗产保护的总体思路，为贯彻保护为主、抢救第一、合理利用、加强管理和有所为、有所不为的方针，按照《中华人民共和国文物保护法》及实施条例，依据《文物事业“十五”发展规划和2015年远景目标(纲要)》，确定的国家文化部、国家文物局今后研究工作的重点是开展国家重大遗产地区的综合性保护、历史文化遗产保护发展战略与相关研究。其中，数字环境考古学研究成为全国瞩目的大课题，这对于我国考古事业的发展具有重大意义。
一、数字环境考古学的研究现状
美国前副总统戈尔1998年提出了“数字地球”这一概念，戈尔认为：“数字地球”是一种以地理坐标为依据的、具有多分辨率海量数据的、可以多维显示的和动态的地球模型。它是以现代空间观测技术、数据库技术、地理信息系统、高速计算机网络技术和虚拟现实技术为核心的信息技术系统。
“数字地球”战略的提出与实施，为环境考古研究提供了新的思路和机会。环境考古研究工作的深入，不仅对如年代的精确测定、地层与文化层的准确划分以及遗址大比例尺平面、剖面图的精确测绘等各种时间、空间及特征高分辨率信息的获取技术的要求越来越高，而且对所获取信息的处理与分析技术要求也越来越高，现代数据库、地理信息系统、国际互联网、数字仿真与虚拟现实等信息科学技术的发展为环境考古信息的处理与综合分析创造了条件。为了适应信息时代的要求，我们有必要提出并实施“数字环境考古”计划，推动环境考古学研究向纵深发展。
“数字环境考古”是“数字地球”概念下更局部、更专业化的数字系统。数字环境考古是环境考古学与现代信息技术科学的综合，是一门综合性的学科。“数字环境考古”可以从广义和狭义两个方面认识。广义角度的数字环境考古定义为：综合利用先进的信息化手段和工具(主要包括遥感、卫星全球定位系统、数字摄影测量、数据库、计算机网络、地理信息系统与虚拟现实等技术)，实现从古环境、古遗址到古文物等考古资料的全部数字化，在传统环境考古的基础上，对地理与考古数据进行分析、过滤、计算、重组，并将人工智能引入其中，形成环境考古的知识库、逻辑库、方法库和模型库，构建一个数字空间，拓展古遗址、古环境的时间和空间维度，最终实现环境考古过程的全面信息化。从狭义上讲，数字环境考古是指以“3S”与“VR”技术为支撑的区域性的环境考古地理信息系统。遵循“数字环境考古”的新理念，将现代信息科学技术全面应用到环境考古实践当中，可以进一步提高环境考古工作的科技含量，因此具有广泛的实际应用和科学研究价值。
目前，随着信息技术在环境考古研究中的应用，数字环境考古在国内外正向研究和应用集成化的方向发展。遥感(Rs)、全球卫星定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)、虚拟现实(VR)与环境考古学的迅速发展与相互融合，正成为国际环境考古技术发展前沿。在这种集成应用中，遥感技术能够对广阔地域内的古遗址进行有效的普查。全球卫星定位系统技术在考古中，能够做到遗址的准确定位，使点、线、面有机结合，精确测量遗址地表信息数据。地理信息系统技术具有的强大的空间数据管理和分析功能为考古工作提供了新的工具和发展空间。虚拟现实技术能够直观再现人类生存环境及其演变，对重点考古遗址建立虚拟仿真环境，可以实现大型遗址地域的三维动态可视化显示。
联合国教科文组织也把遥感和地理信息系统技术作为世界遗产保护研究的重要技术，并多次组织这方面的学术研讨会。2004年10月，在北京召开的国际遥感考古会议上，遥感、全球卫星定位系统、地理信息系统、虚拟现实技术在环境考古中的应用成为与会各国专家重点讨论的内容。
二、数字环境考古的技术体系与研究内容
数字环境考古研究从技术层面看是一个资料获取、数字化、模型分析、信息提取、知识与规律发现以及辅助决策的过程。
从科学技术发展的角度来看，可以认为“数字环境考古”是3s功能的延伸。具体地说：第一步是“数字化”，从多种渠道获取的考古数据、地理数据、环境数据，以文本、表格、数字化的图像、图形等方式进入计算机，经过快速传输，几何纠正，海量存储，建成数据库，提供查询、检索服务。第二步是“信息化”，通过数理统计分析、图形图像识别、时空转换动态变化研究，从大量数据中提取有效信息。第三步是“知识化”，通过各种专业应用模型，从有效的时间数据、属性数据以及图形图像或数据中发现客观规律。第四步是“再现”，根据客观规律，参照边界条件，通过虚拟仿真，重建环境考古自然或社会的历史过程，预测未来的发展趋势，对环境变化、文物资源保护等问题提出几种可能的解决方案。第五步是“决策”，由决策部门的领导对多种解决方案做出优选或取舍。其技术体系结构如图1。
图1数字环境考古技术体系结构图 数字环境考古学的研究内容概括地讲，是探讨如何应用和发展现代信息科学技术来解决环境考古学的实际问题。根据现在学科的研究发展现状，可以大致将数字环境考古学的研究内容具体地归纳为以下三个方面。
(一)基础理论
数字环境考古的理论研究是建立在对传统环境考古的全面掌握、深刻认识、细致分析的基础上，结合现代信息技术、“3S”技术、“VR”技术等专业技术形成的一种新型的理论技术系列。它通过跨学科的综合研究，寻找古人类与古环境的内在联系机理，开发古文化序列分布与古环境演变的数学应用模型。
(二)技术方法
数字环境考古的主要技术支撑是现代信息技术，主要包括遥感技术、全球卫星定位系统技术、数字摄影测量技术、数据库技术、网络技术、地理信息系统技术和虚拟现实技术等。其主要作用是对环境考古对象的各类空间信息进行科学的收集、加工、管理、分析，为研究人员提供直观、准确的结果。
(三)应用实践
在数字环境考古的基础理论研究和实施技术的共同支持下，通过建立准确一致的空间数据库和属性数据库，在传统环境考古的基础上，建立起一套具有完善地收集、处理、管理、分析、应用功能的环境考古地理信息系统。
三、数字环境考古的重点发展方向
(一)遥感环境考古
遥感(RS)是指在高空和外层空间的各种平台上，运用
各种传感器获取地表信息，通过数据的传输和处理，得到地面物体形状、大小、位置、性质及其环境信息的现代化应用技术。遥感获得的地物电磁波特性数据综合地反映了地球上的自然、人文信息，人们可以从中有选择地提取所需的信息。
环境遥感考古是非常有前景的考古研究方法，目前在环境考古中主要应用的是航空遥感考古。航空遥感考古可以以多种形式、不同角度和不同时间从空中进行观察和摄影，利用地貌形态、地物阴影、洪水、霜雪、土壤湿度和植被等种种标志，解译出地面或地下遗址的某些特征。在有利条件下，地下某些遗址的信息也能通过对地面信息的干扰而显现出来。由于航空遥感勘察视野的扩大，很容易将在地面上看起来杂乱无章的某些遗址、遗迹，通过隐约显露的“解译标志”加以识别。这种方法在国外应用非常普遍，也非常成功。如德国在巴伐利亚州通过航空遥感考古调查，使古遗址数目增加了1／3。将过去用于地形测图的大比例尺航片用于古遗址解译和制图是进行考古探测最广泛、最经济的方法，此种方法最切合我国国情和发展中国家的实际，经济实用，是一种值得推广的考古工作方法。任何时代的古遗址，虽然已遭到后来较长岁月的自然和人为的破坏，但地面上常常还有踪迹可寻，尽管在广阔的茫茫大地上寻找十分困难，但利用航空摄影相片或卫星影像进行综合分析，则可对全区每个角落进行搜寻，而不致发生疏漏，这是田野考古调查所不能比拟的。特别在交通不便、人迹很难到达、自然条件恶劣、地貌复杂的地区(如某些高山、沙漠、高原、水网地带)，利用遥感影像解译方法进行考古调查是最经济快速的方法。若一些地面遗迹已被破坏无存，尚可利用早期航空摄影相片上保存的遗址影像加以判别，这是寻找地面已消失古遗址的惟一可行的方法。
(二)环境考古地理信息系统
地理信息系统(GIS)是采集、储存、管理、分析和应用与地理空间分布有关的多种信息的计算机空间数据管理与分析系统。地理信息系统技术强大的空间数据管理和分析功能为考古工作提供了新的工具和发展空间。考古信息所具有的鲜明的空间和时间特征为GIS技术在考古领域的应用提供了基础和舞台。因此，只有采用GIS技术实现对考古信息高效的科学管理，才能满足考古部门的研究需求，使考古资料的效益得到充分有效的发挥。GIS作为时空解释的新手段，自20世纪80年代起，在欧美考古学界得到了广泛的应用，其应用范围包括遗址预测、文化遗产空间管理、景观考古分析、古环境研究等多方面。我国自20世纪90年代以来也有过这方面的尝试性研究。
环境考古地理信息系统的主要结构如下。
1．数据输入模块。包括图形数据录入、属性数据录入、属性数据与图形数据的关联。将考古地域的相关图件(如地形图、地质图、地貌图、水系地图、植被地图、土壤地图、地球化学地图、矿产分布图、环境地质图、历史地图、考古遗址分布图等)、已有的数字化空间数据(如正式出版的数字化地图、数字遥感影像、野外采集到的GPS数据、控制点数据、DLG和DEM数据等)、考古资料及文化经济等数据，按照不同类型和不同层次输入到计算机中，并对其属性进行定义和编辑，构建区域环境考古空间数据库。
2．控制模块。包括系统的进入与退出，及在子系统之间的操作转换。
3．查询模块。查询功能是信息系统的重要功能，该模块为用户提供一个交互查询工具。利用该功能，用户可以获得环境考古地理信息系统所能提供的所有信息，包括各类图形图像及各种属性数据。
4．系统分析模块。该模块为用户提供一个分析工具，主要指空间分析和属性分析。空间分析是用两层地图要素叠加产生一个新的要素层的操作过程，将原来的要素分割、剪断、套合成具有综合原来要素所有属性的新要素，主要包括叠加分析、缓冲区分析、多层立体叠置分析。属性分析指对与目标相关的属性数据或者目标叠加所得的属性联结表，进行属性统计分析，得到各种要素之间定量关系的过程。例如通过地理信息系统中的缓冲区分析功能，以古代居民的活动范围为半径，对每一遗址点作出缓冲图，全部缓冲圆的外切线含区域即先民“生活辐射区”。该辐射区的拟合，可以为遗址预测和古代江、湖、海岸线等古环境的变化提供线索。又如，对新石器时代不同文化期的遗址分布可以拟合其分布密度等值线，并进一步分析先民集聚中心和边界的区位特征，为聚落考古研究和环境考古研究提供帮助。
此外，还有图形图像输出模块和数据库维护模块及帮助模块。
(三)大型遗址虚拟现实系统
随着计算机应用的发展和软件设计水平的提高，代表当前高新技术的虚拟现实(VR)技术，作为数字地球(包括古环境，古遗址研究)的关键支撑技术之一，是当前古文化研究的热点。虚拟现实技术集成了计算机图形学、多媒体、人工智能、多传感器、网络、并行处理等技术的最新发展成果，是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟环境是由计算机生成的，通过视、听、触觉等作用于用户，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真。此项研究技术，从根本上改变了人与计算机系统的交互操作方式，因此具有广泛的实际应用和科学研究价值。
通过数字摄影测量或激光雷达扫描可以获取古遗址的三维数据，结合高分辨率正摄航空遥感图像和环境考古资料，利用虚拟现实技术生成古遗址的三维可视系统，建立现代环境虚拟现实系统，在此基础上利用古环境的分析数据，建立古水系、古土壤、古植被、古气候以及古地层的虚拟反演。对重点遗址地域，根据考古发掘成果，包括遗址分布平面图、出土器物在遗址内的位置等，利用数字仿真技术，实现遗址的三维复原，丰富环境考古研究的内容。
随着以计算机为基础的信息技术飞速发展，社会的发展朝着信息化的趋势前进。把现代信息技术、“3S”及“VR”技术应用于环境考古，将显示出传统方法不可比拟的优势。数字环境考古刚刚兴起，目前还处在起步阶段。随着研究的深入，它的内容将不断丰富，技术方法将得到不断的改善和丰富，真正的数字环境考古空间将逐步实现。
责任编辑 宋淑芳
(E-mail：ZWSf-002@163．com)
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”