田野考古信息化与,从数字化到信息化

现代信息技术的飞速发展已经并正在深刻地改变着我们的工作和生活方式,考古学也不例外,数字考古、信息考古等概念早已深入人心。以田野考古工作为例,遥感、地理信息系统(GIS)已经是区域系统调查的必备工具;田野考古发掘数据库、多基线数字摄影测量和三维激光扫描等也越来越普遍地应用在考古发掘工地。总之,信息化是考古学获取资料,开展田野考古工作的必然发展趋势。

当前,以田野考古为基础的考古学科的发展正在经历着一场重大的历史变革,引导这场变革的是现代信息技术的大发展,并最终推动田野考古工作从数字化迈向信息化的新时代。实际上,这场变革的动力来自于考古学科本身的发展需求,这些需求表现在多个方面,大致包括: 学科发展导致的田野考古工作理念的变化。当前考古学已经从单纯的以分期编年为主的物质文化史研究过渡到以全面探究古代社会为目标的社会发展史研究的新阶段。对应到田野工作上也从以地层关系为中心的传统地层学向以埋藏学和行为考古学为核心的现代考古地层学理论的转变,并由此带来了田野考古工作中需要观察、采集和记录的信息量大大增加。 各种自然科学手段已经开始广泛深入到田野考古工作的现场,这使得在田野中所需获取的无论是人工遗物还是自然遗存的样品和信息的种类和数量都急剧增加。 田野考古工作方式的重大转变。国家文物局颁布的《田野考古工作规程》明确将田野考古作为一个技术体系来看待。任何一个田野发掘项目都包括测绘、发掘、采样、记录、管理几个相互关联的子系统,协同运作,共同组成了田野考古的技术体系。基于此,贯穿于整个田野工作过程中的各种信息的产生和互通的系统性要求大大增强。 遗产保护的迫切需求要求对田野考古工作进行更加科学和体系化的管理。大量的考古项目要求对田野工作的开展进行更有效的监管,对不可移动文物的现场保护提供技术支持和实时监测,对可移动文物的修复、保管和流向进行统一的管理。因此,将分散的田野考古工作纳入到整个国家的遗产保护和管理系统已经成为时代的必须。 上述考古学科发展的新需求直接导致了田野考古所获取信息量的大爆炸、田野工作的多头绪化和专门化。田野工作者尤其是项目负责人需要花费更多的精力管理和协调田野工作的方方面面,维持田野考古技术体系的正常运作。在缺乏强大的信息支撑系统的情况下,现代田野考古工作的有效开展难以想象。 现代信息技术应用并服务于田野考古主要在如下方面: 基于网络环境尤其是互联网的协同工作,支持云计算和云服务模式; 基于现代测绘技术,能够有效整合时间、空间和属性信息的田野考古地理信息系统平台的建设; 全面兼容测绘、视频、照片、三维模型等多源异构数据,并便于海量存储; 能够对田野调查、勘探、发掘、管理的海量数据进行分布式处理和存储的大数据分析技术。 因此,如果说数字化还仅停留在数字技术在田野考古记录的应用层面,那么信息化则可以全方位支撑田野考古的庞大技术和管理体系,开启田野考古工作的全新模式。以下以田野考古调查、钻探和发掘为例,简要介绍信息化条件下的田野考古工作的新模式。图片 1 考古调查 作为集体性的田野考古调查项目尤其是区域系统调查常常遇到的问题是:人员众多,水平参差,如何保障记录的标准化;工作范围广,如何协调不同人员高效工作,掌控调查的进度;调查内容多样化,如何在工作中开展有效的多学科协同工作等等。随着野外无线网络的普及,在网络协同环境下,研发田野考古调查信息化支撑平台,为每一位考古调查队员配备支持实时数据传输的工作终端,由调查领队协调队员通过网络实现数据共享,并据此进行现场决策和协同工作,不仅可以提高工作效率,更可获取更加规范、科学、系统的调查数据,支持区域性考古研究和遗产保护管理。网络环境下的田野考古调查可有效解决三个方面的问题: 现场会商 田野考古调查队伍的学术水平经常是参差不齐,难免一些调查队员对现场遗迹遗物缺乏准确辨识的能力,需要经验丰富的老队员协助研判。这项工作在过去的田野调查中只能在野外工作结束后于室内整理阶段才能实现,而依据一些重要的认识再重返田野不仅效率低下、重复劳动,更丧失了第一工作的现场。网络环境支撑下,可以通过实时传输、共享照片、影像等多媒体数据,实现对调查现场发现遗迹遗物的集体会商,提高调查队伍的人力资源利用效率,整齐不同调查成员之间的观察、采集和记录的标准,避免由于调查成员个体化的差异所带来的调查结果的不统一问题。 辅助决策 区域系统调查需要记录大量的地表信息,包括土地利用、地形地貌、植被覆盖、遗迹遗物的分布状况等,因此在调查的过程中需要经常根据调查的情况调整工作方向。网络协同环境下,可以根据调查成员初步发现的遗迹遗物线索,通过服务器端预制的计算模块进行工作方案的最优化计算和设计,即时辅助决策下一步调查工作的重点。 专家服务 田野考古调查中往往需要开展环境、生态、资源等方面的多学科协作和相关自然遗存样品的采集和记录。我们既不可能要求所有的调查队员都具有良好的多学科背景知识,也不可能让不同领域的专家完全跟随田野调查的全地域和全过程。以地貌环境调查为例,利用网络调查支撑系统,可以由环境专家设计针对暴露剖面的不同层级的观察和记录内容,首先由普通队员对所有剖面进行简单的低级别观察记录,再由专家通过系统进行研判,并标注高级别的记录剖面,再由专家或具有环境背景的调查队员针对性地对高级别剖面进行专业记录和采样。 团队定位 田野考古调查尤其是区域系统调查中,调查领队以及调查队伍成员经常需要知道相互的空间位置,以方便协调工作。基于网络协同环境下的田野考古调查支撑系统通过移动终端的GPS 随时获取每一位调查队员的地理坐标,并通过网络即时上传到服务器并标识在调查系统的电子地图上,从而方便实现调查队伍的团队定位。图片 2 考古钻探 与考古调查工作类似,网络协同环境下的田野考古钻探,也可以实现整体化的工作协同。在无线网络和云服务、云计算的支持下,野外各勘探队员人手配置一台连接无线网络的钻探记录和管理终端。该设备不仅可以直接从全站仪/RTK 读取并记录精确的地理数据确定钻探位置,而且通过连接云服务,即时汇总每一位勘探队员所录入的钻探信息,对这些信息进行汇总,并利用预置的计算模块进行运算,运算结果即时返回到每一台终端设备,指导每一位勘探队员下一步的工作方向,实现现场最优算法支持下的定向钻探,从而在尽量减少钻探数量的情况下最大限度地获取考古信息。 钻探可以系统了解遗址地层堆积和遗迹分布的状况,因此《田野考古工作规程》将考古钻探看作是开展遗址勘察的一项重要手段。在信息化条件下,以聚落形态和景观考古研究为目的有效开展考古遗址钻探工作必须与遗址的高精度测绘、多学科研究以及GIS 支持下的空间分析有效结合起来。 空间分析 空间分析,特别是GIS 支持下的空间定量分析,是研究聚落布局和遗址地貌演变的有效手段。在网络协同环境的支持下,这项工作可以得到更加有效的实施和推广,而其关键是如何开发相应的数学算法。这方面国外有些成功的案例,比如英国伦敦大学考古学院主持的罗马尼亚Noviodunum 考古调查项目即利用泊松分布计算以最少的测控采集点划分考古遗物的空间范围。北京大学考古文博学院与哈佛大学考古系在成都平原考古钻探中,也尝试利用适应性采样方法提高钻探的效率。实践中,GIS 支持下的空间分析有基于规则网格和基于空间距离两种算法,又以网格法最为有效,因此在当前信息化条件下,我们更提倡基于规则网格的新钻探方法以取代传统的“梅花桩”法。 高精度测绘与多学科研究 网络环境支撑下的田野考古勘探可以有效支撑勘探现场的多学科研究,以湖北盘龙城遗址的钻探为例。在勘探之前,首先对遗址进行高精度的测绘,生成反映遗址微地貌信息的高精度数字高程模型。利用DEM 可将探孔记录的遗迹或特定地层的深度复原至海拔高度,并依据环境考古研究的成果,复原古代地貌或自动生成特定地层序列的剖面图。图片 3 考古发掘 与调查和钻探相比,考古发掘具有更复杂的田野工作技术体系,因此更有必要获得网络环境下的田野考古发掘管理系统的支持。大致来讲,田野考古发掘管理系统应分测绘、记录、采样和管理几个大的模块,分别对应于田野考古的相关技术体系和子系统,同时需要根据发掘成员所承担的田野工作的角色差异进行权限分配和任务划分,并以此为基础实现网络环境下的数据管理和高效的协同工作。 任务与权限 考古领队是发掘项目的领导者,拥有项目的最高权限,主要工作包括:人员管理,负责给考古人员录入和修改信息,并分配相应的权限;任务分配,负责工地遗迹单位统一给号,以及分配发掘任务到具体人员;检查审核,负责对考古队员录入信息的审核,退回不合格的记录,通过审核的记录方可打印存档;数据共享和发布,负责发掘资料的对外交换和信息的共享和发布。 考古队员则根据分配任务的不同,享有不同的权限,比如库房管理员和资料管理员拥有管理库房和资料的权限,测绘管理员负责记录测量控制和管理信息。图片 4 记录的标准化 田野记录信息的标准化是开展数据交换与共享的基础,也是有效利用发掘资料进行数据检索、汇总与管理的必要条件。《田野考古工作规程》在附录中详细列举了有关堆积/形状记录的标准规范。发掘记录者应按照由领队或负责人预先定制的标准以下拉菜单的方式进行标准化的记录,避免出现类似于耕土、表土、扰土……的人工表述差异所导致的数据记录不统一的问题。 记录手段的革新 在信息化大发展的背景下,田野考古的记录形式在文字、测绘和影像记录的基础上不断更新。以现代测绘技术为基础的考古地理信息系统的建设,要求所有的遗迹测绘都应纳入统一的坐标系统,并进行矢量测绘,同时按照正确的地层关系定义不同遗迹矢量图形之间的拓扑关系。以此为基础建构的考古地理信息系统才能真正实现空间、时间与属性数据的综合查询、分析和管理应用。 数码摄影技术的发展和普及使得影像记录的应用大为扩展,几乎人手一台的智能手机也能拍摄出高品质的数码照片,因此在探方和遗迹发掘过程中,大量拍摄数码照片,甚至生成三维模型,并对这些数字影像和模型资料进行科学有效的管理和利用可以大大提高记录的效率和信息量。以探方日记为例,除了文字之外,标注了地层线和遗迹边界并辅以文字说明的每日填方数码照片,提供了传统的探方日记所无法比拟的丰富信息,目前已经普遍流行于西方的田野考古。图片 5 样品采集与科学管理 在网络协同的环境下,田野考古的样品采集可以通过网络技术实现科学、高效的管理。依据田野考古的工作流程,我们以作为自然遗存的浮选土样采集为例说明网络协同条件下的样品采集和管理全流程。发掘现场按堆积单位采集土样,采样信息(包括采样方式、比例、位置等信息) 通过手机APP 录入堆积记录表和采样记录表,在生成二维码标签的同时该条记录被复制到临时库房管理系统;土样入库,库房管理员使用手机APP 扫描二维码自动登记入库; 土样出库浮选,浮选人员扫描二维码,采样信息自动导入科学检测记录表, 并添加浮选信息;样品进入实验室检测,植物考古工作者扫描二维码调出科学检测记录,填写该样品的鉴定信息,完成样品的全流程处理。可见,二维码作为网络条件下信息精确和高效传导的一种重要方式,完全可以应用到考古发掘的采样管理。 科研与管理的综合辅助平台 田野发掘所获取的信息量十分庞大庞杂,要最大化地利用这些信息开展考古学研究和遗产管理,就必须构建符合田野考古工作流程和业务逻辑关系的数据库结构,并充分利用大数据分析等技术进行查询、统计、分析和汇总。比如,对堆积性质的判断信息有多个来源:发掘记录表中有关包含物的分选度、磨圆度的记录,室内整理有关该堆积出土遗物的破损状况和拼合率的统计,科学检测的土壤微形态分析甚至是出土炭化植物遗存组合等等。因此,利用网络将这些不同来源、不同研究者所提供的信息进行深度关联整合,形成具有完整链条的考古学背景信息,才能真正支撑科学的考古学研究和合理的遗产管理工作。(原文刊于:《中国文物报》2016年7月15日5版)

  归纳起来,田野考古的信息化大致经历了三个发展阶段:

  1.信息采集阶段。从本世纪初开始,一些数字化的信息采集手段开始出现在田野考古工作中,首先是考古测绘领域。为了适应聚落形态研究的需要,电子全站仪结合CAD绘图应用到考古遗址测绘,以获取矢量电子地图。与传统测绘图相比,矢量地图不仅绘图精度高,而且可以方便地分层、分类管理地图要素,给考古工作带来很大的便利。与此同时,一些由考古工作者开发的单机版田野发掘数据库开始出现。但这些数据库的主要目的是统一田野考古记录的格式,实现一些简单的检索和汇总功能,考古遗址上大量的记录和管理信息还无法数字化。

  2.管理分析阶段。随着个人计算机的普及,尤其是计算机从桌面(desktop)走向移动(laptop),田野考古进入到一个数字化的大发展时期。几乎所有的考古工地都开始装备笔记本电脑、数码相机等设备,田野考古数字化的内容也大大扩充,除了电子表格和数码照片之外,三维模型、正射影像等新的数字记录方式被广泛采用。这一时期,基于个人电脑的数据库迅速发展起来,出现了形形色色的田野发掘数据库,桌面版的地理信息系统软件也在考古调查和勘探中被广泛使用。考古工作者开始利用数据库对发掘资料和考古工地进行管理,一些区域系统调查也使用桌面地理信息系统软件对调查数据开展空间分析。一些遗址发掘者提出建设考古地理信息系统的设想,但主要还仅停留在概念的阶段。

  3.共享与协同阶段。近年来网络技术的发展,尤其是互联网的大发展再次带来了信息技术的革命。以互联网为依托构建云服务平台,连接各种个人终端设备,收集分析大数据,实现信息共享与协同工作……网络购物、电子支付、远程办公等已经家喻户晓,互联网深刻改变着我们的工作与生活模式,使我们真正进入到信息化的时代。信息化同样也开启了田野考古工作的新模式,互联网与数据库、地理信息系统等传统的数字化手段相结合,形成网络数据库和WEB-GIS,推动田野考古工作由数字化迈向了信息化,由数据共享发展到协同工作的新阶段。

  以北京大学研发的“田野考古发掘数字化记录与管理系统平台”为例。该系统部署在网络服务器上,通过互联网运行与维护。系统按照考古工地工作人员的角色进行权限划分,由领队负责权限分配。一般考古发掘人员需从领队或领队指派的专门负责人处申请遗迹单位号,并对遗迹进行发掘、采样和记录。所有的发掘记录均使用终端在网上实时填写,并交由领队或专人审核;审核通过的记录自动进入资料管理系统,并附加二维码信息;记录者打印资料,并按单位汇总后交资料管理员,由资料管理员扫描二维码审核入库。人工遗物和自然遗存样品现场采集,自动生成采集信息进入临时库房管理系统,并打印二维码标签随样品包装;库房管理员扫描样品标签二维码审核入库……

  从上述部分流程可见,该系统提供了一个基于云服务的平台,协调考古工地的工作人员按照自身的角色、权限和任务,协同工作,共同完成田野发掘、采样和记录。系统中的数据不仅按权限进行共享,更重要的是依据工作流程和“提高工作效率、增加记录信息量”的原则由不同发掘人员一次性完成,满足记录的“一次录入、多次使用”以及文物和资料信息的交叉检验,从而推动田野发掘工作更加高效、全面、系统地开展。这种以互联网为支撑,从共享走向协同的新模式,代表了今后田野考古信息化的一个重要发展方向。

  当前,“互联网+”成为一个热门话题。“互联网+”即“互联网+各个传统行业”,如“互联网+金融”、“互联网+教育”、“互联网+制造”等等。“互联网+”利用现代信息技术和互联网平台,让互联网与传统行业进行深度融合,创造新的发展模式,提升传统行业的创新力和生产力。2015年3月5日,李克强总理在十二届全国人大三次会议政府工作报告中首次提出“互联网+”的行动计划,并于2015年7月4日签署由国务院印发了《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》,要求推动互联网由消费领域向生产领域拓展,加速提升产业发展水平,增强各行业创新能力。同样,文物考古工作也应该响应国家号召,在田野考古信息化发展的基础上进入“互联网+考古”的新时代。

  未来“互联网+考古”行动可以从两个方向发展:

  1.田野考古的业务层面。以田野考古工作为基础,开展业务平台的建设。在全国范围内推广以云服务平台为支撑的田野考古数字化相关业务系统。以《田野考古工作规程》为依据,促进传统的田野考古工作逐步转型,利用互联网推动考古工作实现真正的系统性整合,包括测绘子系统、发掘子系统、采样子系统、记录子系统和工地管理子系统的协调一致和考古、文物保护与科技考古工作人员的现场协同工作,提高田野考古的学科水平。以科研项目为依托,开展利用互联网的学术支撑平台,将区域性或大遗址的调查、勘探与发掘工作进行整合,提供包括数据采集、数据管理、协同科研、专家会商、成果展示等综合应用服务,提供考古研究的学术水平。

  2.文化遗产的管理层面。以田野考古项目为基础,开展管理平台的建设。制订全行业的考古数字化标准体系,规范行业行为。建设国家考古云服务中心,提供全国考古数字化业务和管理平台的基础设施,保障网络畅通和数据安全。利用互联网建设全国各级文物管理部门的综合考古项目管理平台,将考古领队资质、发掘项目审批与田野考古数字化记录与管理平台对接,监督考古和文物保护工作科学、有序地开展,实时收集全国遗迹发掘、文物出土和遗址保护状况的信息,形成“全国考古一张图”。与高校和科研院所合作,加强全行业从业人员的数字化水平建设,定期开展针对一线工作人员的数字化技术培训,包括考古测绘和系统应用平台的使用等。

我们有理由相信,“互联网+考古”行动的实践必将会推动我国考古信息化和田野考古工作迈上一个新台阶。(来源:中国文物报)

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