2021年04月13日
近日，四川廣漢三星堆遺址考古發(fā)掘成果再次驚艷世界，出土了奇異瑰麗的青銅面具、人像、神樹等琳瑯滿目的文物，對于揭秘古蜀文明之謎有重要意義。值得注意的是，本次考古綜合應(yīng)用了一大批現(xiàn)代科技，特別是現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，發(fā)掘現(xiàn)場可以說是大型國家級科技實(shí)驗(yàn)室，是中國現(xiàn)代科技的“秀場”。
故特邀請中國社會科學(xué)院考古研究所研究員劉建國圍繞現(xiàn)代科技特別是數(shù)字技術(shù)在考古領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)闡釋，以饗讀者。
——編者
劉建國肖像畫。畫家 張武昌繪
數(shù)字考古是在計(jì)算機(jī)技術(shù)支持下，考古學(xué)研究中集成運(yùn)用現(xiàn)代測繪、遙感、三維重建、數(shù)據(jù)庫、地理信息系統(tǒng)、虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，全面采集和運(yùn)用考古現(xiàn)場各種空間信息進(jìn)行綜合分析、研究的理論和方法，是信息時代考古學(xué)發(fā)展的必然趨勢。數(shù)字考古從考古現(xiàn)場空間信息的獲取、制圖出發(fā)，到數(shù)據(jù)庫建設(shè)、空間分析與模擬、虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示，再通過網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與共享，最終為考古學(xué)研究、文化遺產(chǎn)保護(hù)、數(shù)據(jù)存檔等提供支持。
數(shù)字考古研究經(jīng)過近十年來的迅猛發(fā)展，理論與方法日趨完善，很多相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用能夠與傳統(tǒng)考古學(xué)研究緊密結(jié)合，電子全站儀與衛(wèi)星定位系統(tǒng)測繪、遙感影像解讀、無人機(jī)拍攝、多視角三維重建、地理信息系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫建設(shè)、分析、模擬等已經(jīng)成為田野考古工作的常規(guī)技術(shù)與方法。通過三維重建技術(shù)全方位地獲取考古現(xiàn)場的空間信息，為考古學(xué)研究、文化遺產(chǎn)保護(hù)、虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展示、數(shù)據(jù)存檔等開辟了全新的拓展空間。
習(xí)近平總書記指出，要運(yùn)用科學(xué)技術(shù)提供的新手段新工具，提高考古工作發(fā)現(xiàn)和分析能力，提高歷史文化遺產(chǎn)保護(hù)能力。今后數(shù)字考古研究要不斷創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)時引入人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)挖掘、模式識別等最新數(shù)字技術(shù)發(fā)展成果，深入探討傳統(tǒng)考古學(xué)研究的問題，教育引導(dǎo)廣大干部群眾特別是青少年認(rèn)識中華文明起源和發(fā)展的歷史脈絡(luò)，認(rèn)識中華文明取得的燦爛成就，認(rèn)識中華文明對人類文明的重大貢獻(xiàn)，不斷增強(qiáng)民族凝聚力、民族自豪感。
劉建國（中）與業(yè)內(nèi)專家討論數(shù)字考古案例。
現(xiàn)代測繪
現(xiàn)代測繪技術(shù)是信息產(chǎn)業(yè)中的重要組成部分，分支學(xué)科很多，涉及面較為廣泛，田野考古工作中一般運(yùn)用衛(wèi)星定位系統(tǒng)和電子全站儀進(jìn)行測繪。
衛(wèi)星定位系統(tǒng)是以人造衛(wèi)星系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以無線電為通訊手段，依據(jù)天文大地測量學(xué)的原理，實(shí)行全球連續(xù)導(dǎo)航和定位的高新技術(shù)系統(tǒng)，具有全球性、全天候、高精度、快速實(shí)時的三維導(dǎo)航、定位、測速和授時功能，以及良好的保密性和抗干擾性。靜態(tài)后差分的測量方式能夠達(dá)到毫米級的平面精度，實(shí)時差分測量能夠獲得厘米級的平面精度，在田野考古測繪中具有定位精度高、設(shè)計(jì)和布點(diǎn)方便、作業(yè)條件要求低、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。衛(wèi)星定位系統(tǒng)也存在一些缺陷，在溝槽、洞穴、地下墓葬等環(huán)境中因不能接受衛(wèi)星信號而無法進(jìn)行測量。
電子全站儀是20年前開始普遍使用的一種測量儀器，可以方便、快捷地進(jìn)行高精度的角度、距離、高程、坐標(biāo)等測量工作，能夠滿足各種文物考古測繪工作的需要，并可以與電子計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)作業(yè)，配合相應(yīng)的測量軟件，自動將電子全站儀測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行成圖。電子全站儀一般都具有激光測距功能，不使用棱鏡就可以測量出空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，便于測繪石窟、古建筑等不便架設(shè)反射棱鏡的場所。
劉建國在采集文物數(shù)字化信息。
由于衛(wèi)星定位系統(tǒng)和電子全站儀只能獲取空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)，目前在田野考古現(xiàn)場的使用越來越少，很多時候只是用于考古遺址或發(fā)掘現(xiàn)場進(jìn)行多視角三維重建等工作時精確測量控制點(diǎn)三維坐標(biāo)的工作。
遙感考古
遙感考古是從航天飛機(jī)、衛(wèi)星、飛機(jī)、無人機(jī)等不同空間位置上，運(yùn)用攝影機(jī)、掃描儀、雷達(dá)等成像設(shè)備，獲取考古遺址的影像資料，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)和處理。同時，根據(jù)遺址范圍內(nèi)地表特征及其光譜成像規(guī)律等的相互關(guān)系，對影像的色調(diào)、紋理、圖案及其時空分布規(guī)律進(jìn)行研究，判定遺跡或現(xiàn)象的位置、形狀、高低起伏等特征，進(jìn)行考古遺址探查、測量、三維重建等工作，為考古勘探和研究提供重要信息。
考古遺址的遙感影像中包含有豐富的地面信息，通過對其中植被、水體、土壤、巖石等圖案特征進(jìn)行分析，有時可判讀出地面或淺表地層中遺跡的分布情況。因?yàn)檫z跡與其周圍環(huán)境中土壤等的結(jié)構(gòu)方面存在差異，導(dǎo)致土壤色澤與含水量不同、植被生長分布異常、土壤侵蝕差異、特殊微地貌特征等，在遙感影像中可能會以特定的圖案顯示出來，形成考古遺跡的影像標(biāo)志，成為遙感影像的解譯依據(jù)。
遙感考古具有速度快，周期短，方法靈活等特點(diǎn)，能夠?qū)脊胚z跡進(jìn)行無損分析、測繪成圖、變化分析、三維重建等工作。特別是早期遙感影像記錄了很多已經(jīng)改變的地面信息，能夠提取很多重要考古遺跡的位置、形狀等信息?，F(xiàn)代高分辨率的衛(wèi)星影像立體像對、無人機(jī)拍攝的低空影像等可以直接生成高分辨率的數(shù)字正射影像圖和數(shù)字高程模型，能夠清晰地展示考古遺跡的微型起伏，便于判讀遺跡的結(jié)構(gòu)、分布等特征，并可以制作考古遺址地形圖。
多視角三維重建
多視角三維重建技術(shù)是以數(shù)字相機(jī)作為影像獲取工具，從不同角度圍繞被拍攝目標(biāo)獲取多幅數(shù)字影像。根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺和數(shù)字?jǐn)z影測量原理，在高性能計(jì)算機(jī)中對獲取的全部數(shù)字影像進(jìn)行相互匹配，生成被拍攝目標(biāo)的表面三維點(diǎn)云，再自動生成紋理后得到具有真實(shí)紋理的數(shù)字三維模型。
多視角三維重建的設(shè)備成本和操作難度都較低，能夠自動生成點(diǎn)云和紋理，而且點(diǎn)云與紋理嚴(yán)格對應(yīng)，精度很高，建模效果很好，能夠節(jié)省大量的人力、物力和時間，近年來在文博、考古領(lǐng)域得到了極大的重視，已經(jīng)成為田野考古與文化遺產(chǎn)保護(hù)現(xiàn)場空間信息獲取的主要手段。運(yùn)用多視角三維重建技術(shù)可以全方位地獲取考古發(fā)掘現(xiàn)場、出土文物、考古遺址等的空間信息，能夠制作從幾厘米石器制品到邊長數(shù)公里大型考古遺址的數(shù)字三維模型，自動生成真實(shí)紋理，通過三維坐標(biāo)控制點(diǎn)對三維模型實(shí)施控制之后，使模型上每個空間點(diǎn)都具有準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)，便于測量距離、面積和體積。三維重建技術(shù)為考古學(xué)研究、文化遺產(chǎn)保護(hù)與博物館虛擬展示、數(shù)據(jù)存檔等提供不同平面、立面、剖面的數(shù)字正射影像圖、數(shù)字表面模型、數(shù)字三維模型等重要成果。全面獲取的各類文化遺產(chǎn)三維空間信息，也極大地提升了遺址與遺跡測繪、器物繪圖等的速度和精度。
地理信息系統(tǒng)
地理信息系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件、地理數(shù)據(jù)和人設(shè)計(jì)的有效地獲取、存貯、管理、更新、操作、分析和顯示所有地理信息的集成應(yīng)用系統(tǒng)。作為計(jì)算機(jī)、地理、遙感、測繪、統(tǒng)計(jì)、規(guī)劃、管理和制圖等學(xué)科交叉運(yùn)用的產(chǎn)物，代表了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)和其它學(xué)科相互滲透的發(fā)展方向?？脊诺乩硇畔⑾到y(tǒng)是以考古現(xiàn)場獲取的空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)軟件和硬件支持下，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，對與空間分布有關(guān)的考古數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、操作、分析、模擬和表達(dá)，為考古研究和分析模擬等提供支撐的技術(shù)系統(tǒng)。
考古調(diào)查和發(fā)掘中獲取的資料都具有三維空間位置屬性，考古遺址的位置和范圍可以通過空間數(shù)據(jù)來表達(dá)，發(fā)掘出土的遺跡、現(xiàn)象乃至器物或陶片也都可以用準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)來表示其空間位置和形狀。運(yùn)用地理信息系統(tǒng)建立多重考古空間信息與屬性信息并存的數(shù)據(jù)庫和圖形圖像庫，具有考古空間信息顯示和查詢、圖文互訪、修改編輯、圖形圖像生成與輸出、多重?cái)?shù)據(jù)的訪問和顯示等功能，同時還具有多重空間分析功能，諸如距離分析、通視與可視域、預(yù)測模型、區(qū)域模擬等分析都能夠在考古研究中得到很好的應(yīng)用，特別是在區(qū)域考古研究中，可以分析一個區(qū)域乃至一個遺址中古代聚落的分布與演變特征，探究古人與自然環(huán)境之間的依賴與改造關(guān)系，揭示遺址的形成過程。
虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)
虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成逼真的視覺、聽覺、觸覺乃至味覺等虛擬的三維感觀世界，用戶可以直接使用人的技能和智慧對生成的虛擬實(shí)體進(jìn)行考察和操縱。虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以生成逼真的三維古代環(huán)境、古代城市、考古遺址、發(fā)掘現(xiàn)場、出土文物等，甚至可以配合相關(guān)的聲音乃至氣味等信息。虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以根據(jù)考古調(diào)查、發(fā)掘過程中采集的數(shù)字三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列設(shè)置，通過計(jì)算機(jī)、虛擬眼鏡等真實(shí)地重現(xiàn)考古發(fā)掘現(xiàn)場或遺址形成過程等重要場景。
虛擬與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的用戶不僅可以顯示和觀察考古現(xiàn)場，而且能夠與虛擬考古的對象進(jìn)行交互，具有從外到內(nèi)或從內(nèi)到外觀察和操縱考古數(shù)據(jù)空間的功能?？脊艑W(xué)家可以充分地利用考古現(xiàn)場獲取的空間信息，從不同角度使用多種方式來探究考古學(xué)的問題，拓展了視野，提升了數(shù)據(jù)的利用率。觀眾可以跨越時間和空間，非常直觀地感知千里之外的考古現(xiàn)場，領(lǐng)略考古學(xué)家所揭示的古代社會“真實(shí)”面貌，走進(jìn)視、聽、觸、味等效果十分逼真的虛擬考古世界，真正體驗(yàn)身臨其境的感覺。同時減輕重要考古現(xiàn)場的觀眾參觀壓力，保護(hù)脆弱的文物與遺跡。
數(shù)據(jù)庫
考古數(shù)據(jù)庫是由考古空間的相關(guān)信息組成的多媒體混合體?？脊判畔⒌臄?shù)字化已經(jīng)成為必然趨勢，考古調(diào)查、發(fā)掘和研究中的各種信息都應(yīng)該按一定的方式輸入到數(shù)據(jù)庫中，才能夠進(jìn)行高效的管理和應(yīng)用研究。考古數(shù)據(jù)庫的信息量必將越來越龐大，為了讓用戶能夠迅速得到自己需要的信息，必須建立詳細(xì)的目錄索引，以便可以了解有關(guān)考古遺址的名稱、位置、年代、調(diào)查與發(fā)掘日期、次數(shù)、數(shù)據(jù)格式以及影像分辨率等信息。考古數(shù)據(jù)庫中應(yīng)該包含考古調(diào)查、發(fā)掘和研究中的各種記錄、圖表、圖形、圖像、聲頻、視頻、論文、報(bào)告、數(shù)據(jù)等，地圖數(shù)據(jù)等還要求記錄數(shù)據(jù)的來源、投影方式、坐標(biāo)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、編碼方案、采用的標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)字化方式、時間、人員等一系列描述信息。
隨著各種考古數(shù)據(jù)庫的建立，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將會得到廣泛運(yùn)用。數(shù)據(jù)挖掘是指綜合運(yùn)用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、模式識別、統(tǒng)計(jì)學(xué)、可視化等技術(shù)，從考古數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)中篩選出隱含、未知、具有潛在價值的信息，并進(jìn)行歸納性推理，探討和闡釋考古學(xué)的疑難問題。
網(wǎng)絡(luò)與通信
網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近30年來發(fā)展起來的新興科學(xué)技術(shù)，通過交換機(jī)、路由器等設(shè)備將數(shù)量龐大的服務(wù)器和計(jì)算機(jī)鏈接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)字資源的全面共享和有機(jī)協(xié)作?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動通信等技術(shù)的發(fā)展同樣深刻地影響著考古學(xué)研究，考古人員已經(jīng)習(xí)慣于通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、傳送最新的考古信息和資料，開設(shè)網(wǎng)上考古論壇、講座等。重要的考古發(fā)掘現(xiàn)場可以迅速組織相關(guān)領(lǐng)域的專家召開視頻網(wǎng)絡(luò)會議，針對急需解決的問題進(jìn)行共同研討，為脆弱文物的提取和保護(hù)贏得極其寶貴的時間和最佳方案。
同時，多人共同參與的田野考古調(diào)查、發(fā)掘與研究等工作，也需要通過網(wǎng)絡(luò)上傳各自的工作成果，最后形成完整的考古調(diào)查、發(fā)掘或研究數(shù)據(jù)庫。通過網(wǎng)絡(luò)云服務(wù)，考古研究人員或?qū)W生可以從遠(yuǎn)程的考古、文獻(xiàn)、環(huán)境、水利、植被等數(shù)據(jù)庫中調(diào)用全國乃至全球范圍內(nèi)的海量數(shù)據(jù)，進(jìn)行全面分析、研究和顯示，提取重要的考古研究材料。甚至可以通過云計(jì)算，輕松獲得研究所需的各種數(shù)據(jù)、影像、圖表等計(jì)算成果。
（作者為中國社會科學(xué)院考古研究所研究員、中國社會科學(xué)院習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想研究中心特約研究員。近年來，他全面系統(tǒng)闡述“數(shù)字考古”概念并集成運(yùn)用多種現(xiàn)代數(shù)字科技對考古現(xiàn)場的空間信息進(jìn)行提取、編輯、制圖、分析、模擬等研究，推動中國考古研究信息化進(jìn)程。）
（文章來源：《人民日報(bào)海外版》電子版 圖文轉(zhuǎn)自：《人民日報(bào)海外版》2021年03月29日第09版）
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