研究前沿
实时动态差分测量技术(RTK)在桐城魏庄遗址中的应用
【关键词】RTK;考古测绘;Matlab;数据分析;魏庄遗址
【摘要】在科技发展日新月异的今天,考古学与前沿科技的联系变得更加紧密。在考古测绘方面,RTK设备的应用,为采集更多种类的数据提供了技术上的可能性,所测绘出的数据逐渐精确,所还原的信息量也大幅增加。2019年,在中国人民大学考古文博系与安徽省文物考古研究所联合发掘安徽桐城魏庄遗址的过程中,我们利用RTK技术采集了大量数据。这些数据经数据处理软件Matlab处理后,可以在一定程度上还原魏庄遗址遗物和遗迹的分布情况。同时,通过对遗物分布的分析还可以还原出可能错过的遗迹单位,进而推导出遗迹现状的形成原因。与魏庄遗址周边其他商周时期和新石器时期遗址的文化面貌进行对比,可以佐证数据还原及分析成果的准确性。虽然目前相关研究仍存在不足,但RTK数据的采集、对比和应用仍可以为今后的考古发掘和研究工作提供一定的参考。
在考古调查和发掘中,测绘记录是非常重要的环节。前期的准确记录可以有效地还原调查和发掘的成果,并在此基础上完成绘图。早期的考古测绘工作主要依赖平板仪、罗盘、皮尺等工具,进入21世纪后,全站仪、GPS等更加现代化、电子化的设备得到了广泛应用[1],RTK技术的引入则为考古工作注入了新的科技能量。
RTK(Real-Time Kinematic)即实时动态测量技术,是指以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术,测绘结果可以实现厘米级的精确度。RTK测量需要同时配备基准站和流动站,以消除或减弱测绘过程中与卫星通信造成的误差值[2]。本文中提到的RTK测量工具仅指RTK测量中的流动站,采用基于通讯网络运作的千寻网络采集数据。
和之前的测绘工具相比,RTK有相对明显的优势——相较于GPS,RTK的实时数据处理能力更强;相较于全站仪,RTK操作更简便,站点间不要求通视,测量点误差不会累积,数据采集不会被天气过度影响[3],在山区更有优势[4]。但RTK也有不足:容易受到卫星截止角的限制,在信号被干扰或遮挡的情况下不能正常使用,需要配以其他方式测绘[5]。
RTK在考古调查和发掘中的应用已经取得了一定的成果,如吉林省文物考古研究所[6]、山西省考古研究所[7]、中央民族大学[8]、北京大学[9]、郑州大学[10]等单位均在考古测绘中使用了RTK设备,并总结了各自的测绘经验。2010 年起,中国社会科学院考古研究所[4]和湖北省[11]、新疆维吾尔自治区[12]、河南省洛阳市[13]、重庆市[14]等地的文物考古单位均曾在布方阶段使用RTK。四川省文物考古研究院等单位在发掘眉山市彭山江口古战场遗址时,用RTK设备数据完成了遗物分布的高程散点图[15]。
2019年,中国人民大学考古文博系与安徽省文物考古研究所联合发掘了安徽桐城魏庄遗址。为了更好地发挥RTK测绘的便捷优势,在发掘过程中,我们将利用RTK采集的范围拓宽到更多的出土遗物,并将采集数据按照地层和遗迹进行了分类,这些数据以Matlab软件进行处理后,可以在一定程度上还原魏庄遗址的遗物和遗迹的分布,并为后续的分析研究提供更多的数据支撑。本文对本次利用情况进行总结和介绍。
一、魏庄遗址发掘中RTK的应用
1.遗址情况
魏庄遗址位于安徽省桐城市北孔城镇晴岚村魏庄自然村。遗址系冲积台地地貌,北依低矮的山丘,南绕孔城河,呈带状分布,是人为形成的台墩型聚落遗址,中心坐标北纬31°2'23'',东经 117°5'44'',平均高程 11 米。该遗址是在2018年安徽省文物考古研究所为配合“引江济淮”工程而进行的考古调查中发现的。2019 年3月16日至6月8日,中国人民大学考古文博系与安徽省文物考古研究所合作对其进行了发掘。
该遗址共分为三个发掘区,本文以Ⅰ区为例。
该区共计发现4个不同地层。
①层为耕土层,厚15~25厘米,土色为浅灰色,土质疏松,其内包含物有大量植物根系、少量石块及红烧土颗粒、炭屑,另有夹砂红陶陶片、夹砂灰陶陶片、近现代瓷片、青砖等遗物,属于近现代堆积。
②层为扰乱层,厚15~25厘米,土色为浅褐色,土质较软,其内包含物有少量植物根系、大量红烧土块及石块、红烧土颗粒、炭屑,遗物包括陶片、石器、铁钉、唐宋时期的瓷片等,年代大约为唐宋时期。
③层为新石器时代文化层,厚约20厘米,土色为黄褐色,包含物较少,只有少量的红烧土颗粒和陶片。该层以下为生土。
该区共设5个10 米×10米探方,其中T101至T104自西向东呈“一”字形排列,朝向为北偏西 30°,T105位于 T103的西南,发掘过程中各方均有不同程度的扩方。
T101位于Ⅰ区最西侧,共发现4处遗迹,其中H6、Z1、F1开口于②层下,H23开口于③层下。
T102 位于 T101 东侧,共发现 2 处遗迹,其中 H2开口于②层下,H3开口于③层和 H2下。
T103 位于 T102 东侧,共发现 7 处遗迹,其中 H4、H5、H7 等开口于③层下,H16 开口于H5下。
T104位于 T103东侧,共发现 21处遗迹,其中M6、H1、H11、H14开口于②层下,G1、G2、L1、L2等开口于③层下,H12开口于 H11下。
T105 位于T103 西南侧,共发现9 处遗迹,其中H21开口于①层下,H22开口于②层下,H24、H25、H27、H28等开口于③层下。
2.数据采集
本次发掘在布方和数据采集阶段使用的RTK设备为华测T8小型智能RTK。采集的数据包括文化层中散布的陶片和典型器物,房址、墓葬、灰坑、路址的边缘和包含的遗物的位置。
数据采集工作由专人负责,对地层内遗物要做到随出土随采集。数据记录时,每一个遗物点位均需标清所属探方、层位、序号。如果同时发现多块较分散的陶片,则需要根据提取顺序依次编号,以保证遗物在现场登记时序号不会混乱。对于灰坑、灶址、墓葬等类型的遗迹单位,需要格外留意开口或边缘点位的选取和采集。遗迹单位内的遗物要单独编号。
3.数据分析
由于当时可获取的AutoCAD等软件只能实现平面图的测绘,对于大量遗物点位的呈现效果并不理想,故而数据分析改用Mat-lab软件。该软件是由美国MathWorks公司推出的商业数学软件,主要用于数据分析、无线通信、图像处理、计算机视觉、信号处理等领域。Matlab可以生成较为直观的3D图像,本次实践中取得了较为理想的效果。
二、RTK采集数据在研究中的应用
1.遗址范围内土层的完整分布状况
通常而言,发掘中往往侧重于对探方中四壁地层的绘制,内部的地层变化情况则无法有效显示。采用RTK技术采集各层遗物位置,可以在三维图像中还原出对应地层的遗物情况,进而还原出探方内部地层的走向。
图一将Ⅰ区T104至T101南壁剖面的手绘线图和通过采集遗物点位形成的电子剖面图进行对比,我们发现,两张图的地层走向大体一致,但电子剖面图的还原效果更为理想。
具体到探方内部,从T101、T102四壁剖面的对比图(图二)中我们可以看到,如果从文化层中采集的遗物数量充足,那么通过遗物的点位来还原地层实际的走向和分布完全可行。虽然散点反映的地层会在交界处出现一定差异,但这种情况应该是手工划定地层时造成的误差。为减少此类误差,采集时需要格外注意采集遗物的类型和位置,并在室内整理阶段注意甄别和数据矫正。
2.遗迹内遗物的堆积情况
田野发掘中的绘图,通常只绘出灰坑的开口及以下部分,而灰坑内的遗物堆积并不一定是填满的,也不一定全部在灰坑开口以下,有时可能延伸到灰坑以外。通过采集对应的点位,将灰坑出土遗物与其上方的地层遗物相比对,可以还原灰坑开口处的堆积情况,并对此类现象及形成原因有更好的认识。
图三显示了Ⅰ区开口于②层下的遗迹单位,包括F1、Z1、M6、H1、H2、H6等。图中明显的点位堆积包括T101与T102交界处(H2正上方。H2开口未采集,故电子图中未显示轮廓)、T104南端、T105东北部等区域。与手绘平面图(图四)相比较,除H2外,其余堆积并未显现出与遗迹有太高的相关度。
整理资料可知,H2出土的陶片有素面红陶、素面灰陶和素面黑皮陶,而Ⅰ区②层中也出有这些陶片类型且数量众多,故这些地层出土遗物可能与H2关系较大,可以看作H2的外溢堆积。
同理,将Ⅰ区③层下开口的遗迹与③层地层遗物结合可生成电子图(图五),图中可以看出几处比较明显的遗物堆积。与图六手绘平面图相对 应,可作如下分析。
第一处遗物堆积在T101 西侧,H23附近。结合T101②层遗迹图,这处遗物堆积与H6的范围高度重合,基本可以断定此处所采集的遗物与 H6有直接关系。
第二处遗物堆积在T101与T102交界处的H3上方。根据室内整理数据可知,H3内出土有素面红陶、素面灰陶和素面灰皮陶,考虑到这些遗物类型与开口于②层下的H2内遗物类型高度相似,且H2与H3几乎是直上直下的叠压打破关系,那么此处的遗物堆积更类似于H3中遗物的外溢,有可能是开挖H2时产生的,也有可能是因水流作用冲刷而成。
第三处遗物堆积在T105中的H28内。电子斜视图显示,这部分遗物堆积明显出于该灰坑的下半部。不难看出,该灰坑内仅有1处较大的堆积,且堆积范围并未覆盖整个灰坑。
传统发掘中,除典型器物外,在未发现明显的遗迹现象或地层内的遗物并未形成堆积时,出土后的遗物通常直接装袋,基本不会测量其位置信息。具体到魏庄遗址,由于土质较为致密,在逐层向下发掘的过程中遗物堆积并不显著,如果不使用RTK,那么在此次发掘中遗物外溢的现象将无从观测。故此次RTK的应用是一 次非常有益的尝试。
3.遗迹性质问题
对遗迹性质及其形成原因的判定与探究是非常重要的考古学研究内容。
(1)对H6的定性
灰坑通常指的是一些土质土色及填充物与周边出现差异的坑状遗迹,但因自然原因形成的土坑或冲沟也有可能具有相似的性状。
发掘T101③ 层过程中,我们发现中部和西部的土色与同一水平面其他区域相比颜色更深。与其他探方中的③层图纸涂色对比后,发现该区域与其他区域存在较大区别,遂认为该区域有存在遗迹单位的可能性。此后几天的刮面明确了颜色偏深的区域范围并向下清理,两天后H6清理完毕。坑内土壤偏灰,整体呈灰黑色,出土石块、陶片、红烧土块和瓷片等物品。
在H6完全显露前,我们在T101中采集了部分③层遗物。从经过数据处理后的电子图(图七)中可以明显看出,T101内③层遗物主要分布在H6范围内。遗物登记表显示遗物类别包括带釉陶片及瓷片,共42件。从类型上看,这些遗物与其他区域③层所出差异较大,但与②层的地层遗物较为接近;从出土位置来看,基本上在H6与②层的交界附近。故可明确这些遗物均属于H6或②层内遗物。
H6位于T101西部,向西2米左右即为阶地断崖,且H6整体呈上小下大的扇形,内壁呈缓坡状自东向西倾斜,性质与冲积扇较接近。考虑到该灰坑下方叠压打破了 F1 的西侧以及H23顶部,且这两处遗迹的土质都偏硬,较难挖掘,故推测H6可能是由洪水冲出的冲积沟,形成时间应当与②层形成时间相近。
(2)对F1的定性与复原
F1位于T101中,南北宽中间窄,西南侧被H6和H23打破,东侧中部有Z1。南北长910厘米,北端东西最长730厘米,南端东西最长460厘米,中部最长处220厘米。踩踏面平均厚15厘米。踩踏面中混合有红土、红烧土、陶块和砂粒;柱洞内填土均为灰黑色,部分柱洞边缘有一圈红烧土。该遗迹先后标记了27个柱洞,最后经检验核实后共有24个。发掘期间,经现场分析判断,F1被认为是开口于③层下的遗迹。
但在③层电子图(见图五,1)中可以看到,F1所在位置几乎没有③层遗物,这种情况与Ⅰ区其他探方较为不同。我们分析认为有两种可能:第一种,F1或开口于②层下,其时代晚于新石器时期,而原被认定为③层的土层可能为F1的一部分;第二种,该房址在新石器时期即存在,后弃用并被人为掩埋,该地层顶部原有遗物因处于相对较浅的位置而遭扰乱,或被搬运走,或混入②层之中。
经和周边地区出土有房址的遗址对比,发现魏庄遗址F1与堰台遗址F3(图八)[16]的形制较为接近。由此基本可以确认F1为商周时期的干栏式建筑,房屋朝向为东西向,说明前述第一种可能性较为合理。因此在此后的资料整理中我们将F1归入②层遗迹。
在遗迹手绘平面图(见图四)中,F1的轮廓线有一段东西向的内凹。这处内凹两侧没有发现足以支撑相关建筑结构的柱洞,且其东侧末端为灶坑Z1,作为门道使用的可能性并不高,而其与H6的走向基本对应,因此我们推测可能是洪水冲出的缺口。如此,则F1是商周时期的一座东西向、平面略呈长方形的干栏式房屋,废弃后被山洪冲毁。从H6中出土大量瓷片来看,洪水冲毁F1的时间应当在瓷器出现后,即房屋建成千余年之后;而F1上方没有任何同时期遗物,则可能是洪水扰乱了F1表面原有堆积,乃至于破坏了F1的表层所导致。由此可得F1还原平面图(图九),其中红色部分为模拟还原部分,房址北部延伸向近现代开挖的小河沟,实际情况已无从探明,故用虚线表示。根据还原结果,可以看到三排明显的南北走向柱洞,其排列密度和间距也基本还原出了房址在使用期间的可能规模。
结语
魏庄遗址考古发掘中RTK设备的应用,是国内考古发掘领域的一次突破性尝试。之前的RTK实践大多仅限于考古发掘布方阶段,此次我们尽量采集了每一件遗物的点位,并尝试用于分析遗迹性质,可以说每一步都处于摸索之中。
首先,采集遗物点位时,根据遗物出土的地层和遗迹单位对数据作了初步分类。这一工作较为基础,在发掘现场即可完成。而根据遗物材质、时代、尺寸、完整程度等作进一步分类,从而分析出不同类别遗物的分布状况,则需要在后续室内整理时再进行梳理和研究,可惜本次发掘没能完成此项分类工作。此外,现场数据采集会延长发掘时间,数据分类的细化会加大室内整理的工作量,对整体发掘工作也有一定影响。期待在未来可以有更简便、更合理的数据采集和处理方式,而使用更先进的RTK设备也可以有效节约采集时间。
其次,遗物的采集精确度直接关系到遗迹还原的准确度。本文利用采集的点位还原了遗迹(H2、H3等)的外部轮廓,对遗迹之间叠压打破关系和遗迹性质的分析有良好效果。遗迹性质问题主要基于地层遗物和遗迹内遗物与遗迹外廓线之间的关系,如H6、F1等,并在此基础上进一步展开分析。本次研究最主要的短板在于,当时使用的设备并不能通过数据处理的方式准确描绘出遗迹的底部,仅能还原出开口位置。如果能弥补这一短板,相关研究可以更加完善。
最后,本次研究还对比了其他年代相近、文化面貌相似的史前遗址信息。我们认为,如果有更多遗址完成了出土遗物、遗迹信息的数字化,形成数据库,就可以更有效地分析、对比不同遗址的文化面貌。
总而言之,本文对于魏庄遗址的相关研究属于利用测绘工具对考古发掘及数据处理的一次尝试。此次采集到的数据还有更多的研究空间,文中的结论也不一定是问题的最终答案,只是希望可以为遗迹的发掘和资料整理提供更多思路。随着科学技术的发展,我们期待未来有更先进的科学技术和方法,为考古数据采集和分析工作带来新的提升。
原文《实时动态差分测量技术(RTK)在桐城魏庄遗址中的应用》刊于《文物春秋》2024年第4期。作者:张之航,包头博物馆;王晓琨,中国人民大学历史学院考古文博系。
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