数字考古在考古学中的应用潜力—以秦始皇陵兵马俑考古工作为例

数字考古在考古学中的应用潜力--以秦始皇陵兵马俑考古工作为例孟中元从1974年3月秦兵马俑坑考古发现以来，秦始皇陵园及兵马俑坑的考古调查、发掘、研究、保护工作就有计划、分步骤的展开。秦始皇帝陵兵马俑作为世界文化遗产，作为非常重要的秦代文化的物质遗存，对于研究秦汉时代的政治、历史、军事、法律、经济、文化、科技等多个方面都提供了真实的实物资料，起到了非常重要的作用。秦始皇陵兵马俑的考古工作是通过考古调查、勘探、发掘、室内清理、研究，通过全方位、多角度搜集获取信息，为学界及时提供第一手考古发掘资料信息，使研究人员借助考古发掘资料信息、历史文献对历史、文物、考古进行深入细致研究，还原展现秦代历史社会的方方面面，以达到学术研究的目的。随着计算机技术的不断发展成熟，许多技术被应用于考古工作中，与考古工作密切结合，促进了数字考古这门学科的发展。数字考古为考古信息的全面获取、科学管理保存、广泛传播、深入研究等诸多方面提供了强有利的技术支持。二、数字考古涉及到的范畴及在考古学中的应用潜力考古学在学科自身的发展中不断从自然科学与人文科学的相关领域汲取营养，考古学发展到今天，已经不算是真正意义上的文科，它打破了传统的文理界限，而是一门百科全书式的科学，一切有助于帮助释读遗存的手段和技术，一切有助于理解古代社会的方法，都可以而且应该拿来。因为学科的任务是阐释古代社会，而古代社会又是如此丰富多彩。自然科学相关学科被引进到考古学研究中，主要在两个方面发挥着巨大的作用。一是开辟了在以往的考古学研究中不能涉及或忽略涉及的研究领域。二是进一步提高了考古学研究的效率、精确度和科学性。考古学研究借鉴和利用了自然科学许多学科中的手段与方法，科技考古作为现代考古学的一个分支学科，而数字考古是作为科技考古研究的一个领域。数字考古也称为计算机考古，它是将自然科学中的计算机相关技术应用于考古学研究中，具体来说就是将现代信息技术应用于考古调查、勘探、发掘、考古信息采集存储与管理、信息重组、信息分析以及信息的传播，对考古工作进行结构性重组，使考古工作适应信息时代要求。数字考古涉及到人文科学和自然科学多个领域，这个领域涉及的面非常广泛。数字考古是一门应用技术，采用了与计算机信息技术相关的硬件和软件，是将考古学与现代信息技术密切结合解决考古研究工作中的问题，把涉及到的以计算机信息技术为基础的各方面的高新技术和考古工作密切结合，进行多角度、多层面、全方位，采用多种手段与方法发掘信息，通过数字化达到永久保存，并通过对考古信息的科学管理、分析处理、研究应用等为学术研究服务。计算机技术可对考古文献、博物馆藏品、地理信息和考古学资料进行管理。考古学研究的对象是古代社会遗留下来的遗迹遗物，这些遗迹包含地面上的和埋藏在地下的，只有通过科学的考古调查和发掘工作，才能全方位多角度的采集历史遗留下来的信息。数字考古通过对考古信息采用多种手段采集，涉及到多个层面，从技术复杂度层面来说，分为基础性简单应用、深入性开发应用。考古工作离不开对信息的采集，如发掘日记、发掘记录、拍摄照片、考古遗迹遗物绘图、考古现场摄像记录。这是通常用到的考古资料信息记录的手段，对考古资料信息进行数字化采集，须用到与计算机相关的硬件与应用软件。如彩色扫描仪、数码相机、数码摄像机、全站仪、GPS、数字化仪、三维激光扫描仪等数字化采集硬件设备。应用软件方面除了计算机操作系统软件支持外，还涉及到与处理多媒体信息相关的字处理、图形图像处理、动态影像处理、三维建模工具、GIS开发工具等软件。以下从考古信息数字化采集和建立考古信息系统入手，以秦陵兵马俑考古工作为例，从技术的角度阐述中数字考古在考古学中的应用潜力。1.考古数字信息中文本的处理技术1.1文字处理系统Office的组件的应用文字处理是应用于考古学进行信息输入的最基本手段。常用的微软公司的Office办公组件在考古资料的管理中发挥了重要作用。Word组件可用于考古资料中所有文字资料的编辑，PowerPoint组件集图、文、声、像多媒体编辑功能，可用来制作幻灯片演示文稿，应用于制作考古学术报告和研究人员的交流目的。Excel作为电子表格组件，可应用于考古发掘资料中一些图表的制作，如出土物描述等，可对表格中的数字进行各类计算、图形显示，满足考古学研究的数据统计。Access作为一种桌面型数据库，可与其他网站编程工具ASP、JSP结合应用于考古信息网上的动态发布管理，也可以用来和其他高级语言编程工具结合开发多媒体考古信息系统。FrontPage作为一种简单方便的网页制作工具，可以用于在考古信息的网页制作中发挥作用。1.2印刷体识别系统OCR应用考古信息的重组在计算机技术未出现之前，考古资料基本上是考古发掘报告出版，以纸质载体记录。OCR技术的出现使得整合考古资料信息变得方便可行。可采用彩色扫描仪对考古发掘报告文本进行扫描，经过OCR软件识别、人工纠错等可快速将记录在纸质上的考古资料数字化，可作为建立考古信息系统的文字内容，经规范化输入数据库中保存，以便于考古资料信息的科学管理。2.考古信息中图像处理技术2.1考古摄影考古工作中对文物遗址、遗迹以及出土物的现场摄影是考古资料记录中不可缺少的重要内容，它真实的记录考古工作的全过程。早期考古工作摄影基本采用的是传统的模拟相机，对于考古摄影资料是采用保存照片及底片的形式，扫描仪技术的出现可以将早期的考古摄影资料中的照片、底片、反转片等进行数字化，以永久保存考古资料信息，避免了因照片底片存放时间过长而变色或失效。高分辨率数码相机的出现为考古工作的摄影带来有很大方便，也使得记录考古照片资料更为方便快捷。结合图形处理软件如Photoshop，可以使考古数字化照片以最佳效果、以多种文件格式保存，以适应印刷出版、制作数字出版物、建立考古多媒体信息系统、考古信息的网上发布等不同用途。利用Photoshop还可以用于大面积考古遗址全景照片拼接，以作为考古资料信息保存和用于考古发掘报告出版的使用。2.2考古绘图地层学和类型学是考古学研究的基本方法，考古类型学主要解决考古遗存(如出土遗物等)的具体年代学问题及其变化规律。地层学通过判定遗址中诸堆积形成的先后过程或次序来研究遗存之间相对年代早晚关系的方法，根据“土质土色”区分不同堆积，根据叠压、打破及平行关系确定不同堆积形成的先后次序。按考古规程须用考古绘图来记录考古信息。考古绘图在考古发掘、研究中占有十分重要的地位。绘图的主要对象是考古发掘中所揭露的文物遗迹和遗物。长期以来考古工作者对于各类遗迹的平剖面图和器物图一直沿用传统的手工坐标法绘制，运用透视投影、正投影的原理，利用正面投影、中心剖面等绘图手段将出土遗物三维空间转为直观的二维平面线画图，先用铅笔绘制器物的底图，再用硫酸纸制图，为后期脱离实物进行研究及编辑出版准备资料。这种方法给考古发掘的资料整理，考古发掘简报、报告的发表以及资料的保管、保存，带来了诸多不便。由于计算机绘图具有出图速度快、精度高、图形文件便于管理、检索、修改等特点，采用计算机绘图软件进行考古辅助绘图成为必要。考古绘图采用的方法是正投影法，对于小件器物可采用平板扫描仪扫描器物得到的图像正是器物1：1的正投影，对于大件器物可采用数码相机拍摄，拍摄到的器物的投影图与器物实际尺寸存在误差，在绘图时需要进行校准。通常绘图软件分为几类；（1）位图绘制软件Photoshop（2）绘制矢量图工具软件AUTOCAD、FreeHand、Illustrator、CorelDraw等。在目前的技术条件下，在考古工作的整个过程中，采用现代化的数字测图可提高考古测绘的精度和效率。数字测图系统是以计算机为核心，连接测量仪器的输入输出设备，在硬件和数字化成图软件的支持下，对地形空间数据进行采集、输入、编辑、成图、输出、管理的测绘系统。数字测图的全过程都是在进行数据处理，但这里讲的数据处理阶段是指在数据采集以后到图形输出之前对图形数据的各种处理。数据处理主要包括数据传输、数据须处理、数据转换、数据计算、图形生成、图形编辑与整饰、图形信息的管理与应用等。数据预处理包括坐标变换、各种数据资料的匹配、图比例尺的统一、不同结构数据的转换等等。经过数据处理以后，即可得到数字地图文件。以全站仪为代表的智能化、数字化测绘仪器，使三维数据自动采集、传输、处理的测量数据处理系统得以实现，测绘精度也得到了保证和提高。全站仪，即全站型电子速测仪，是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统，测量结果能自动显示，并能与外接设备交换信息的多功能测量仪器。全站仪测量分数字测量准备工作，控制测量，外业测绘，内业图形编辑，图形输出等几个过程。GPS和全站仪相结合的新型全站仪已被用于多种测量工作输出图形是数字测图的主要目的，通过对层的控制，可以编制和输出各种专题地图．(包括平面图、地形图、遗迹分布图等)。3.数字摄像与非线性编辑系统技术数字摄像技术应用于考古工作中对考古发掘遗址现场的真实记录，比传统的模拟摄像机使用更为方便，摄录的数字影像更为清晰逼真。传统摄像机是将摄像记录到录像磁带上，保存的是影像的模拟信号，在后期的摄像编辑过程中，会造成录像带的磨损，也会造成影像信号的衰减，时间久了录像带会失效，这不利于对影像资料的保存。为了进行影像资料的编辑还须通过计算机相关设备将模拟信号转化为数字信号以数字信息保存，使用起来比较麻烦。而数字摄像机记录的是影像的数字信号，有利于对摄像资料的非线性编辑，反复使用不会造成影像信号的衰减。采用动态影像技术记录考古发掘过程是考古发掘信息的重要组成部分。由计算机、数码摄像机、模拟摄像机、光盘刻录存储设备等组成的非线性编辑系统，可完成考古发掘摄像资料信息的输入、存储、编辑、制作过程。通过非线性编辑软件，将通过模拟摄像机拍摄的考古资料通过计算机配置的视频采集压缩卡采集数字化后成为素材，或者直接将通过数码摄像机拍摄的经数字化的考古资料存储到计算机中作为素材，通过非线性编辑系统，将数码相机拍摄的彩色照片、语音介绍、背景音乐、字幕等编辑合成制作成考古发掘专题片，或整理成某个考古单元的摄像资料，可刻录成光盘或转录到录像带上保存播放。4.计算机考古信息系统的开发4.1采用计算机高级编程语言为开发工具，开发建立考古信息多媒体数据库。建立考古信息系统离不开计算机数据库技术、多媒体技术，在新的技术条件下，支持网络技术的考古信息系统对于研究交流更是必要的。通过将考古资料信息按发掘信息记录规程进行规范化、数字化处理，输入数据库并开发应用信息系统，充分发挥计算机在考古资料信息的科学管理与研究应用中的作用。在计算机技术发展的不同时期，硬件与软件技术经历了不同的发展阶段，操作系统从DOS平台到Windows图形界面平台，数据库产品经历了从小型桌面型数据库发展到支持面向对象的、可支持多服务器存储、并行计算的关系型数据库，数据库信息系统的运行环境经历了从单机环境、C/S环境、B/S环境的发展过程，从数据库管理信息的类型上经历了从支持纯文本信息、图文声像多媒体信息到可处理多媒体信息及三维空间信息阶段，编程工具的发展也经历了单机环境数据库开发、局域网开发和互联网环境的开发。考古信息系统开发应使用当时的主流技术，这利于系统扩展及数据库安全迁移。目前技术条件下常采用大型面向对象的关系型数据库有ORACLE、SYBASE、INFORMIX、SQLServer等，结合常用的编程工具如VisualBasic、VisualC++、PowerBuilder、Delphi等，如采用基于互联网平台运行，常用的网站开发工具结合Vbscript、JavaScript脚本语言，采用ASP、PHP、JSP等网站编程技术。如果需要考古信息系统记录考古发掘中的三维空间信息，需要结合GIS开发工具软件和大型数据库系统。1996年以秦兵马俑二号坑考古发掘工作为契机，我馆组织了由考古专家、计算机专业人员、考古工作者组成的课题组，尝试秦兵马俑考古发掘信息处理系统的开发。通过认真听取考古工作者的建议，在考古专家的指导下，对秦俑二号坑考古发掘信息种类、信息处理要求、资料