空间信息技术考古学应用方法

以全球卫星导航系统、遥感技术、地理信息系统技术及虚拟现实系统为代表的“空间技术”在航空、公路、交通、天气预报、灾害预报等等方面得到了普遍的应用，产生了巨大的影响。空间信息技术在考古学中的应用无疑为考古学增添了强有力的工具。
考古学主要研究人类的历史，重点研究古代遗迹在地理、时间、空间上的关系，重点研究和分析古代遗迹及其环境所附带的大量的历史人文信息。时至今日，考古学仍然离不开手工挖掘、人工探查和一些基本工具（像洛阳铲、锹镐、毛刷、人工照相设备等），但要想对不同时期的中国古长城、京杭大运河、古代丝绸之路这样的大型线形遗址进行勘查，要对像秦始皇陵这样的大型地向墓葬进行无损的非挖掘性勘查，则需要信息技术的支持。
本书介绍了卫星技术、遥感技术、电学/磁学/地震学等相关技术在考古学中的应用；介绍了考古学建立伊始便密切相关的遗址的地理空间、时间、空间的综合性系统分析；介绍了地理信息系统在考古勘查、遗址保护规划和遗址管理等方面的信息化支撑手段；介绍了虚拟现实系统在古遗址创建模拟、时空建模与实景演示方面的先进做法与成就；还介绍了水下考古这个异常耗费人力、资金、时间，对船只、气象、水下作业、考古知识等综合要求异常严酷，但又非常重要的考古学科及实践。
以科普和专业并重的角度，介绍多种现代化及其考古学中的应用得书籍非常稀少，书中介绍的京杭大运河保护规划的前期勘察、田野考古案例、水下考古案例等，许多在科学界和考古学界具有重要的作用和影响。本书所倡导的空间技术与考古学的交叉学科空间考古学将会得到快速的发展，并一定会取得丰富的成果。

毛锋，清华大学建筑学院教授，空间信息技术在文化遗产保护中应用研究国家文物局重点科研基地（清华大学）主任，中国卫星导航定位协会环境监测专业委员会主任。主要从事空间信息技术应用、文化遗产保护研究。

前 言 / III
推荐序 / V
第1 章 绪 论003
1.1 时间和空间的概念 / 005
1.1.1 时间和空间的认知 / 005
1.1.2 时间和空间的产生 / 007
1.1.3 宇宙、时间与空间 / 010
1.2 地球科学基础上时间与空间 / 014
1.2.1 地质年代与生物进化 / 014
1.2.2 地球大陆漂移说 / 016
1.2.3 空间基准与空间定位 / 018
1.2.4 时间基准与测时 / 019
1.3 考古学的时间和空间 / 020
1.3.1 考古学中的时间 / 020
1.3.2 考古学中的空间 / 023
1.3.3 时间和空间的数学表达 / 024
1.3.4 我国的考古学时空认知 / 025
1.4 考古学与空间信息技术 / 028
1.4.1 考古遗址的遥感探测与发现 / 028
1.4.2 高分辨率卫星遥感考古应用 / 032
1.4.3 GIS 考古时空分析 / 035
1.4.4 空间信息技术遗址测绘 / 040
第2 章 遥感技术及其考古应用041
2.1 遥感原理及遥感分辨率 / 042
2.1.1 遥感技术原理 / 042
2.1.2 遥感分辨率 / 045
2.1.3 遥感技术获取地表空间信息的优越性 / 047
2.2 航空遥感 / 048
2.2.1 航空遥感的发展 / 049
2.2.2 我国的航空遥感 / 049
2.2.3 航空遥感的特点 / 050
2.3 卫星遥感 / 052
2.3.1 卫星遥感的发展 / 052
2.3.2 国外主要的卫星遥感系列 / 054
2.3.3 我国的的卫星遥感系列 / 057
2.4 部分国外卫星遥感信息 / 061
2.4.1 美国的Landsat 遥感卫星系列 / 061
2.4.2 法国的SPOT 遥感卫星系列 / 066
2.4.3 国外高分辨率卫星遥感数据 / 069
2.5 无人机遥感 / 073
2.5.1 无人机遥感技术 / 074
2.5.2 无人机遥感数据获取 / 074
2.6 遥感数据的处理技术 / 075
2.6.1 遥感数据 / 076
2.6.2 遥感图像的数据格式 / 076
2.6.3 遥感图像数据处理的目的与方式 / 077
2.6.4 遥感图像信息提取的地物要素特征 / 077
2.6.5 计算机遥感图像处理的一般过程 / 078
2.6.6 遥感图像数据处理软件 / 079
2.6.7 计算机遥感图像数据处理过程 / 080
2.7 遥感考古及其发展现状 / 080
2.7.1 国外遥感考古及其发展现状 / 081
2.7.2 我国的遥感考古及其发展现状 / 085
第3 章 地理信息系统、虚拟现实技术及其考古学应用087
3.1 地理信息系统的特点、作用与构成 / 089
3.1.1 地理信息系统的特点 / 089
3.1.2 地理信息系统的作用 / 090
3.1.3 地理信息系统的组成 / 091
3.2 地理信息系统的基本功能 / 093
3.2.1 数据输入功能 / 093
3.2.2 空间查询功能 / 094
3.2.3 空间分析功能 / 095
3.2.4 地图编辑与制图功能 / 096
3.2.5 用户化系统开发功能 / 097
3.2.6 系统维护功能 / 097
3.3 地理信息系统的地学基础 / 098
3.3.1 坐标系统 / 098
3.3.2 地图投影 / 100
3.3.3 地图图式图例 / 103
3.3.4 地理特征分类编码 / 103
3.3.5 地理特征属性结构 / 103
3.4 地理信息系统的实施步骤 / 104
3.4.1 地理信息系统的需求分析 / 104
3.4.2 地理信息系统基础软件及数据库选择 / 104
3.4.3 计算机网络与硬件设备 / 104
3.4.4 地理信息系统实施方案设计 / 105
3.4.5 地理信息系统的建立 / 105
3.4.6 地理信息系统管理与维护 / 106
3.5 VR 技术 / 106
3.5.1 我国VR 技术的发展 / 106
3.5.2 VR 技术在考古学中的应用 / 108
3.6 三维激光扫描技术 / 110
3.6.1 机载激光扫描系统 / 110
3.6.2 地面激光扫描系统 / 111
3.6.3 三维激光扫描技术在考古学中的应用 / 113
3.7 GIS 与VR 技术在考古领域的应用进展 / 114
3.7.1 GIS 与VR 技术在田野考古领域的应用与进展 / 114
3.7.2 GIS 与VR 技术在室内数据整理与管理领域的应用与进展 / 115
第4 章 全球卫星导航系统技术117
4.1 美国GPS 等卫星系统的发展与应用 / 119
4.1.1 美国GPS 的发展及其系统构成 / 119
4.1.2 GPS 的导航定位原理 / 121
4.1.3 GPS 导航定位模式 / 122
4.1.4 GPS 的特点与应用 / 123
4.2 俄罗斯GLONASS 卫星导航系统的进展与应用 / 125
4.2.1 前苏联时期的 GLONASS 系统 / 125
4.2.2 俄罗斯对GLONASS 系统的改造 / 126
4.2.3 俄罗斯GLONASS 系统的特点 / 127
4.3 欧洲航天局CALILEO 卫星导航系统进展与应用 / 128
4.3.1 欧洲航天局的CALILEO 卫星导航系统计划 / 128
4.3.2 CALILEO 系统的发展 / 128
4.3.3 CALILEO 系统的构成与特点 / 130
4.4 中国北斗卫星导航系统的进展与应用 / 131
4.4.1 北斗卫星导航系统（BDS）的发展历程 / 131
4.4.2 北斗卫星导航系统（BDS）的构成与特点 / 133
4.4.3 北斗卫星导航系统（BDS）的定位原理 / 133
4.4.4 北斗卫星导航系统（BDS）的导航原理 / 134
4.5 全球卫星导航系统的定位测量原理与方法 / 135
4.5.1 全球卫星导航系统的坐标系统 / 135
4.5.2 GNSS 的时间系统 / 136
4.5.3 GNSS 系统的定位测量原理与方法 / 137
4.5.4 GNSS 定位测量的实施 / 139
4.5.5 GNSS 的高程测量方法 / 144
4.5.6 GNSS 地形图测绘方法 / 145
4.6 全球卫星导航系统的导航原理与方法 / 147
4.6.1 GNSS 卫星导航原理 / 147
4.6.2 GNSS 测速、测时 / 148
4.6.3 GNSS 卫星导航方法 / 148
4.7 GNSS 的应用 / 149
4.7.1 GNSS 在大地控制测量中的应用 / 149
4.7.2 GNSS 在精密工程测量中的应用 / 149
4.7.3 GNSS 在航空遥感中的应用 / 150
4.7.4 GNSS 在地形图测绘中的应用 / 150
4.7.5 GNSS 在海洋测绘中的应用 / 151
4.7.6 GNSS 在交通领域的应用 / 151
4.7.7 北斗导航系统（BDS）的应用前景 / 152
第5 章 勘探地球物理技术153
5.1 物质的磁性及磁法勘探 / 154
5.1.1 物质与遗存的磁性 / 154
5.1.2 磁场与物质的磁化 / 154
5.1.3 地球磁场 / 155
5.1.4 物质的磁性的分类 / 155
5.1.5 磁法野外观测 / 157
5.1.6 磁法勘探数据处理 / 160
5.1.7 磁法勘探的资料解释 / 160
5.1.8 地磁考古测年方法 / 161
5.2 物质的电性及电法勘探 / 162
5.2.1 物质与遗存的电性 / 162
5.2.2 电阻率法勘探 / 163
5.2.3 激发极化法 / 167
5.2.4 自然电场法的基本原理及做法 / 169
5.3 探地雷达勘探方法 / 169
5.3.1 探地雷达的勘探原理 / 169
5.3.2 岩石和古遗存的磁导率及介电常数 / 170
5.3.3 探地雷达的野外观测与数据处理 / 171
5.4 地震勘探方法 / 172
5.4.1 地震勘探方法的理论基础 / 172
5.4.2 地震勘探方法的种类与野外观测 / 173
5.4.3 古遗存和岩石的弹性波传播速度 / 173
5.4.4 地震勘探的分辨能力 / 174
5.4.5 三维地震勘探方法 / 175
5.4.6 全息地震勘探方法 / 175
5.5 重力勘探法 / 176
5.5.1 重力异常与物质密度 / 176
5.5.2 重力勘探方法 / 177
5.6 考古地球物理学的发展与应用 / 177
5.6.1 考古地球物理学的发展 / 177
5.6.2 我国的考古地球物理勘查发展与应用 / 178
第6 章 空间信息技术在考古调查与勘探中的应用方法181
6.1 空间信息技术在田野考古调查中的应用方法 / 184
6.1.1 我国的考古调查工作 / 184
6.1.2 空间信息技术在区域考古调查中的应用方法 / 196
6.1.3 空间信息技术在遗址预测中的应用 / 198
6.1.4 遗址测绘 / 202
6.1.5 考古调查数据采集自动化与数字化 / 203
6.1.6 考古调查报告与记录档案 / 205
6.2 遥感考古勘察方法 / 206
6.2.1 遥感考古勘察的优势 / 206
6.2.2 航空与航天遥感考古勘察方法 / 207
6.3 综合地球物理勘探考古方法 / 210
6.3.1 考古综合地球物理勘探方法的种类 / 211
6.3.2 考古综合地球物理勘探的原则 / 211
6.3.3 考古综合地球物理勘探方法的选择 / 212
6.3.4 考古综合地球物理勘探方法的实施 / 213
6.4 区域考古调查案例：京杭大运河的调查 / 214
6.4.1 京杭大运河背景调查 / 214
6.4.2 隋唐宋南北大运河和元明清京杭大运河的环境背景 / 214
6.4.3 京杭大运河遗产调查方法与内容 / 217
6.4.4 京杭大运河运河本体遗产调查内容 / 219
6.4.5 京杭大运河沿线遗产调查分析 / 224
6.4.6 京杭大运河北五湖水柜遥感考古 / 233
6.5 遗址考古地球物理勘探案例：故陵楚墓 / 235
6.5.1 故陵的地理历史背景 / 235
6.5.2 故陵楚墓的考古综合地球物理勘探 / 237
6.5.3 帽盒岭考古勘探结果的发掘验证 / 238
第7 章 空间信息技术在田野考古发掘中的应用方法239
7.1 遗址考古发掘空间基准的建立 / 241
7.1.1 三维空间基准与坐标系统 / 241
7.1.2 遗址考古发掘控制测量方法 / 241
7.1.3 遗址考古发掘GNSS 控制测量技术设计 / 243
7.1.4 遗址考古发掘GNSS 控制网的布网原则 / 244
7.1.5 遗址考古发掘GNSS 控制测量野外观测 / 244
7.1.6 遗址考古发掘GNSS 控制测量数据处理 / 244
7.1.7 遗址考古发掘GNSS 控制网平差 / 244
7.2 遗址发掘大比例尺地图测绘方法 / 244
7.2.1 遗址田野考古发掘数字测图 / 245
7.2.2 遗址图高程测绘 / 246
7.3 遗址发掘遥感测图方法 / 247
7.3.1 遗址大比例尺地形图航空摄影测量方法 / 247
7.3.2 无人机测图 / 249
7.3.3 遗址正射影像图的遥感制图方法 / 250
7.4 层序地层学与文化层考古发掘 / 254
7.4.1 地质学中的层序地层学 / 255
7.4.2 文化层层序 / 256
7.4.3 文化层考古发掘 / 257
7.4.4 地层学在考古发掘中的作用 / 259
7.5 类型学与考古遗存分类 / 259
7.5.1 考古类型学的发展 / 260
7.5.2 考古遗存分类 / 260
7.5.3 基于GIS 的考古遗存分类编码方法 / 262
7.5.4 地理特征对象模型与属性数据结构表设计 / 265
7.6 遥感技术在考古发掘中的应用方法 / 269
7.6.1 热红外遥感技术在考古发掘前期的应用方法 / 269
7.6.2 高光谱遥感在考古发掘前期的应用方法 / 270
7.6.3 微波遥感在考古发掘前期的应用方法 / 271
7.7 考古发掘GNSS 定位测量方法 / 273
7.7.1 考古发掘GNSS 测量RTK 快速定位方法 / 273
7.7.2 GNSS 测量RTK 考古发掘探方定位方法 / 274
7.7.3 GNSS 测量RTK 考古遗迹遗物定位方法 / 274
7.7.4 GNSS 与GIS 技术在考古发掘测图中的应用方法 / 275
7.8 考古发掘资料数字化采集 / 278
7.8.1 基于GIS 的考古发掘数字化采集方法 / 278
7.8.2 三维激光扫描全息测量 / 279
7.8.3 考古发掘三维激光扫描数据处理方法 / 281
7.8.4 考古发掘遗存的三维动态建模方法 / 281
第8 章 空间信息技术在水下考古中的应用方法283
8.1 江、河、湖、泊和海洋水下考古的意义 / 283
8.1.1 我国江、河、湖、泊水下考古的意义 / 283
8.1.2 我国的海洋水下考古的意义 / 286
8.1.3 我国水下文化遗产考古与水下遗产保护 / 292
8.2 水下文化遗产保护国际公约 / 293
8.2.1 水下文化遗产保护公约 / 293
8.2.2 公约对水下文化遗产考古的规定 / 293
8.2.3 我国水下考古及对国际公约的响应和取得的成就 / 295
8.2.4 水下文化遗产考古的空间信息技术需求 / 301
8.3 我国的水下文化遗产考古与保护技术体系 / 302
8.3.1 我国的水下文化遗产考古与保护技术体系 / 302
8.3.2 水下文化遗产调查、考古发掘与监测总体框架 / 303
8.4 水底地形图测绘方法 / 304
8.4.1 海底定位测量方法 / 305
8.4.2 海底控制测量方法 / 306
8.4.3 海底地形测绘的测深技术 / 307
8.4.4 我国的海洋测深技术发展 / 310
8.4.5 海底地形图测绘方法 / 310
8.4.6 水底地形测绘实施 / 311
8.5 水下考古调查探测方法 / 312
8.5.1 机载或星载激光水下探测方法 / 312
8.5.2 合成孔径雷达水下探测方法 / 313
8.5.3 旁视声纳扫测水下探测方法 / 313
8.5.4 数字侧扫声纳成像和3D 声纳技术方法 / 314
8.5.5 浅地层剖面探测方法 / 314
8.5.6 多波束探测方法 / 314
8.5.7 磁力探测方法 / 315
8.5.8 地震探测方法 / 316
8.6 水下文化遗产考古发掘方法 / 317
8.6.1 水下文化遗产区地形地貌与地质情况分析 / 317
8.6.2 水下文化遗产的定位测量 / 318
8.6.3 水下文化遗产的考古发掘 / 320
8.7 陆地水下考古调查探测案例：鄱阳湖老爷庙水域考古调查勘探 / 323
8.7.1 鄱阳湖老爷庙水域地理背景 / 323
8.7.2 近70 年间老爷庙水域的100 多次沉船现象与传说 / 324
8.7.3 老爷庙水域的磁力水下探测 / 324
8.7.4 测深及旁侧声纳扫描探测 / 325
8.7.5 浅地层剖面探测 / 325
8.7.6 老爷庙水域潜水考古探查 / 325
8.8 海洋水下考古调查、勘探与发掘案例：绥中三道岗元代沉船 / 326
8.8.1 绥中三道岗元代沉船考古的缘起 / 326
8.8.2 三道岗元代沉船海域的地理背景 / 328
8.8.3 三道岗海域第一次海底调查、勘探与发掘 / 328
8.8.4 三道岗海域第二次海底调查、勘探与发掘 / 329
8.8.5 三道岗海域后续考古发掘 / 330
第9 章 空间信息技术在考古发掘资料分类与整理中的
应用方法331
9.1 空间信息技术在遗址档案的建立中的应用 / 332
9.1.1 遗址或文物保护单位记录档案建立需求 / 332
9.1.2 遗址或文物保护单位记录档案主卷内容 / 332
9.1 考古发掘资料与成果的建档中的应用 / 334
9.2.1 遗址考古发掘资料与成果的建档要求 / 334
9.2.2 考古调查、勘探、发掘资料与成果的建档原则 / 335
9.2.3 考古调查、勘探、发掘资料与成果的建档方法 / 335
9.3 基于GIS 的考古发掘资料的整理与分类方法 / 336
9.3.1 基于考古学文化分类和整理考古发掘资料的意义 / 336
9.3.2 基于考古学文化分类和整理考古发掘资料的可能性 / 336
9.3.3 基于GIS 的考古发掘资料分类整理方法 / 338
9.4 考古学发掘资料的整理与数字化建库 / 340
9.4.1 遗址空间数据与考古数据获取 / 340
9.4.2 考古遗存时空数据库建设 / 343
9.4.3 遗存时空数据库和GIS 在考古资料解释中的作用 / 346
第10 章 空间信息技术在遗址保护规划中的应用方法347
10.1 我国的古迹遗址保护规划 / 350
10.1.1 我国古迹遗址保护的意义 / 350
10.1.2 我国的遗址保护规划 / 353
10.2 遗址保护规划的技术要求 / 355
10.2.1 历史遗产区域整体保护的要求 / 355
10.2.2 古迹遗址保护规划的编制和审批的要求 / 356
10.2.3 遗址周边环境保护的技术要求 / 357
10.2.4 遗址的分级与遗址周边环境的划界原则 / 357
10.3 基于空间信息技术的遗址保护规划编制方法 / 358
10.3.1 基于空间信息的遗址保护规划编制技术流程 / 359
10.3.2 古迹遗址调查与保护范围确定方法 / 359
10.3.3 基于GIS 的遗址保护规划方法 / 361
10.4 大遗址保护规划案例：京杭大运河保护规划 / 366
10.4.1 京杭大运河与中国大运河 / 366
10.4.2 京杭大运河的保护规划 / 366
10.4.3 申遗片区和遗址点的遴选 / 367
10.4.4 申报遗产空间范围与保护规划空间范围 / 370
10.4.5 基于空间信息技术的遗址保护规划支持系统 / 375
第11 章 考古地理信息系统研发与应用377
11.1 考古地理信息系统需求分析 / 378
11.1.1 考古调查与勘探的GIS 需求分析 / 378
11.1.2 考古发掘的GIS 需求分析 / 382
11.1.3 考古成果共享的GIS 需求 / 383
11.1.4 考古研究的GIS 空间分析需求 / 385
11.1.5 考古资料解释的GIS 需求 / 386
11.2 考古地理信息系统设计 / 387
11.2.1 考古地理信息系统设计原则 / 387
11.2.2 考古地理信息系统时空框架设计 / 388
11.2.3 考古地理信息特征分类及编码 / 389
11.2.4 考古地理信息系统结构设计 / 390
11.2.5 考古地理信息系统功能设计 / 391
11.3 考古地理信息系统研发 / 394
11.3.1 空间分析工具研发 / 394
11.3.2 空间数据引擎技术研发 / 396
11.3.3 C/S 系统开发 / 396
11.3.4 B/S 系统开发 / 398
11.4 考古地理信息系统应用实践 / 399
11.4.1 图形展示功能 / 399
11.4.2 空间展示功能 / 400
11.4.3 时空分析功能 / 403
11.4.4 遗址形成过程研究功能 / 405
11.4.5 查询统计功能 / 406
11.4.6 成果管理与宣传功能 / 406
11.4.7 系统管理功能 / 407
参考文献 / 409
编后记 / 413
词汇索引表 / 415