空间信息技术考古学应用方法

内容概要

毛锋，清华大学教授，中国全球定位系统技术应用协会环境专业委员会主任，中国GIS协会GIS工程专业委员会副主任。主持国家”十一五”国家科技支撑计划课题”空间信息技术在大遗址保护中应用研究（以京杭大运河为例）”（2006-2010）；主持“十一五”国家科技支撑计划课题“GIS技术与VR技术在中华文明探源中应用研究”（2010-2012）；正在主持“十二五”国家科技支撑课题“GIS技术与VR技术在中华文明探源中应用研究”（2013-2015）；主持国家自然科学基金项目《基于RS/GIS的城乡空间规划辅助支持系统》，正在主持国家自然科学基金项目《土地利用变化对碳源碳汇的影响机制及低碳城乡规划方法研究》；作为项目负责人完成了《国务院南水北调中线干线建筑环境规划》项目、 《大庆城市总体设计》、《南水北调中线生态文化旅游产业带规划纲要》等项目。

书籍目录

前 言 / II

推荐序 / IV

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

作者简介

遥感（RS）、地理信息系统（GIS）、全球卫星导航系统（GNSS）、虚拟现实（VR）等空间信息技术广泛应用于国防、交通、环境保护、能源、航天航空等领域，而其在考古学的应用是一个前景广阔的新领域，空间信息技术与考古学的相互协作、相互交叉、相互融合，为考古学的发展提供了强有力的工具，由此催生并发展了空间考古学这一新学科。

《空间信息技术考古学应用方法》深入分析空间信息技术的特点，介绍其在考古学中的应用成果，研究和思考空间考古学的应用方向和重要成果。《空间信息技术考古学应用方法》分为两篇共11章，上篇的5章主要介绍空间信息技术的发展现状与趋势、考古学的时间空间概念和空间信息技术考古学应用的理论基础，下篇的6章主要介绍空间信息技术在考古调查、考古勘探、陆地与水下考古探查、考古资料分类与整理、考古遗址保护规划等方面的应用，还介绍了考古地理信息系统的设计、研发与应用案例。

《空间信息技术考古学应用方法》是空间信息技术在考古学应用方法的科学研究的梳理与总结，可供从事考古、历史、地理、文化遗产保护、城市规划、测绘等领域科学研究的专家学者参考，也可作为考古、历史、地理、测绘等相关专业学生和研究生的专业参考书。

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