引论

人类社会的古代文化遗存中常常包含大量的空间信息，对这些空间信息的分析和处理是考古学研究和文化遗产管理的重要内容。然而，传统的考古学和文化遗产管理之于空间分析的方法十分有限，主要依赖于定性分析，而定量分析的计算过程又过于复杂，难以普及。GIS（地理信息系统，Geographical Information System的简称）技术的发展成熟极大地促进了空间分析技术方法的进步，尤其是现代GIS桌面软件系统的界面越来越友好，用户甚至只需要简单地点几下鼠标就可以轻松实现复杂的空间分析过程，因此当前以GIS技术为支持的空间分析方法已经成为考古学和文化遗产管理的主流。尤其是在考古学研究中，GIS技术的应用不仅大大拓宽了传统考古学空间分析的领域，而且从理念上也革新了考古学对空间概念的理解和诠释。借助GIS空间分析，传统的聚落考古和新兴的景观考古的研究都得以充分发展。因此对于从事考古学研究和文化遗产管理的人员而言，系统地学习以考古学和文化遗产管理为目标的GIS空间分析方法是十分必要的。

我国考古学和文化遗产管理中GIS技术的应用虽然已经不是新鲜事，但遗憾的是目前这些应用的深度和广度都还很有限。考古学专业背景的研究者多将GIS作为一种计算机的操作软件，甚至仅仅将其看作是辅助绘图和地图显示的工具。一些基于GIS方法的考古学空间分析对软件的依赖性强，缺乏对GIS计算方法的理解和讨论，往往导致分析结果的偏差。比如，构建数字高程模型（DEM）是利用GIS进行景观分析的基础，然而却很少有研究关注DEM的生成方法及其精度。另一方面，对于计算机专业背景的研究者而言，由于缺乏对考古资料本身以及考古资料获取方法的深入理解，其研究又常常存在对考古资料的处理和解释过于简单化的问题，而无法开展切实有效的考古学空间分析。

正是基于上述两方面的原因，本书的编写力图在“GIS”与“考古”之间建立一种平衡，以考古学研究和文化遗产管理的实例为基础，系统讲述GIS空间分析的理论和方法。实际上，在操作中，计算机语言是量化的程序语言，而考古信息由于受到埋藏过程、调查方法和发掘面积等的局限，常常带有很大的不确定性，因此能否将考古信息恰当地转换成计算机语言是有效开展GIS空间分析的关键。在此基础上，将考古信息定量化，以定量统计的方法处理考古空间数据是本书强调的重点内容。本书也将会涉及一些GIS软件的具体使用方法，但更重要的是要讲述GIS处理空间数据的基本原理和基本方法，以及不同的GIS空间分析方法在考古学研究和文化遗产管理中应用的现状和前景。

本书第一部分为基础篇，将讲述GIS的基本概念、基础知识，以及对地理空间数据的处理方法。其中，第一章是有关GIS和地图基础知识的介绍；第二至四章讲述考古空间数据信息的采集和管理，地理数据库的构成以及空间数据的查询、统计和分类，以及如何构建数字表面模型；第五、六章是基于GIS的空间统计学的基础知识和高级空间分析方法。第二部分为应用篇，讲述基于GIS的考古学尤其是景观考古学空间分析的基本方法。其中，第七章介绍GIS与景观考古学的基础、考古景观信息的提取和处理方法，以及空间信息的多元统计分析应用实例；第八章介绍基于GIS的水文分析、土壤侵蚀模型及其在考古学研究中的应用；第九章讲述GIS中的成本面分析、基于GIS的考古学空间移动研究以及遗址“资源域”（site catchment）分析；第十章讲述GIS中的视域分析、景观可视性和认知考古学的应用实例；第十一章介绍GIS中的网络分析及其在考古学研究和文化遗产管理中的应用，包括网络连通性分析和区位优化分析；第十二章介绍GIS技术的扩展应用，包括面向对象GIS、三维GIS、时空GIS和网络GIS。

书中尽量使用国内的考古和文化遗产管理的实例，对于国外的实例，也尽可能详尽地介绍背景知识。希望读者通过阅读本书和体验书中的各种实例能够系统地了解有关GIS空间分析的基础知识，并掌握GIS技术应用于考古学研究和文化遗产管理的基本方法。

一、空间概念的构成与描述

GIS的核心是处理空间属性信息，既包括地球表面各类地物的位置关系，更包括它们的不同属性之间的空间关系。空间概念是我们首先要讨论的一个基础概念。从哲学上讲，空间既是一个绝对的概念，又是一个相对的概念。空间在绝对概念上被看作是容纳各类实体的容器，它独立于其所容纳的物体之外而存在。西方世界里，空间代表了一种绝对的位置关系，比如康德等人将空间看作是容纳一系列实体和事件的固定式框架结构，是用于观测世界的“充填系统”（filing system） 。在这种观念之下，地理学被看作是对这种“充填系统”之下各种现象组合的研究。同样，中国古代哲学中也有关于绝对空间的概念，《道德经》有“延埴以为器，当其无有，器之用；凿户牖以为室，当其无有，室之用”，强调了空间的营造和功能性。从相对概念上讲，空间被看作是各种实体和事件的位置属性，因此空间的概念不能独立于其他事物而单独存在。尤其是近代人文地理学的发展，使得我们认识到对空间概念的理解必须要与时间、社会价值、社会关系等因素联系起来，空间成为一个可以被多重理解的复杂概念。

对空间信息进行直接测量和计算的学科称为几何学。几何学是描述空间信息的量化语言，几何学的分支学科很多，但与GIS关系最为密切的是拓扑学和传统几何学（或“欧几里得几何学”）。拓扑学是研究空间对象之间相互关系的学科，所以它与上述相对空间的概念更为接近。这些空间对象可以归纳为点、线、面的形式，比如遗址点、河流、某类土壤的分布范围等等。它们之间的相互关系有包含、相交、相切等等，通过建立这些空间对象之间的拓扑关系可以对它们进行空间查询、统计和计算，尤其是在建立空间地理数据库和进行网络分析时显得更为重要。传统几何学又包括平面几何学和立体几何学，是以计算空间点与点之间的距离为基础的几何学。传统几何学与上述绝对空间的概念关系密切，通过数学计算的方式可以获得空间对象之间的绝对位置关系，包括点与点之间的距离、线段的长度、多边形的面积等。传统几何学可以为GIS空间定量分析提供大量的基础数据。

具体到GIS而言，空间信息的描述和记录方式有两种：栅格方式和矢量方式。有关栅格和矢量的详细内容将在第二章中介绍。栅格图将连续的空间表面信息记录在一系列规整排列的正方形网格之上，最常见的栅格数据就是数字高程模型（DEM），其中的每个栅格（即正方形的单元格）记录该地点的海拔高程值。这些栅格之间的属性多存在某种规律性的联系，因此可以通过一些地统计学方法（如克里格插值）根据已知栅格的属性关系预测未知栅格的属性值。因为栅格方式记录的是连续空间中每一个确定位置的属性信息，既满足了空间的连续性特征，同时也记录了相关的属性信息，可以看作是对绝对空间概念的描述和记录方式。矢量是GIS描述和记录空间信息的另外一种方式。矢量图采用基于欧几里德距离的空间坐标的方式记录空间属性信息。在固定的坐标系中每个点都有唯一确定的坐标，线由点连接构成，面由闭合的线段构成。矢量图的矢量数据属性彼此独立，不存在关联，却拥有记录复杂属性信息的特点，代表了一系列空间实体的集合，从这种意义上讲与上述相对空间概念比较接近。实际上，现代GIS技术中也有一种所谓的“矢量—栅格”数据，同时具有记录连续表面体和集合一系列空间实体的特点，比如不规则三角网（TIN），这种技术尤其在3D-GIS中具有广阔的发展前景，但由于存储和处理的数据量大，使用起来并不方便。

在上述空间概念的基础上，我们还需要进一步讨论考古学中的空间概念。考古学所研究的空间是一个更加复杂的概念。首先，空间是承载古代人类活动的实体，而古代人类活动既是在连续的地球表面进行，同时又集中发生在一些固定的场所。对承载古代人类活动的连续地表特征的研究是景观考古学（landscape archaeology）所关注的内容，也就是所谓的绝对空间；而对人类集中活动地点及其与这些地点之间关系的研究是聚落形态考古（settlement archaeology）所关注的内容，也就是相对空间的概念。传统的考古学重视聚落形态考古的空间研究，而对景观考古学的空间关注不足，这主要是受到研究方法的局限。GIS技术的出现，尤其是以栅格为基础的空间分析方法大大提高了我们对连续地球表面进行模拟和分析的效率，是考古学空间分析方法的革命。与此同时，以矢量为基础的空间分析方法，尤其是地理数据库的出现，可以将复杂的考古遗存的空间属性进行有效的存储和管理，同样也极大地便利了聚落形态考古的研究。其次，考古学中的空间是一个与时间交织在一起的概念。考古资料是长时间历史的积累，尤其是在连续使用的考古遗址上，不同时期的遗存之间存在复杂的叠压打破关系。因此，在进行考古学的空间分析之前，必须要清楚考古遗存的时间属性，“共时性”是考古学空间分析的基础。GIS技术中，对时间概念的处理主要有两种方法：基于图层的分析和基于属性的分析，前者将处于不同时间维度的空间信息集成在不同的图层上，而后者将考古遗存的时间信息直接表述在矢量对象的属性中。总之，尽管考古学研究中的空间概念十分复杂，但GIS技术完全能够提供有效的表达和处理方法，是进行考古学空间分析的有力武器。

二、地理信息系统（GIS）的理论与实践

（一）基本概念

GIS是地理信息系统的简称，是在计算机软硬件的支持下，对地理空间数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示输出的计算机空间信息系统。地理信息系统能够集计算机的诸多技术于一体，如图形处理、数据库、网络等，为科学研究和决策服务提供支持。

地理信息系统由硬件、软件、数据、方法和用户五大要素组成。其中，硬件包括计算机、服务器、扫描仪、绘图仪、矢量化仪、磁带机、网络等；软件是GIS运行时所必需的各种程序，包括计算机操作系统软件、GIS软件及其支撑软件和其他相关应用程序等；GIS所处理的数据不同于一般计算机数据，是与空间信息相关的空间地理数据，是指以地理空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据，包括数字、文字、表格、图像、图形、影像等；方法是处理数据所使用的具体方法，包括数据存储、查询、汇总、报表等基本数据库操作方法以及空间分析、模型分析等高级方法；用户是操作GIS的人，是操作软硬件、处理和分析GIS数据的广大用户，既包括专业人员也包括普通用户和公众。因此可以说GIS是一个复杂的人机互动系统（图0-1）。

（二）发展简史

地理信息系统的概念最初于20世纪60年代诞生于加拿大，后来加拿大政府部门以此为基础于1972年开发出了世界上第一个GIS系统，称为“加拿大地理信息系统”（CGIS），主要用于自然资源的管理和规划。诞生之初的地理信息系统还基本局限在高校和科研部门进行实验和完善。

1970年代随着计算机技术的大发展，地理信息系统真正进入快速发展阶段，除了一些政府部门出于空间地理信息的管理和一些高校、研究所出于科研的需要开发各自的专业地理信息系统之外，一些商业性的咨询服务公司也开始从事地理信息系统的开发，为企业创建和分析地理信息进行咨询，如美国环境系统研究所公司（Environmental Systems Research Institute,Inc.，简称ESRI公司）。

1980年代是地理信息系统的大发展时期，主要表现为应用领域的迅速扩大，从资源规划管理、科学研究到商业服务等都有GIS的应用为空间决策提供支持。这一时期GIS的商业化进一步增强，商业GIS软件开始不断出现。其中第一个现代商业GIS软件是1981年ESRI公司开发的ARC/INFO软件。

1990年代以来，随着信息高速公路的兴建和地理信息产业的建立，地理信息系统迅速扩展应用到人们生产和生活的方方面面，GIS的发展进入到信息化的用户时代。地理信息系统的用户从政府、高校、科研部门、商业公司扩展到普通大众，国家乃至全球性的地理信息的共享和应用开始受到关注。美国前副总统戈尔于1998年提出了“数字地球”的概念，强调以数字化为基础，以GIS为核心，整合多种高新技术，实现全球的信息化。

进入21世纪，随着网络、卫星定位、高分辨率遥感、3D、虚拟现实（VR）等技术的飞速发展，GIS开始与多种技术进行整合，进入全新的发展阶段。GIS与遥感和全球卫星定位系统的整合形成3S技术集成（GIS、RS、GPS），与互联网技术结合形成WEB-GIS，与3D技术的结合形成3D-GIS等等。近年来，云架构、移动终端、3G网络等新技术的应用使得GIS进一步实现了由共享向协同的飞跃。

（三）应用与扩展

时至今日，GIS技术的发展不仅使它成为地理信息的产业核心，而且已经深入交叉应用到各个学科，甚至在不同方向上形成了相关的分支学科，对GIS的概念也进行了全新的阐释。

Geographical Information Systems，是传统概念上的地理信息系统，涉及GIS的各个方面和各个领域，也可以看作是GIS的统称。

Geographical Information Science，又称为GIS，“地理信息科学”。一方面，强调GIS的学科建设，即有关GIS的基础理论、基本方法等方面的研究和探索，属于专业GIS的范畴。另一方面，强调GIS在空间分析（spatial analysis）和地学研究（地理学、大地测量学、测绘学等）方面的应用和发展。因此，GIS在考古学研究中的应用，尤其是有关空间分析部分，更多地是在这个概念上的应用和实践。

Geographical Information Service，又称为“地理信息服务”，主要强调GIS的管理和服务功能。这方面的应用更加趋于商业化和社会化，其中发展最快的当属GIS与互联网技术的结合，强调GIS资源和服务的共享、决策与协同，是GIS直接创造社会价值的体现。这个概念上的GIS在文化遗产管理方面有很好的应用前景。

Geographical Information Software，又称为“地理信息软件”，主要强调GIS相关软件的开发和应用。软件是GIS的灵魂，无论是科学研究还是社会服务最终都需要软件来实现。GIS软件是高层次的软件系统，如图0-2所示，GIS软件的开发需要建立在系统软件和基础软件之上。系统软件是计算机的操作系统，是软件开发的基础平台，常用的操作系统有基于服务器的Unix/Linux，基于桌面的Windows、Macintosh和基于移动终端的Windows PE、iOS、Android等。基础软件是为实现GIS功能提供基础服务的相关软件，如GIS软件开发所需的基本编程语言和数据库以及在此基础上的标准软件，如常用的图形处理软件GUI（Graphical User Interface）和常用的数据库软件如Sqlite、Dbase等。最后才是在此基础上开发的GIS应用软件。

目前，GIS软件行业的发展有两个大的方向：其一，是商业软件，这类软件提供全方位的软件升级和服务，用户界面友好，软件说明详细，易于使用，但缺点是源代码封装，对于专业用户来说无法了解一些分析模块的具体计算方法，另外这类软件一般价格昂贵，个人用户难以普及；其二，是开源软件，这类软件源代码公开，对于专业用户而言易于二次开发，且免费使用，但缺点是用户界面不友好，缺乏使用说明，不易上手。目前常见的GIS软件见文本框0-1。

三、GIS技术在考古学和文化遗产管理中的应用

GIS技术应用于考古学研究和文化遗产管理首先是在20世纪80年代末开始于欧美国家，进入90年代迅速介绍到国内。随着计算机和GIS技术自身的发展，GIS在考古学和文化遗产管理中应用的深度和广度都在增加。然而，时至今日，GIS究竟仅仅是一种工具还是一门科学的争论，在考古界中还一直存在。实际上，回顾GIS在考古学和文化遗产管理中的应用历史，我们可以看到GIS技术的应用始终与考古学和文化遗产管理自身的发展有着密切的关系。

（一）西方考古学研究中的GIS

对考古学研究来说，西方现代考古学理论的发展大致以20世纪60年代的“新考古学”和80年代中后期以来的“后过程主义考古学”为标志进行划分，而西方考古学理论的变革对各考古学研究的分支学科都产生了深刻的影响，GIS的应用也不例外。

与20纪60年代以前的传统考古学和分类式的研究相类似的是，最初的GIS在考古学研究中的应用也只是局限在定性式的描述方面。比如，90年代初Gaffney等人运用GIS对罗马时期瞭望塔的可视性进行研究，提出这些塔的建造强调了彼此之间的通视性。但他们并没有使用任何统计学的方法来证明。

与传统的考古学相比，新考古学强调系统论的应用和“假设—演绎”式的研究方法，定量式的描述和统计分析在新考古学的研究中被特别突出出来。这一点也充分反映在了90年代初的一些GIS考古研究方面。比如，Kvamme运用单样本T检验的方法检验了考古遗址的分布与环境变量之间的相关性 ；van Leusen运用聚类分析的方法研究遗址的视域差异与其功能差异之间的关系 ；Wheatley运用单样本K-S检验的方法检验考古遗址之间可通视情况的显著性 。这些研究存在的问题是显而易见的，主要表现在两个方面：其一，是简单的环境决定论，没有充分关注文化、认知对遗址空间位置的潜在影响；其二，是在统计方法的运用上单变量分析方法无法清晰地阐释多因素的交互作用对统计结果的影响，比如遗址之间视域上的良好通视性究竟是因为遗址对视域的优先选择，还是因为遗址本身就选择修建在一些位置突出的地点，如山脊或山顶。但无论如何，这种研究显示了最早的空间定量分析方法尝试在GIS考古中应用的情况。

后过程主义考古学对新考古学进行了全面的批评，强调文化的差异、个体的能动性、认知的方式和解释学的方法。后过程主义考古学尤其关注对空间和景观概念的重新阐释，比如Tilley认为空间不能脱离具体的历史事件而单独存在 ，Thomes则认为景观是地球表面联系一系列相关人类活动地点的空间网络关系 。因此，在特殊的文化语境下研究空间概念的经验性（experience）、象征性（symbolism）和多义性（otherness）成为后过程主义理念下GIS考古研究的新方向。归纳起来，这些后过程式的GIS研究大致有三种类型：第一，将特殊的文化或符号象征的实物证据，如岩画等，作为一个变量引入GIS，如在考古遗址预测模型中进行再评估 ；第二，将基于空间异质性（heterogeneity）特征的多变量景观因素引入GIS考古的空间分析，其中这方面最有代表性的是以“成本面”（cost surface）取代欧几里德距离评估遗址之间的空间和社会关系 ，另外就是引入面向对象式的GIS （详见本书第十二章）；第三，通过编程构建基于agent的GIS考古空间模型，借助计算机海量的运算能力或人工智能的方法模拟和评估特定社会景观中的能动个体因素 。应该说后过程主义考古学对GIS的应用产生了积极的影响，一方面使得GIS考古摆脱了单纯的环境决定论的束缚，另一方面大大推动了GIS在考古学空间分析和景观考古研究的发展。

（二）西方文化遗产管理中的GIS

文化遗产管理中的GIS在欧洲（主要是英国）和北美有很大的区别，这主要是跟欧洲与北美对文化遗产的定义和操作的差异有关。实际上，北美不使用文化遗产管理的概念，而是用文化资源管理（Cultural Resource Management，简称CRM），将文化遗产与自然资源等同对待。

如前所述，GIS的理论和实践首先出现在北美，并率先用于自然资源的管理和规划，文化资源也在其中。而真正意义上的GIS在CRM中的应用还是1980年代以后的事，其中最有代表性的就是利用GIS构建考古遗址预测模型（archaeological site location modeling）。这一模型的建立和使用实际上受到当时美国考古学界占主导地位的新考古学思想的影响，主要是根据考古学和人类学调查的遗址空间位置的数据，借助于统计学的方法和GIS空间分析模块建立遗址与各种自然环境因素（如地形、水文、土壤等）之间的关系模型，并根据这个模型预测未调查区域遗址的发现概率，其目的是尽量减少各种潜在因素对可能存在的考古遗址的破坏。

与北美不同的是，欧洲使用文化遗产的概念（Cultural Heritage Management，简称CHM），更强调遗产的社会和历史属性。但与北美相比，GIS在欧洲文化遗产管理中的应用起步较晚，主要是在1990年代之后，欧洲学者联合召开的“计算机与定量考古学会”（Computer Applications ＆ Quantitative Methods in Archaeology，简称CAA）起到了关键的作用。但是，欧洲的文化遗产管理中考古遗址预测模型的应用明显不如北美流行，主要是集中在北欧的一些国家，如德国和荷兰 。相比之下，GIS在欧洲的文化遗产管理应用中更强调GIS的管理和组织功能，尤其是强调对遗产类型的划分和考古信息的分类，以及这些信息如何进入到计算机，按照GIS的方式实现存储和共享，甚至是针对GIS数据管理的特点，应该如何对考古数据的获取提出新的要求和规范等等，从而为文化遗产的管理服务。因此，欧洲的文化遗产管理中的GIS突出强调的是数据库建设的优先性。

值得一提的是，联合国教科文组织（UNESCO）对推进GIS在文化遗产管理中的应用起到了积极的作用。1992年联合国教科文组织率先帮助柬埔寨政府利用GIS对吴哥古迹进行相关保护，整合了考古、水文、气候、环境、人口统计等各方面的信息，建立了综合数据库，并以此为基础编制了保护规划，从而起到了协调不同部门在同一技术平台上进行建设和规划的作用，避免吴哥古迹由于各方利益的不协调而遭到进一步的破坏。除此之外，联合国教科文组织还于1999年编制了GIS应用于文化遗产管理的指导手册 ，目前这一手册已经被翻译成了中文 。

当前，随着多媒体、互联网、三维扫描、虚拟现实等新技术的应用，考古数据甚至是发掘现场的数据采集、管理、公众展示和互动，成为GIS在欧美文化遗产管理中应用的新方向。

（三）GIS在国内考古学研究和文化遗产管理中的应用

我国考古学和文化遗产管理的文献中最早出现GIS是在上世纪90年代，主要是一些针对欧美GIS考古的介绍性文章 。然而，尽管我国目前考古和文化遗产管理中应用GIS的文献已经非常丰富，但相当一部分是非考古人员对不同GIS技术在考古和文化遗产管理中应用的概念设计或模型假设。而真正从事GIS考古与文化遗产管理的实践主要集中在考古区域系统调查和遗址保护规划两个方面。

我国考古区域系统调查中应用GIS方法的工作开展得相当早，代表性的工作有河南颍河上游地区聚落考古调查 、洹河流域区域考古调查 、内蒙赤峰地区区域考古调查 、山西南部运城盆地聚落考古调查 、山东沭河流域聚落考古调查 、辽宁大凌河流域的区域考古调查 、四川成都平原区域考古调查 等等。这些工作由于参与人员和调查项目实施目的的差异，GIS技术应用的深度和广度都有差别。其中值得称道的是，赤峰地区的区域考古调查、山东沭河流域聚落考古调查、大凌河流域考古调查、四川成都平原的考古调查项目都有针对性地采用了不同的空间定量分析的方法：赤峰和大凌河上游的考古调查旨在通过对地表遗物的统计分析估算区域人口的变化；沭河流域聚落考古调查关注考古遗址与环境变量之间的相关性，在国内首次尝试建立考古遗址预测模型；成都平原区域调查注重空间抽样方法的应用。这些工作对于推进GIS技术在区域聚落考古研究中的应用起到了积极的作用。

具体到学术研究，我国GIS的应用与西方相比还显得比较初步，主要集中在三个方面：第一，描述性的研究，主要是利用GIS工具对考古聚落的地理分布和空间关系进行共时性和历时性的展示和讨论，目前这类研究的数量最多，多数GIS支持的区域系统调查都局限在这个层次 。第二，利用区域系统调查数据和相关资料，运用定量分析方法开展对考古遗址分布与地形地貌、水文、矿产、资源等之间的相关性研究，代表性的是赤峰地区GIS支持的环境考古研究 和沭河流域考古遗址预测模型 的建立。第三，与生态和景观相关的探索研究，包括利用GIS空间分析方法和多元统计分析对古代农业生态景观的讨论 、利用GIS空间移动模型讨论遗址资源域（catchments） 或统治疆域（territory） 的问题、利用土壤侵蚀模型讨论古代冶铁活动对植被的影响 、特殊遗址的视域研究 等等。总体来讲，这类研究的数量较少，还处于探索阶段。

我国遗址保护规划中应用GIS的工作开展得比较充分，有代表性的是南京师范大学开发的长江下游地区考古遗址GIS系统 、苏州科技学院与华东师范大学开发的“上海考古信息管理系统SHKGGIS” 、国家科技部支持清华大学开发的空间信息技术在京杭大运河大遗址保护中的应用系统 、镇江西津渡历史街区保护管理信息系统 等等。这些基于遗产保护和规划目的而主要由政府部门支持开发的专业GIS系统已经有了相当广泛的应用，对推进我国文化遗产管理事业起到了积极的作用。目前主要的问题在于参与机构庞杂，缺乏相关行业的标准和规范，文化遗产信息的有效共享受到限制。

总之，目前我国考古学和文化遗产管理中GIS的应用还处在初级阶段，从事研究和开发的人员以GIS或计算机专业背景的人员为主，因此有针对性的考古GIS研究还相当缺乏，尤其是与定量相关的空间分析和景观考古的研究还需提高。相比之下，文化遗产管理中GIS系统的开发和应用较为广泛，但也面临着一些问题需要解决。随着考古学和文化遗产管理学的发展，相信会有越来越多的考古学家和文化遗产管理者进入到GIS的领域，这种情况很快将会得到改观。

四、相关问题的讨论

GIS作为一种高效的时空解释新手段大大拓宽了考古学研究和文化遗产管理的领域，对于相关专业人员而言，系统了解有关GIS的基础知识是十分必要的。但同时我们需要谨记的是任何事情都有两面性，GIS技术在带来革新和便捷的同时也带来了新的风险和新的陷阱。因此，在使用GIS进行考古学空间分析时，必须对此有足够的认识和恰当的应对措施。从实践来看，GIS应用在考古学和文化遗产管理中有如下几个方面的问题需要特别注意。

（一）数据来源

GIS用于空间分析尤其是景观分析的数据来源非常庞杂，包括各类不同比例尺的专题地图、不同空间分辨率的遥感影像等。在选择和使用这些数据的时候，要根据具体研究的需要来确定。但一般来说，选择用于GIS空间分析的数据要考虑三个因素：

首先是准确度，这是最基本的要求，包括地图是否按照地图学的要求正确绘制，地物信息的表述是否符合研究需要（比如，如果我们需要遗址的面状信息，那么遗址点的分布图就不能满足要求），纸质地图是否提供了正确的地理坐标等等。

其次是计算效率，主要是要考虑到数据的大小、计算机的处理速度和实际的需求之间的平衡。比如，使用大比例尺地图或高分辨率影像会使得数据量和计算时间成倍增加，给后续分析的实现带来困难。因此，在满足研究需要的前提下，尽量压缩数据是很有必要的。

最后是展示效果。这方面的考虑是为了最终能够清晰、有效地说明考古和文化遗产管理的问题，也就是GIS中所谓的“地图综合”。试想，如果在一张中国政区图上将所有县级单位的城市标注上去，信息量确实足够大，但结果却无法显示在一张小比例尺的地图上。

（二）数据处理方式

由于考古和文化遗产数据，尤其是其空间属性时常具有很大的模糊性或不确定性，而计算机在记录空间属性时通常使用的都是精确坐标，因此在使用GIS描述考古现象时，我们必须要考虑到计算机语言和考古语言之间的差别，避免或尽量减少由此带来的人为性错误。实践中，解决这一矛盾的常用方法就是引入概论统计或模糊数学的概念来描述和处理考古和文化遗产数据。我们用以下两个实例来说明。

实例一　缓冲区分析是GIS空间分析的常用方法，但应用于考古学研究则需谨慎。比如，通过GIS查询工具，选择所有距离河流500米范围内的考古遗址，其结果是：假设遗址A距离河流499.9米，遗址B距离河流500.1米，那么遗址A被选择，而遗址B被排除。但实际上，从与河流的距离关系来讲，A、B两个遗址没有本质区别。如果在矢量化过程中，遗址或者是河流的位置稍稍移动，显然都会对统计结果产生重要影响。在这种情况下，正确的做法是直接计算每个遗址与河流的距离，然后观察所有距离值的统计分布特征，再运用统计学方法检验其差异的显著性。

实例二　遗址景观特征的比较是GIS空间分析中常见的方法，但也存在极大的风险。比如，我们直接以遗址点（矢量）去查询坡度图（栅格）得到的坡度值无法准确代表遗址所处位置的真实坡度。原因很简单，一个遗址点在地图上只能对应一个栅格的坡度，而这个栅格的坡度由于各种原因并不一定具备代表性。我们假设一个极端情况：遗址多数处于缓坡，只有中间有个小冲沟，但恰恰查询点落在这个栅格上，那么GIS查询结果就会认为遗址处在坡度很陡的位置。正确的做法是，从遗址点出发首先生成一定范围的缓冲区（比如500米的直线距离）或是使用更有效的资源域（详见本书第九章），然后观察统计这个缓冲区或遗址资源域范围内所有栅格坡度值的分布特征，再以此为基础比较遗址之间的坡度变异。

（三）空间分析方法的选择

GIS空间分析应用于考古和文化遗产管理必须关注不同统计和分析方法的适用性以及应用条件。就普通统计方法的应用而言，主要是要考虑考古数据的样本大小和统计分布特征。很多情况下，考古数据以小样本为多，但如果统计的样本量过少，很可能会导致分析结果的不稳定。除此之外，与一般的定量考古相比，通过GIS获取的考古空间属性数据的分布常常缺乏标准统计分布的特征（比如，遗址坡度的分布就常为偏态），因此诸如卡方检验、K-S检验等非参数检验在空间分析中常常更为适用。

针对GIS专门的空间分析方法而言，我们必须对这些方法的具体实现过程以及不同软件之间的差别有所了解，不能直接套用软件。比如，在空间过程分析中，采用D8（queen's move）还是D16（knight's move）的计算方法有时会对计算结果产生较大的差别，尤其是在栅格分辨率低的情况下；同样在成本面（cost surface）生成过程中，空间同向性和空间异向性也会产生不同的结果（详见本书第九章）。而实际上，常用的ArcGIS软件却无法采用D16的计算模式，也很难解决空间异向性的问题，相比之下使用开源软件GRASS要方便很多。

（四）考古空间属性的异质性和文化选择问题

除了数据和方法之外，考古空间属性的异质性特征也是我们必须要重视的一个问题。所谓空间异质性（heterogeneity）是来源于生态学的一个概念，指的是生态过程和格局在空间分布上的不均匀性和复杂性。考古空间属性多具有明显的异质性特征，举例而言：假设我们对一个地区所有龙山文化的遗址进行空间位置的聚类分析，如果我们直接套用统计学中常用的“等级聚类”或是空间分析中常用的“最近邻分析”，那么显然意义不大。因为结论一定是遗址呈聚合分布状态。这主要是因为新石器时代的遗址本身就沿河流分布，所以这种空间分析的结论只是证明了遗址与河流之间的关系，而不是遗址本身倾向于彼此之间的聚合。因此，在运用GIS进行考古学的空间分析时，我们应该首先强调景观分析，而不是单纯的空间分析。

除此之外，文化选择也是不容忽视的重要内容。因为人类不是机器，古人也没有计算机，人类的选择不是机械性的，而多数情况下是更具社会性和文化性。举例而言，我们可以用GIS在最省力的条件下模拟计算两个遗址之间的最短路径，但往往这个最短路径并非真实的遗址之间的道路。假设遗址之间有断崖或陡坎，GIS计算的最短路径常常会选择在崖下或坎下，但实际上人类更倾向于在崖上或坎上行走。

（五）解释模型的使用问题

最后，我们来讨论一下GIS空间分析中常用的解释模型的使用问题。构建解释模型是我们认识古代社会的一种常用方式，但在使用的时候应该避免一个误区，就是错误地将模型当作社会本身。任何历史研究者都不可能脱离自身的历史和文化属性，试图全面复原古代社会的做法往往是徒劳的。因此，我们必须意识到，这些模型的作用更多的是解释而不是复原。

具体到使用GIS空间分析方法构建历史解释模型，我们必须善于总结和归纳观察到的考古现象，将其简化为可控变量，通过控制一些变量的变化，观察其中对模型模拟结果产生显著影响的敏感变量，并对其作出合理的解释，也就是说通过模型寻找影响特定社会发展的关键因素。因此，在使用GIS进行空间分析和建模时，必须有适当的控制，防止“过度解释”（over explanation）是很有必要的。 3cqL+calll13aJk/RoBQ2l+CVuinhUxKZ4uwtq+HJEiLXGVaOWBY6vdUdRTpwwHA