賈笑冰:信息技術支持的博爾塔拉河流域考古調查


  一、概述


  區域考古調查是聚落考古研究的重要方法。調查的對象或是一個區域內的共時遺存調查,以獲得同時期遺存的分布規律、與自然環境的關係以及聚落分層等信息;或是一個區域內曆時遺存,以獲得該地區古代文化的曆時變化,建立區域考古學文化序列。而遺存及其所處的地理環境是考古調查需要收集的最基本資料。前者大致包括遺存的位置、規模、聚落布局模式、年代、文化屬性等,後者大致包括區域地形地貌特征、水文、遺存位置的微地貌狀況、遺存與水係的關係等。


  以常規方法開展區域考古調查時,調查人員往往使用衛星影像和地圖作為基礎資料。在衛星影像上規劃調查區域,結合手持GPS標注調查采集點,使用和最終得到的圖像完全是柵格圖片,不能獲得軟件分析所需的矢量製圖數據。如使用全站儀或RTK GPS測量遺址,由於這些設備的特性,調查人員很難得到大範圍的地理信息資料,一般隻能獲得單個遺址的資料,不利於在大區域內進行橫向比較,給進一步分析遺址間以及遺址與自然環境的關係造成了困難。同時,常規方法測繪複雜地形需要耗費大量時間和精力,影響了工作進度。如果沒有對基礎數據進行準確的計算分析,調查結論也會因缺乏基礎數據的支持而顯得主觀推測成分居多、科學依據不足。


  隨著科技進步,特別是計算機技術的發展,大量軟硬件為獲取和分析研究調查資料提供了更為科學、準確的手段,全站儀、RTK GPS、無人機等硬件和Agisoft Photoscan、Global Mapper等軟件,加上通過網絡獲取的衛星影像、數字高程模型可以讓調查人員高效獲取地形地貌和遺存的位置、規模、遺跡形態等數據。使用地理信息係統軟件(ARC GIS)對上述手段獲取的基礎數據深入加工,可以完成對區域調查資料的分析和研究。筆者在博爾塔拉河流域區域考古調查中利用這些方法獲得了大量基礎數據,並進行了初步分析,得出了對該區域古代文化的新認識。


  二、博爾塔拉河流域概況


  博爾塔拉河流域位於新疆博爾塔拉蒙古自治州的西部,博爾塔拉河發源於阿拉套山和別珍套山彙合處的洪別林達阪,河長252公裏,流域麵積15946平方公裏。該河東西流向,彙集了南岸的鄂托克塞爾河郭勒、大河沿子河,北岸的哈日吐魯克河及眾多小河溝,最後注入艾比湖。(圖一)


圖一  博爾塔拉河流域示意圖


  該流域西、北、南三麵環山,地勢西高東低,向東呈喇叭口狀敞開,與準噶爾盆地中的艾比湖相連。西北部是天山山係最北支阿拉套山,山脊線海拔3000米左右,最高峰4569米。北部是準噶爾盆地西部的瑪依力山,山勢較低,最高峰海拔2609米。南部是天山西段,自西向東依次有別珍套山、察汗烏遜山、汗孜格山、庫蘇木且克山和科古琴山,山勢較高,山脊線海拔3500-4500米,最高峰海拔5500米,是流域內最高點。兩山係之間是博爾塔拉河穀地。這一區域處於亞歐大陸腹地,遠離海洋和三麵高山環列的綜合影響下,平原區為典型大陸性氣候,幹燥、少雨、多風,四季氣候懸殊,冬、夏季漫長,春、秋季短暫。


  這片開闊的河穀地帶地處歐亞草原中部,連接著中亞地區與中國內地,是東西方古代文化交流的重要通道。其西側為安德羅諾沃文化的中心區:大部分在哈薩克斯坦共和國境內的七河流域;東北則是位於俄羅斯境內的著名的米努辛斯克盆地,這個盆地孕育了阿凡那謝沃、奧庫涅夫、卡拉蘇克等古代文化,這些文化與中國的多支考古學文化有著千絲萬縷的聯係。


圖二 博爾塔拉河流域遺址分布示意圖

1.阿敦喬魯遺址 2.烏蘇特別珍西山坡遺址   3.烏蘇特別珍遺址   4.烏蘇特別珍南山坡遺址  5.阿奧特遺址   6.古麗加巴墓地 7.呼拉別珍遺址 8.庫克他烏遺址 9.那仁烏蘇遺址10.哈拉歐遺址 11布熱村遺址12.鄂特克塞爾西南檢查站墓地  13.鄂特克塞爾吐日根遺址  14.黑山頭遺址  15.呼斯塔山前遺址16.呼爾托勒哈遺址 17.呼斯塔山頂遺址  18查幹薩伊遺址  19.加木楚遺址  20.沙比布留克遺址21.呼吉爾圖北遺址  22.呼吉爾圖南遺址 23.沙比布留克吐日根遺址

 

  2010年,中國社會科學院考古研究所開始對博爾塔拉河上遊的阿敦喬魯遺址和墓地進行發掘,確定其年代為距今3900-3700年,屬於早期青銅時代的安德羅諾沃文化。這一區域內分布著大量與阿敦喬魯遺址形態近似的石構建築群(圖二)。為厘清這些建築與阿敦喬魯遺址的年代關係以及它們在整個區域是否分級等問題,進而研究該區域內青銅時代早期的社會複雜化進程,我們對博爾塔拉河流域溫泉縣的部分地點開展了區域考古調查和重點試掘。


  調查發現的大量遺址相互聯係而又分群分布在由冰磧堤等自然地形分割的小區域內,關係緊密的遺址群可劃分為四個古代文化小區:烏蘇特別珍、阿敦喬魯、沙比布留克、呼斯塔(圖三)。四個區麵積不等,遺址分布形態不同,遺址數量也有區別。


圖三 博爾塔拉河流域文化小區示意圖


  呼斯塔小區位於博爾塔拉河流域中遊、溫泉縣城東北,該區麵積最大,超過了27平方公裏,包括查幹薩伊、大呼斯塔、小呼斯塔、呼爾托勒哈、小呼斯塔附屬的黑山頭、呼斯塔山前、呼斯塔山頂等7處遺址。


  沙比布留克小區東部以一道南北向的冰磧堤與呼斯塔小區相隔,麵積約為7平方公裏。該區有沙比布留克吐日根、沙比布留克、加木楚、呼吉爾圖南、呼吉爾圖北等6處遺址。


  阿敦喬魯小區位於博爾塔拉河流域上遊、溫泉縣城西北部,麵積約13平方公裏,這裏散布多處居址,偏南處為墓地。


  烏蘇特別珍小區在阿敦喬魯小區以南,中間以博爾塔拉河為分界,麵積3平方公裏多。該區有烏蘇特別珍西山坡、烏蘇特別珍和烏蘇特別珍南山坡3處遺址。


  除了這四個小區,一些規模較小的遺址零散分布在流域內,包括布熱村、哈拉歐、那仁烏蘇、呼拉別珍、阿奧特等。這些遺址的麵積、遺址內居址的規模和數量均較小。

 

  三、調查的技術路線


  (一)測量控製係統的建立


  為了使無人機拍攝的各遺址照片與免費獲取的整個區域衛星影像、數字高程模型等數據能夠進行整合,首先確定使用1954年北京坐標係在調查區域內建立統一的坐標測量控製係統。我們購買了一組(至少為3個)已知控製點的1954年北京坐標係三維坐標數據,建立了整個區域的測量控製係統。然後使用RTK GPS遠程移站,以已知控製點為基礎,每個遺址至少測量3~4個臨時控製點的三維坐標數據,作為超低空拍攝的測量控製框架。發掘或試掘中的布方也基於大地坐標係統的測站數據,使用全站儀或RTK GPS放樣測量,以便發掘或試掘資料可以納入軟件平台參與分析。


  (二)無人機拍攝


  自行組裝的六旋翼垂直起降無人遙控飛機攜帶無反數字相機進行拍攝。這種無人機拍攝係統的優點是重量輕,便於攜帶,抗風性和穩定性好。拍攝使用的成像質量較好的手動對焦廣角鏡頭,焦距選定在21~24毫米。


  拍攝之前需要在拍攝區域內設定四個控製點,分別擺放30厘米×30厘米的紅黃標誌牌,使用全站儀或RTK GPS測定這四個控製點的三維坐標。在無人機升空前,根據飛行現場的光線情況,設定好相機的感光度、白平衡和鏡頭的對焦距離,以保證拍攝的影像對焦清晰、亮度合適,色彩自然。無人機升空後,操控飛機在拍攝區域內按照“幾”字形飛行線路拍攝,同時保證相鄰影像之間有80%左右的重疊度。遺址範圍較大時,電池放電結束之前操控無人機降落,更換電池後繼續飛行拍攝。


  (三)數據處理


  1.預處理  無人機拍攝的大量數字影像無需全部導入分析處理軟件。由於此次調查的遺址地表植被稀少,也沒有建築物,所以相鄰影像的重疊度為60%時即可生成完整的三維模型,可以挑選奇數或偶數序號的影像參與處理,減少計算機的處理時間,提高工作效率。如果拍攝過程中受到低空雲朵的影響,部分影像的亮度、反差不理想,需要先在Adobe Photoshop軟件中調整,達到最佳效果。


  2.三維重建  將預處理後的影像導入AgisoftPhotoscan軟件,按照操作步驟得出遺址區域的三維模型,在三維模型上準確標注四個控製點的位置,按順序輸入控製點的三維坐標數據,對模型實施絕對定向,將三維模型安置到統一的大地坐標係中。


  3.數據導出  根據絕對定向後的遺址三維模型,可以生成遺址的正射影像圖和數字表麵模型,正射影像圖的地麵分辨率一般設定為2厘米,數字表麵模型的地麵分辨率可以設定為5厘米。由於此次調查的遺址地表植被稀少,生成的數字表麵模型與數字高程模型完全一致。


圖四 遺址微地貌測繪圖


圖五  製作博爾塔拉河流域遺跡測繪圖

 

  4.數據再加工  將數字高程模型輸入GlobalMapper軟件中,可以生成等高距為0.5米或1米的等高線,製作遺址微地貌圖(圖四)。將正射影像導入到矢量製圖軟件可以繪製地表遺跡圖(圖五)。在Global Mapper軟件中疊加數字高程模型和正射影像,可以得到影像中任意遺跡、遺物的三維坐標數據。


  四、區域數據整合與空間分析


  調查和試掘獲得的資料、超低空拍攝獲取的遺址地形地貌和遺跡分布等資料,最終需要通過地理信息係統軟件進行空間分析,來進一步探討遺址之間和遺址與環境的關係。


  首先免費獲取的SRTM數字高程模型(DEM)和ETM衛星影像進行坐標係轉換,使其與超低空拍攝獲取的影像、地形圖等數據具有同樣的坐標係,然後在地理信息係統軟件(ARC GIS)中對各種數據進行集成和一係列的空間分析(圖六)。


圖六 區域數字高程模型(DEM)


  (一)試掘資料的分析


  對試掘獲得的陶器進行類型學的分析和對獸骨標本進行年代學測定。都是傳統考古學的方法,不同的是,我們將這些標本根據坐標數據導入地理信息係統軟件,直觀地判斷一定區域內不同遺址的年代學關係和考古學文化屬性。


  (二)遺跡形態及空間關係分析


  我們綜合使用矢量製圖軟件和地理信息係統軟件等,通過繪製遺跡平麵圖、標記遺跡位置等手段,比較同一遺址內和不同遺址間遺跡的平麵形狀與結構,以及遺址中遺跡的平麵分布特征和空間關係。我們發現博爾塔拉河流域青銅時代早期遺址有分散型和密集型兩種布局模式。分散型遺址中遺跡散落在較大的空間範圍內,相互之間的關係鬆散;密集型遺址的遺跡間則有密切的關係,平麵布局往往有內在規律。


  (三)遺址視域分析


  遺址的視域分析在聚落考古研究中意義重大。古人選擇居址的一般原則是背風、向陽、距離水源較近,考慮到聚落群中聚落間的關係,聚落間的可視範圍以及相互通視情況則尤為重要。為了加強控製,地位較高的遺址或者軍事要塞會占據較高的有利地勢,以便監控依附在其周圍的較小型遺址。也利於第一時間發現遠距離敵情。 


圖七 遺址視域分析

1.阿敦喬魯遺址  2.烏蘇特別珍西山坡遺址   3.烏蘇特別珍遺址   4.烏蘇特別珍南山坡遺址  5.阿奧特遺址   6.古麗加巴墓地 7.呼拉別珍遺址 8.庫克他烏遺址 9.那仁烏蘇遺址10.哈拉歐遺址 11布熱村遺址12.鄂特克塞爾西南檢查站墓地  13.鄂特克塞爾吐日根遺址  14.黑山頭遺址  15.呼斯塔山前遺址16.呼爾托勒哈遺址 17.呼斯塔山頂遺址  18查幹薩伊遺址  19.加木楚遺址  20.沙比布留克遺址21.呼吉爾圖北遺址  22.呼吉爾圖南遺址 23.沙比布留克吐日根遺址

 

  通過計算分析每個遺址的視域範圍,我們發現小呼斯塔遺址附屬的黑山頭遺址視域範圍最大,幾乎涵蓋了博爾塔拉河中遊的南北兩岸。它和對麵的小呼斯塔遺址附屬的呼斯塔山頂遺址南北遙相呼應,控製著廣闊的草原。圖七的紅色區域為黑山頭遺址視域,紫色區域為呼斯塔山頂遺址的視域,二者疊加,明顯比白色區域的阿敦喬魯遺址視域和粉色區域的烏蘇特別珍西山坡遺址視域廣闊得多(圖七)。


圖八 河流緩衝區分析

1.阿敦喬魯遺址  2.烏蘇特別珍西山坡遺址   3.烏蘇特別珍遺址   4.烏蘇特別珍南山坡遺址  5.阿奧特遺址   6.古麗加巴墓地 7.呼拉別珍遺址 8.庫克他烏遺址 9.那仁烏蘇遺址10.哈拉歐遺址 11布熱村遺址12.鄂特克塞爾西南檢查站墓地  13.鄂特克塞爾吐日根遺址  14.黑山頭遺址  15.呼斯塔山前遺址16.呼爾托勒哈遺址 17.呼斯塔山頂遺址  18查幹薩伊遺址  19.加木楚遺址  20.沙比布留克遺址21.呼吉爾圖北遺址  22.呼吉爾圖南遺址 23.沙比布留克吐日根遺址

 

  (四)河流緩衝區分析


  緩衝區是地理空間目標的影響範圍或服務範圍,具體指在點、線、麵實體的周圍建立的一定寬度的多邊形。河流緩衝區是指以河流這種線性地理目標為中心,在其兩岸建立的一定寬度的條形區域。在地理信息係統軟件ARC GIS通過數字高程模型計算得到的地表河流是目前存在的河流,無從得知是否符合調查對象所處時代的地表情況,考慮到河流擺動、改道等因素,適當地建立一定寬度的緩衝區,可以盡量避免上述因素的影響。另外,建立緩衝區也可以直觀地看到調查對象與河流的距離關係。


  在博爾塔拉河流域,我們給定的緩衝區範圍是1000米。除阿敦喬魯、加木楚、查幹薩伊三處遺址,其餘遺址均坐落在緩衝區範圍之內(圖八)。可以看出博爾塔拉河流域青銅時代人類選擇居址特別注意尋找靠近水源的地方(圖九),一般不會超出距河流1000米的範圍。


圖九 遺址與流域麵積的關係

 

  (五)遺址與流域麵積關係的分析


  古代聚落的選址與自然環境,尤其是水資源有密切關係,可能需要同時考慮朝向、溫度、降水量、水資源多寡等多方麵因素。地表水的豐富程度是一個區域能否支撐古代人類長期活動的重要指標,擁有較多人口或地位等級較高的大型遺址占有的水資源往往更多。因此計算分析遺址所在區域地表河流、小溪、泉水及它們構成的流域麵積,可以從一個方麵驗證對遺址規模或等級的推測。博爾塔拉河流域調查範圍內的四個青銅時代文化小區中,呼斯塔小區擁有較多河流、季節性衝溝和泉眼,地表水資源十分豐富,因此這一區域內有較多遺址,其中的呼斯塔遺址麵積最大(圖一○)。


一○  呼斯塔文化小區的麵積


圖一一 呼斯塔遺址的麵積  

 

圖一二  呼斯塔遺址大型居址麵積

 

  (六)文化小區和遺址麵積分析


  以往要界定文化小區、遺址甚至是單個遺跡的準確範圍並測量其麵積是一件十分困難的事情。現在,借助基礎數據和相關軟件,可以高效且準確地完成這項工作。


  目前,很多基於互聯網數據的軟件中均有測量麵積的功能。在軟件中打開地圖,找到調查遺址的所在地區,根據地表踏查的結果,便可以準確勾勒出文化小區和遺址的範圍並測算出麵積。我們用這種方法獲得了前述四個文化小區的麵積,呼斯塔小區麵積最大,達到27.56平方公裏。其中的呼斯塔遺址麵積12平方公裏,為整個流域之最。進一步放大分辨率,發現呼斯塔遺址中最大的石構建築組合麵積達4900餘平方米。這是目前西天山北麓地區麵積最大的建築組合,很有可能是一處區域中心。(圖一一、圖一二)

 

  五、結語


  第一,通過對試掘得到的陶器進行類型學分析和對獸骨進行年代學測定,博爾塔拉河流域各遺址的石構建築年代基本一致,大致為距今3900~3700年,,從試掘、發掘得到的遺物特征來看,這些遺址應該屬於安德羅諾沃文化共同體。


  第二,遺址的聚落模式特點鮮明。建築均為石構結構,平麵呈圓形、長方形或形狀不規則形。一般壘砌礫石為牆,隻有阿敦喬魯遺址一號居址F1牆體是巨大的石板圍立而成。聚落內部居址布局模式可分為分散型和密集型,以呼斯塔遺址為代表,絕大多數為密集型,阿敦喬魯遺址則代表了分散型。山頂、山前遺址互為依托。呼斯塔遺址由南北三處山頂遺址(呼斯塔山頂、呼斯塔西山頂、黑山頭山頂)和中間的山前衝積扇遺址構成;吐日根遺址則由吐日根山頂遺址和山前遺址構成;呼吉爾圖南遺址包括了呼吉爾圖南山頂遺址和山前遺址。根據測得的文化小區和聚落麵積,博爾塔拉河流域的聚落址可分為大、中、小三個級別。呼斯塔遺址麵積最大,其中最大的建築組合麵積達4900餘平方米,屬於大型聚落。阿敦喬魯、烏蘇特別珍西山坡、烏蘇特別珍南山坡等遺址為中型聚落。其它零星分布的居址為小型聚落。


  第三,絕大部分聚落分布在河流兩側1000米的範圍內,符合近水源而居的選址原則。大型遺址往往占有更多的地表水資源,分布區也涵蓋了更大的流域麵積。


  第四,從視域分析結果來看,呼斯塔遺址可視域麵積廣大,遠超其它遺址。


  綜上所述距今3900~3700年前後占據博爾塔拉河流域的考古學文化應是安德羅諾沃文化共同體的一支。綜合地表水占有量、年平均溫度、遺址麵積、單體石構建築麵積、聚落布局模式等因素,呼斯塔遺址應該是這支考古學文化的中心遺址。

 

(本文電子版由作者提供 作者:賈笑冰 中國社會科學院考古研究所 原文刊於:《考古》2017年第4期 注釋有刪減,詳細內容請點擊左下方“閱讀原文”)



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