地理信息系统（Geographic Information System）简称GIS，是对与研究对象相关的空间信息进行采集、储存、管理、分析和展示的通用技术。作为现代数字考古技术的重要组成部分，GIS在一定程度上弥补了传统田野考古资料记录方法的不足，也为认知和阐释考古遗存提供了一种全新的视野和方法。本文结合部分应用实例及已有研究成果，对地理信息系统在考古学及文化遗产研究中的应用进行简要介绍。

一、地理信息系统概述

作为一种空间数据管理系统，GIS在地理信息科学、环境科学、城乡规划，国土资源管理等领域都有十分广泛运用。美国环境系统研究所公司（Esri）对于GIS的作用有十分全面准确的表述。根据Esri的定义，地理信息系统是一个创建、管理、分析和绘制所有类型数据的系统。GIS 将数据连接到地图，将位置数据（事物所在位置）与所有类型的描述性信息（事物在该位置的情况）集成到一起，这可以为适用于自然科学和几乎所有行业的制图和分析提供基础。GIS 帮助用户了解模式、关系和地理环境。其优势包括改善沟通、提高效率以及更好地管理和决策。

简而言之，地理信息系统是一种将研究对象的各类特征与空间信息进行关联，并进行分析和展示的数据管理分析系统。而考古遗存本身所具备的空间属性为GIS运用于田野考古工作及考古学研究提供了前提，在考古工作中具有信息记录、空间分析、制图表达和辅助决策等作用。

目前，由美国环境系统研究所公司（Esri）开发的ArcGIS系列软件是市场上最为强大的商业地理信息软件，具有强大的地图制作、空间数据管理、空间分析、空间信息整合、发布与共享的能力，是目前功能最为全面、应用最为广泛的桌面GIS软件之一（图一）。除ArcGIS外，能够跨平台运行的QGIS在成熟的开发社区和丰富的插件支持下，也是ArcGIS的开源替代方案之一（图二）。

图一 ArcMap10.8软件界面

图二 QGIS3.22软件界面

二、GIS与田野考古

田野考古工作是获取考古实物资料及其相关信息的基本手段。 考古调查与考古发掘是田野考古最主要的工作方法。

由于GIS与大多数测绘工具以及矢量绘图软件的数据格式能够实现互相转换，同时得益于民用小型无人机以及多视角三维重建技术等在考古中的广泛应用，因此，在田野考古工作中建立基于考古项目的考古地理信息系统已经十分便捷。

就考古调查而言，基于GIS设计和开展的考古调查，能够最大程度保障田野调查的系统性、有效性和全面性。在制定工作方案时，在GIS中利用卫星图片、数字正摄影像、数字高程模型、道路水系等地理信息数据分析调查区域的人文地理特征，因地制宜划分调查单元、指定调查路线；在调查过程中，将GIS中规划的调查单元及路线数据导入奥维地图、Oruxmaps、QFiled等手机软件作为导航系统，根据预先制定方案对调查区域内遗迹遗物进行打点和记录；调查结束后，将遗迹遗物的位置数据导入GIS形成矢量图层，并将关键信息分类录入矢量数据的属性表中，通过数据筛选、组合、叠加就能够直观呈现调查区域的遗迹遗物分布情况等基本特征（图三、图四）。 

图三 陕西靖边杨桥畔瓦渣梁地点地表遗存分布情况[1]

图四 Kythera岛考古调查由网格记录的地表陶片密度[2]

针对考古发掘，GIS同样是规划发掘工作、记录遗存信息、分析遗址特征的重要工具。在考古发掘正式开始之前，基于发掘区域高清正摄影像和数字高程模型结合调查勘探结果进行虚拟布方，能够合理规划发掘区域（图五）。在发掘过程中结合多视角三维重建技术，采集遗迹及地层堆积的数字正射影像，经过地理配准后导入GIS，能够直观展示基于影像的遗址分布情况；同时通过对遗迹平面形状的矢量化，能够为遗迹添加开口层位、土质、土色、包含物、年代、形制大小等属性，便于后续分析整理。此外，田野考古发掘中采集的遗物的位置也可作为位置点数据导入GIS之中。由此，几乎任何田野考古的工作对象都能在GIS中建立起以位置信息为连接的数据库。此外，GIS的矢量数据的属性表中可以链接文字、图像等信息，因此又能成为建设文物考古数据库的基础。

图五 使用QGIS实现虚拟布方

上述方法是以单个遗址为对象建立起的离线地理信息系统。在此基础之上，基于WebGIS建立的田野考古工作平台，能够将各个遗址的地理信息进行整合，管理、展示，不同遗址、区域的发掘人员通过网络浏览器即可完成考古发掘信息的上传，能够真正在特定区域乃至全国范围实现“考古一张图”（图六）。如笔者2019年在新疆哈密参加的海子沿遗址发掘就采用了基于WebGIS的地理信息系统对发掘资料进行管理。

图六 基于WebGIS开发的田野考古工作平台示意

三、GIS空间分析与聚落考古研究

相较于田野考古地理信息系统的应用，GIS应用于考古学研究现已较为普遍。早在20世纪90年代末就已经陆续有学者关注到GIS在考古研究中具有十分广阔的前景。进入21世纪，已经陆续出现相关的研究成果。如吉林大学腾铭予教授运用GIS系统对内蒙古东部新石器时代至汉代的一些遗址进行了分析研究；现社科院考古所刘建国研究员的博士论文《GIS支持的聚落考古研究》成为应用GIS进行聚落考古研究的范例之一。

从已有研究成果来看，相关研究成果主要关注应用GIS空间分析方法进行聚落考古研究。主要包括叠加分析、水文分析、缓冲区分析、通视域分析、密度分析、坡度坡向分析、考古遗址预测等。

叠加分析，即将研究对象的地理空间分布情况与其他自然人文地理要素如河流水系、道路交通、地形地势等进行叠加，分析之间的相关性（图七、图八）。

水文分析主要分析研究对象分布与河流水系的相关性。除现代水文条件外，多数GIS软件都能基于数字高程模型（DEM）模拟潜在河流（图九）。

图七 泾河流域先秦时期遗址高程叠加图[3]

图八 一张叠加了等高线及水系分布的遗迹分布图[4]

图九 新疆红山口遗址居址分布与水系情况[5]

缓冲区又称影响区或影响带，是指围绕地理要素的一定宽度的区域。缓冲区是以某类图形要素的外围扩展区域。考古研究中主要分析河流缓冲区周边的古代遗址分布状况（图一〇）。

图一〇 伊河流域河流缓冲区与聚落分布（蓝色为河流缓冲区）[6]

通视域分析主要基于地形数据分析目标点周围的可视范围。在考古遗址中，聚落中心或军事防御建筑等通常具有较为广阔的视域范围。

密度分析，即分析某类研究对象在特定区域内分布的聚集程度。

坡度、坡向分析，即分析研究对象所在区域的坡向和坡度。如古代遗址一般分布在低坡、向阳地带（图一一）。

图一一 红山口－石人子沟遗址群居址地形坡度分析图[7]

遗址预测，是通过对研究区域内已知样本遗址的空间位置与各种自然地理要素之间的关联性，基于各种统计学特征建立起遗址的分布状态或选址策略模型，总结分布规律，预测未知区域内遗址分布的情况，是一种由“已知”研究“未知”的预测方法（图一二）。

图一二 基于最大熵模型的泾河流域新石器时代中区遗址分布预测[8]

除上述列举的几个方面之外，考古学地理空间分析研究还包括基于统计学的各种定量和聚类分析等。现代GIS软件大多支持Python、R等统计分析语言， 因此可以根据研究需要，在GIS进行各种统计分析，并建立数据模型。总之，利用GIS进行考古学空间分析研究，其研究的视角和方法是不受局限的。

四、GIS在考古学及文化遗产中的其他运用

图表是展示各类分析研究成果最直观的方式。作为处理空间位置数据的工具，GIS本身就是强大的制图工具。就考古学而言，GIS能够绘制包括但不限于各类遗址分布图、遗址位置示意图、遗址总平面图、考古遗存分布图以及各类空间分析的成果展示图（图一三～图一五）。 

图一三 GIS制作的遗址位置示意图

图一四 GIS制作的遗址位置示意图

图一五 ArcScene制作的遗址分布示意图

除考古学外，GIS在文化遗产保护领域中也具有广阔的应用前景。文化遗产的保护、管理和利用往往需要立足于文化遗产本身的价值内涵，综合考虑其所在区域的人口密度、经济状况、交通条件、产业布局等多重因素；在具体的文化遗产的保护管理规划中，又涉及到建设控制地带、游览线路、基础设施、景观设计等方面的规划建设。在GIS中，各类文化遗产及其相关的自然人文要素都能够被抽象为点、线、面数据，并附加定性或定量属性进行分析，因此，涉及到文化遗产保护利用规划的各类因素都能在GIS进行基于统计学的区位分析，实现方案设计。

五、小结

随着数字时代的到来，考古及文化遗产的数字化是必然趋势。可以预见，随着大数据、虚拟现实、人工智能等技术的不断发展，以考古地理信息系统为代表的数字考古技术将会为文物考古事业带来的价值认知、价值阐释和价值展示提供更加多维的视角和方法。

注释：

[1]裴学松、邵晶等：《新发现|荒漠辨城——陕西靖边杨桥畔城址调查新收获》，“文博中国”公众号，2023年5月12日，https://mp.weixin.qq.com/s/3CmMIFbKiTbYTwBTTpkpfQ。

[2] 张海：《GIS与考古学空间分析实践教程》，彩版1，北京大学出版社，2018年。

[3] 韩一夫：《GIS技术支持下的泾河流域先秦时期人地关系研究》，西北大学，第16页，2020年。

[4] 西北大学文化遗产学院等、新疆文物考古研究所等：《2018年新疆巴里坤小黑沟遗址调查简报》，《西部考古》第23辑，第91页。

[5] 韩博：《地理信息系统在古代大型游牧文化遗址的应用于研究》，西北大学，第48页。

[6] 刘建国：《GIS支持的聚落考古研究》，中国地质大学（北京），第49页。

[7] 韩博：《地理信息系统在古代大型游牧文化遗址的应用于研究》，西北大学，第35页。

[8] 韩一夫：《GIS技术支持下的泾河流域先秦时期人地关系研究》，西北大学，第39页，2020年。

图文：牟俊杰