空间分析技术支持的聚落考古研究
刘建国 王琳
摘要：本文运用GIS的空间分析技术中的缓冲区分析、坡度与坡向分析、可视域分析等手段，对山西省襄汾县境内的古代聚落进行考古学研究，探究古代聚落的分布与自然环境的密切关系，以及古人对自然环境的依赖与改造。
关键词：空间分析 古代聚落 缓冲区 可视域
伴随着GIS技术的深入发展，考古研究中GIS技术的应用与研究也得到了足够的重视，并且取得了丰硕的成果，为现代考古学研究提供了一整套全新的方法和手段，成为考古学研究中一个独特的研究方向。很多定期召开的考古界国际学术研讨会（如CAA-Computing Applications in Archaeology、Archaeometry以及一些考古学研究方面的年会等）都将GIS在考古研究中的应用与研究作为独立的专题，让考古界的学者与GIS方面的专业人员一起进行交流和探讨，更加促进了考古研究中GIS技术的发展与完善。
考古调查和发掘中获得的资料都具有空间属性，一个考古遗址的位置和范围可以通过空间数据来表示，考古遗址内的遗迹、现象乃至每一件器物或陶片，都是在特定探方中的特定位置上，可以用准确的数据来表示各自的空间位置。所以，根据遗址中各种遗迹和器物的空间分布的状况，可以模拟和重建当时的历史及其演变过程。传统的考古学研究一般是通过人脑的思考，然后使用文字描述或图表对研究结果进行归纳和总结。这种研究方法非常简便，但是往往无法同时运用全部的考古信息进行综合研究，而且不便于进行空间的分析和模拟，深入浅出地对考古学问题进行阐述和研究①。考古地理信息系统技术正是从考古遗迹或现象的空间位置出发，建立多种空间信息与属性信息并存的数据库和图形图像库，从而能够方便地进行多重空间分析和模拟，直观、简洁地复原当时的社会状况。
山西省襄汾县位于汾河流域中部，中部平坦，水源丰富。西北的吕梁山与中部平原的边界由断层陷落形成，地势起伏很大；东部塔儿山与南部中条山的起伏则较为平缓，其山麓地带非常适合于人类生存（图一）。自仰韶至汉代的数千年中，这里的聚落文化不断发展、演变，特别是在龙山时期，这里出现了规模宏大陶寺城址，陶寺遗址内曾经发掘出很多大型的宫殿，以及同时期的大型墓葬、高规格的礼器，探查出封闭的城墙等等，被很多学者认为是文明起源和国家形成的标志。
1959至1982年间，中国社会科学院考古研究所山西工作队，对山西南部地区自仰韶至汉代的聚落进行了多次调查，并于1989年在《考古学集刊》第6期上发表了《晋南考古调查报告》。这份调查报告从传统考古学研究的角度，对晋南地区文化类型的发展和演变进行了细致的分析，提出了一些很有意义的考古学问题。
本项目的研究就是根据《晋南考古调查报告》中襄汾县境内的考古调查资料，以及襄汾县1:50000地形图、中巴资源卫星影像等资料，建立了该区域内聚落分布的地理信息系统。我们首先根据资料中描述的聚落位置，在地形图上标注全部聚落，再对地形图进行了矢量化，建立了等高线、水系、现代居民地、各个时期的聚落分布等矢量图层。其中水系层矢量化时，只是选择自然形成的水系，而对于现代人工开挖的渠道则不作选择；各时期的聚落层中，根据聚落面积的大小，将聚落分为三个等级：面积小于5万平方米的为小型聚落，面积大于5万而小于10万平方米的为中型聚落，面积大于10万平方米的为大型聚落。
在时间分布上，该区域中的聚落发展从仰韶时期开始，到庙底沟二期发展迅速，至龙山时期达到鼎盛阶段（图二），而且出现了很多大型和中型聚落，东下冯时期聚落数目开始减少，尔后在商、西周时期由于未知原因而急剧减少（图三），东周至汉代再慢慢发展起来。这种在一定时期内聚落剧减的情况在其它地域也出现过，如陕西七星河流域在夏和早商时期几乎没有聚落，而其前、后几个时期则有很多的聚落②。产生这种情况的原因，有学者认为可能是人口过度发展导致环境恶劣，人类无法生存而离开，或者是疾病、自然灾害等迫使人类迁徙到其它地域。
笔者认为还有另外一种可能，就是夏和商王朝迫使这两个地域的人迁徙到夏、商王朝的中心统治区域或者被驱赶到其它地区。因为晋南地区属于夏的统治区，所以夏代这里有很多聚落，而陕西七星河流域不属于夏的统治区则无人居住；商代的统治中心东移，晋南与七星河流域都无人居住。河南省的洹河流域与伊洛河流域，在夏、商时期都是统治中心地区，一直有大量的人口生活在两个流域中③④。
在本项目的研究中，我们运用了缓冲区分析、可视域分析、坡度与坡向分析等方法，研究聚落的分布、演变及其与地理环境之间的关系。
一个区域内各种考古遗迹或现象与周围环境之间都有着密切的联系，反映出当时人类的生存受到自然环境的严重制约。在聚落考古调查和发掘工作中，考古学家记录了很多有关考古遗迹或现象的空间数据，或者说那些数据具有重要的空间信息。所以能够运用空间分析的方法对一个区域内的考古数据进行研究，揭示考古遗址的分布与自然环境等因素的关系。
1. 缓冲区分析
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元素（点、线或面）为基础拓展一定的宽度而形成的区域。在本项目的研究中，各个时期的聚落基本上都是沿着河流分布，所以建立了河流缓冲区，并且发现全部聚落基本上都是在汾河各支流两侧大约600米的范围内，而汾河两岸的聚落则非常稀少（图四）。这个情况与其它一些地区的聚落分布特征比较一致，当时人们的生活与水源有着极为密切的关系，人们在选择居住地点的时候首先要考虑与水源的距离。研究区域的西南部地势较平坦，现在修建了一些人工水渠，很难发现自然河流的痕迹，当时自然河流遭到严重破坏，这里的聚落看起来显得与河流无关，但在当时应该是与河流有着密切的关系。
产生这种情况的原因在于山西省属于半干旱性气候，全年的降水量较少，而且分布极不均匀，一般七、八两个月的降水量超过全年降水量的65％，而另外10个月的总降水量还不到35％。人们为了在旱季也能够生存在这里，必须在雨季贮存足够的水量。于是人们就在靠近河流的地方选择居住地，每个聚落的人都会在附近的河流上修建堤坝，使堤坝以上的河段成为一个个小型水库，常年贮存一定的水量以满足人们长期生存的需要。当然，考古工作发现河姆渡时期就已经开始使用水井⑤，山西南部地区自龙山时期也开始使用水井，但可能水井的使用并不很普遍，否则在距离河流较远的地方也可以生存，所有的遗址就不会紧紧靠近河流分布。
研究区域内汾河的支流众多，每条支流的汇水面积都很小，不同聚落的人们逐水而居，在每条支流上往往会修筑多座堤坝，从而使雨季里河流中水的流速和流量都得到较好的控制，一般的暴雨不至于冲毁堤坝。当然有时也会有大的山洪冲毁堤坝，人们需要经常性地修复和维护他们赖以生存的堤坝。研究区域中的聚落基本上都是沿小型的支流分布，而汾河沿线分布的聚落则非常稀少，其原因就是雨季中汾河的水量很大而无法控制。
关于史前人类修筑水利工事的情况，何驽博士曾经在湖北省京山县屈家岭遗址上发掘出“围堰”遗迹，由此提出“堰居式”聚落的概念⑥，说明至少在屈家岭时期人们已经开始修建水利设施来贮水。屈家岭文化的时间相当于中原仰韶之后、庙底沟二期之前，可以说时间上与本项目研究的早期聚落比较接近，所以晋南地区的先民自新时期时期开始修建水坝是绝对有可能的。然而，襄汾县与京山县的土壤情况有所不同，襄汾县的黄土土质疏松，表层土壤易于渗水，所以不能修建大面积的围堰来贮水，只能利用下切很深的河道来贮水。
2. 坡度与坡向分析
从研究区域中聚落的总体分布上看，各个时期的聚落基本上都集中在中部地区，南部和北部则很少有聚落，而且很多都是在东部塔儿山的山麓地带。通过GIS软件生成坡度分析模型之后，可以看出坡度在1°以内和超过3°的地带几乎没有聚落分布（图五）。西部吕梁山沿线坡度很大，河流的落差也很大，不适合修建堤坝用来贮水，人类无法在这里生存。而坡度在1°以内的平坦地带，可能是河流的稳定性很差，山洪爆发的时候经常发生河流改道等事件，人们也就无法在那里生存了。而1°至3°的地带中，河道下切很深，河流较为稳定，适合人类的生存。
在坡向分析中，一般认为古人选择朝南的坡向居住时可以接收更多的光照，较少受寒冷的西北风的侵扰。但是该研究区域中聚落的分布与坡向的关系不很明显，其原因应该是各时期中人类的生存主要依赖于水源，选择合适的河段才是保证全年不断水的最重要条件，其它方面的的因素都是次要的，有时候不得不放弃。
3. 可视域分析
遗址或聚落的可视范围或一组遗址能否相互通视的情况，在考古学的景观结构中有着极为重要的作用，古代战略要塞或墓冢往往位于地势较高的位置，所以可视域分析在考古学分析和解译中有着重要的单位。对于很多文化类型和人群来说，一个地域中视觉的影响力超过其它感官接收的信息，这个地域可以感知其冷或热，气味或声音，但是视觉特性的则能留下很深的记忆和暗示，常常形成对这个地域最基本的描述⑦。
国外一些学者认为，遗址（不论其地位和功能如何）的可视特征具有浓厚的地域特色，一个遗址选择可视特性的原因可能有很多，其中有与其具有某种特定关系的同期（或早期）遗址，或者是具有特殊自然景观的地点。古人确定聚落位置时可能会认真考虑各种关系，受到各种故事、传说或者一些重复的经历或遭遇的影响，所以可视性并非只是选择聚落、祭祀或其它活动场所的唯一因素⑧。
在本项目的可视域分析中，以较为典型的仰韶、龙山、东下冯（图六）几个时期的大型或中型聚落为视点，分别建立相应时期的可视域，发现各个时期的小型聚落基本上都不在相应时期大型遗址的可视域内。
产生这种情况的原因，笔者从两个方面进行分析：其一是各个时期的人们选择聚落的时候，首先考虑的因素是距离水源的远近，生存的需要才是第一位的，在此基础上再考虑其它的因素。其二是在大型聚落内，人们可以修建很高的了望塔，或者选择聚落内地势最高的地方搭建了望台，这样可以看到周围的中小型聚落，牢固地掌握管辖地域内的各种情况。或者是在聚落附近的山顶上修建了望台，然后通过烽烟把信息传递到聚落内部。
本项目的研是以地理信息系统的缓冲区分析、坡度与坡向分析、可视域分析等技术为基础，对山西省襄汾县境内的仰韶至汉代聚落分布与环境的关系进行研究，提出自新石器时期开始，人们依赖与简单地改造自然环境的假设，为GIS支持的区域考古研究提供了合适的研究实例。
本项目的不足之处在于提出的各种假设只是根据GIS的空间分析方法得出的，缺少足够的田野考古工作支持，还没有得到传统考古学的证实，而且有的假设（如建设水坝等）目前很难去证实，所以很多问题还需要作进一步的研究和探索。
但是，基于GIS的空间分析方法仍然具有传统考古学研究无法比拟的优势，可以为区域考古研究提供了一套重要的分析工具，揭示人类社会在发展之初对自然界的依赖关系。当然，并非所有的空间分析方法都能适合各种考古项目，只有在合适的考古项目中，慎重地运用GIS的空间分析方法，才能最大限度地发挥这些工具的潜力。同时，还需要足够的考古调查与发掘等方面的资料，对空间分析的结果作出科学的推理与解释，使GIS的空间分析方法与考古学研究紧密地结合在一起。
参考文献：
① Allen, K.M.S., Green, S. and Zubrow, E.B.W. (eds.), Interpreting space: GIS and archaeology, Applications of Geographic Information Systems, London, 1990.
② 徐良高等，七星河流域区域调查，考古学报，2005年第4期。
③ 唐际根等，洹河流域区域考古研究初步报告，考古，1998年第10期。
④ 许宏等，2001年～2003年洛阳盆地考古调查初步报告，考古，2005年第5期。
⑤ 浙江文物考古研究所，河姆渡，文物出版社，北京，2003年。
⑥ 宋豫秦等，中国文明起源的人地关系简论，科学出版社，北京，2002年。
⑦ David Wheatley & Mark Gillings, Spatial Technology and Archaeology, The Archaeological Applications of GIS, London 2002.
⑧ 同⑦。
文章转自社科院考古所中国考古网
