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欢迎大家来到爱考古，今天要讲的题目是《数字技术支持的史前水利工程研究》——如何运用现代的遥感、地理信息系统等技术，去分析史前的治水相关问题。 敲黑板，划重点：史前人类在大自然中的如何聪明地选择居址和聚落址，无人机从遗址上空拍摄的二维相片如何转化为三维模型图和高程模型图，我们如何看到并分析史前“大禹们”治水，人类在漫漫的历史长河中如何摸索治水经验 刘建国，工学博士，中国社会科学院考古研究所研究员。从事考古遥感、地理信息系统、多视角三维重建等数字考古方面的研究。近年来运用空间分析等技术对多处古代城址、史前水利工程遗址等进行探究，著有《考古地理信息系统》，科学版社，2007年；《考古测绘·遥感与GIS》北京大学出版社，2008年，发表研究论文60余篇。 水利工程就是人类控制和调配自然界的地表水和地下水，以达到兴利除弊的人工设施。治水在中国的传说中最著名的就是大禹治水，那么大禹是怎么样治水，在考古学上用什么方法去寻找史前治水的遗迹呢？ 我们以下三个主题来分析古人如何选择生存之地、如何治水： 一、陕西七星河流域的聚落分布和人地关系 二、江汉平原的重要聚落人地关系分析 三、良渚古城外围的水利工程分析（这部分内容将于下期介绍） 七星河流域的聚落分布和人地关系 七星河流域位于陕西省扶风县，2002年社科院考古所针对七星河流域和美阳河流域不同时期的聚落分布进行了调查，从仰韶时期遗址，到龙山时期，到夏、早商时期，然后到周。 仰韶时期七星河流域居址分布 调查结束后，我把这些遗址范围分别标注在地形图上。这张图上浅蓝色的区域是以河流为中心线向两边拓展的600米的缓冲区，缓冲区内分布的几块青色区域就是仰韶时期的聚落。我们发现当时的人们选择居住环境的时候，都会在河流两边600米缓冲区域，说明他们对水的需求非常迫切，水资源对他们非常重要。 龙山时期七星河流域聚落分布 到了龙山时期，聚落分布和仰韶时期一样，也是在河流两边600米的缓冲区范围里。 夏--早商时期七星河流域聚落分布图 到了夏或者早商时期这个时间段，现在的河南、陕西、山西这个区域，不知道什么原因，人群和聚落突然变少。 先周时期七星河流域聚落分布图 先周时期，周人可能是从西部逐渐进入关中盆地，所以七星河流域的聚落又开始增加，聚落的位置依然分布在河流两边600米范围里。 西周时期七星河流域聚落分布图1 西周时期，周原这个地方开始出现一个超大型的中心聚落，这个中心聚落为什么选择在这块区域，而不是在七星河流域的其他位置？我们用空间分析提取了现在比较低洼的地方，发现了多出来几条河道，很有可能是古时候的河道，和现在的河道分布状况不太一样。如果把它们都算成河道，拓展600米缓冲区，我们发现周原是这些河道的缓冲区聚集地，而且这些缓冲区聚集的形状和现在周原遗址的分布范围基本一致，所以古人为什么选周原这个位置，就是因为这里有很多的河流聚集在一起，在这个超大型聚落里面，不论什么地方的居民到附近的河道里取水都是在600米的范围内。所以这个超大型聚落选址，体现了周人对水的利用、对水的需求的特征。 西周时期七星河流域聚落分布图2 但是周人并没有一直居住在周原这个区域，后来周人把都城迁到沣水流域。沣水流域和七星河流域的区别在于：七星河发源于岐山，岐山降水很少，而且它的流域面积可能只有100多平方公里，而沣河发源于秦岭，秦岭山区里降水丰富，沣水的流域面积达400—500平方公里之大。因此周人在人口不断增加以后，周原无法承载这么多的人口，所以就迁徙到沣水流域，这是我做的分析。
我们从几个时间段上看，聚落分布都是沿着左边的、西部的七星河流域分布，东部的美阳河流域一直少有聚落分布，只有下游有几个小的聚落。
七星河美阳河河网分布对比图 我们把整个流域提取了河网分布，分析以后发现七星河河谷的等高线，它是从下游往上游凹的，对应的现场地形就是七星河是在一个河谷里边，而美阳河的等高线是从上往下弯曲的，对应当地的情况是美阳河从一个高台上流出来。美阳河从山口流出来以后，水里带了大量泥沙，泥沙在平坦的河道里面沉积以后就致使河道堵塞，堵塞以后它就改道，不断地沉积，不断地改道，所以从等高线上看好像美阳河是从一个比较高的地势上流下来的。 由此看美阳河和七星河是不一样，七星河是在稳定的河谷里面流的，而美阳河是在不断改道的环境下流出来的。这说明古代人们选择居址的时候，首先要选择一个有水的地方；其次要选择稳定的河流，经常改道的不稳定的河流区域人们无法生存。我们在其他区域研究也会发现类似的情况，就是古代人们选择的，都是在比较稳定的河流流域，才可以长期地生存下去。
七星河和美阳河流域现状 七星河和美阳河都地处中国西北地区，属于东部季风区的西带边缘，位于半干旱气候带。降水的特点是雨热同季，夏季从6月中旬到9月中旬，这个时段中的降水量占全年降水量的70%以上，从9月份到来年的6月初这九个月里降水量很小。那么人们怎样常年在这里生存呢？我们从现在的这幅影像上看，深色区域就是一个个水库，我认为很有可能从距今6000年以前仰韶时期开始，人们就是在河道上面修了一道一道的堤坝。堤坝刚开始可能是偶然出现的，比如河流冲击让河堤两岸倒塌，坍塌以后形成堰塞湖一样的水域，人们就在堰塞湖周边生存，受此启发，人口增多了以后，人们就会有目的地对着河道进行改造。 所以我认为从仰韶时候开始一直到现在，七星河流域的人们治水的模式差不多都是一样的，都是在河上修水坝，雨季河水充沛，把水留住。旱季降水很少人们就依靠水坝留住的这些水来生存，包括灌溉和生活，熬过旱季，等待来年的雨季来临。这个区域的研究我们没法把现在的这些水坝挖开来寻找早期的遗迹，我们只能是推测曾经修过水坝。
这是七星河流域现在的场景。修建水坝以后，地面景观就这样，在水坝上游周边，就会形成一些适合灌溉、人类生存的区域。
江汉平原的重要聚落人地关系分析 这些年江汉平原的考古工作取得了重大的突破，考古工作者陆续发现了像石家河、屈家岭这些非常重要的聚落遗址，其中有十几处重要的遗址都发现了被称为“城圈”的布局结构。城址的集中出现，考古人都非常关注，认为这是社会复杂化程度的集中体现。
江汉平原重要聚落分布图 这张图上红色的小方块表示是目前发现是古代城址，即聚落周围有城墙环绕的遗址。品红的小方块，是没有城圈的，没有城圈的聚落周围往往有环壕，我们称为环壕聚落。 之前传统的考古工作都是在地面调查，那么现在我们可以充分地利用现代技术，用无人机来进行高空拍摄。
这里拿一幅无人机拍的影像举例，这个影像是在一个遗址上拍摄的，只不过这是发掘区很小的范围，从影像上看，周围的树都是横倒着的。 树根在影像的中部，树梢反而到影像的边缘了，当然这些树都是直立生长的。之所以出现这样的现象是因为照相机拍摄的影像属于中心投影，中心投影的影像的特点就是在不同的高度或者是有起伏的区域里面拍摄的时候，会因为参考面跟地面点高低不同的位置，影像上就会产生投影差，产生变形，因为地面点高度的变化就产生了像点的位移，这种像点位移或投影差的出现，对我们考古摄影来讲后期处理是很麻烦的。
不明觉厉公式推导示意图 但是对于影像三维重建，对于摄影测量来讲，我们正是利用这种不同的地面点高度产生的像点位移（在影像上表现出来拉伸或者是压缩这种感觉），根据这种像点位移，可以通过多个二维影像，即一个影像序列，把现场的不同高度恢复出来，这就是三维重建。在三维重建的时候，我们需要拍摄很多幅影像。
比如说在江汉平原遗址调查工作中，一个遗址需要拍摄200多幅影像，一条一条航带去拍，同一个地面位置，不同角度至少有4、5幅影像，这样我们就可以把现场的三维模型恢复起来，再加上地面控制，就能够获取整个遗址的所有的空间信息，就可以把整个遗址搬到计算机里，用计算机技术对遗址的地形地势进行判断，做大量细致的分析工作。
比如说这是一个遗址，我们拍了40幅影像，通过处理以后获取一个三角网模型，模型的纹理通过计算机直接生成，于是就生成三维模型。三维模型获取以后，可以导出正射影像。
三角网模型-三维模型-正射影像 正射影像就是平行投影的影像，正射影像把因为地面高低起伏产生的投影差消除掉了，我们就在这种影像上进行量算，如距离量算、面积量算等，精度就非常高。同时我们还可以获取一种数字高程模型，在高程模型上，暖色调的、红色的表示高的地方，冷色调、蓝色的表示低的地方，所以高低起伏，在这种图上一目了然，我们对遗址的分析就能够比较精确细致。
屈家岭遗址正射影像图 我们回到江汉平原，这是屈家岭遗址，最初考古学家认为屈家岭遗址处在两条河道交汇区域，除此之外，有学者认为可能还有一个比较大的环壕。我们到现场后拍摄了数百幅影像，然后制作了三维模型，并导出正射影像与数字高程模型。从正射影像上看，环壕不是很明显。高程模型做出来以后发现以前认为有环壕的地方，实际上不可能有环壕。
屈家岭遗址高程模型图 这个影像的左下角是比较高的几个山脊，如果有环壕的话，一定会把这些脊破坏了，但是现在看到这个比较高的脊，它是很完整的，所以屈家岭并没有这样大的环壕，没有人工加工痕迹。 在屈家岭左上部位有两条河，高程模型上看得非常明显，分别从遗址的西北方向和东南方向流过。江汉平原上很多重要聚落都是选择在两条河流的交汇处，这是古人智慧的选择。江汉平原不缺水，为什么还要选择这种地区呢？我认为古人选在这种地方，是从安全角度、从防御角度来出发的。两条河交汇，大部分区域都被水环绕起来，河流没有交汇的地方古人通过挖掘壕沟把它们连接起来，这样整个聚落就全部被水环绕起来了。在江汉平原，从油子岭时期到屈家岭、到石家河、后石家河这几个时期，这些聚落基本上都是通过水面环绕的方式进行防御。
城河遗址高程模型图 这是城河遗址，城河遗址从高程模型上来看，通过水环绕来防御就更加的明显。从这上面看有壕从四周围起来，有自然的水系，左下有一条比较明显的河道，右侧断断续续的也是一条河，所以城河遗址也是选择在两条河流的交汇处。只不过这个交汇处做的人工加工和屈家岭不一样。加工以后，大家看到一个比较完整的环形区域。这个区域自然冲积的沟渠是从西北往东南方向冲刷的，我们从西北角，（左上角）看到几条绿色的通道，这就是比较低洼的河道，冲刷下来就会冲到古人居住的中心区域，于是古人觉得不够理想，所以他们进行加工，加工以后有非常完整的壕沟围绕起来的区域，这才是让他们住得比较踏实的地方。
陶家湖遗址高程模型图 陶家湖遗址，陶家湖的水域较大，所以中部偏上的遗址区域，都是在水里的，是现在的湖面。这个遗址外围是河道，内部有“城墙”，是比较完整、比较大的一个“古城”布局。关于这个遗址的选址，我们看到遗址四周，上部（北部）比较高，下方（南部）比较低，东、西部比较高，所以这个遗址选择的是比较低洼的地带。在比较低洼的地带古人如何改造呢？他们用人工挖壕沟修城墙，或是修堤坝防水。壕沟中的水如果涨得太高就需要有设施挡水，因此我认为这里作城墙来解释应该不是很合理，解释为堤坝更合理。比较有意思的是在这个高程模型上，我们看到中部偏下的位置，它是一个比较小的独立范围，小范围里也有所谓的城墙与壕沟的结构。湖北所同仁在做地面调查时，发现这个位置是早期的聚落，比外部环壕年代更早。由此可以推测，早期人口比较少，人们选择中部偏下这个位置，修建了一个小的环壕聚落。壕内侧堆筑了围墙或城墙或防水墙，后来人口增加了，小的环壕聚落不够承载增长的人口，所以扩张修筑了比较大的环壕聚落，就是现在看到的整个陶家湖遗址。
凤凰嘴遗址高程模型图 这个遗址是凤凰嘴。我们看看中部偏左，红色这个区域，地势较高，是遗迹主要分布区，往西还是有些遗存的。红点是一个发掘区展示大棚。有两条河汇集在一起，右边这条河水量非常大，所以古人在选择居址的时候，躲开了右边的这条河流，古人控制不了流量太大的河流。左边这条河从遗址北部流过来，它的积水盆地范围很小，这条河上古人做的加工痕迹非常明显。他们首先在河道里修建拦水的堤坝，把水位抬高，（红色区域）往左边这条弧线形的沟谷，我分析是人工挖掘开来的，是为了把拦截的河道里的水从左边引过来环绕起来，这个地方就安全了。所以我认为凤凰嘴遗址的治理模式是首先选择一条小的河道进行加工改造，让水将聚落环绕起来。
石家河遗址高程模型图 这是很有名的石家河遗址。石家河遗址群的分布范围很大，约8平方公里。影像范围里地势比较高的地方，都有人工活动的遗迹分布。西北角有三道弧线形遗迹，东部却几乎看不见城墙的痕迹。这个区域的右边（有一条河道从北向南，另一条河流从西北部一直绕到南部，两条河道环绕的范围很大。西北部是遗址比较高的地方，再往西北，图像的外边，地势也比较高，所以雨季大暴雨的时候，降水就会从西北部直接冲过来了，如果没有阻挡就会直接冲到城里边，城内被淹没掉了，古人就无法生存。 所以石家河遗址治水的模式很有可能就是如何把威胁居址的水引走。
荆家城遗址高程模型模拟涨水动图 这是荆家城遗址，和屈家岭遗址一样，没有围墙。遗址的名字叫城，实际上考古人员在这个区域找不到任何城墙的迹象。结合屈家岭遗址、前面提及的几个遗址来分析，它应该是不需要围墙。我们做了模拟实验，假设从这个水位开始，水淹没到这个高度以后，再尝试往上增加水的淹没范围，水位增加两米以后，根本淹不到遗址的居住区范围里，一般沟谷里在汛期增加两米高的水位的可能性不大。假设再增加两米，遗址南部边缘地带比较低洼的地方才被水淹没，再增加一两米才能够淹没到中部区域，所以这个聚落的选址非常好，有大洪水的时候基本淹没不到它，所以居住区内的任何地方都不需要挡水围墙。
城头山遗址高程模型图 这个是非常著名的距今8000年的城头山遗址，目前发现有最早的人工治水的遗迹。这个遗址可以看到非常完整的一个圆形的环壕，环壕内侧有围墙。这个遗址很小，几万平方米，但是它有非常完整的围墙构筑。
城头山遗址模拟涨水图 假设城圈的外围有一半被水淹没，一半没有被水淹没，从这时开始涨水，涨1米的时候，水位就基本上快进城了，涨2米的时候城里边的大部分区域都被水淹掉。荆家城涨了两米，对居住区没有任何影响，城头山遗址涨两米，城里边大部分被淹没了。如果有这道围墙，水位涨两米的时候，围墙正好把所有的水都挡在居住区之外，这应该就是围墙发挥的主要作用。所以为什么有的聚落需要围墙，有的聚落不需要围墙，我认为就是治水模式决定的。这是古人的智慧。我们通过现代空间技术把这些聚落的治水模式模拟复原出来。 下一步的工作我们要统计这个区域中单个聚落所在的流域情况，最大的流域和最小的流域分别有多大。因为当时的人们虽然很有目的性地去治水，但是治水的能力还是非常有限的。这是江汉平原中的情况。 |
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