手持GPS在基建考古調(diào)查中的應(yīng)用

尤洪才

（黑龍江省文物考古研究所，黑龍江哈爾濱 150008）

隨著改革開放的不斷深入，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基為我省考古工作的重要組成部分，而考古調(diào)查在基建考古中占有很大的比重。考古調(diào)查是田野考古的重要工作，它是在不破壞遺址和遺跡的情況下，發(fā)現(xiàn)和獲取遺存資料，從而評(píng)估保護(hù)和發(fā)掘價(jià)值，是制定文物保護(hù)規(guī)劃的基礎(chǔ)。只有經(jīng)過精細(xì)的調(diào)查，才能選定發(fā)掘地點(diǎn)和對(duì)象[1]。按傳統(tǒng)考古調(diào)查的方法，我們通常要把工程建設(shè)單位提供的線路中線或占地區(qū)域邊界的拐點(diǎn)坐標(biāo)，展繪在1：5萬的地形圖上，在調(diào)查時(shí)，要用羅盤校正方向，不斷找尋實(shí)地參照物來校準(zhǔn)點(diǎn)位；發(fā)現(xiàn)遺址時(shí)，只能將遺址的位置大致標(biāo)定在地形圖中；用皮尺丈量的方式來估算遺址的面積。傳統(tǒng)的調(diào)查方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更主要對(duì)遺址的位置和范圍的實(shí)際判定帶來了很大的誤差。由于GPS技術(shù)的發(fā)展和普及，現(xiàn)代考古學(xué)研究GPS技術(shù)的應(yīng)用得到了足夠的重視，手持GPS在新時(shí)期的考古調(diào)查中，成為了一種能方便快捷地標(biāo)定出考古調(diào)查的線路或區(qū)域，并可準(zhǔn)確記錄下遺址、遺存位置信息的工具，它的使用打破了傳統(tǒng)基建考古調(diào)查的局限性 ，使得調(diào)查收集數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、詳盡。實(shí)時(shí)發(fā)送自身的載波信號(hào)、數(shù)據(jù)碼、測(cè)距碼等參數(shù)信

GPS即為全球衛(wèi)星實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，它是通過衛(wèi)星息，通過對(duì)信息的放大、變換和處理，解譯出導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)計(jì)算出測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間，并經(jīng)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)導(dǎo)航和定位[2]。它由空間星座部分（21顆工作衛(wèi)星、3顆備用軌道衛(wèi)星）、地面跟蹤監(jiān)控部分（5個(gè)跟蹤監(jiān)測(cè)站、3個(gè)注入站、1個(gè)主控監(jiān)測(cè)站）和設(shè)備用戶（GPS信號(hào)采集器）三部分構(gòu)成。手持GPS具有電子羅盤、測(cè)點(diǎn)、測(cè)距、航跡、建立航線、測(cè)面積、導(dǎo)航等功能。通過參數(shù)校正后，定位精度通常在5—10米，甚至更高，完全滿足考古調(diào)查的精度要求。下面我們以2015年綏濱至名山公路改擴(kuò)建工程項(xiàng)目中的改建路段(里程號(hào)K12+000—K17+000)基建考古調(diào)查工作為例，介紹手持GPS在基建考古調(diào)查工作中的應(yīng)用。

1.坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換

GPS定位采用WGS84坐標(biāo)系，屬于地心坐標(biāo)系，而我們國家的地形圖采用的1954年北京坐標(biāo)系和1980年西安坐標(biāo)系，屬于參心坐標(biāo)系，它們的基點(diǎn)與坐標(biāo)軸的方向不同[3]。因此，確定地區(qū)性坐標(biāo)系與全球坐標(biāo)系的大地測(cè)量基準(zhǔn)差，并進(jìn)行兩坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，是GPS在考古調(diào)查應(yīng)用中經(jīng)常遇到的一個(gè)重要問題。由于WGS84地心坐標(biāo)系與我國應(yīng)用的參心坐標(biāo)系之間約有80—120米的差值，轉(zhuǎn)換后可提高到5—10米的絕對(duì)定位精度。

1.1 坐標(biāo)系統(tǒng)變量參數(shù)的計(jì)算

通常手持GPS采集器設(shè)置界面中的自定義坐標(biāo)系統(tǒng)（User）顯示有5個(gè)變量參數(shù)（DX、DY、DZ、DA、DF）需要進(jìn)行設(shè)置。而實(shí)際工作中，后兩個(gè)變量參數(shù)（DA、DF）對(duì)于北京54坐標(biāo)系、西安80坐標(biāo)系統(tǒng)固定不變（北京54坐標(biāo)系DA=108.000、DF=0.0000005000；西安80坐標(biāo)系DA=3.000、DF=0.000）,不必改動(dòng)，前三個(gè)參數(shù)（DX、DY、DZ）需要我們進(jìn)行測(cè)量計(jì)算獲取，通稱為三參數(shù)。這三個(gè)參數(shù)可以到測(cè)繪部門收集，在本次的基建考古調(diào)查工作中，我們應(yīng)用的是省測(cè)繪局提供的參數(shù)值分別為DX=19、DY=-150、DZ=-85,平均誤差在10米以內(nèi)，滿足考古調(diào)查的精度要求。若在其它的考古調(diào)查工作中收集不到，側(cè)需要在已知點(diǎn)（如三角點(diǎn)、四等點(diǎn)）上進(jìn)行測(cè)算。

（1）在兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中至少需要3個(gè)GPS”B”級(jí)或以上公共點(diǎn)，即3個(gè)已知點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)系和在北京1954坐標(biāo)系或西安1980坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。在求解轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)，公共點(diǎn)坐標(biāo)的誤差對(duì)所求參數(shù)影響很大，因此所選公共點(diǎn)應(yīng)滿足以下要求：坐標(biāo)點(diǎn)分布要均勻；點(diǎn)的數(shù)量要足夠多，以便檢校；坐標(biāo)的精度足夠高；覆蓋面積要大，以免公共點(diǎn)坐標(biāo)誤差引起較大尺度比誤差和旋轉(zhuǎn)角度誤差。

（2）計(jì)算不同坐標(biāo)系三維直角坐標(biāo)值。計(jì)算公式如下：

不同坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球的有關(guān)常數(shù)詳見下表：

注：X、Y、Z分別為WGS84大地坐標(biāo)系中的三維直角坐標(biāo)；а為大地坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球之長(zhǎng)半軸；e2 ?對(duì)應(yīng)橢球第一偏心率； 為大地坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)橢球之扁率；R為該點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑:R =а/(1- e2sinaB)。

（3）求出DX、DY、DZ

用計(jì)算出來 WGS84直角坐標(biāo)系的X、Y、Z 值減去我國相對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系（北京1954坐標(biāo)系或者西安1980坐標(biāo)系）的坐標(biāo)值即可得出三個(gè)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（4）參數(shù)驗(yàn)證。

在參數(shù)計(jì)算完成以后，為了避免錯(cuò)誤，在利用GPS進(jìn)行考古調(diào)查工作之前，必須對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)校證。驗(yàn)證的方法是在考古調(diào)查區(qū)域或線路上選取1至2個(gè)已知點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)值與測(cè)繪部門提供的理論值對(duì)比，若最大誤差不大于10米.平均誤差不大于5 米，則計(jì)算出的參數(shù)可以使用，否則要重新計(jì)算或查找出現(xiàn)問題的原因。

1.2 中央經(jīng)線計(jì)算

（1）分度帶

在我國，采用6度和3度分度帶。6度帶在赤道上的寬度約667km，其邊緣的長(zhǎng)度變形為0.00138，即每千米增長(zhǎng)1.38米。因此，6°分帶適于1：2.5萬—1：50萬的地形圖，而大比例地形圖常采用3度分帶。

（2）6°分帶

6°分帶規(guī)定從起始子午線起，每6°為一帶，由西向東將全球分為60帶，依次用1、2、……60標(biāo)記，以N6表示，稱為帶號(hào)。地面點(diǎn)的經(jīng)度L與該點(diǎn)所在帶的帶號(hào)有如下關(guān)系：

而6度分帶的帶號(hào)N6與該帶的中央子午線經(jīng)度L6的關(guān)系：

L6= 6N6-3°

（3）3°分帶

3°帶規(guī)定是在6°帶基礎(chǔ)上劃分的，從經(jīng)度1.5°開始，由西往東每經(jīng)差3°為一帶，它的中央子午線一部分與6°帶的中央子午線重合，一部分與6邊°沿重合，全球共分120帶。地面點(diǎn)的經(jīng)度L與該點(diǎn)所在的帶號(hào)N3有如下關(guān)系：

3°分帶的帶號(hào) N3與該帶的中央子午線經(jīng)度 L3的關(guān)系：

L3= 3°N3

在我國境內(nèi)6°分帶的帶號(hào)由13帶到23帶, 3°帶由24帶到45帶,兩者之間無重合帶號(hào)。例如，里程號(hào)K12+000中心點(diǎn)位于東經(jīng)131°55'53.80"，由公式計(jì)算可知，其6°帶帶號(hào)N6為22，3°帶帶號(hào)為44，相應(yīng)投影帶的中央子午線的經(jīng)度L6和L3均為132°。

2.航線的創(chuàng)建及其導(dǎo)航功能

在對(duì)綏濱至名山公路考古調(diào)查時(shí)，我們采用的是GPS76型手持機(jī)，這款機(jī)型可以存儲(chǔ)50條航線，每條航線可以包括125個(gè)航點(diǎn)。

2.1 存儲(chǔ)航點(diǎn)

在此次調(diào)查中，工程建設(shè)部門為我們提供了CAD格式的線路坐標(biāo)圖，我們利用autoCAD軟件將線路中線坐標(biāo)結(jié)算出來，在這些坐標(biāo)中，選取能決定線路走向的特征點(diǎn)（俗稱拐點(diǎn)），并記下它們的里程號(hào)和坐標(biāo)。再將這些拐點(diǎn)作成文本文件，然后傳輸?shù)绞殖諫PS中。也可以采用手動(dòng)存點(diǎn)的方式，存儲(chǔ)到GPS里。這些拐點(diǎn)就形成了航點(diǎn)，航點(diǎn)名可以按線路拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的里程號(hào)定義。如：點(diǎn)名K12+000，坐標(biāo)x = 495060.7,y = 5254481.9。

2.2 建立航線

動(dòng)到‘新的’按鈕上，按下輸入鍵確認(rèn)將進(jìn)入航線設(shè)

在手持GPS航線表的頁面中，用方向鍵將光標(biāo)移置頁面，輸入新航線名稱，名稱缺省時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)把航線首尾航點(diǎn)默認(rèn)為航線的名稱。在此我們命名為“綏濱至名山-3”，用方向鍵將光標(biāo)移動(dòng)到“航點(diǎn)”，將我們事先存儲(chǔ)的航點(diǎn)添加到航線中。航點(diǎn)錄入完畢后，返回航線設(shè)置頁面，新建的航線就會(huì)呈現(xiàn)于航線列表中了。

2.3 導(dǎo)航功能

的運(yùn)動(dòng)情況、當(dāng)前位置、航線的位置以及航線上的航

當(dāng)用航線導(dǎo)航時(shí)，在地圖頁面將會(huì)顯示調(diào)查人員點(diǎn)。因此，我們?cè)谡{(diào)查的過程中，要不斷地修正自己的實(shí)際位置，始終保持當(dāng)前位置落在航線上。

3 遺址的面積計(jì)算

3.1 航線法側(cè)面積

我們以本次考古調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的連介紹航線側(cè)算面積的方法。連生西遺址處于連生鄉(xiāng)連生西遺址為例，生村西500米處的鄉(xiāng)間路旁的漫崗上。東距綏鶴公路500米，南臨耕地，西臨連生鄉(xiāng)至長(zhǎng)山村南北走向的鄉(xiāng)間公路。首先我們側(cè)存遺址中心坐標(biāo)為N47°24'44.2"，E131°55'53.80"，然后沿著遺址的邊界行進(jìn)，每隔一段距離側(cè)存一個(gè)航點(diǎn)，建立航線時(shí)，所有的邊界航點(diǎn)依次相連，將遺址圍成一個(gè)多邊形，由于GPS76型GPS每條航線可以有125個(gè)航點(diǎn)，面積計(jì)算器最多可以求出125邊形的面積。建立完航線后，將光標(biāo)移至頁面中的選項(xiàng)設(shè)置菜單，選擇“面積計(jì)算”并按下確認(rèn)鍵，系統(tǒng)就會(huì)將航線所圈圍的面積自動(dòng)計(jì)算出。通過航線法測(cè)算出該遺址的面積為999.8平方米。

3.2 航跡法測(cè)面積

只有當(dāng)我們的GIS采集器在戶外定位后,才能使用此功能進(jìn)行測(cè)量面積。方法如下：

（1）戶外開機(jī)當(dāng)接收到4顆以上有效衛(wèi)星信號(hào)連續(xù)按‘翻頁’鍵至‘菜單’設(shè)置界面，將光標(biāo)移至’，面積’處，按確認(rèn)鍵，在面積單位的選擇欄，根據(jù)我們調(diào)查的實(shí)際需要，選擇合理的面積單位（常用的單位SQ:MT:平方米、SQ:KM 平方米），在測(cè)算面積之前，清除之前航跡，將面積歸零。

（2）結(jié)束清零及單位選擇后，開始行走，當(dāng)走完一個(gè)閉合軌跡后，按確認(rèn)鍵兩次，即可測(cè)算出面積結(jié)果。手持GPS為動(dòng)態(tài)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其測(cè)量精度容易受到各種外界因素的干擾，為了提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，可采用多次測(cè)量取平均值的方法。同時(shí)在行進(jìn)過程中，要保持勻速。

4 結(jié) 語

手持GPS采集接收機(jī)的出現(xiàn)，在一定程度上提高了我們考古調(diào)查的工作效率，大大節(jié)省了人力、物力的投入。但是，它在工作過程中至少要接受到4顆衛(wèi)星信號(hào)，才能進(jìn)行三維定位，為了提高定位精度要求接受到的衛(wèi)星數(shù)量甚至更多。然而，在考古調(diào)查的部分區(qū)域，樹木植被、房屋建筑高大、密集，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)遮擋嚴(yán)重，所測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大，這時(shí)可以采用跟傳統(tǒng)調(diào)查方法相結(jié)合的方式。

注釋

[1]張之恒：《中國考古學(xué)通論》[M]南京大學(xué)出版社1991年

[2]左美蓉：《GPS測(cè)量技術(shù)》[M]武漢大學(xué)出版社2012年。

[3]黃文彬等：《GPS測(cè)量原理與方法》中國水利水電出版社 2010年