GIS与考古学研究.pptx
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,第七章GIS与考古学研究,7-1基本概念信息（Information）信息是用数字、文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征。
信息向人们（或系统）提供关于现实世界新的事实的知识，作为生产、管理、经营、分析和决策的依据。
信息具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特点。
信息来自数据（Data），数据是未加工的原始资料，是客观对象的表示，包括数字、文字、符号、图形和影像。
数据是信息的载体，信息则是数据的内容和解释。
例如，从区域考古调查数据中能够提取各时期聚落分布特征等信息。
地理信息（GeographicInformation）地理信息属于空间信息，是指与所研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地表物体及地理环境所固有的数量、质量、性质、关系、分布特征和规律的数字、文字、图像、图形信息的总称。
地理信息具有空间性、专题性和动态性（时间性）。
信息系统（InformationSystem）信息系统是具有采集、处理、管理和分析数据能力的计算机系统，它能为单一的或有组织的决策过程提供各种有用信息。
地理信息系统（GeographicInformationSystem）地理信息系统简称GIS，是在计算机支持下，对空间地理相关数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和显示输出，并运用地理模型分析方法，提供多种空间地理分析，为地学研究和决策服务的空间信息系统。
GIS由硬件、软件、数据和用户四要素组成。
作为一种通用技术，GIS按一种新的方式去组织和使用地理信息，以便更有效地分析和产生新的地理信息；GIS的应用也改变了地理信息分发和交换的方式。
因此，GIS提供了一种认识和理解地理信息的新方式，进一步发展成为处理地理空间数据的科学。
GIS的组成硬件：
计算机、扫描仪、绘图仪、磁带机、网络软件：
GIS运行时所必须的各种程序，包括：
计算机系统软件、GIS软件及其支撑软件、应用程序。
空间地理数据：
GIS的操作对象与管理内容。
它是指以地球表面空间位置为参照，描述自然、社会和人文经济景观的数据，可以是数字、文字、表格、图像和图形等。
是现实世界抽象后的实质性内容，主要包括位置信息、属性信息和空间关系等。
用户：
GIS是一个动态的地理模型，是一个复杂的人机系统。
系统的管理、维护和使用人员是GIS中的重要构成因素。
地理信息特点除了共享性、客观性之外，地理信息还具有：
区域分布性。
地理信息具有空间定位的特点。
先定位后定性，并在区域上表现出分布式特点，不可重叠，其属性表现为多层次，因此地理数据库的分布或更新也应是分布式。
数据量大（海量数据）。
地理信息既有空间特征，又有属性特征，并包括一个较长的发展时段，因此其数据量很大。
信息载体的多样性。
地理信息的第一载体是地理实体的物质和能量本身，除此之外，还有描述地理实体的文字、数字、地图和影像等符号信息载体以及纸质、磁带、光盘等物理介质载体。
地理信息系统类型专题GIS（ThematicGIS）：
具有限目标和专业特点的地理信息系统，为特定的专门的目的服务。
区域GIS（RegionalGIS）：
主要以区域综合研究和全面的信息服务为目标。
可以有不同的规模，如国家级的、地区或省、市级和县级等为各不同级别行政区服务的区域信息系统，也可以是按自然分区或流域为单位的区域信息系统。
实际的地理信息系统是介于上述二者之间的区域性专题信息系统，如河流域考古信息系统。
GIS工具（GIS-Tool）：
也称地理信息系统开发平台或外壳，是具有地理信息系统基本功能的工具软件或开发平台，供其他系统调用或进行二次开发。
GIS解决的关键问题位置：
在某个地方有什么的问题。
特定位置上，可以获得文化层、年代、碳14数据考古信息。
条件：
符合某些条件的实体在哪里的问题。
例如在某个地区寻找面积大于100000M2的龙山时期聚落。
趋势：
某个地方发生的某事件及其随时间的变化过程。
古代聚落与环境演变等的趋势。
模式：
某个地方存在的空间实体的分布模式的问题。
聚落的选址与演变依赖于地面坡度、距水系的距离、水系的流量等环境因素，形成较为固定的模式。
模拟：
某个地方如果具备某种条件会发生什么的问题。
根据地面坡度、高程、坡向、距水系距离等环境因素，分析聚落所处的自然环境等特征。
GIS软件的功能采集、检验与编辑：
获取有效正确的数据。
格式化、转换、概化：
数据操作。
数据的格式化是指不同数据结构的数据间变换。
数据转换包括数据格式转化、数据比例尺的变换。
数据概化包括数据平滑、特征集结等。
存储与组织：
数据集成的过程，是建立GIS数据库的关键步骤，涉及到空间数据和属性数据的组织。
分析：
查询、检索、统计、计算是GIS以及许多其它自动化地理数据处理系统应具备的最基本的分析功能。
空间分析与模型分析功能为GIS高级功能。
显示（输出）：
多种形式的输出；良好、交互的制图环境。
7-2地理空间与空间数据空间和地理空间“空间”（Space）的概念在地理学上指的是地理空间（GeographicSpace），它是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式、格局及其在时间上的延续。
地理空间是地球上大气圈、水圈、生物圈、岩石圈和土壤圈交互作用的区域。
地球上最复杂的物理、化学、生物和生物地球化学等过程都发生在地理空间中。
因此，地理空间是人类活动频繁发生的区域，是人地关系中最为复杂、紧密的区域。
考古学中古代人地关系的研究，必须从地理空间数据入手。
GIS中的地理空间和地理空间数据GIS中的空间概念常用“地理空间”（GeoSpatial）来表述，是指经过投影变换后，在笛卡尔坐标系（由一个固定的、特殊的点为原点，一对相互垂直且经过原点的线为坐标轴）中的地球表层特征空间。
它是定义在地球表层目标集上的关系，即地理世界以实体为单位进行组织，将客观世界作为一个整体看待，每一个实体不仅具有空间位置属性和空间上的联系，更重要的是它与其他实体还具有逻辑上语义联系，它还具有时间属性。
一般来说，地理空间被定义为绝对空间和相对空间两种形式。
GIS中的地理空间一般包括地理空间定位框架及其所联结的地理空间特征实体。
地理空间定位框架即大地测量控制，由平面控制网和高程控制网组成。
大地测量控制为建立所有的地理数据的坐标位置提供了通用参考系，将所有地理要素同平面及高程坐标系相连接。
大地测量控制信息的主要要素就是大地测量控制点，这些坐标点的平面位置和高程被精确地测量。
地理空间特征实体表示地理空间信息的几何形态、时空分布规律及其相互之间的关系，是指具有形状、属性和时序性的空间对象或地理实体，是GIS表示和建库的主要对象。
地理空间数据就是以地球表面作为基本定位框架的空间数据。
GIS提供了对地理空间数据进行分析和将地理空间数据实现可视化的机制。
由于计算机中处理和操作的数据是离散数据，在GIS中，地理空间数据是进行离散化表达的空间数据，其表达方式根据不同应用目的由空间数据模型决定。
空间数据的特点GIS中常把地理空间数据称为空间数据。
空间数据（SpatialData）是指用来描述空间实体的位置、形状、大小及其分布特征诸多方面信息的数据，以表示地球表层一定范围的地理事物及其关系。
空间实体是空间数据中不可再分的最小单元，是对存在于这个自然世界中地理实体的抽象，主要包括点、线、面、体等基本类型。
如把一个墓葬抽象成为一个点，它具有所处的位置信息、随葬品、葬俗等相关信息；把一段古城墙抽象为一条线，它具有所处的位置信息、起点、终点、长度、宽度等相关信息；把一座古城遗址抽象为一个面，它具有所处的位置、面积、使用年代、建筑布局等相关信息。
空间性：
表示了空间实体的位置或所处的地理位置、空间实体几何特征等等，从而形成了空间物体的位置、形态以及由此产生的一系列特性。
空间性不但导致空间物体的位置和形态的分析处理，同时还导致空间相互关系的分析处理。
专题性（属性）：
是指在一个坐标位置上地理信息具有专题属性信息。
一个地面点上，可获取遗迹、遗物、古环境、古地貌等多种专题信息。
属性是空间数据中的重要数据成分，它同空间数据相结合，才能表达空间实体的全貌。
GIS中常用表格和图像来表达。
时间性：
是指空间数据的空间特征和属性特征随时间变化的动态变化特征，即时序特性。
它们可以同时随时间变化，也可以分别独立随时间变化。
空间数据类型地图数据：
来源于各种类型的普通地图和专题地图，这些地图的内容丰富，图上实体间的空间关系直观，实体的类别或属性清晰，具有很高的精度。
影像（多媒体）数据：
来源于卫星遥感和航空遥感等多源海量数据，也是GIS的最有效的数据源之一。
地形数据：
来源于地形等高线图的数字化，已建立的数字高程模型和其它实测的地形数据等。
属性数据：
来源于各类调查报告、实测数据、文献资料、解译信息等。
元数据：
关于数据的数据，例如数据来源、数据权属、数据产生的时间、数据精度、数据分辨率、源数据比例尺、数据转换方法等。
矢量数据模型矢量数据模型是GIS主要的数据模型之一。
用点、线（或称“弧”）、面（或称“多边形”）三种主要的图形元素来抽象表示地理对象的。
由于面（多边形）是线（弧）所围成的区域，线（弧）又是点的有向序列，所以，坐标点是矢量数据模型最基本的数据元素。
从理论上说，矢量数据描述的是连续空间，因而它能精确地表达地理实体的形状与位置，又可以通过点、线、面三种基本图元之间的联系，构筑地理实体及其图形表示的邻接、连通、包含等拓扑关系，从而有利于地理信息的查询、网络路径优化、空间相互关系分析等地理应用。
GIS的矢量数据模型可以用相对较少的数据量，记录大量的地理信息，而且精度高，制图效果好。
栅格数据模型栅格数据就是用数字表示的像元阵列。
其中，栅格的行和列规定了实体所在的坐标空间，而数字矩阵本身则描述了实体的属性或属性编码。
栅格数据是计算机和其他信息输入输出设备广泛使用的一种数据模型，如电视机、显示器、打印机等的空间寻址，甚至专门用于矢量图形的输入输出设备，如数字化仪、矢量绘图仪及扫描仪等，其内部结构实质上也是栅格的。
栅格数据最显著的特点就是存在着最小的、不能再分的栅格单元，在形式上通常表现为整齐的数字矩阵，且便于计算机进行处理，特别是存储和显示。
7-3地形图数字化从现有地形图上采集数据，将现有地形图数字化，实现图数转换并存人计算机，经补测和修测地形图所需的要素后，由计算机综合处理，再通过绘图仪绘制地形图。
这种从地形图上采集地形数据的方法称为普通地形图的数字化。
它可以充分利用原有测绘成果的资料，发挥已有普通测绘仪器的作用，达到数字化测图的目的，除图的精度有所损失外，比较经济、实用。
简单地说，地形图数字化就是将现有地形图转换成CAD、地理信息系统等软件可以直接调用和进一步加工的矢量图形格式的文件。
手扶跟踪数字化根据数字化地形图的工作原理，地形图数字化分为手扶跟踪数字化和扫描数字化两种方式。
以前在地形图数字化工作中，应用较普遍的是通过手扶跟踪方式将图形信息直接转换成数字信息并输入到计算机中，这种设备称为数字化仪（Digitizer），又称为图数转换仪。
手扶式跟踪数字化地图的精度和效率都较低，现在基本上已经停止使用。
地形图扫描数字化扫描数字化是使用扫描仪（Scanner）将图形、图像（如线划地形图、黑白或彩色的遥感和航测像片等），快速、高精度地扫描数字化后输入计算机，经图像处理软件分析和人机交互编辑后，生成可供使用的矢量图形数据。
相对于手扶数字化仪来说，扫描数字化的优势在于自动化程度高，操作人员的劳动强度小，在同等图纸条件下数字化的精度高。
现在很多地形图扫描矢量化软件都很成熟，成为地形图数字化的主流。
扫描数字化工作流程,注记的识别输入,地形图底图准备,全自动或半自动跟踪矢量化,矢量图检查编辑,地物符号、文字,栅地数据形存图储扫与描输输出理入,地形图底图准备选择适合项目需要的地形图比例尺、图件种类。
比例尺太大会增加很多工作量，比例尺太小会影响精度。
地形图扫描输入使用平板扫描仪或滚筒扫描仪扫描地形图，每幅图最好是一次扫描到计算机中。
扫描仪幅面较小时可以分片扫描，每一片经过纠正后再拼接起来。
栅格图形预处理对图幅进行旋转、剪裁、图面检查。
对精度要求很高时，需要根据坐标格网对图幅进行纠正，减少扫描误差的影响。
彩色图形需要进行色彩调整，使等高线、水系等线条分别以单一色彩表示（可以使用PhotoShop等软件处理），便于计算机自动或半自动跟踪。
全自动或半自动跟踪矢量化全自动跟踪矢量化是软件自动将图幅内的全部线条进行矢量化。
这种方法非常快捷，但是矢量化后往往产生很多零碎的线条，凌乱不堪，需要化费更多的时间去修整。
对于单独清绘的图形，可以采用这种方法进行矢量化。
半自动跟踪矢量化是操作员使用鼠标指定要矢量化的线条，软件会自动进行跟踪，遇到交叉点或线条断开时停止，需要操作员指定下一点应该跟踪的线条位置。
一类地物作为一个图层，一个图层跟踪结束后，再跟踪另一个图层。
等高线图层中的计曲线、首曲线、间曲线等应该分成不同的类别，给予不同的代码进行矢量化。
半自动跟踪过程中，一定要根据等高线的特性，处理好等高线与山脊线、山谷线（河流）的关系。
等高线之间不能有交叉，遇到陡坎、陡坡时，可以只跟踪出陡坎、陡坡之上、之下的等高线，中间的等高线断开；等高线与山脊线、山谷线相互正交。
地形图冲沟、河床等处有时没有绘制等高线，应该根据相关信息，确定等高线大致的位置。
各种地物可以根据地形图上绘制的情况，分层进行矢量化。
地物符号、文字注记的识别输入这是将地形图上的注记进行矢量化。
项目不需要作这方面的工作，或者软件没有这种功能时，就不必进行识别输入。
矢量图检查编辑检查线条是否有遗漏、是否有违背等高线特性的地方、等高线高程数值是否正确，以及坐标配准、坐标系转换（3或6带）、地形图接边处理等等。
数据存储与输出全部数据的存储、输出成CAD、地理信息系统等软件可以调用格式的文件。
不同比例尺地形图上绘制的等高线往往会有一定的差异，矢量化后往往会出现这种情况。
7-4GIS的发展地理信息系统在国外，尤其是西方地理信息系统的发展大致可以分为四个阶段：
模拟地理信息系统阶段自19世纪以来就得到广泛应用的地图（包括地形图和专题图即模拟的图形数据库）和描述地理的文献著作（模拟的属性数据库）相结合，构成了地理信息系统的基本概念模型。
但是，这种模拟式的、基于纸张的信息系统和信息过程，使得空间相关数据的存贮、管理、量算与分析、应用极为不规范、不方便和效率低下。
随着计算机科学的兴起，数字地理信息的管理与使用成为必然。
2.学术探索阶段20世纪50年代，电子技术的发展及其在测量与制图学中的应用，人们便有可能用电子计算机来收集、存贮和处理各种与空间和地理分布有关的图形和属性数据。
1956年，奥地利测绘部门首先利用电子计算机建立了地籍数据库，随后这一技术被各国广泛应用于土地测绘与地籍管理。
1963年，加拿大测量学家首先提出地理信息系统这一术语，并建立了世界上第一个地理信息系统加拿大地理信息系统（CGIS），用于资源与环境的管理和规划。
稍后，北美和西欧成立了许多与GIS有关的组织与机构，极大地促进了地理信息系统知识与技术的传播和推广应用。
3.飞速发展和推广应用阶段70年代以后，由于计算机技术的工业化、标准化与实用化，以及大型商用数据库系统的建立与使用，地理信息系统对地理空间数据的处理速度与能力取得突破性进展。
其结果是：
（1）一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统（LIS）和资源与环境信息系统（GIS），如1970年至1976年，美国地质调查局先后建50多个信息系统，其它国家也相继发展自己的GIS；
（2）关于GIS软件、硬件和项目开发的商业公司篷勃发展。
到1989年，国际市场上有报价的GIS软件达70多个，并出现一些有代表性的公司和产品，如美国环境系统研究所的ARC/INFO，Intergraph公司的MGE，及Genasys公司的Genamap等等。
（3）数字地理信息的生产标准化、工业化和商品化。
如美国地质调查局（USGS）已经建立起数字地图生产技术体系，可定期向社会发布DLG、DEM等标准地理数据。
（4）各种通用和专用的地理空间分析模型得到深入研究和广泛使用，GIS的空间分析能力显著增强。
（5）有关GIS的具有技术权威和行政权威的行业机构和研究部门在GIS的应用发展中发挥引导和驱动作用。
如美国国家科学基金会支持的国家地理信息和分析中心（NCGIA）每年都要制定GIS技术优先发展计划，以促进全国GIS事业发展。
4.地理信息产业的形成和社会化地理信息系统（SocialGIS）的出现随着互联网络的发展及国民经济信化的推进，地理信息系统进入日常办公室和千家万户之中，从面向专业领域的项目开发到综合性城市与区域的可持续发展研究，从政府行为、学术行为发展到公民行为和信息民主，成为信息社会的重要技术基础。
GIS在考古研究中的应用与研究也是在这个时期起步，并且发展迅速，得到了很多国家考古学家的高度重视。
我国地理信息系统应用发展状况近二十年来，在各级政府和有关人士的大力呼吁和促动下，我国的地理信息系统事业突飞猛进，成绩巨大。
按照中国科学院何建邦先生的观点，把我国GIS的发展分为四个阶段：
1.起步阶段（19781980年）主要行动在于概念引入和知识传播，以及关于遥感分析、机助制图和数字地面模型的试验研究。
2.准备阶段（19801985年）主要在理论体系的建立，软、硬件的引进，相应规范的研究局部系统或试验系统的开发上取得进步，为GIS的全面发展奠定基础。
3.加速发展阶段（19861995年）GIS作为一个全国性的研究与应用领域，进行了有计划、有目标、有组织的科学试验与工程建设，取得一定的社会经济效益。
主要表现在：
（1）GIS教育与知识传播的热浪此起彼伏，GIS成为空间相关领域的热门话题；
（2）GIS建设引起各级政府高度重视，其发展机制由学术推动演变为政府推动；（3）部分城市和沿海地区GIS建设率先进入实施阶段，并取得阶段性成果；（4）出现商品化的国产GIS软件、硬件品牌；出现专门的GIS的管理中心、研究机构与公司；出现专门的GIS协会，涌现一批GIS专门人才；出现专门的刊物与展示会；初步形成全国性的GIS市场。
（5）在应用模式、行业模式和管理方面作了有益的探索。
4.地理信息产业化阶段（1995）目前，我国GIS的发展正处于向产业化阶段过渡的转折点。
能否借助国际大气候的东风，倚重国内经济高速发展的大好形势，搭乘全球信息高速公路的快车，实现地理信息产业化和国民经济信息化，这是国内地理信息界人士面临的严重挑战和千载难逢的机遇。
而在这一过程中，一方面需要探索建立一套政府宏观调控与市场机制相结合的地理信息产业模式，另一方面，则要充分总结和借鉴国内外地理信息系统项目建设的经验和教训，建立起行之有效的地理信息系统工程学的理论、方法与管理模式，推动地理信息系统在社会主义各项事业中更加深入和广泛的应用。
GIS发展动态从理论、技术和方法方面来看，GIS将向三维GIS、时态GIS方向发展，以适应数字地球对GIS的要求。
（1）三维GIS理论和技术三维GIS理论和技术主要指三维数据结构、三维数据的生成、三维数据的管理和操作及三维数据的显示。
（2）时态GIS（TemporalGIS）理论和技术为观测和分析空间信息随时间的变化，有效地管理历史变化数据、重建历史、监测变化状态及预测未来，需要在GIS中引入时间维，从而形成时态GIS，即TGIS。
（3）地理信息建模系统地理信息建模系统提供支持面向用户的空间分析模型的定义、生成和检验的环境，实现基于GIS的领域中分析、建模和决策。
（4）面向对象理论和技术面向对象方法为人们在计算机上直接描述物理世界提供了一种适合人类思维模式的方法，面向对象的技术在GIS中的应用，即面向对象的GIS，已成为GIS的发展方向。
从应用的角度看，GIS将向数据标准化、系统集成化、平台网络化、开发组件化、应用社会化方向发展；从系统的内部看，GIS技术将逐步走向数据采集自动化、空间数据和属性数据组织的一体化、数据结构的标准化和空间分析功能的多样化方向发展。
7-5GIS的空间分析方法地理信息系统区别于其他管理信息系统的最主要特征，是它具有管理地理空间数据，并能按照其在实际空间的相对位置关系对之进行处理分析的能力。
它对地理空间数据的这种处理分析功能，组成了地理信息系统实际应用的主要方面。
1.空间信息的查询检索图文互访由图（空间位置）查（检索）文（属性）：
基于空间特征的查询。
用户可以在屏幕上用鼠标点击图形影像来检索发生在该位置上或距该位置一定距离以内的空间对象的属性特征信息由文（属性）查（检索）图（空间位置、分布）：
基于属性特征的查询。
属性条件查询用户可以在图形中找出符合一定属性条件的空间对象，被选中的对象区域可以在原视图中高亮显示,条件查询根据数据项与运算符组成的条件表达式来查询图形数据和属性数据（如用SQL实现条件查询）,/,算术运算符：
关系运算符：
逻辑运算符：
=NOTANDOR.,空间对象关系符：
空间对象相关函数：
空间关系查询点、线、面之间相互关系查询，检索与指示相关的空间目标，即拓扑关系查询面-面、面-线、面-点、线-面、线-线、线-点、点-面、点-线相互关系查询,2.数字地形（高程）模型数字高程模型是建立各种数字地形模型的基础，通过DEM可以方便地获得地表的各种特征参数，其应用可遍及整个地学领域。
如在测绘中可用于绘制等高线、坡度图、坡向图、立体透视图、立体景观图，并应用于制作正射影像图、立体景观片、立体地形模型及地图的修测；在各种工程中可用于体积和面积的计算、各种剖面图的绘制及线路的设计；考古研究中分析遗址与环境的关系等。
3.空间统计分析空间统计分析就是以空间地理实体为对象，对其形状、分布、空间相互关系进行的统计分析。
空间统计分析在古代动、植物分布及生物种群研究，景观生态学，遗址分布规律等领域用途广泛。
如在景观生态学及相关研究中，常用的镶嵌度指数（如集聚度）、距离指数（如最小距离指数、连接度指数）等，都可以通过对地理空间数据的坐标和属性数据，进行诸如空间自相关分析、变异矩阵和相关分析、波谱分析、空间趋势面分析及空间插值方法得到。
4.空间叠置分析空间叠加就是将两个或多个图层以相同的空间位置重叠在一起，经过图形和属性运算，产生新的空间区域的过程。
叠加的每幅图层称为一个叠置层，每个叠置层带有一个将用于综合运算的属性，一个叠置层反映了某一方面的专题信息。
叠加中的图形运算的复杂程度视数据结构的不同而有所不同。
栅格数据由于已是对空间的规则划分，所以没有空间图形的运算，因为各个栅格的位置、大小对叠置层都应该是一致的。
相比之下，矢量图的叠加就要复杂得多，这种复杂性来源于对空间线划相交的判断与计算，以及空间对象拓扑结构的重建等。
5.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。
缓冲区在实际工作中具有重要意义，如查找一个噪声点源的影响范围可以以该点源为中心建立一个缓冲区，缓冲区的半径即最远的影响距离；又如一个飞机场噪声的影响范围是以飞机跑道为基准向外扩展的范围。
区域考古研究中河流缓冲区与遗址的关系，区域内大型遗址与中小型遗址的分布关系等等。
6.网络分析对地理网络进行地理分析和模型化，是地理信息系统中网络分析功能的主要目的。
网络分析是运筹学的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好。
如考古遗址中古人进行耕作、狩猎等的路线分析。
最短路径分析在运输网络中，有时要找出运输费用最小的路径在通
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