基于对象时空模型的郑洛地区史前聚落遗址群时空演变分析

毕硕本，杨鸿儒，计晗，梁静涛，乔文文

（1.南京信息工程大学遥感学院，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学计算机与软件学院，江苏 南京 210044）

0 引言

时空数据模型是研究地学时空过程的基础数据设施条件［1］。随着面向对象技术的发展，越来越多的学者开始采用面向对象的方法进行时空建模。Worboys运用面向对象思想，基于实体关系的数据建模方法，提出了面向对象时空数据模型［2］；Renolen、Li等对面向对象的时空数据模型进行了扩展研究［3，4］。在国内，龚健雅提出的面向对象的时空数据模型是将版本信息标记在属性上，表达空间对象的历史变化［5］；林广发等认为事件是驱动时空数据发生变化的根本原因，提出以事件为核心的面向对象时空数据模型［6］；舒红、曹志月、陈新保等也曾利用面向对象思想进行时空数据建模研究［7－9］。可见，面向对象的时空数据模型具有重要应用价值。随着田野考古的快速发展、聚落考古的深入研究，考古时空信息引起了广泛关注。朱光耀等对安徽省新石器和夏商周时代遗址时空分布和人地关系进行了研究，认为环境只是古聚落分布和数量变化的基础因素，生产力的因素也在起作用［10］；安成邦等通过分析甘青文化区新石器文化的时空分布变化，发现研究区文化在空间上的扩张、收缩与气候干湿状况的变化密切相关［11］；郭媛媛等对山东省北部地区聚落遗址时空分布特征进行分析，并探讨聚落时空分布与环境演变的关系［12］。然而，将面向对象的时空数据模型运用于考古研究鲜有报道。本文将郑洛地区新石器时代4个文化时期的聚落群看作时空对象，建立聚落群对象时空数据模型，从时间序列（包括时间变量和时空拓扑）角度，对郑洛地区新石器时代聚落群进行时空数据挖掘研究，从而找到潜在的空间分布和时空演变的规律性知识，为聚落考古提供新的研究思路，并为辅助决策服务。

1 聚落群对象时空数据模型

面向对象方法以更自然的方式对复杂的时空信息模型化，是支持时空复杂对象建模的最有效手段［8］。本文建立聚落群对象时空数据模型，将各时期聚落群看作空间对象，由空间特征、属性特征的单独改变或同时改变表示时变特征，描述聚落群对象的发生、发展、消亡，以及聚落群的合解方向、速度等。如图1，四幅图表示同一地理空间下地理对象在不同时刻的状态。可以看出，地理对象在不同时刻其状态不同；在不同时刻有不同的地理对象。这一系列时刻状态图清晰地再现了地理对象的时空演变过程。

图1 基于对象的时空数据模型Fig.1 Spatio－temporal data model based on objects

地理对象有产生、存在和死亡3种状态。空间特征、属性特征的单独改变或同时改变都可能导致对象的死亡。图1中，在T2时刻，对象3死亡，同时产生了对象6和7；在T3时刻，对象4和5死亡，同时产生了对象8、9、10；在T4时刻，对象1死亡，对象11产生，或者说对象1被对象11继承，即对象1只是属性名称发生了改变。

本研究的4个连续文化时期中，聚落群的产生、死亡时间不能精确到时刻，但这不妨碍在大时段内的研究。所以，研究中，单个聚落群规模扩大或缩小导致的结果都被认为是聚落群得到了继承。同时，用聚落群的中心点标志该聚落群，能够更好地分析聚落群合解变化的速度和方向。在文化末期，该文化时期的聚落群已存在，可视为一个状态。分析聚落群中心点的演变轨迹、速度，结合聚落群的面积、遗址密度，可进一步挖掘聚落群的时空演变规律。

可将聚落群中心点视作多边形中心点进行求取。多边形的中心点（质心或重心）可通过将多边形分割为三角形，求取三角形的中心点，然后将三角形的中心点加权求和取得。三角形的中心点（cx，cy）是三角形3个顶点坐标的平均，公式如下：

求取聚落群的中心点后，结合聚落群对象时空数据模型，可得出中心点演变的分解速度，从聚落群中心点的变化推断聚落群分布的变化速度，即用中心点之间的距离除以变化时间（变化前后经历的文化时期）。将中心点看作带有时间变量的三维坐标（xi，yi，ti），则中心点的变化速度为v，公式如下：

聚落群可视作任意二维平面多边形，其在矢量结构下，面状地物以其轮廓边界弧段构成的多边形表示，一个二维多边形可被分解为多个三角形。无洞多边形顶点Pi（xi，yi），于是聚落群的面积SΩ（单位：108m2）为：

同时得到聚落群的遗址密度Dm（个／（108m2））：

式中：C表示聚落群遗址总数。

2 聚落群时空演变分析

通过聚落群对象时空数据模型的构建，分析聚落群时空演变规律。

（1）用中心点算法求取中心点，4个文化时期的聚落群及中心点基本信息如图2－图4。在裴李岗时期，产生、存在P1、P2两群。经过仰韶前期，P1群分解为YE1、YE2两群的一部分，且有一小部分完全消融，P2群分解为YE1、YE3两群的一部分，同时YE1、YE2、YE3 3个群都得到发展；另外，在仰韶前期还产生了YE4群。在仰韶后期，YE4群得到发展，成为YL4群；YE2群大部分分解为YL2群的一部分，小部分分解为YL3和YL1群的一部分；YE3群大部分分解为YL2群的一部分，小部分分解为YL1群的一部分；YE1群大部分分解为YL1群的一部分，小部分分解为YL3群的一部分；同时，YL1、YL2、YL3群得到发展。另外，到仰韶后期末，P1、P2两群几乎全部合并为仰韶后期的YL1群。龙山时期，YL4群缩小为LC1群，YL2群分解为LB1、LB2、LB3、LB4、LC2群及 LA 群的一部分，YL1群分解为LC3、LC4、LC5、LC6、LC7、LB5、LB6、LB7群及LA群的一部分，YL3群分解为LB8群及LA群的一部分。

图2 裴李岗到仰韶前期Fig.2 Peiligang period to Yangshao prophase

图3 仰韶前期到仰韶后期Fig.3 The prophase to the late of Yangshao period

图4 仰韶后期到龙山时期Fig.4 The late of Yangshao period to Longshan phase

综上所述，只有YE4群一直被继承，除了规模的缩小或扩大外，一直存在，其他聚落群体都随着时间的推移分解成其他群体（图5）。

（2）用聚落群中心点的变化轨迹、速度、聚落群面积、聚落群遗址密度探讨聚落群的时空演变。

图5 4个文化时期聚落群的合解历程Fig.5 The solution process of four cultural clusters

由裴李岗时期聚落群相关情况（表1）可知，P2面积是P1的8倍多，遗址密度是P1的2倍多。

表1 裴李岗时期聚落群Table 1 The settlement cluster of Peiligang period

由仰韶前期聚落群相关情况（表2）可知，若取相同的500a，仰韶前期聚落群遗址总数是裴李岗时期遗址总数的近3倍，仰韶前期聚落群的总面积是裴李岗时期聚落群总面积的2倍多。裴李岗时期到仰韶前期，ti＋1－ti＝1 500a，即仰韶前期历经1 500a。裴李岗时期到仰韶前期中心点间①、②、③、④（为裴李岗时期到仰韶前期聚落群中心点连线的编号，见图2）的合解速度分别为55.1m／a、21.7m／a、30.8 m／a、67.1m／a。从聚落群中心点变化的速度可以看出，从裴李岗时期到仰韶前期，聚落群向西、西南方向（①、④）扩展速度明显高于向东、北方向（②、③）。

表2 仰韶前期聚落群Table 2 The settlement cluster of Yangshao prophase

由仰韶后期聚落群相关情况（表3）可知，若取相同的500a，仰韶后期聚落群的遗址总数是仰韶前期聚落群遗址总数的2.5倍左右，仰韶后期聚落群的总面积是仰韶前期聚落群总面积的2倍多。仰韶后期东部群YL1和西部群YL2面积分别为143.27×108m2、136.91×108m2，相差不大。仰韶前期到仰韶后期，ti＋1－ti＝1 000a，即仰韶后期历经1 000a。该时期中心点间“①－⑦”（为仰韶前期到仰韶后期聚落群中心点连线的编号，见图3）的合解速度分别为51.3m／a、52.0m／a、94.7m／a、24.7m／a、110.9 m／a、88.1m／a、52.9m／a。经计算可知，仰韶前期聚落群YE1平均分解速度51.7m／a，聚落群YE2平均分解速度76.8m／a，聚落群YE3平均分解速度70.5m／a。

表3 仰韶后期聚落群Table 3 The settlement cluster of the late of Yangshao period

由龙山时期聚落群相关情况（表4）可知，龙山时期聚落群遗址总数为392，聚落群总面积为200.65×108m2。若取相同的500a，龙山时期16个聚落群的遗址总数是仰韶后期4个聚落群遗址总数的3倍左右，龙山时期聚落群的总面积与仰韶后期聚落群总面积相差不大。龙山时期中心聚落群LA面积为89.3×108m2；LB面积为56.5×108m2，单个聚落群平均面积为7.06×108m2；LC面积为54.9×108m2，单个聚落群平均面积为7.8×108m2。从分布上看，中心群被两个小群带围绕，主从式分布格局明显。仰韶后期到龙山时期，ti＋1－ti＝500a，即龙山时期历经时间为500a。在表5中，“①－○17”（图4）为仰韶后期到龙山时期聚落群中心点连线的编号。

表4 龙山时期聚落群Table 4 The settlement cluster of Longshan period

表5 仰韶后期到龙山时期中心点合解速度Table 5 The solution speed of center point from the last of Yangshao to Longshan period

图4中，龙山时期LA聚落群有3个箭头汇入，分别来自仰韶后期聚落群YL1、YL2、YL3，可求得向LA聚落群扩展的平均速度为129.6m／a，速度较快；其余15个聚落群仅来自仰韶后期聚落群中的某一个，扩展速度有快有慢。

将4个时期聚落群分别作为一个整体考虑，可得每个时期聚落群的总中心点及其演化轨迹（图6）。同时，可计算出总中心点的移动速度。郑洛地区新石器时代4个文化时期的聚落群总中心先向西南方向快速移动，即裴李岗时期到仰韶前期的聚落群总中心向西南方向移动，平均速度为61.0m／a；再向东北方向移动，即仰韶前期到仰韶后期及仰韶后期到龙山时期的聚落群总中心向东北方向移动，平均速度分别为15.9m／a和53.6m／a。

图6 4个时期聚落群总中心点演化轨迹Fig.6 Evolution of the center of settlement cluster for the four consecutive cultural periods

根据4个时期聚落群遗址总数及总面积，可得裴李岗时期、仰韶前期、仰韶后期、龙山时期聚落群遗址平均密度分别为0.54个／（108m2）、0.79个／（108m2）、0.89个／（108m2）、1.95个／（108m2）。从中可得仰韶前期聚落群遗址平均密度是裴李岗时期的1.5倍左右，仰韶后期聚落群遗址平均密度与仰韶前期相差不大，龙山时期聚落群遗址平均密度是仰韶后期2倍多。因此，可以看出4个文化时期的聚落群遗址平均密度呈上升趋势，前3个时期上升缓慢，龙山时期上升明显。

3 结论与讨论

本文将郑洛地区新石器时代4个文化时期的聚落群看作时空对象，依据面向对象的思想，建立聚落群对象时空数据模型。基于聚落群中心点的演变轨迹和演变速度，结合聚落群的面积、遗址个数、遗址密度，论述了聚落群的空间分布随着时间的动态变化特征。研究结论主要包括：1）从聚落群的合解历程看，裴李岗时期、仰韶前期几乎无分化，仰韶后期东西对峙，龙山时期分级明显，主从式聚落群分布格局出现。2）聚落群中心点先向西南方向快速移动，即裴李岗时期到仰韶前期的聚落群中心向西南方向移动；再向东北方向移动，即仰韶前期到仰韶后期以及仰韶后期到龙山时期的聚落群中心向东北方向移动。3）聚落群遗址平均密度呈上升趋势，仰韶前期聚落群遗址平均密度是裴李岗时期的1.5倍左右，仰韶后期聚落群遗址平均密度比仰韶前期略微上升，龙山时期聚落群遗址平均密度是仰韶后期2倍多。

上述内容验证了考古学家的结论。裴李岗时期时代早、人口少，以山地为主的聚落分布格局限制了聚落面积，聚落遗址的平均密度较低［13］。仰韶前期，聚落向黄土丘陵区的河谷地带迁移。于是，从裴李岗时期向仰韶前期，聚落群中心点移动速度加快。仰韶后期，聚落规模继续扩大，农业技术提升，出现剩余产品，聚落初步分化。龙山时期因凿井技术的出现，人们可以到远离河流或其他水源的地方建设新聚落。于是，从仰韶后期到龙山时期聚落群中心移动速度较快。平原地带，地势平坦、土壤肥沃、交通便利，使得龙山时期聚落分布密度大大增加；同时，这一时期生产力水平不断提升，聚落群主从分明，原始氏族的平等、民主制度已遭到践踏，整个社会处于文明的前夜［14，15］。

［1］ 佘江峰，冯学智，都金康.时空数据模型的研究进展评述［J］.南京大学学报（自然科学），2005，41（3）：259－265.

［2］ WORBOYS M F，HEARNSHAW H M，MAGUIRE D J.Object－oriented data modeling for spatial databases［J］.International Journal of Geographical Information System，1990，4（4）：369－383.

［3］ RENOLEN A.Conceptual modeling and spatiotemporal information systems：How to model the real world［A］.Proceedings ScanGIS Conference［C］.1997.

［4］ LI B，CAI G.A general object－oriented spatial temporal data model［J］.International Archives of Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2002，34（4）：100－105.

［5］ 龚健雅.GIS中面向对象时空数据模型［J］.测绘学报，1997，26（4）：289－298.

［6］ 林广发，冯学智，王雷，等.以事件为核心的面向对象时空数据模型［J］.测绘学报，2002，31（1）：71－75.

［7］ 舒红，陈军，杜道生，等.面向对象的时空数据模型［J］.武汉测绘科技大学学报，1997，22（3）：229－233.

［8］ 曹志月，刘岳.一种面向对象的时空数据模型［J］.测绘学报，2002，31（1）：87－92.

［9］ 陈新保，LI S N，李黎，等.基于对象－事件－过程的时空数据模型及其应用［J］.地理与地理信息科学，2013，29（3）：10－16.

［10］ 朱光耀，朱诚，凌善金，等.安徽省新石器和夏商周时代遗址时空分布与人地关系的初步研究［J］.地理科学，2005，25（3）：346－352.

［11］ 安成邦，王琳，吉笃学，等.甘青文化区新石器文化的时空变化和可能的环境动力［J］.第四纪研究，2006，26（6）：923－927.

［12］ 郭媛媛，莫多闻，毛龙江，等.山东北部地区聚落遗址时空分布与环境演变的关系［J］.地理学报，2013，68（4）：559－570.

［13］ 李龙.中原史前聚落分布与特征演化［J］.中原文物，2008（3）：29－35.

［14］ 赵春青.郑洛地区新石器时代聚落的演变［M］.北京：北京大学出版社，2001.

［15］ 韩翀飞.龙山时代聚落形态研究［J］.华夏考古，2010（4）：81－89.