数智时代下考古材料信息的数字化建设与数据可视化研究

摘要：考古材料是考古学进行研究和解释的重要物质基础，随着考古挖掘的不断积累，逐步形成丰富珍贵的物质材料库，大量考古材料关联的非结构化信息数量迅速增长，传统的信息管理手段难以满足数智时代下对考古材料信息数据管理的要求。借助三维数字化模型、虚拟现实技术、大数据分析、数据可视化技术等先进数字技术手段，考古材料信息的数字化建设和数据可视化分析能力不断加强，显著提升信息管理的数据安全性、数据挖掘及可视化分析能力，在增强考古材料信息管理能力和效率的同时，为考古学研究创新提供了新的视角和科学依据。

关键词：考古材料；数字化建设；数据可视化；数字技术

考古学是一门以物质遗存研究为中心来探索人类过去的学科，而物质遗存不仅是人类生产生活的直接见证，也是文化意义的主要载体[1]。随着信息技术的不断革新，数字化和智能化的数字技术手段逐渐以多种形式融合到考古学研究的各个方面，助力考古学朝着更加自动化、科技化的方向发展。考古材料种类规模多样，包含信息细节丰富，除了不可移动的遗址、遗迹、建筑物等大型遗存之外，数量占据绝大多数的是由各地区标本库房保存的人骨、动植物遗存、陶器、石器、金属器等标本，且数量和规模不断扩大。因此，考古材料所包含的海量复杂的信息数据不断扩增。面对数智时代下智慧化的数据信息管理先进理念和模式，不论从学术研究角度还是管理保存角度出发，考古材料信息管理都应积极借助先进的数字技术手段，加强数字化建设及数据可视化研究，在提升管理效率和能力的同时，深度挖掘其背后蕴含的巨大的学术研究价值和意义，同时也是加强遗产资源管理与提升考古科研创新能力的必然要求和发展趋势。

一、加强数字化建设是考古材料信息管理的发展趋势

1.数字技术发展多角度助力考古材料信息管理

考古材料信息管理贯穿于考古研究工作流程的全过程，从前期的户外调查和田野考古挖掘，到收集和整理文物和遗迹资料，再到对考古材料开展交叉学科的实验研究，都离不开对考古材料信息的数字化管理和数字技术的应用。借助现代测绘、计算机图形学和数据库等技术，在田野考古各工作环节中形成的一系列多类型考古材料信息，逐步实现电子化、数据化、智能化的管理[2]。水下考古是考古学的组成部分或重要分支，是陆地考古向水下的延伸[3]。水下考古涉及的考古材料主要有古船、古代水利工程设施、沉船、飞行器残骸、人类散落的遗迹等。近年来引入信息技术与精密科研仪器，产生了大量的电子数据，多地建立如水文化遗产数据库等智慧化数据管理服务系统[4]。先进多样的数字技术正多角度、全方位地交叉融合到考古材料信息管理领域，在考古挖掘阶段采用三维数字技术、地理信息技术，优化了考古材料数字信息的采集和构建流程。基于计算机信息技术、数据库技术搭建的数据管理系统，大幅度提升了考古材料数字化信息的存储与管理性能，借助大数据分析、云计算、人工智能技术，使考古材料数据管理具备智能化分析与可视化共享能力。

2.提升考古材料信息管理的数据安全性

由于考古材料本身价值的珍稀性和唯一性，确保其安全完好地运送到各地库房永久保存，是加强文化遗产资源保护传承的首要任务和要求。然而，考古材料在到达标本库房入库保存之前，需经过挖掘出土、采集搬拿、包装运输和清理修复等一系列环节，每一个环节都面临着复杂的材料损害风险，且损害过程往往不可逆、不可修复[5]。不同种类考古材料的保存对环境条件有不同的要求，包括温度、相对湿度、光照度、大气环境、生物危害等因素，如果无法满足适宜的保存条件，则材料极易出现劣化、病害和污染等现象[6]。因此，考古材料信息管理具有容错性小且错误难以恢复、安全要求等级高、材料数据准确度要求高的特点，借助数字化手段可为考古材料管理在入库保存前后阶段均提供良好的安全性解决方案。在考古挖掘现场，利用三维激光扫描和数字化三维建模技术准确记录考古材料出土过程的现场空间测量数据；在考古材料入库后，采用计算机断层扫描技术（CT）、图像处理技术等多种数字化信息采集技术，多维度丰富各考古材料信息数据库。作为考古材料在入库前的重要田野考古信息记录和入库后重要的自身属性数据，数字化的信息采集和存储有效提升了信息管理的完整性、准确性和效率。相较于传统的物理纸质记录信息管理手段，数据存储技术采用分布式云存储系统、数据加密、容错备份等多种科技手段提升并保障数据的安全性和实时性。多种信息的数字化使考古材料管理具备更高的容灾、抗灾能力，在实现安全长期存储的同时，满足多人同时实时调取、随时查看任意数据信息。

3.挖掘分析考古材料信息背后的大数据价值

大数据分析是指通过对大规模数据集的分析和挖掘，提取并解读出数据背后潜在的关联价值和规律信息，主要技术包含数据采集、数据预处理、数据存储和数据分析。考古材料的数据信息包含基础测量数据、三维数据模型、鉴定检测数据、文献分析数据和修复复原数据等种类繁多的基础数据，并随着考古挖掘工作的持续开展，考古材料及其相关联的信息不断扩增，数字化信息数据采集和管理是大数据分析的基础和重要数据来源。依托在线数据管理系统和智慧管理平台，考古材料的数据管理水平和效率显著提升，并为考古材料关联的大量非结构化信息数据的存储和整合提供技术基础。陕西省文物保护研究院整合统计丰富的文物实体及其关联的大量文物信息，建立翔实系统的数据库，并通过数据处理模型进行大数据分析，为文物鉴定提供了重要的科学依据[7]。考古材料数据具有增长速度快、种类丰富多样、数据非结构化、数据价值隐蔽等特点，依靠传统的分析管理方法，难以全面分析整体的数据特征及其相互关系，从而无法准确地反映数据所蕴含的价值关联，且易出现遗漏和偏差。大数据分析借助数据挖掘、云计算、机器学习等技术手段和强大的计算机硬件设施，自动化学习并分析海量数据蕴含的未知规律和研究意义，在确保结果准确性的同时保证高效的处理速度，为考古材料分析和研究提供新的视角和科学依据。

二、考古材料信息的数字化建设方法研究

1.三维数字化模型高精度还原材料形态

在先进的计算机图形技术和高性能的计算机软硬件条件支撑下，三维数字模型能够高度还原物质实体丰富的空间信息和高精度的纹理细节信息。考古材料由于价值珍贵、信息细节丰富，且随着保存时间的流逝，老化风险增加，借助数字化三维建模技术可以高精度还原考古材料形态的细节信息，包括颜色、划痕、形状、尺寸等。完成考古材料在入库前的三维数字化建模流程，首先是利用三维激光扫描或近景摄影测量技术，全方位、无接触地精确采集材料的所有细节特征，然后对获得的点云数据执行预处理、去噪、拼接等操作，以提升数据质量。优化后的数据通过计算机建模软件和图像处理技术进行重建并优化，生成高还原度、高分辨率的三维数字化模型。最后利用相机采集的纹理和颜色素材图像，对三维模型进行贴图处理并根据渲染结果进一步优化，提升模型的真实感和细腻感。考古材料的三维数字化模型是考古材料信息管理中重要的数字资源，将物质实体信息无损精准映射到数字空间实现永久保存，详细记录考古材料入库时的原始形态数据，为在此基础上开展后续的模拟复原、虚拟重建等研究提供宝贵的原始资料数据库。

2.虚拟现实技术创新考古材料研究方法

虚拟现实技术（VR）借助可穿戴式硬件互动设备，实现在虚拟环境中与场景和物体的沉浸式交互，并且随着信息技术和硬件设施的不断进步与发展，虚拟现实的互动性与真实性进一步提升。考古材料信息数字化采集与存储方案的普遍应用，为考古材料的研究和展示方式提供了全新的数字化创新契机。基于数字化三维建模技术搭建的虚拟仿真平台和虚拟现实模拟实验环境，将考古材料本体完全复刻呈现在虚拟空间中，打破了由于考古材料存储的时空限制而难以开展广泛研究的困境。在不接触考古材料实体、对考古材料无损害风险的前提下，满足多个用户通过网络实时并不限次数地开展沉浸式的教学体验和观察研究活动。郑州大学历史学院开发的“田野考古发掘虚拟仿真实验”网络平台，通过虚拟技术还原遗址内的地层、遗迹等堆积的结构情况，模拟复杂遗址的田野考古发掘工作流程，并进一步开发支持虚拟现实交互设备的系统版本[8]。北京大学考古虚拟仿真实验教学中心设计开发的“文化遗产VR数据库平台”，将野外探查测绘获得的文物古建筑数据上传至数据库，通过VR平台实现对古建筑形制和拼接的教学[9]。考古材料的虚拟仿真研究平台同样具有重要意义，在作为珍贵的考古材料的一种数据化备份保护方案的同时，实现数据的实时共享，在不受限制、多角度地在虚拟环境中对材料进行测量、观察等研究与教学，提升了考古材料信息数据的使用价值和频率。

三、考古材料信息数据的可视化分析

在新时代建设文化强国背景下，考古遗迹和历史文物的保护和利用是弘扬中华优秀传统文化的重要任务和手段。丰富多样的考古材料信息数据不断产生和积累，使可供挖掘与分析的优质数据日益丰富，数据价值和蕴含丰富信息的可视化呈现和分析，为考古研究提供了新的视角和便利。

1.Echarts数据可视化技术的应用

数据可视化通过可视化工具，使数据的视觉表现形式更加立体丰富，将隐蔽在数据中的信息直接呈现出来，提升了数据的表达效率和数据间的联系效率。Echarts数据可视化技术是一款兼容性强、具有较强的数据处理和数据转换能力的、支持多种可视化图表类型的可视化工具，不同类型的考古材料信息数据基于Echarts技术的可视化展示与实践，均表现出优良的性能。中北大学景志宇建立特定文物数据库挖掘文物数据价值，并结合Echarts技术实现数据的可视化，采用不同的图表类型来展示馆藏文物数据，将挖掘的信息直观呈现，并有效揭示了数据价值的关联和意义[10]。北京邮电大学安宁基于各种类型文物中的传统纹饰构建数据模型，利用Echarts可视化技术，通过地理地图可视化和隐喻地图可视化的方式展现纹饰之间的关系及演化过程，为挖掘更多有价值的信息提供便利[11]。借助数据可视化技术手段，将复杂多样的考古材料信息数据通过图形、图像等形式直观地表达出来，使得大量数据的基本特征和分布情况，多维度清晰展现，可谓一目了然，且更有利于挖掘和发现隐藏在信息数据背后的规律和特征，从而提升从海量无规律数据中提炼有价值信息的效率和能力，为考古材料信息数据研究提供科学有力的支撑。

2.数据看板和地图可视化呈现

不同种类考古材料出土的地理位置信息，可以反映不同区域的考古学和地方史研究的重点内容和发展趋势。对于考古材料地理位置数据的可视化分析，可以帮助快速定位文物密集分布的重要地点，并实时更新不同地理位置最新挖掘出土的考古材料信息，通过数据看板和地图可视化的形式进行呈现，对考古调查和文物保护具有重要的指导作用。数据看板可以将与考古材料相关的出土遗址、地理位置、年代等重要信息以多种形式、不同维度展现在数字化大屏中，通过自助式交互操作实现个性化的可视化分析，以满足不同侧重点的数据挖掘与对比。其中，考古材料信息数据看板中的地理数据可视化将地理数据信息具象投射到数据地图上，以地图的形式来直观呈现和分析数据的关联性，数据地图包含2D/3D矢量地图、边界地图、瓦片地图等多种表现形式，基于地图地区的不同数据，根据需要，支持以不同的效果叠加多层展示在同一地图中，如散点效果、飞线效果和热力效果等，并且进行缩放查看特定区域的详细数据。从地理位置信息角度展现考古材料，实现对不同地理位置的考古材料情况的实时监控，帮助及时准确掌握各区域考古材料的类型和规律，从而更好地对考古材料开展挖掘与保护工作。

四、结论

考古材料信息的数字化建设贯穿于考古材料挖掘与管理的全过程，借助先进科学的信息化数字技术建立考古材料的数字化三维模型、数据管理系统和虚拟仿真研究平台，通过无损高效的方式将考古材料信息精准提取并存储到数字空间，有效提升了信息管理的数据种类丰富性、数据安全性和数据实时共享性。大量的考古信息数据通过数据挖掘和可视化分析来高质量提取隐藏在信息背后深层次的价值、规律和关联关系，为考古遗产资源管理保护和考古学科创新研究提供了新的科技动能。

参考文献：

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[2]冯永恒，黄伟，方辉.知识·遗产·记忆：田野考古档案资源智慧化转型路径探析[J].档案学研究，2022（05）：81-88.

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[7]井明，许彩莲，权敏.文物鉴定中大数据应用分析初探[J].文博，2020（04）：86-89.

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[9]张剑葳，吴煜楠.虚拟仿真技术在文物建筑教学中的应用探索[J].中国大学教学，2019（11）：66-69.

[10]景志宇.基于特定文物数据的可视化分析研究[D].中北大学，2020.

[11]安宁.一类传统纹饰演化关系发现与可视化研究[D].北京邮电大学，2020.

作者简介：

赵瑞（1993—），女，吉林辽源人。工程师，硕士，研究方向：数字化考古与文化遗产保护、实验室建设与管理研究。