GIS（Geographic Information System，即地理信息系統(tǒng)）是在計算機支持下，對地理空間相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集、管理、操作、分析、模擬、顯示的技術(shù)系統(tǒng)，考古遺存的空間屬性為GIS在考古學(xué)上的應(yīng)用提供了條件。目前，GIS已應(yīng)用于遺址調(diào)查與測繪、環(huán)境考古、聚落考古、文物保護管理等與考古相關(guān)的領(lǐng)域。本文根據(jù)筆者對山西省中小型石窟及摩崖造像所做的GIS數(shù)據(jù)庫分析，對GIS在石窟寺考古研究中的應(yīng)用略作探討。
本文所依據(jù)的圖片資料包括《中國文物地圖集·山西分冊》中的《山西省石窟寺及摩崖造像圖》、山西省地圖、山西省DEM（Digital Elevation Model，即數(shù)字高程模型）圖（來自http://datamirror.csdb.cn，中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站）、《全國1：400萬政區(qū)圖》（來自http://nfgis.nsdi.gov.cn，國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)）、《全國1：250萬地質(zhì)圖》（來自http://www.resdata.cn，國土資源科學(xué)數(shù)據(jù)共享）。通過GIS軟件從《全國1：400萬政區(qū)圖》中將代表山西省界的多邊形提取出來，用這個多邊形對《全國1：250萬地質(zhì)圖》進行裁切，即得到山西省的地質(zhì)圖。文字資料則包括石窟調(diào)查報告與簡報、地方志、史書、相關(guān)專著和論文集等。
將文字資料提供的信息以中文或數(shù)字代號的形式分項錄入Excel表格，在ArcCatalog中建立數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)入編輯好的Excel表格，創(chuàng)建要素集、新建要素類，主要包括古道、古城市點和石窟點，添加相應(yīng)的關(guān)系類。紙質(zhì)掃描圖均要進行配準。由于提取的山西省界多邊形和裁切的山西省地質(zhì)圖均采用1954北京坐標(biāo)系，DEM采用UTM/WGS84坐標(biāo)系，因此需要在ArcMap中根據(jù)七參數(shù)定義大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化，將省界多邊形和地質(zhì)圖轉(zhuǎn)到WGS-84坐標(biāo)系，再投影到UTM坐標(biāo)系。
在ArcMap中導(dǎo)入要素類進行編輯：古城市點、古道根據(jù)地方志的記載以及配準后的山西省地圖繪制；石窟點（包括石窟和摩崖造像）由于大多數(shù)缺乏經(jīng)緯度信息，暫根據(jù)文字資料以及《山西省石窟寺及摩崖造像圖》來確定位置。建成的數(shù)據(jù)庫可查詢每個石窟點的名稱、時代、位置、窟龕數(shù)目、造像數(shù)目等內(nèi)容，還可以通過一對多關(guān)系查詢一個石窟點每個編號石窟的時代、保存狀況、類型、朝向、窟室形制、三維數(shù)據(jù)、外立面形制、窟門形制、龕形、造像題材、單鋪組合、裝飾紋樣、造像技法等信息。
通過數(shù)據(jù)庫的建立，我們分析了以下幾個方面的問題。
一、石窟及摩崖造像與周圍環(huán)境的關(guān)系
1.坡度分析
坡度分析是針對石窟周圍一定面積的環(huán)境進行的考察。取150米為半徑的圓作為石窟寺的開發(fā)域，將GIS軟件統(tǒng)計運算的結(jié)果進行卡方檢驗，可知石窟點的分布與周圍環(huán)境的坡度相關(guān)。
2.坡向分析
在ArcMap中生成DEM圖的坡向圖，并將坡向信息賦給石窟點，用不同顏色分類顯示，可知位于南坡的石窟占絕大多數(shù)，在西、東坡的次之，位于北坡的極少。
3.高通濾波分析
高通濾波（High-pass Filter）可以凸顯變化強烈的地方，對DEM圖進行高通濾波分析，可看出石窟點分布在有一定地形變化的地方，這應(yīng)該跟前寺后窟、前平后陡的山地寺院有關(guān)
4.石窟點與古道、河流的關(guān)系
根據(jù)人通常行走的速度計算，古道的一級緩沖區(qū)暫設(shè)為0-10公里，二級緩沖區(qū)暫設(shè)為10-20公里。河流采用GIS軟件運算匯流積累量提取河網(wǎng)生成，北魏時期水量要比現(xiàn)在充沛，所以提取的河網(wǎng)應(yīng)比現(xiàn)代地圖中所標(biāo)略豐富，能覆蓋考古調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的古河道，結(jié)果顯示大多數(shù)石窟點都分布在古道或河流的一級緩沖區(qū)里，其他石窟點也多位于古道或河流的二級緩沖區(qū)中。
5.可視域分析
石窟一般較大，位于山體上，可近似認為在石窟點視場內(nèi)的點上也可以看見石窟。石窟點可視域分析的結(jié)果顯示，石窟多建在沿河行進或沿古道行進時可以看見的地方。
二、不同時代石窟及摩崖造像的特點
1.不同時代石窟的位置與開鑿
在GIS軟件中將不同時代的石窟點用不同顏色分類顯示，可直觀地看到，山西境內(nèi)北魏早期的石窟點位于晉北，到孝文帝遷洛前則分布在晉北、晉中，遷洛后主要分布于晉中、晉南，有南移趨勢。東魏、北齊石窟點多位于山西東南部，與都城鄴城的地理位置接近。隋、唐石窟點主要位于山西中、南部，應(yīng)該與東都洛陽的影響有關(guān)。唐末五代之后，山西是南北政權(quán)對峙地區(qū)，遼、北宋、金石窟的分布與政權(quán)的劃分相對應(yīng)。元、明、清山西全部屬于統(tǒng)一政權(quán)統(tǒng)治范圍，石窟點在全省境內(nèi)廣泛分布開來。可以看出，石窟點的分布受到了政治中心轉(zhuǎn)移、大型石窟開鑿和政權(quán)版圖等因素的影響。
用餅圖顯示每個石窟點中各時期石窟所占比例的情況，結(jié)果表明這些石窟中有新選地點進行開鑿者，也有不少是在前代的石窟點繼續(xù)開鑿。
2.不同時代石窟形制和造像題材的特點
對不同時代石窟的類型、平面形狀、窟頂形狀、前廊、龕形、造像題材、單鋪組合等項目分別進行統(tǒng)計并用直方圖顯示，可清晰地看出不同時代石窟形制和造像題材的特點。
三、石窟及摩崖造像的石質(zhì)選擇
在GIS中通過對地質(zhì)圖層查詢，可知山西省保存狀況極差、風(fēng)化嚴重的石窟點均開鑿在砂巖或石灰?guī)r上，有的巖石還有夾層，其他石窟點也多開鑿在砂巖上。選擇這類巖石進行雕刻，易于雕刻，但也加大了現(xiàn)在文物保護的工作量。
通過對GIS在山西省中小型石窟及摩崖造像研究中的應(yīng)用，筆者有以下幾點思考：
1.建立完善的石窟寺GIS數(shù)據(jù)庫是其他研究工作的基礎(chǔ)，應(yīng)該從實地調(diào)查階段起就按照數(shù)據(jù)庫的要求進行數(shù)據(jù)采集。盡管近年部分調(diào)查報告記錄了石窟點的經(jīng)緯度，但現(xiàn)有調(diào)查報告和簡報對于石窟點位置的描述還顯模糊，這使石窟點位置數(shù)據(jù)的誤差變大。部分調(diào)查報告和簡報缺失石窟朝向、平面形狀、窟頂形狀、窟龕類型、造像和壁畫題材等信息，直接影響了數(shù)據(jù)庫的完整性。目前，GPS為石窟點提供了很好的定位方式，它精度高，并且使用WGS-84坐標(biāo)系，可直接在ArcMap中投影到DEM圖所使用的UTM坐標(biāo)系，大幅度減小測量方式和坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差。因此，在今后的石窟調(diào)查工作中應(yīng)采用GPS記錄石窟點的經(jīng)緯度信息，并盡可能全面地記錄石窟點每一個窟龕的詳細情況。
2.在調(diào)查石窟點的同時還要關(guān)注石窟周圍的環(huán)境因素，加強對古河道、古道路的重視，根據(jù)實際調(diào)查的結(jié)果在ArcMap中繪制古道路并校正提取的河網(wǎng)，以增強研究結(jié)果的可靠性。
3.下載的DEM圖（分辨率為30米或90米）精度不足以進行深入研究，尤其是在坡度分析和高通濾波分析方面，需購買分辨率更高的DEM圖。
4.可以通過坡度、坡向、高通濾波、河流緩沖區(qū)、道路緩沖區(qū)和可視域分析來探討石窟及摩崖造像分布的規(guī)律，研究影響石窟選址的因素和石窟周圍環(huán)境景觀的特征；可以用分類顯示的方法直觀地全覽石窟點分布隨時空的變化，為探討這些變化背后的機制提供證據(jù)支持；可以在GIS中進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并用直方圖等方式將結(jié)果可視化，來研究不同時空條件下石窟形制、造像題材組合的特點，直觀地展示石窟發(fā)展的脈絡(luò)；可以查詢石窟的石質(zhì)，為研究古代工匠對于石質(zhì)的認知、一些與增加支撐力相關(guān)的石窟結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生以及石窟保護提供資料。GIS在石窟寺考古研究中的應(yīng)用前景是廣闊的，GIS工具的引入將會促進石窟寺考古的發(fā)展。因此，我們有必要加強在石窟寺考古領(lǐng)域?qū)IS的運用。
（作者單位：北京大學(xué)考古文博學(xué)院）