自然環(huán)境對(duì)人類生存空間的影響是認(rèn)識(shí)過(guò)去“人地關(guān)系”的重要方面，也是多學(xué)科關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。古代先民對(duì)棲息地的選擇是對(duì)多種環(huán)境因子綜和考量的結(jié)果，并且滿足當(dāng)時(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的需求。傳統(tǒng)的基于GIS數(shù)據(jù)提取分析的方法可以展示出單一環(huán)境要素對(duì)人類定居的影響，卻不能客觀的展示不同環(huán)境要素對(duì)人類定居影響的權(quán)重。而考古預(yù)測(cè)模型（Archeological predictive model）可以定量化描述先民定居點(diǎn)和生存環(huán)境之間的關(guān)系，目前主要依賴的算法為邏輯回歸和最大熵模型。近年來(lái)人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)方法的興起可以為考古預(yù)測(cè)模型的研究提供了新的思路，但暫未得到廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用潛力還未得到檢驗(yàn)。
基于此，我院董廣輝教授課題組聯(lián)合地理信息系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)以自然環(huán)境差異大，新石器至青銅時(shí)代人類活動(dòng)轉(zhuǎn)變明顯的青藏高原東北部作為研究區(qū)，使用多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，探討不同文化人群對(duì)自然環(huán)境的選擇策略，并預(yù)測(cè)了研究區(qū)內(nèi)的考古遺址分布概率和不同文化的分布范圍。本研究以研究區(qū)內(nèi)考古遺址點(diǎn)的文化屬性（包括仰韶-馬家窯YS-MJY、齊家QJ、卡約-辛店-諾木洪KXN）和模擬的隨機(jī)點(diǎn)（代表“無(wú)遺址”點(diǎn)）作為分類變量（因變量）；多種環(huán)境要素（包括了地形、植被、土地適宜性、水文、土壤、氣候等六類16種環(huán)境因子）作為預(yù)測(cè)變量。構(gòu)建監(jiān)督的隨機(jī)森林模型用于考古概率分布預(yù)測(cè)；非監(jiān)督的自組織映射（Self-Organizing Maps）模型和隨機(jī)森林產(chǎn)生的重要性排序用于解釋不同文化人群的環(huán)境選擇差異，技術(shù)路線圖如圖1所示。
圖1 技術(shù)路線圖
模型的分類結(jié)果經(jīng)過(guò)了袋外法、留出法（80%為訓(xùn)練集，20%為驗(yàn)證集）、10折交叉驗(yàn)證等方法的評(píng)估，并對(duì)產(chǎn)生的遺址概率分布圖進(jìn)行了Kvamme增益驗(yàn)證。結(jié)果表明：（1）隨機(jī)森林在預(yù)測(cè)考古遺址概率分布時(shí)具有很好的預(yù)測(cè)效果（Kvamme增益G=0.89，越接近1表明模型預(yù)測(cè)性能越好）。模型產(chǎn)生的變量重要性排序表明海拔、耕地適宜性、氣候和土壤侵蝕等級(jí)是影響人類環(huán)境選擇最重要的因素。（2）SOM映射結(jié)果結(jié)合氣候背景和生業(yè)模式研究揭示了不同文化人群環(huán)境選擇策略及驅(qū)動(dòng)機(jī)制：青藏高原東北部新石器-青銅時(shí)代先民的生存環(huán)境策略呈現(xiàn)出梯度模式，并受到氣候環(huán)境和生業(yè)模式的影響。仰韶-馬家窯人群生活在低海拔、適宜的水熱條件下，符合當(dāng)時(shí)先民粟黍農(nóng)業(yè)種植和狩獵野生動(dòng)物的社會(huì)發(fā)展；齊家時(shí)期先民對(duì)牛羊等牧業(yè)經(jīng)濟(jì)的適應(yīng)抵抗住了氣候的惡化，并成為新石器向青銅時(shí)代過(guò)渡的重要階段；卡約-辛店-諾木洪文化時(shí)期的先民對(duì)外來(lái)作物（牛羊、大小麥等）的大規(guī)模吸收支持其突破了原有的生存環(huán)境限制，并登上更高海拔，適應(yīng)更復(fù)雜的高原環(huán)境。
圖2.隨機(jī)森林模型對(duì)所有考古遺址分布范圍的預(yù)測(cè)(a);以及對(duì)不同文化時(shí)期文化分布范圍的預(yù)測(cè)（c-d）.
圖3.不同文化時(shí)期氣候背景變化（a）及生業(yè)模式變化（b-c）
近期研究成果以“GIS and Machine Learning Models Target Dynamic Settlement Patterns and Their Driving Mechanisms from the Neolithic to Bronze Age in the Northeastern Tibetan Plateau”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊Remote Sensing上，博士生李剛為第一作者，博士生董佳佳為通訊作者。該工作由國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目（No. 42261144670），第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究項(xiàng)目（2019QZKK0601），云南省董廣輝專家工作站項(xiàng)目(202305AF150183)，歐洲研究委員會(huì)項(xiàng)目（European Research Council,ERC-2019-ADG-883700-TRAM）共同資助。
蘭州大學(xué)
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