基于轮廓几何形态计量学量化评估陶器器间与器内形态变异的方法

《Antiquity》：A method to assess inter- and intra-vessel shape variation in pottery using outline-based geometric morphometrics

如何从陶器的最终形态中解码古代工匠的组织、技能与个人习惯？本研究介绍了一种基于三维模型的开源分析方法，通过提取轮廓进行几何形态计量学（GMM）分析，结合旋转对称性评估与“虚拟切片”技术，实现了对陶器器间与器内形态变异的高精度量化。应用该方法对哥伦比*前西班牙时期三种陶器传统进行比较，成功揭示了与工匠技能和习惯相关的差异模式，为考古学研究提供了新的技术工具和分析框架。

　　

陶器，作为古代社会最常见的文化遗产之一，其形态不仅反映了功能与审美，更深深“烙印”了制造者的技艺、习惯以及背后的手工业生产组织方式。长期以来，考古学家试图从陶器的形态变异中解读这些信息，但面临着方法上的挑战。传统线性测量对复杂曲面形态的捕捉能力有限，而针对单个器物内部一致性（如旋转对称性、器壁厚度均匀性）的研究更是稀少。然而，正是这些“器内变异”可能隐藏着识别特定工匠个人风格与技能水平的关键线索。为了更精准地解码陶器形态中蕴含的“技术DNA”，一项研究提出了一套创新的量化分析方法。

这项研究发表在《Antiquity》上，旨在通过三维模型和开源软件，建立一套评估陶器器间与器内形态变异的综合方法。研究人员认为，手工业生产的重要方面，如标准化程度和工匠技能，被编码在陶器的最终形态中。他们通过一个案例研究——分析哥伦比*前西班牙时期塞拉尼亚-纳里嫩塞（Serranía nari?ense）地区的卡普利（Capulí）、皮亚塔尔（Piartal）和图萨（Tuza）三种装饰性陶器传统——来验证此方法的效用，以期揭示不同陶器传统背后生产组织与工匠技能的差异。

为开展研究，作者运用了几项关键技术方法。首先，使用Artec Space Spider手持式结构光扫描仪对30件带圈足的陶碗进行三维建模。其次，利用GigaMesh软件对三维模型进行定向，并每隔5度提取一个“虚拟”横截面（共36个），用于后续的轮廓分析。接着，通过几何形态计量学（GMM）流程，具体包括使用MOMOCS软件包进行椭圆傅里叶分析（EFA）提取轮廓特征，进行主成分分析（PCA）以降低数据维度并可视化形态差异。然后，创新性地计算了“组内距离”（D_Group）值，作为量化单个器物内部形态变异（旋转对称性）的指标。最后，还使用ImageJ软件测量了水平截面的器壁厚度、圆形度（C）和圆度（R），以评估器物的内部对称性及器壁均匀性。所有数据和分析代码均已开源。

结果部分展示了以下主要发现：

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  主成分分析揭示器间形态差异：PCA结果显示，主成分1（PC1）和PC2共同解释了超过90%的形态变异。PC1将带有较高圈足的卡普利陶器与圈足较矮的皮亚塔尔和图萨陶器区分开；PC2则描述了碗部的形态，成功区分了之前识别的两个皮亚塔尔亚型。
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  D_Group值量化器内变异：通过计算每个器物所有横截面到其形态中心点的平均距离（D_Group），量化了单个器物的内部形态一致性。卡普利陶器的D_Group值普遍较高且变异性大，表明其器内对称性较低，且生产者技能水平差异较大。相反，皮亚塔尔和图萨陶器的D_Group值普遍较低，显示其内部形态更一致，可能意味着制造者技能更高或生产控制更严格。
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  单个器物的PCA可视化变异来源：对具有特定D_Group值的代表性器物进行单独PCA分析，可视化了其变异的具体来源。例如，D_Group值最高的器物CA230365，其形态变异主要源于碗体与圈足的轴线未对齐导致的倾斜，以及圈足与碗体连接处略呈椭圆形。
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  圆形度与圆度评估旋转对称性：通过计算水平截面的圆形度（衡量周长变形）和圆度（衡量长短轴比例），评估了器物的旋转对称性。三种陶器传统在这些参数上未显示出统计学上的显著差异，但数值分布模式有所不同。卡普利和图萨陶器的圆度略高，而皮亚塔尔陶器的两项参数变异范围最大。
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  器壁厚度反映生产控制：三种陶器传统的平均器壁厚度存在显著差异，卡普利陶器的器壁最厚。在器间变异方面，图萨陶器的器壁厚度最为一致（变异系数CV=7%）。然而，在器内变异（即单个器物自身器壁厚度的均匀性）上，三种传统的CV值相似（卡普利和皮亚塔尔为8%，图萨为6%），这可能暗示它们共享相似的主要成型方法（如泥条盘筑）。

结论与讨论部分对研究发现的意义进行了深入阐述。本研究成功整合了一套可从三维模型便捷提取的度量与形态学参数分析方法，适用于多种三维建模技术。尽管样本量有限，但案例研究结果揭示了有意义的变异模式：卡普利陶器在器内和器间都表现出更大的形态变异，这可能暗示了一种技能水平参差不齐的分散化生产传统。而皮亚塔尔和图萨陶器则显示出更高的内部对称性，但两者在器内标准化程度上并无显著差异。有趣的是，尽管有研究提出图萨陶器可能引入了新的装饰技术甚至旋转动能，但本研究并未发现其产品标准化程度有显著提高。

在众多评估指标中，基于多截面分析计算的D_Group值被证明是捕捉器内形态变异最有效的指标，它不仅量化了整体变异，还能通过PCA图可视化变异来源，为识别个体习惯和“实践社群”提供了强大工具。其他参数，如圆形度、圆度和器壁厚度变异系数，可作为衡量工匠技能的有效代理指标。研究指出，几乎所有案例中的变异系数都超过了人类感知的韦伯分数（约3%），意味着这些变异在当时是可能被感知的，它们要么被接受，要么超出了陶工的控制能力。

此外，该方法未来一个极具前景的应用方向是分析同一遗迹单位（如一座墓葬）内陶器的变异，其形态差异可能反映了不同制造者的运动习惯，从而指示陪葬品的多元生产来源。本研究中对来自同一墓葬的五件皮亚塔尔陶器的分析已初步显示出这种可能性。

总之，这项研究提供了一套强大的方法论框架，能够从考古陶器的三维形态中提取更深层次的技术信息，深化我们对古代手工业生产组织、知识传承与工匠个体能动性的理解。