[论文解读] On building and fitting a spatio-temporal change-point model for settlement and growth at Bourewa, Fiji Islands

Geoff K. Nicholls, Patrick D. Nunn|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2010

Pacific and Southeast Asian Studies参考文献 32被引用 3

一句话总结

该论文提出一种贝叶斯时空变点模型，利用来自斐济布劳雷瓦遗址100个土坑中60件标本的放射性碳测年数据，推断人类定居的开始时间。通过在网格上对空间开始场建模为双参数接触过程，该模型估计了每个位置的沉积开始时间，揭示了中心起源及沿海滩40–50米范围内的渐进式扩张，历时150–200年，尽管存在空间异质性，但对单一沉积阶段提供了强有力支持。

ABSTRACT

The Bourewa beach site on the Rove Peninsula of Viti Levu is the earliest known human settlement in the Fiji Islands. How did the settlement at Bourewa develop in space and time? We have radiocarbon dates on sixty specimens, found in association with evidence for human presence, taken from pits across the site. Owing to the lack of diagnostic stratigraphy, there is no direct archaeological evidence for distinct phases of occupation through the period of interest. We give a spatio-temporal analysis of settlement at Bourewa in which the deposition rate for dated specimens plays an important role. Spatio-temporal mapping of radiocarbon date intensity is confounded by uneven post-depositional thinning. We assume that the confounding processes act in such a way that the absence of dates remains informative of zero rate for the original deposition process. We model and fit the onset-field, that is, we estimate for each location across the site the time at which deposition of datable specimens began. The temporal process generating our spatial onset-field is a model of the original settlement dynamics.

研究动机与目标

• 建模斐济早期拉皮塔遗址布劳雷瓦的人类占用地时序与空间开始时间，该遗址缺乏明确的地层阶段。
• 通过在无日期指示零沉积率的情况下进行推断，缓解因沉积后材料不均匀变薄带来的混杂影响。
• 估计初始人类活动的时间与空间模式，同时考虑采样强度差异和相位边界不确定性。
• 利用边际似然与贝叶斯因子，检验单相模型与多相模型哪个更能解释数据。
• 通过后验开始场图可视化并量化定居从中心核心向周围海滩区域的扩展过程。

提出的方法

• 将可测年标本的沉积建模为时间上的Cox过程，相位边界由第二个泊松过程定义，允许各阶段速率不同。
• 在二维网格上引入一个开始场过程，其中每个单元格的开始时间由外部迁入和邻近已占用单元格的本地传播共同决定。
• 使用双参数接触过程定义开始场先验，使扩张模式类似于非线性Fisher方程的波状传播。
• 采用贝叶斯推断与MCMC抽样，基于每个土坑的日期数量及其年龄，估计开始时间、相位数量与模型参数的联合后验分布。
• 通过边际似然估计与贝叶斯因子比较单相与多相模型，同时校正先验偏差。
• 通过对比四种模型验证模型稳健性：无空间结构的单相模型、具开始场的单相模型、无空间结构的随机相模型、具开始场的随机相模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏明确地层阶段的情况下，人类占用地在布劳雷瓦遗址的开始时间和地点是什么？
• RQ2 放射性碳测年数据的空间分布是否支持单相或复相沉积模型？
• RQ3 开始场模型如何通过整合定居扩张的空间动态，优于标准相位模型？
• RQ4 诸如沉积后变薄等混杂过程在多大程度上会偏差标准放射性碳测年解释？
• RQ5 定居始于中心位置并沿海滩渐进扩展的后验概率是多少？

主要发现

• 后验均值开始场图显示，人类占用地始于‘1’、‘4’和‘X6’土坑之间的中心区域，并在150–200年内沿海滩逐步扩展。
• 最早沉积的估计开始时间为距今年代3000–3200年，比未采用开始场模型时出现的200年向现在的偏移更可靠。
• 边际似然结果表明单相模型最被支持，估计贝叶斯因子为e₁ ≈ 0.8，e₂ ≈ 1，e₃ ≈ 1.3，表明无充分证据支持多相模型。
• 具开始场的随机相模型支持单相假设，作为模型误设检验，证实了开始场模型的稳健性。
• 三相模型中的相位分配显示出清晰的空间趋势：第3相（最早）位于中部，第2相向外扩展，第1相（最晚）位于外围，与推进波式定居模式一致。
• 开始场模型有效捕捉了沉积开始的空间异质性，且未对早期日期产生过度收缩，而假设空间上均匀相位边界的模型则存在此问题。