激光雷達(dá)遙感科技考古
——發(fā)現(xiàn)即將消逝的人類活動(dòng)的遺跡遺存*

胡慶武，王少華?，傅才武，尹開國(guó)

①武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，武漢 430079；②武漢大學(xué) 國(guó)家文化創(chuàng)新研究中心，武漢 430070；③湖北海達(dá)文化遺產(chǎn)保護(hù)科技研究院，武漢 430074

我國(guó)擁有燦爛的歷史文明，在華夏大地分布著成千上萬(wàn)年的古代自然和社會(huì)活動(dòng)遺跡(包括大型聚落、城址、宮室、陵寢墓葬等遺址群)，為研究中國(guó)古代政治、宗教、軍事、科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通、水利等提供了大量的實(shí)物素材，是研究我國(guó)古代人文學(xué)、社會(huì)學(xué)、美學(xué)和自然科學(xué)的珍貴資源，具有重要的研究和保護(hù)價(jià)值。隨著全球化、信息化的迅猛發(fā)展，西方文化和價(jià)值觀借機(jī)滲透，存在著民族文化傳統(tǒng)印記淡化、人文精神失落的危險(xiǎn)，國(guó)家與民族凝聚力受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。文化遺產(chǎn)保護(hù)不僅是維系本土文化獨(dú)立性的國(guó)家戰(zhàn)略，而且是維系民族團(tuán)結(jié)、國(guó)家統(tǒng)一、文化自信、文化認(rèn)同的基石和重要舉措[1]。

近些年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)速度的加快、自然環(huán)境的變化和人為破壞，大量古代文化遺跡遺存正以不可逆的方式快速消亡，如不及時(shí)采取科學(xué)的保護(hù)措施，將會(huì)給國(guó)家和民族造成不可挽回的損失[2-3]。提前預(yù)測(cè)和加快保護(hù)這些文化遺存的任務(wù)越來(lái)越緊迫，《國(guó)家“十三五”文化遺產(chǎn)保護(hù)與公共文化服務(wù)科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確指出：“大力發(fā)展文化遺產(chǎn)價(jià)值認(rèn)知科學(xué)與技術(shù)，在遺跡遺物探測(cè)、文物信息提取、文物價(jià)值挖掘等方面突破系列核心關(guān)鍵技術(shù)?！?/p>

古代人類活動(dòng)留下來(lái)的遺存遺跡是人們過(guò)去生活過(guò)的地方，人類活動(dòng)導(dǎo)致其自然形態(tài)發(fā)生變化，使其與周圍純自然的環(huán)境有所區(qū)別。雖然這些變化經(jīng)過(guò)后來(lái)的人工擾亂不易察覺(jué)，但是畢竟與原來(lái)的周圍環(huán)境存在差異，并通過(guò)地表水分條件、植被生長(zhǎng)狀況、土地利用狀況、地貌結(jié)構(gòu)的不同得以保存下來(lái)，以不同的空間模式或特征分布在地表。如何利用這些遺存遺跡與周邊地形、環(huán)境、植被覆蓋等的不同，進(jìn)行大范圍及隱蔽區(qū)域的遺存遺跡識(shí)別、調(diào)查和測(cè)繪，對(duì)于文化遺產(chǎn)的發(fā)現(xiàn)、保護(hù)、研究和利用具有重要意義。

1 遙感科技考古

遙感自誕生以來(lái)就是人們發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)考古遺址的重要手段。遙感考古通過(guò)從航天飛機(jī)、衛(wèi)星、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)等不同平臺(tái)上運(yùn)用攝影機(jī)、光譜相機(jī)、紅外相機(jī)、雷達(dá)等成像設(shè)備獲取考古遺址影像資料，根據(jù)遺址范圍內(nèi)地表現(xiàn)狀和光譜成像規(guī)律等的相互關(guān)系，對(duì)影像的色調(diào)、紋理、圖案及其時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行研究，判定遺跡或遺址的位置、分布、形狀、深度等特征，進(jìn)行遺址識(shí)別和調(diào)查。與田野考古相比，遙感考古能夠在許多方面彌補(bǔ)地面觀測(cè)無(wú)法得到的大量信息，其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為覆蓋范圍廣、時(shí)空分辨率高、光譜分辨率高、穿透能力強(qiáng)，以及對(duì)考古對(duì)象的無(wú)損探測(cè)[4-6]。

遙感考古作為區(qū)域歷史文化信息的探測(cè)、發(fā)現(xiàn)和認(rèn)知的重要手段，已得到廣泛應(yīng)用。在遙感技術(shù)的幫助下，考古學(xué)家能夠從正在消失的考古資源遺跡中提取豐富而重要的信息。早在20世紀(jì)初，航空像片就已經(jīng)被考古學(xué)家所采用。英國(guó)考古學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)地面上長(zhǎng)期以來(lái)被遺棄的特征與結(jié)構(gòu)、土壤構(gòu)成以及植被覆蓋，而這些在此前的傳統(tǒng)地面調(diào)查中被忽略。在過(guò)去的30多年，全球考古學(xué)家利用遙感技術(shù)以便更好地了解古代景觀和居住方式，遙感考古使得傳統(tǒng)考古學(xué)的發(fā)展獲得了一個(gè)全新的平臺(tái)，現(xiàn)在已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外考古研究的重點(diǎn)[4-7]。挪威學(xué)者利用IKONOS 衛(wèi)星拍攝的多譜段照片在挪威南部農(nóng)田發(fā)現(xiàn)古代聚落遺跡[8]；西班牙學(xué)者利用遙感技術(shù)，并結(jié)合孢粉學(xué)、地形學(xué)，在俄羅斯奧倫堡地區(qū)發(fā)現(xiàn)了史前歐亞大陸規(guī)模最大的古代銅礦遺址[9]。劍橋大學(xué)運(yùn)用衛(wèi)星遙感技術(shù)在埃及中部尼羅河三角洲海岸發(fā)現(xiàn)了古代遺跡[10]，以及至今仍是一個(gè)謎的秘魯納斯卡神秘線條[11](圖1)等。中國(guó)遙感考古出現(xiàn)較晚，但發(fā)展迅速。中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所就航空像片、機(jī)載與星載傳感器、合成孔徑雷達(dá)、高分辨率衛(wèi)星影像、高光譜遙感等技術(shù)在考古方面的應(yīng)用進(jìn)行了闡述[12]；陜西師范大學(xué)、陜西省考古研究所等提出了高光譜遙感考古技術(shù)方法，并以秦始皇陵為對(duì)象驗(yàn)證了高光譜遙感用于考古是可行的[13-14]；楊瑞霞[15]對(duì)不同時(shí)期、不同類型古文化遺存遙感影像解譯標(biāo)志進(jìn)行了分類研究。塔拉依據(jù)在內(nèi)蒙古遼、金、元都城等的遙感考古成果強(qiáng)調(diào)，遙感考古對(duì)古城址、古墓葬、古長(zhǎng)城、古河道、古窯址、古代聚落遺址等研究對(duì)象十分有效[16]。武漢大學(xué)王然等[17]取得的2007年十大考古發(fā)現(xiàn)之一的遼瓦店遺址柱洞，在遙感影像上清晰可見(jiàn)(圖2)。

圖1 秘魯納斯卡神秘線條(猴)

圖2 2007年十大考古發(fā)現(xiàn)之一的遼瓦店遺址

當(dāng)前，國(guó)際國(guó)內(nèi)的遙感考古主要集中在可見(jiàn)光遙感、高光譜技術(shù)、紅外遙感技術(shù)、地磁雷達(dá)技術(shù)等，在遺址考古中取得一定的成效，但仍存在著各自的弱點(diǎn)，如光學(xué)遙感對(duì)于掩蓋在叢林中近地表的考古遺址識(shí)別和發(fā)現(xiàn)，成效甚微。在植被和樹林覆蓋地區(qū)，光學(xué)遙感只能看見(jiàn)超出樹冠的古遺址，甚至大的金字塔都會(huì)被漏掉?？梢?jiàn)，地表植被等要素對(duì)文化遺跡的遮蓋是影響光學(xué)遙感進(jìn)行考古遺址識(shí)別的一個(gè)主要問(wèn)題。陳述彭院士強(qiáng)調(diào)，考古要走信息化的道路，要重視波譜特性的應(yīng)用，提高波譜的相對(duì)應(yīng)用能力[18-19]。

劉樹人[20-21]指出應(yīng)重視提取背景條件復(fù)雜的“隱性考古信息”弱信息技術(shù)的研究。趙生才[22]也指出遙感考古中亟待進(jìn)一步開展從遙感信息中提取古遺址弱信息的研究。光學(xué)遙感不能解決有遮擋的地表遺址識(shí)別調(diào)查的問(wèn)題。針對(duì)近地表植被覆蓋下，受人類活動(dòng)和環(huán)境影響的大量弱信息古遺址遺存識(shí)別、調(diào)查和監(jiān)測(cè)等難題，遙感考古中亟待開展新型考古遙感信息獲取技術(shù)和不同類型古遺址弱信息的智能提取與辨識(shí)方法研究，突破現(xiàn)有的光學(xué)遙感技術(shù)手段，解決有遮擋的地表遺址弱信息識(shí)別問(wèn)題。這是當(dāng)前遙感考古領(lǐng)域的重要課題。

2 激光雷達(dá)遙感與考古發(fā)現(xiàn)

激光雷達(dá)遙感(light detection and ranging,LiDAR)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，其利用高頻率發(fā)射的激光脈沖非接觸主動(dòng)式快速獲取物體表面三維密集點(diǎn)，以獲得被檢測(cè)對(duì)象信息進(jìn)行提取和處理，可全天候、快速、直接、高精度采集對(duì)象的三維信息，廣泛應(yīng)用于三維城市建模、資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開發(fā)、水利工程、土地利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林資源管理、海岸侵蝕監(jiān)測(cè)、防震減災(zāi)，以及國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目等領(lǐng)域。作為一種主動(dòng)遙感技術(shù)，激光雷達(dá)能夠穿透密林或者一定深度的水體，極大地提高了三維空間數(shù)據(jù)的獲取效率，同時(shí)為地表植被、農(nóng)作物等要素覆蓋下的文化遺跡揭露提供了可能(圖3)。

圖3 機(jī)載激光雷達(dá)遙感技術(shù)原理

激光雷達(dá)遙感的一個(gè)顯著特點(diǎn)是能夠穿透密林到達(dá)林下地面，或者穿透一定深度的水體達(dá)到水下，經(jīng)過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、分類和空間插值，得到林下或水下高分辨率的地表形態(tài)信息，適于大尺度或者區(qū)域尺度的遙感考古。在眾多激光雷達(dá)遙感考古中，影響較大的是美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)開展的瑪雅新古城考古和澳大利亞悉尼大學(xué)牽頭的吳哥遺址考古。2010年美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)利用機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)(Airborne LiDAR)獲取了伯利茲Caracol濃密雨林區(qū)的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)植被濾波得到林下精細(xì)三維地形圖，僅用4天時(shí)間便發(fā)現(xiàn)了瑪雅古城此前未知的大量古建筑、古道路和梯田遺跡，重現(xiàn)了一座嶄新的瑪雅古城堡(圖4)。此前，考古學(xué)家在該地區(qū)已經(jīng)開展了25年的田野考古調(diào)查，機(jī)載激光雷達(dá)僅用一個(gè)月就新發(fā)現(xiàn)了近200 km2古遺跡，是過(guò)去25年間傳統(tǒng)考古發(fā)現(xiàn)范圍的8倍[23-24]。2012年，澳大利亞悉尼大學(xué)利用直升機(jī)搭載激光雷達(dá)獲取了柬埔寨吳哥窟遺址及其周邊森林區(qū)域高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了隱藏于吳哥遺址北部庫(kù)倫山區(qū)茂密森林和稻田下的吳哥古城遺跡，將吳哥中心古城遺址覆蓋范圍從早期的9 km2擴(kuò)展為35 km2，吳哥遺址歷史往前推進(jìn)了350年[25]?？梢?jiàn)，激光雷達(dá)遙感對(duì)于發(fā)現(xiàn)掩藏在植被覆蓋區(qū)域的人類活動(dòng)留下的遺跡遺存有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

激光雷達(dá)遙感科技考古一般在移動(dòng)平臺(tái)(衛(wèi)星、飛機(jī)、飛艇、無(wú)人機(jī)等)搭載激光雷達(dá)傳感器，通過(guò)遙感飛行獲取高密度的三維激光點(diǎn)云和高分辨率的光學(xué)影像數(shù)據(jù)；根據(jù)近地表歷史文化遺跡遺存具有特征起伏微小、分散而不連續(xù)、植被覆蓋茂密、地形特征和遺存特征混雜(如古代土遺址已成為地形的一部分、古城墻)等特點(diǎn)，采用顧及近地表考古遺址空間特性的點(diǎn)云濾波與分類算法，得到精細(xì)表達(dá)的地表微地形數(shù)字高程模型；在考古學(xué)家專業(yè)知識(shí)的支持下，實(shí)現(xiàn)近地表考古遺址空間特征的準(zhǔn)確提取和表達(dá)，并結(jié)合嚴(yán)格地理配準(zhǔn)的高分辨率光學(xué)遙感影像，進(jìn)行近地表考古遺址信息的呈現(xiàn)與判讀[26]。其方法流程如圖5所示。

近地表古代人類活動(dòng)留下來(lái)的文化遺跡遺存具有特征起伏微小(如古代墓垣)、分散而不連續(xù)(有些已經(jīng)被破壞不是連續(xù)的整體)、地形特征和遺存特征混雜(如古代土遺址已成為地形的一部分、古城墻)等特點(diǎn)，通過(guò)歷史學(xué)、考古學(xué)、地理學(xué)與遙感科學(xué)交叉研究，揭示機(jī)載激光雷達(dá)點(diǎn)云和近地表考古遺跡目標(biāo)作用的機(jī)理和規(guī)律，采用顧及近地表考古遺址空間特性的點(diǎn)云濾波與分類算法，實(shí)現(xiàn)近地表文化遺存復(fù)雜特征單元的提取，有效提升近地表考古遺跡遺存信息的呈現(xiàn)、判讀與定位。

3 激光雷達(dá)遙感人類活動(dòng)遺跡發(fā)現(xiàn)案例

從2010年開始，在國(guó)家文物局資助下，采用激光雷達(dá)遙感科技考古技術(shù)對(duì)楚紀(jì)南故城大遺址八嶺山楚墓群、湖南澧陽(yáng)平原史前遺址、洛陽(yáng)邙山陵墓群、成都寶墩城址、遼寧醫(yī)巫閭山遺址群、貴州海龍囤土司遺址群進(jìn)行了大范圍考古調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大量年代久遠(yuǎn)、隱藏在濃密植被覆蓋下的人類活動(dòng)留下的遺跡遺存，如墓葬、城址、要塞等。

(1)楚紀(jì)南故城八嶺山古墓群激光雷達(dá)遙感考古發(fā)現(xiàn)

八嶺山古墓群南北長(zhǎng)8 km，東西寬5 km，總面積40多km2。山中古墓葬密集，現(xiàn)封土堆尚存特大型、大型及中型古墓560余座，其中以楚墓居多，明藩王墓次之。不少墓冢雄踞山頭，宛若山峰，構(gòu)成了八嶺山的壯觀奇景。史載楚莊王墓在山中，前后陪葬有數(shù)十冢，皆列成行[26](圖6)。

(2)湖南澧陽(yáng)平原史前遺址激光雷達(dá)遙感考古發(fā)現(xiàn)

城頭山古文化遺址，位于湖南省常德市澧縣，是中國(guó)南方史前大溪文化至石家河文化時(shí)期的遺址，也是迄今中國(guó)唯一發(fā)現(xiàn)時(shí)代最早、文物最豐富、保護(hù)最完整的古城遺址，被譽(yù)為“中國(guó)最早的城市”。歷經(jīng)4 000多年滄海桑田，從激光雷達(dá)遙感數(shù)據(jù)中依舊可以清晰地發(fā)現(xiàn)城墻遺跡(圖7)。

(3)洛陽(yáng)邙山陵墓群激光雷達(dá)遙感考古發(fā)現(xiàn)

邙山陵墓群，位于河南省洛陽(yáng)市、孟津縣東西長(zhǎng)近50 km、南北寬約20 km的邙山上。陵墓群面積為756 km2，有大型的封土墓970多座(圖8)，古墓葬有數(shù)十萬(wàn)之多，是世界上古代陵墓分布較為集中的地區(qū)之一，有“東方金字塔”之稱。

(4)成都寶墩城址

寶墩城址位于成都新津縣龍馬鄉(xiāng)寶墩村，俗稱“龍馬古城”。當(dāng)?shù)乩习傩諅髡f(shuō)這是三國(guó)時(shí)期諸葛亮七擒孟獲的“孟獲城”。其筑城年代約在公元前2500年，其廢棄年代大約在公元前2300年。通過(guò)激光雷達(dá)遙感發(fā)現(xiàn)，外城墻體寬度殘存15～25 m，殘存高度為1.5～4 m不等，夯筑方式與內(nèi)城墻完全一致(圖9)。寶墩外城城墻的發(fā)現(xiàn)使考古學(xué)界對(duì)寶墩古城遺址有了全新的認(rèn)識(shí)，這對(duì)于探索寶墩文化時(shí)期的聚落形態(tài)、社會(huì)結(jié)構(gòu)與社會(huì)復(fù)雜化程度具有十分重要的意義。

(5)遼寧醫(yī)巫閭山遺址群

圖6 八嶺山古墓群激光雷達(dá)遙感考古發(fā)現(xiàn)

圖7 湖南澧陽(yáng)平原史前遺址群(城墻遺跡)

醫(yī)巫閭山，古稱于微閭、無(wú)慮山，按《周禮?職方》稱：“東北曰幽州，其山鎮(zhèn)曰醫(yī)無(wú)閭?！钡妹踉纾巡豢煽?。與古華夏民族的“醫(yī)、巫文化崇拜有關(guān)”，今稱閭山，地處今遼寧省境內(nèi)，采用激光雷達(dá)遙感發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存的瞭望臺(tái)、壩墻子等遺存(圖10)。

(6)貴州海龍囤土司遺址群

圖8 洛陽(yáng)邙山陵墓群(墓冢)

圖9 寶墩城址(外城墻)

圖10 遼寧醫(yī)巫閭山遺址群(琉璃寺)

海龍囤遺址是貴州境內(nèi)目前僅見(jiàn)的一處大型軍事建筑與宮殿建筑合二為一的遺址，也是當(dāng)今中國(guó)乃至亞洲保存完好的中世紀(jì)城堡遺址。海龍囤遺址位于貴州遵義老城北約30 km的龍巖山東麓，湘江上游，是中國(guó)西南地區(qū)歷史最久、規(guī)模最大、保存最完整的土司城堡之一。始建于南宋寶祐五年(1257年)的貴州遵義海龍囤土司城由南宋朝廷與播州的土司楊氏共同營(yíng)建，后來(lái)毀于1600年對(duì)抗明朝廷的戰(zhàn)爭(zhēng)。周長(zhǎng)約6 km的環(huán)囤城墻尚存，囤內(nèi)面積達(dá)1.59 km2，“老王宮”和“新王宮”是囤內(nèi)兩組最大的建筑群，面積均在2萬(wàn)m2左右，大體為“橫三縱三”的布局，是集軍事屯堡、衙署與“行宮”為一體的“土司”遺存(圖11)。

圖11 貴州海龍囤土司遺址(土司城)

4 結(jié)論

我國(guó)幅員遼闊，數(shù)千年的人類文明在廣袤大地上留下了豐富的文化遺存，而在人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的過(guò)程中，大量的遺跡特征被植被等諸多地物遮擋，相關(guān)遺跡現(xiàn)象也支離破碎為諸多大小不一的遺跡單元，不成一個(gè)連續(xù)整體，呈現(xiàn)出微地形弱信息的特點(diǎn)。激光雷達(dá)遙感通過(guò)對(duì)植被的穿透，獲取近地表高密度三維激光點(diǎn)云，在顧及遺跡遺存時(shí)空分布模式的三維激光點(diǎn)云濾波和分類技術(shù)支撐下，可以對(duì)地表植被、農(nóng)作物等要素覆蓋下的文化遺跡揭露，實(shí)現(xiàn)密集植被區(qū)域的文化遺存遺跡識(shí)別。激光雷達(dá)遙感科學(xué)、歷史學(xué)、地理學(xué)與考古學(xué)交叉遙感理論和方法的研究，將為我國(guó)大量植被、森林和農(nóng)作物覆蓋下的文化遺存遺跡的遙感調(diào)查和識(shí)別提供技術(shù)支撐，在文化遺產(chǎn)調(diào)查、三維數(shù)字化和遺存遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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