基于無人機遙感技術(shù)的遺址考古研究

文 圖/趙向莉 孫曉飛

無人機遙感技術(shù)具有實現(xiàn)高分辨率影像采集、獲取影像機動靈活、獲取影像覆蓋范圍廣、成本低、易操作等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于遺址考古和文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域。這里以青臺遺址為例，通過無人機遙感技術(shù)在遺址測繪和考古攝影中的應(yīng)用，旨在探討基于該技術(shù)的遺址考古工作思路和成果數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域研究。

青臺遺址位于鄭州西北35 公里的滎陽市廣武鎮(zhèn)青臺村東側(cè)的土崗上，東臨廣武鎮(zhèn)，西扼虎牢關(guān)，南臨唐崗水庫，北連廣武山，是一處規(guī)模較大、覆蓋范圍廣的大河村類型的仰韶中晚期遺址。

近年來，鄭州市文物考古研究院對青臺遺址進(jìn)行了系統(tǒng)勘探，遺址面積達(dá)100 萬平方米。2015—2017 年，依據(jù)勘探成果在重要遺存位置布設(shè)探方，經(jīng)針對性考古發(fā)掘，發(fā)現(xiàn)居民區(qū)、墓葬區(qū)、祭祀?yún)^(qū)等聚落空間布局，清理出土房址、墓葬和疑似北斗九星祭祀?yún)^(qū)等重要遺跡，出土了一批珍貴的遺物，尤其出土的絲織物是中原地區(qū)考古發(fā)掘所見的最早絲織品。2013 年，遺址就被國務(wù)院核定公布為第七批全國重點文物保護單位。2017 年獲得當(dāng)年河南省五大考古新發(fā)現(xiàn)。

應(yīng)用于遺址測繪

青臺遺址考古研究過程中，要理清遺址的時代、文化堆積性質(zhì)和內(nèi)涵、空間布局結(jié)構(gòu)、功能區(qū)劃分、與周邊環(huán)境的關(guān)系等問題，需要完整、準(zhǔn)確、高精度的三維數(shù)字模型、數(shù)字正射影像和數(shù)字地形圖等基礎(chǔ)資料，為開展考古調(diào)查、勘探、發(fā)掘、研究、保護和管理工作提供支撐。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)資料獲取手段是采用全站儀、RTK 和熱氣球等進(jìn)行測量，其效率低、費時費力。無人機遙感技術(shù)具有性能穩(wěn)定、工作效率高、成果精度高和易操作等優(yōu)勢，為遺址三維模型、正射影像和大比例尺地形圖測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取提供一種新技術(shù)支持。該技術(shù)應(yīng)用于遺址考古研究主要分為數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理兩個方面。

遺址測繪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取主要作業(yè)流程：航線規(guī)劃、影像獲取和控制點測量、數(shù)據(jù)處理。

航線規(guī)劃

青臺遺址航線規(guī)劃是基于Google Earth 和MdCockpit 軟件進(jìn)行編輯，Google Earth 主要參數(shù)設(shè)置“工具”菜單，地形提升高度參數(shù)設(shè)為1，坐標(biāo)顯示設(shè)為小數(shù)度數(shù)。進(jìn)入MdCockpit 軟件，將青臺遺址位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)添加至背景起點，設(shè)置地圖圖片每行為3 張，導(dǎo)入谷歌地球（TM）的地圖，緩存遺址區(qū)影像。切換至Google Earth界面，重復(fù)執(zhí)行編輯菜單欄下的“復(fù)制圖像”命令。

青臺遺址航線規(guī)劃

航線總體屬性編輯，起飛點位置為獨立于航點1；航線對準(zhǔn)原點飛行為no；相機Sony α7R。創(chuàng)建航點1，屬性設(shè)置相對高度為20；創(chuàng)建航點2，相對高度與航高應(yīng)一致為200m，航點（1 和2）動作為未配置。在航點2 基礎(chǔ)上創(chuàng)建GIS 柵格，柵格屬性：光刪方向角為0°、航向角180°；離地高度（飛行高度）為200m；水平速度8m/s；轉(zhuǎn)動每列為yes；區(qū)域?qū)挾葹?600m，區(qū)域高度為1300m；橫向重疊60%，垂直重疊70%；執(zhí)行“優(yōu)化航線”命令。逐條檢查航線屬性是否一致，航線兩端航點動作為未配置；影像獲取采用間隔3s 正射拍照模式，相機舵機俯仰角是+90°，相機舵機滾轉(zhuǎn)角+0°。

青臺遺址區(qū)域較大，為保證飛行數(shù)據(jù)質(zhì)量和飛行安全，飛行設(shè)備單塊電池續(xù)航時間須控制在22 分鐘以內(nèi)，將航線手動拆分為4 條分航線，4 個架次飛行。

影像獲取和控制點測量

影像獲取，首先，需根據(jù)氣候、地理環(huán)境和氣象等條件對相機參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。青臺遺址影像獲取時相機設(shè)置：手動檔（M 檔），選擇目標(biāo)物最亮部分測光，相機焦距調(diào)至無窮，光圈為f6.3，曝光時間是1/1250s，ISO 速度為ISO—200。其次，審查航線，相機調(diào)試并安裝至云臺，相機存儲卡和SIM 卡安裝至飛行設(shè)備，確保飛行設(shè)備、地面站和遙控器等正常運行。再次，航前檢查：4 個電機旋轉(zhuǎn)方向、電池電壓電量及安裝、數(shù)據(jù)卡安裝、GPS 蓋、旋翼的安裝及支臂固定、微波盒、遙控器信號等。最后，指標(biāo)正常和保證飛行安全，航線上傳飛行器成功，啟動飛行器，當(dāng)飛行器離地一定高度，切入航線工作模式，按規(guī)劃航線執(zhí)行。同時從地面站可實時觀察到飛行器姿態(tài)、電池電量、風(fēng)速和拍攝區(qū)域等。

控制點測量

一個架次飛行結(jié)束，將影像和POS 點導(dǎo)入計算機、檢查影像重疊度和質(zhì)量、核查POS 點數(shù)據(jù)。

青臺遺址控制點測量中，對遺址區(qū)域東北、西北、西南、東南、中心等區(qū)域選擇獨立特征點進(jìn)行三維坐標(biāo)測量?？刂泣c測量時應(yīng)對所測控制點進(jìn)行拍照和文字記錄，照片編號和測量數(shù)據(jù)編號必須一致，便于內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理核查。此次，青臺遺址共選擇17 個特征點進(jìn)行測量。

數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)深加工。數(shù)據(jù)預(yù)處理是將影像數(shù)據(jù)、控制點數(shù)據(jù)和飛行記錄數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機，所有的影像數(shù)據(jù)存儲于一個文件夾，經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，剔除冗余影像，利用Photoshop 軟件調(diào)整受自然環(huán)境干擾的影像。將POS 點和影像編號對應(yīng)存儲，對控制點按平面坐標(biāo)系統(tǒng)中三維坐標(biāo)順序進(jìn)行整理。

控制點刺點

在Pix4d 軟件平面編輯器中刺像控點，初步處理（快速檢測），查看質(zhì)量報告中控制點精度評估情況。若控制點精度較低，進(jìn)入空三射線編輯器，對控制點進(jìn)行調(diào)整并優(yōu)化?？杖渚€編輯器中刺點應(yīng)注意三個標(biāo)記：藍(lán)色圓圈是預(yù)測控制點位置、黃色叉是所刺的控制點、綠色叉表示控制點已經(jīng)重新參與計算重新得到的位置。另外，刺點時照片不宜放過大，放到照片2 倍。并且，對控制點調(diào)整后需“優(yōu)化”處理。精度滿足要求時執(zhí)行初始化高精度處理，并設(shè)置點云和數(shù)字表面模型及正射影像圖相應(yīng)模塊參數(shù)，執(zhí)行開始命令，生成測繪結(jié)果。

應(yīng)用于考古攝影

考古攝影可直觀、真實地記錄田野考古調(diào)查、發(fā)掘過程中重要的遺跡遺物，是實物資料獲取的一種重要技術(shù)手段?？脊艛z影主要內(nèi)容包括遺址全景照、考古發(fā)掘工作照、發(fā)掘探方照片、單個遺跡照、遺物照和重要遺跡遺物出土錄像等。

傳統(tǒng)考古攝影是借助梯子、升降機或搭架子等獲取影像，雖可達(dá)到考古攝影要求，但在實施中會遇到梯子安全性低、拆卸造成資源浪費，有人駕駛飛機或熱氣球飛行高度高、速度快等特點較難獲取高清、全面的影像等問題，導(dǎo)致工作效率低、獲取影像技術(shù)單一和費時費力。大疆S1000+和佳能EOS 5D 技術(shù)具有飛行器性能穩(wěn)定、易操作等優(yōu)勢，尤其高清圖傳顯示設(shè)備和相機自動對焦功能，圖傳顯示設(shè)備可實時播放相機獲取的影像資料并指導(dǎo)飛控手調(diào)整飛行方向和高度，飛行器位置、角度確定，自動對焦獲取高清影像?？蓪崿F(xiàn)對考古發(fā)掘遺跡遺物進(jìn)行多角度、全方位拍攝和錄像，保證影像的完整性和全面性。

青臺遺址考古攝影，在大疆S1000+和佳能EOS 5D（自動對焦）相機技術(shù)支持下，依據(jù)考古發(fā)掘工作進(jìn)程及時獲取遺跡遺物影像（照片和錄像）。

成果與分析

質(zhì)量報告中影像重疊率

青臺遺址數(shù)字地表模型

青臺遺址數(shù)據(jù)處理質(zhì)量報告顯示影像重疊率低，湖面區(qū)域出現(xiàn)空洞。影像重疊度低，主要受航向重疊率和旁向重疊率、飛行高度、飛行速度、拍照時間間隔和風(fēng)等影響；湖面空洞主要因面積大，像對點不易識別，可通過軟件修補處理空洞。從質(zhì)量報告控制點精度0.008m分析可知，DSM 和DOM 滿足規(guī)范要求，可用于遺址考古研究。

青臺遺址正射影像

通過青臺遺址無數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和成果分析可知，在人機遙感技術(shù)中數(shù)據(jù)獲取是關(guān)鍵，決定了成果質(zhì)量和精度。首先，航線規(guī)劃時航測區(qū)域界定、航高設(shè)置、重疊率設(shè)置、拍照時間間隔等設(shè)置，一定要充分考慮周邊地理環(huán)境、自然氣候條件和測區(qū)風(fēng)俗習(xí)慣等因素，合理優(yōu)化航線，保證飛行安全、獲取數(shù)據(jù)的完整性和精準(zhǔn)度。其次，控制點測量時坐標(biāo)系統(tǒng)需與遺址調(diào)查、勘探和發(fā)掘遺跡等坐標(biāo)系統(tǒng)一致；同時根據(jù)遺址測區(qū)范圍、周邊地形地貌等情況，選擇目標(biāo)清晰、易于判斷和測量，且較穩(wěn)固的地物交點、拐角和中心點等作為控制點，保證數(shù)據(jù)可靠性和精度。

我們將大疆S1000+和佳能EOS 5D 技術(shù)應(yīng)用于青臺遺址考古攝影，及時對發(fā)掘遺跡進(jìn)行了多角度、全方位拍攝，獲取到遺址全景、考古發(fā)掘場景，遺跡、遺物等的高分辨率影像。其中青臺遺址重要考古發(fā)現(xiàn)北斗九星祭祀?yún)^(qū)，就是在該技術(shù)支持下獲取的全面、準(zhǔn)確的遺跡遺物數(shù)字化影像。

北斗九星祭祀?yún)^(qū)（《華夏考古》2018(03):2）

無人機遙感技術(shù)在青臺遺址考古中的應(yīng)用取得豐碩成果。青臺遺址DOM 和DSM 為遺址地形圖（DLG）編繪提供了數(shù)字圖像支持，解決了傳統(tǒng)全站儀或GPS-RTK 逐點采集作業(yè)難、效率低等問題，提高了作業(yè)效率，保證了遺址考古成果資料的時效性和準(zhǔn)確性。高分辨率正射影像圖、數(shù)字地表模型和數(shù)字高程模型為考古學(xué)者提供直觀、可靠的數(shù)字資料，有助于考古學(xué)者決策部署田野考古調(diào)查、勘探和發(fā)掘等工作。正射影像圖可作為考古勘探遺跡分布圖和考古發(fā)掘遺跡分布圖的底圖，遺跡現(xiàn)象空間分布和聚落空間布局都能疊置顯示，并有相應(yīng)的三維坐標(biāo)，對考古學(xué)發(fā)掘探方布設(shè)提供決策性的技術(shù)引導(dǎo)，為遺址考古研究提供全面、精準(zhǔn)的數(shù)字化資料。所有影像、數(shù)據(jù)和成果都可作為遺址的檔案資料，永久留存于檔案室。遺址測繪和考古攝影所得影像、數(shù)據(jù)均是遺址考古三維模型建立的重要資料源。所有數(shù)字化資料為大遺址保護規(guī)劃、遺址公園建設(shè)和文化遺產(chǎn)保護工程等提供準(zhǔn)確、高精度的基礎(chǔ)信息資料。

結(jié)語

通過兩種型號無人機遙感技術(shù)在青臺遺址考古中的應(yīng)用探索，開創(chuàng)了遺址測繪新工作模式和考古攝影新技術(shù)，提高了工作效率和信息資料質(zhì)量，為建立遺址三維模型提供高分辨率、全面性強和高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)，更為全面、高效地獲取考古實物影像資料提供了技術(shù)支持。無人機遙感技術(shù)具有的時效性強、高精度、高效率和易操作等優(yōu)勢，決定其將成為遺址考古影像獲取的重要技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于遺址考古研究。