高光譜綜合遙感考古方法研究
——以長安-扈邑區(qū)考古為例

周日平

(中煤地質(zhì)集團北京大地高科地質(zhì)勘查有限公司，北京 100040)

遙感由于其觀測面積廣、光譜范圍大、時空分辨率高、光譜分辨率高、數(shù)據(jù)的綜合性和可比性強、經(jīng)濟效率高、穿透能力強、能對考古文物無損探測等的特點而越來越多地運用到考古工作中(秦靈靈等，2011)。早在1906年英國人在熱氣球上拍攝了“巨石陣”遺址；上世紀七八十年代，羅馬大道、金字塔、吳哥古城、古埃及名城亞歷山大等世界知名歷史遺跡都應(yīng)用了遙感考古這項技術(shù)(張多勇，2007)。

我國從最初的航片目視判讀(孟佳芳，2002)到與TM影像圖等結(jié)合解譯，進而發(fā)展到高光譜遙感考古的地下無損探測。1996年，在河南洛陽邙山古墓群、漢魏故城、偃師商城等地進行首次嘗試遙感與航空攝影考古，標(biāo)志著遙感考古在中國正式展開(楊林，2002)。段清波、周小虎等(2007)應(yīng)用現(xiàn)代遙感技術(shù)在秦始皇陵區(qū)對文物遺存進行無損探測，發(fā)現(xiàn)了封土堆熱異常，證實了阻排水渠的存在及其阻水效果， 確認了西墓道的存在。田慶久(2007)對江蘇西溪貝丘遺址，利用高光譜遙感飛行數(shù)據(jù)成功對工區(qū)遺址信息進行了提取和圈定。張依欣等(2018)利用高分辨率WorldView-2衛(wèi)星、TerraSAR-X雷達影像和高精度的數(shù)字表面模型(DSM)，找到了良渚遺址群的城墻和城內(nèi)的臺地。如今，航空相片、機載與星載傳感器的不斷發(fā)展顯現(xiàn)出遙感技術(shù)在考古領(lǐng)域的巨大應(yīng)用價值和廣闊發(fā)展前景(鄧飚，2010)。宗鑫(2017)認為將遙感和探地雷達相結(jié)合是文化遺址無損探測領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢。

眾多考古工作者先后對灃、鎬進行了長達半個世紀的田野考古調(diào)查和發(fā)掘工作，考古界大致認為灃鎬兩京的位置就在今灃河兩岸，灃京位于灃河中游西岸，東界灃河，西界靈沼河，北至嶺崗地北緣，即今客省莊村北至海家坡一線，南到石榴村至魯坡頭，面積約8～10km2。鎬京位于灃河?xùn)|岸，商周時期的西北界臨灃水，總面積約5km2(見圖1)(張拴厚，2012)。雖然取得了一系列重要成果，但未取得突破性的進展，具體位置一直不能確定。使用傳統(tǒng)考古手段無法迅速提供歷史地理環(huán)境資料，古代遺存分布規(guī)律難以尋找。因此，使用遙感考古高新技術(shù)對灃河沿岸進行文物遺存的再提取是非常有必要的。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

2 研究方法

地下的文物遺存信息只要達到一定規(guī)模，就會對上覆土壤濕度或植物產(chǎn)生的電場、磁場和光譜等方面的干擾，一個埋藏的石質(zhì)地基可能更有磁性，阻礙植物生長，熱輻射值會比周遍環(huán)境高；燒毀的物質(zhì)會深深地增加土壤磁性(Clark，2000)；沉積物的變化、壓實程度、土壤中水分的含量和其它因素都會影響太陽輻射的吸收率和自身的輻射率，產(chǎn)生熱異常(Dabas & Tabbagh 2000)。遙感可以穿透地表一定深度，反映土壤文物遺存特征變化信息、植物覆蓋信息，遙感考古就是通過分析各種遙感影像特征來發(fā)現(xiàn)分布于田野的古代遺存，開展考古研究和文物保存工作(欒盛楠，2004)。使用遙感探測儀器代替肉眼，不僅可以獲得物體通過可見光反映的情況(肉眼能見到的)，還可以探測到物體在近紫外、紅外、微波等非可見光的輻射或反射信息(肉眼所看不到的)。大多數(shù)傳感器只對一定波長范圍做出敏感反應(yīng)，因此多種方法可以提供多角度結(jié)果，提供多種印證補充。

本文論述以高光譜遙感為主要技術(shù)的多元遙感考古研究方法。總結(jié)長安-鄠邑研究區(qū)(見圖1)歷史地理環(huán)境(水道、湖泊、地貌的變遷)、文化遺存(聚落、陵墓)及其分布，為歷史學(xué)研究與環(huán)境考古提供更為翔實的資料。

(1) 分析比較久遠的航空攝影像片，解析文化遺存信息。利用1956年全色航空攝影相片，人類擾動較少，制作高精度DTM，反演原始微地貌，獲取異常特征。在立體狀態(tài)下，觀察航空圖像上的色調(diào)、陰影、紋理、地物形態(tài)等標(biāo)志的變化，結(jié)合當(dāng)時的成像季節(jié)、太陽高度、方位和地形特征，達到識別和提取異常信息的目的。地面就有若干直徑3～50m，高度1.5～20m的園丘形封土堆。位于村莊周圍(尤其是南北兩側(cè)居多)分布?，F(xiàn)在這些封土堆現(xiàn)在地面蹤跡全無，難以準(zhǔn)確定標(biāo)。采用快鳥圖像對1956年的老航片進行幾何校正幾何位置配準(zhǔn)，把解譯的結(jié)果標(biāo)注在快鳥圖像上。

(2) 高光譜遙感古文化遺存信息。實施研究區(qū)高光譜遙感飛行，將能反映溫度差異的夜航熱紅外遙感圖像進行信息提取，進行高通、低通濾波處理，分別將原圖像、低通濾波圖像、高通濾波圖像進行RGB組合。尋找溫度差異點，再與周邊地物環(huán)境做對比分析加以輔證。夜航高光譜與快鳥圖像組合提取的異常信息見圖2，解析引起異常的原因；提取可能指示文化遺存的信息。

(3) 高空間分辨率衛(wèi)星遙感古文化遺存信息解析。利用Quickbird衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提取大區(qū)域內(nèi)文化遺存整體布局信息，利用多時相遙感圖像識別植被長勢差異、微地貌差異，進而推測古文化遺存。

(4) 古地理環(huán)境變遷的遙感分析。以1998年的TM遙感圖像和熱紅外圖像為基礎(chǔ)，解譯研究區(qū)及其外圍地形地貌、古地理環(huán)境、水文地質(zhì)條件，宏觀分析區(qū)內(nèi)規(guī)模較大的墓葬、陪葬坑及附屬設(shè)施遺址等文物遺存點與自然地理環(huán)境的關(guān)系。重點研究和分析灃河在第四紀的擺動和變遷特征。

3 關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)工作主要體現(xiàn)在獲取并處理日航、夜航兩種環(huán)境的高光譜數(shù)據(jù)(64個波段)和解譯1956年老航片立體像對，提取微地貌信息，結(jié)合高光譜的異常信息，圈定可疑點。

3.1 高光譜數(shù)據(jù)獲取與處理

高光譜數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)分成兩部分，空中集成中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所OMIS2成像光譜儀、加拿大APPLANIXIMU/DGPS高精度航空導(dǎo)航定位姿態(tài)測量系統(tǒng)；地面集成中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局的Field ProFR分光輻射光譜儀、SMS2土壤水分測量儀、ER-2008紅外測溫儀，形成空—D地同步觀測系統(tǒng)，空中觀測數(shù)據(jù)通過姿態(tài)定位校正和地面定標(biāo)處理形成了一套較高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)。

高光譜飛行分為夜航和日航，在飛行的同時進行了地面光譜和溫度的定標(biāo)工作。日航飛行同步開展地面波譜測試，夜航飛行同步實測各類地物的表面溫度。目的是測定地面定標(biāo)點的光譜反射率、地表溫度、濕度等參數(shù)，為高光譜圖像反演地物光譜及地面溫度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于飛行高度低，受大氣影響嚴重，存在不同程度的輻射畸變和幾何畸變?yōu)榇?，利用統(tǒng)計校正方法進行了輻射畸變處理，對幾何畸變使用OMIS和GPS/IMU數(shù)據(jù)格式的破解，實現(xiàn)兩類數(shù)據(jù)的匹配，完成這些數(shù)據(jù)的高精度幾何校正。

3.2 高光譜數(shù)據(jù)信息提取

沉積物的變化、壓實程度、土壤中水分的含量和其它因素都會影響太陽輻射的吸收率和自身的輻射率，產(chǎn)生熱異常(Dabas & Tabbagh 2000)。文物遺存特征能引起在地物輻射的細微變化，與周圍環(huán)境相比較，這種差異就能被區(qū)分出來：一個埋藏的石質(zhì)地基可能更有磁性，阻礙植物生長，熱輻射值會比周遍環(huán)境高；燒毀的物質(zhì)會深深地增加土壤磁性(Clark，2000)；或者潮濕沉積物填補原有的壕溝將會促進地表的植物生長，熱輻射值會比周遍環(huán)境低。

將夜航熱紅外遙感溫度圖像進行信息提取，為了突出信息的層次，易于目視識別，必須對溫度圖像進一步增強處理，首先進行高通、低通濾波處理，分別將原圖像、低通濾波圖像、高通濾波圖像進行RGB組合。尋找溫度差異點，再與周邊地物環(huán)境做對比分析加以輔證，夜航高光譜與快鳥圖像組合提取的異常信息如圖2所示。

圖2 高光譜-熱紅外-快鳥圖像綜合提取的異常區(qū)域

3.3 1956年老航片信息提取

在立體狀態(tài)下，觀察航空圖像上的色調(diào)、陰影、紋理、地物形態(tài)等標(biāo)志的變化，結(jié)合當(dāng)時的成像季節(jié)、太陽高度、方位和地形特征，達到識別和提取異常信息的目的。

全色圖像上判別考古遺跡的標(biāo)志有下列幾種：

1)同等耕作條件下，規(guī)模較大的同一田塊中出現(xiàn)的色調(diào)異常，包括深淺、形狀，通常出現(xiàn)為非線性斑塊，空間展布不同于田埂、道路、水渠，這些色調(diào)異?？赡芘c地下墓葬、古代垃圾坑、夯土層有關(guān)。

2)大片區(qū)域內(nèi)地表形態(tài)相對穩(wěn)定，在坡度、坡向一致的情況下，出現(xiàn)規(guī)模較大的凹陷，與周圍地形不協(xié)調(diào)，尤其在距村莊較遠的地方，出現(xiàn)比較規(guī)則的凹陷坑，很可能是古代人類大規(guī)模改造的結(jié)果，例如古代磚窯、陪葬坑等。

3)空間布局上出現(xiàn)斷續(xù)的異常點，構(gòu)成一定形狀的圖案，例如城墻遺址。

借助于立體測圖技術(shù)和立體鏡下解譯，可以在1956年的航空攝影圖像上判讀出地面圓形封土堆，但是由于大規(guī)模平整以及后來的居民地擴張，現(xiàn)在這些封土堆在地面蹤跡全無，難以準(zhǔn)確定標(biāo)。為了給立體判讀的結(jié)果準(zhǔn)確定位，采用最新的快鳥圖像進行地理幾何編碼處理，即把快鳥圖像進行幾何校正，以快鳥圖像為標(biāo)準(zhǔn)，對1956年的老航片進行幾何校正，使得二者在空間上實現(xiàn)幾何位置的配準(zhǔn)，然后在立體儀下進行解譯，把解譯的結(jié)果標(biāo)注在快鳥圖像上(見圖3)。

4 研究結(jié)果

經(jīng)過多種遙感信息綜合分析后，集中重點為香積寺村、賈里村、杜永村三個村子之間的區(qū)域，最后確定規(guī)模較大的9個可疑區(qū)，如圖3所示。

圖3 勘探驗證的遙感考古遺跡異常區(qū)

采用鉆探的手段檢驗遙感圈定的文物遺存靶區(qū)，是對遙感考古技術(shù)的最嚴格的檢驗?？脊叛芯克x擇驗證了其中的8個可疑區(qū)，其中有5個為從高光譜遙感圖像和熱紅外遙感圖像提取的異常區(qū)域，有3個為微地貌異常信息。

根據(jù)陜西省考古研究所的鉆探驗證結(jié)果，認為“在通過遙感獲取的異常區(qū)域內(nèi)經(jīng)過嚴格的考古鉆探工作，發(fā)現(xiàn)了數(shù)量不少的古代文化重要遺存。表明運用非考古勘探的遙感勘探技術(shù)尋找地下古代文化遺存有較高的準(zhǔn)確性”。