基于多源高分辨率數(shù)據(jù)的遺址空間考古精細(xì)識(shí)別研究

舒慧勤，方俊永，魯鵬，顧萬(wàn)發(fā)，王瀟，張曉紅，劉學(xué)，丁蘭坡

(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院,北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.河南省科學(xué)院地理研究所,鄭州 450052；4.鄭州市文物考古研究院,鄭州 450000)

0 引言

高分辨率遙感影像信息豐富，地物的幾何結(jié)構(gòu)和紋理信息明顯，可在較小的空間尺度上觀察地表的細(xì)節(jié)變化，揭示地面調(diào)查難以觀察到的細(xì)微特征。因此，借助于高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)考古遺址進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，初步預(yù)測(cè)遺跡分布信息，為田野考古勘探提供目標(biāo)區(qū)域，減少工作量和成本，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

早期高分辨率傳感器的研制與應(yīng)用主要是在軍事領(lǐng)域，以大比例尺遙感制圖和對(duì)地物的分析和人類(lèi)活動(dòng)的監(jiān)測(cè)為目的，20世紀(jì)90年代以后才逐漸進(jìn)入商業(yè)和民用領(lǐng)域的范圍，并迅速地發(fā)展起來(lái)[1]。隨后QuickBird[2-5]，IKONOS[6-8]和KeyHole[9-11]等一系列高分辨率衛(wèi)星影像也被應(yīng)用在考古研究中。但在現(xiàn)有的高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，Corona歷史影像因具有較早的成像時(shí)間，能夠復(fù)原早期遺址面貌[12]，且其具有高空間分辨率，能夠探測(cè)遺址潛在遺跡信息[13]，研究土地歷史地貌覆蓋變化[14]，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的考古調(diào)查[15]而廣泛應(yīng)用于考古研究中。且通過(guò)Corona衛(wèi)星的立體像對(duì)建立數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)和數(shù)字正射影像(digital orthophoto map,DOM)可以對(duì)遺址的地形地貌進(jìn)行詳細(xì)分析[16]。Google Earth歷史影像是研究遺址過(guò)去景觀的高分辨率數(shù)據(jù)的關(guān)鍵來(lái)源，它能提供非常高分辨率遙感衛(wèi)星影像，空間分辨率可達(dá)到0.5 m，盡管不提供多光譜信息，但可結(jié)合不同時(shí)間、傳感器和分辨率的影像識(shí)別遺跡特征，不僅能夠檢測(cè)到很小的考古遺址影像特征[17-19],也可用于分析考古遺址的歷史動(dòng)態(tài)變遷，繪制遺址結(jié)構(gòu)地圖[20-22]，進(jìn)行大規(guī)模的遺址調(diào)查并精確定位[23-24]。

長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究表明，航空熱成像和高光譜成像技術(shù)可以揭示遺跡特征[25-26]，但技術(shù)障礙很大程度上阻礙其在考古領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)和攝影測(cè)量圖像處理軟件(如Agisoft PhotoScan，Pix4Dmapper等)的快速發(fā)展極大提高了無(wú)人機(jī)遙感影像對(duì)遺址空間考古的探測(cè)能力。如Casana等[27-28]系統(tǒng)介紹了無(wú)人機(jī)熱成像技術(shù)應(yīng)用于考古的原理和方法，實(shí)例研究驗(yàn)證了無(wú)人機(jī)熱成像技術(shù)在揭示考古遺址夯土建筑、灰坑、溝渠等遺跡的能力；Madeleine等[29]利用無(wú)人機(jī)熱紅外影像分析了伊利諾斯州國(guó)家草原村莊的居住面積，發(fā)現(xiàn)了六邊形遺跡特征。高光譜成像技術(shù)則提供了探測(cè)目標(biāo)的連續(xù)光譜采樣，在識(shí)別地表覆蓋細(xì)小類(lèi)別差異、遺址構(gòu)成物質(zhì)成分差別等方面提供幫助，因此對(duì)于識(shí)別不同年代和成分的遺址類(lèi)型有重大作用[1]，如Syed[30]等表明在干旱地區(qū)利用無(wú)人機(jī)高光譜影像能夠提高作物標(biāo)記檢測(cè)率，增強(qiáng)考古遺址識(shí)別精度，揭示人眼和標(biāo)準(zhǔn)攝影難以發(fā)現(xiàn)的埋藏考古遺跡。但由于高光譜數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量大，相鄰波段冗余度高且噪聲多，不利于提取影像特征，最小噪聲分離(minimum noise fraction，MNF)能在保留原始影像最大信息量的前提下，降低譜帶間的相關(guān)性和噪聲，被廣泛應(yīng)用于輔助解釋高光譜數(shù)據(jù)，增強(qiáng)考古弱信息，提取更多的遺跡特征[31-33]。

本研究主要是利用高分辨率無(wú)人機(jī)熱紅外、高光譜影像和多源多時(shí)相Corona，Google Earth歷史影像對(duì)河南省鄭州市滎陽(yáng)市廣武鎮(zhèn)內(nèi)的平陶城城址進(jìn)行影像特征的精細(xì)識(shí)別。對(duì)遺址疑似遺跡進(jìn)行解釋?zhuān)u(píng)估其埋藏結(jié)構(gòu)的保存程度，并對(duì)遺址內(nèi)的遺跡分布和類(lèi)型進(jìn)行分析，根據(jù)識(shí)別結(jié)果初步重建遺址空間結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深化對(duì)遺址遺跡的考古發(fā)掘提供更多線索和新的視角。

1 研究區(qū)概況

平陶城因與歷史上著名的虢國(guó)關(guān)系密切而倍顯科學(xué)價(jià)值和歷史價(jià)值。漢朝滎陽(yáng)縣建立，原虢都地方定名為“虢亭”，延續(xù)到北魏時(shí)期，又名為“平陶城”。據(jù)《水經(jīng)注·濟(jì)水》載：“索水又東逕虢亭南，應(yīng)劭曰：‘滎陽(yáng)故虢國(guó)也’，今虢亭是矣。司馬彪《郡國(guó)志》：‘縣有虢亭’，俗謂之平咷城?！薄洞笄逡唤y(tǒng)志·河南開(kāi)封府》云：“平桃城在滎陽(yáng)縣東南?！庇纱丝梢?jiàn)，漢代的平咷城，當(dāng)即東虢故城，地望與平陶城址所在區(qū)域一致[34]。平陶故城所建年代不詳，但是在城址始建之前就曾有過(guò)商代聚落存在，并且是東虢國(guó)的重要城邑。據(jù)初步考古調(diào)查平陶城城址地理坐標(biāo)為E113°27′14.05″，N34°52′29.58″，海拔約為110 m(圖1)，位于河南省鄭州市滎陽(yáng)市，黃河支流枯河以南，北臨廣武山，南距索河4 km?？莺右阅系貐^(qū)地勢(shì)平坦，適宜耕種居住，是以遺址地表多為農(nóng)田，地表植被受耕種活動(dòng)影響，冬春季節(jié)主要以種植小麥為主，夏秋季節(jié)主要以種植玉米、谷子、紅薯為主，高粱有少量種植。但由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的急劇發(fā)展和城鎮(zhèn)村莊的不斷擴(kuò)張，遺址周邊環(huán)境較為復(fù)雜。研究區(qū)西北角、西南角和東南角均有村落，北邊、西邊和南邊少部分有花卉種植大棚，其東邊為高速公路，連霍高速、鄭云高速等交匯于此。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Location of the study area

2 數(shù)據(jù)源及其預(yù)處理

2.1 歷史遙感影像

歷史影像是研究遺址早期面貌的重要數(shù)據(jù)來(lái)源，研究收集了高分辨率Corona影像和Google Earth歷史影像庫(kù)中的數(shù)據(jù)。影像參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 多源高分辨率遙感影像信息Tab.1 Multi-source high-resolution remote sensing image information

作為第一個(gè)太空衛(wèi)星偵察計(jì)劃，Corona衛(wèi)星于1958年部署，結(jié)合了傳統(tǒng)航空照片的高分辨率和易讀性，Corona影像還含有多時(shí)相、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。1960—1972年，使用了不同鎖眼衛(wèi)星系統(tǒng)獲得了大量不同分辨率的清晰圖像，這些圖像直到1966年才解密，可在美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov/)的解密項(xiàng)目中獲得。本文獲取了1962年4月18日到1970年12月4日覆蓋研究區(qū)域共8景鎖眼遙感衛(wèi)星的高分辨率圖像，它保存了中國(guó)大規(guī)模的土地利用結(jié)構(gòu)變化前的遺址地表景觀。獲取的Corona單景影像被切割為4小塊，研究區(qū)域僅位于每景影像中的一小塊，屬于黑白的全景攝影測(cè)量影像，沒(méi)有投影和坐標(biāo)信息，存在全景畸變，需要進(jìn)行幾何校正。研究中使用ArcGIS軟件，以2003年6月12日無(wú)偏移的Google Earth歷史影像為基準(zhǔn)，通過(guò)詳細(xì)對(duì)比，選取多個(gè)明顯不變的地物點(diǎn)作為地面控制點(diǎn)對(duì)Corona影像進(jìn)行了幾何精糾正。

Google Earth是一個(gè)虛擬的全球地圖服務(wù)，包含幾種不同空間分辨率的衛(wèi)星圖像，目前也廣泛應(yīng)用于考古研究。Google Earth地圖服務(wù)2013年提供了歷史衛(wèi)星影像的下載服務(wù)，數(shù)據(jù)庫(kù)收錄了WorldView-1/2/3，PleiadesA/B，GF-1和QuickBird等衛(wèi)星數(shù)據(jù)。本文獲取了不同時(shí)間和來(lái)源的歷史影像(表1)，這些歷史影像是無(wú)偏移的以GCS_WGS_1984為坐標(biāo)系的RGB彩色圖片。Google Earth數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于辨別相對(duì)較小的考古遺址所表現(xiàn)出來(lái)的考古特征，并驗(yàn)證Corona影像的識(shí)別結(jié)果。

2.2 低空無(wú)人機(jī)遙感影像

無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)拍攝于2020年4月30日，采用Y12多旋翼無(wú)人機(jī)(參數(shù)見(jiàn)表2，圖2(a))安裝TAU640熱紅外相機(jī)和推帚式成像光譜儀(圖2(c),(d))，選擇在天氣晴朗的時(shí)間段起飛并排除信號(hào)干擾物，在無(wú)人機(jī)起飛前，使用飛行控制系統(tǒng)設(shè)定好航向、航線和高度(圖2(b))。無(wú)人機(jī)搭載13 mm熱紅外相機(jī)定焦鏡頭，光譜波段在8～14 μm范圍內(nèi)，飛行高度為150 m，在9:00—11:00獲取的無(wú)人機(jī)熱紅外影像地面分辨率為0.3 m。高光譜數(shù)據(jù)采集前，需在地面進(jìn)行高光譜相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)黑白板輻射校正，在光照強(qiáng)度最好的12:00—14:00時(shí)間段內(nèi)采集數(shù)據(jù)，無(wú)人機(jī)飛行高度120 m，光譜波段400～1 000 nm，波段數(shù)300余種，地面分辨率0.1 m。

表2 無(wú)人機(jī)主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of UAV

(a)無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái) (b)無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃

利用Pix4DMapper軟件對(duì)航空獲取的3 218張航空熱紅外相片進(jìn)行拼接處理，無(wú)人機(jī)獲取影像時(shí)，有自帶的定位定向系統(tǒng)(positioning and orientation system,POS)數(shù)據(jù)，內(nèi)容包含有經(jīng)緯度、高度、航向偏角、鏡頭朝向等參數(shù)。處理過(guò)程主要包括：①將拍攝得到的無(wú)人機(jī)原始raw格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為jpg格式，并進(jìn)行篩查和剔除無(wú)用相片；②建立測(cè)區(qū)并設(shè)置坐標(biāo)系及相機(jī)參數(shù)，導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)和控制點(diǎn)文件；③基于POS數(shù)據(jù)和相片空間位置信息，建立飛行區(qū)稀疏點(diǎn)云，進(jìn)而根據(jù)地面控制點(diǎn)生成帶有精確空間信息屬性的密集點(diǎn)云；④基于密集點(diǎn)云生成飛行區(qū)域內(nèi)3D格網(wǎng)和空間紋理信息；⑤基于空間紋理信息自動(dòng)處理生成數(shù)字表面模型(digital surface model,DSM)和DOM。高光譜原始影像存在幾何畸變，利用專(zhuān)用的可視化采控軟件和模塊實(shí)現(xiàn)基于POS數(shù)據(jù)的系統(tǒng)幾何糾正。

3 研究方法

3.1 遺跡特征遙感解譯標(biāo)志

埋藏于地表以下的遺跡遺物通過(guò)改變土壤含水量、化學(xué)物質(zhì)、致密度等在遙感影像上形成獨(dú)特的土壤標(biāo)記，而因土壤性質(zhì)改變，植被生長(zhǎng)與分布情況發(fā)生異常，使植被高度、密度和色彩出現(xiàn)差異，這些差異在遙感影像上都有各自的表現(xiàn)特征，從而成為判斷地下遺跡或現(xiàn)象的植被標(biāo)志。

古河道、墓葬、灰坑等遺跡含腐殖質(zhì)較多，營(yíng)養(yǎng)成分高，較周?chē)寥郎{(diào)較深，且能夠促進(jìn)植被長(zhǎng)勢(shì)，在遙感影像上表現(xiàn)為正植被標(biāo)記。古道路等夯土建筑致密性強(qiáng)、含水率低，影響植物根系生長(zhǎng)，作物長(zhǎng)勢(shì)較差，表現(xiàn)為負(fù)植被標(biāo)記,若覆蓋在裸地下，則表現(xiàn)為影像像元亮度值較高。如圖3所示，穿過(guò)平陶城城址的古道路在多源高分辨率數(shù)據(jù)中均體現(xiàn)為筆直條帶狀，色調(diào)與周?chē)寥烙忻黠@差別。由此可見(jiàn)夯土建筑在影像中通常呈色調(diào)較淺的條帶狀，紋理特征也比較明顯。殘存于地表之上的遺跡會(huì)呈現(xiàn)出一定的微地貌特征，如殘存的城墻在傾斜太陽(yáng)光線的照射之下，其陰影的明暗、形狀、大小和組合方式能清晰地反映出遺跡特征，由前視相機(jī)和后視相機(jī)形成的立體像對(duì)能體現(xiàn)出城墻、高臺(tái)立體信息，有利于進(jìn)行觀測(cè)和勾繪。通常情況下考古目標(biāo)具有較規(guī)則的幾何形狀，但是由于遺跡特征受到周?chē)h(huán)境干擾，不同時(shí)間、溫度、天氣等都會(huì)造成遺跡特征表現(xiàn)不明顯，為了減少遺跡特征識(shí)別誤差，當(dāng)多幅影像中出現(xiàn)相似的遺跡標(biāo)志才被認(rèn)為是異常區(qū)域，對(duì)比分析解譯法能夠減少由于影像質(zhì)量、偶然因素等造成的誤差。

圖3 古道路遺跡遙感解譯標(biāo)志Fig.3 Sign of remote sensing interpretation of ancient road remains

3.2 遺跡特征增強(qiáng)分析方法

研究中對(duì)收集的多源高分辨率遙感影像進(jìn)行輻射校正、幾何糾正等預(yù)處理，為便于信息辨識(shí)和特征提取，進(jìn)一步對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)，不考慮圖像質(zhì)量下降的原因，通過(guò)抑制建筑和植被的干擾，將感興趣的考古目標(biāo)突出。研究采用交互式直方圖拉伸、sobel邊緣檢測(cè)算法和假彩色增強(qiáng)、最小噪聲分離(minimum noise fraction，MNF)變換等方法來(lái)強(qiáng)調(diào)考古目標(biāo)與周?chē)h(huán)境的差異，以提取潛在的遺跡特征信息。

MNF是基于兩個(gè)連續(xù)主成分變換旋轉(zhuǎn)的線性變換，第一次變換用于分離和重新調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)中的噪聲，濾波處理后得到噪聲協(xié)方差矩陣CN，將其對(duì)角化進(jìn)行變換：

(1)

式中：I為單位矩陣；U為特征向量組成的正交矩陣。當(dāng)變換矩陣P應(yīng)用于影像數(shù)據(jù)X時(shí)，通過(guò)Y=PX變換，將原始影像投影到新的空間，變換后的噪聲數(shù)據(jù)只有最小的方差且波段間無(wú)相關(guān)。第二次是對(duì)噪聲數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)主成分變換，以將噪聲與數(shù)據(jù)分離，從而最大化信噪比。公式為：

DD-adj=VT(PTCDP)V，

(2)

式中：CD為影像X的協(xié)方差矩陣；V為由特征向量組成的正交矩陣。

經(jīng)過(guò)上面兩個(gè)步驟處理，數(shù)據(jù)空間被分為2部分，一是與較大特征值和相對(duì)應(yīng)的特征圖像相關(guān)；一是與近似相同的特征值以及占主導(dǎo)地位的圖像相關(guān)。MNF變換有助于發(fā)現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)集中的考古作物標(biāo)記，這是因?yàn)樗梢宰R(shí)別表面變異性變化，可以有效檢測(cè)植被差異。

4 結(jié)果與分析

4.1 平陶城城廓空間分析

城墻作為城市、城池和城堡的抵御外侵防御性建筑，主要有墻體和城門(mén)兩個(gè)基本要素，絕大多數(shù)城墻外圍還有護(hù)城河。據(jù)考古研究，平陶城城址作為周代重要城邑，形態(tài)初步推測(cè)為方形，即四周城墻長(zhǎng)度大致相等，城墻和道路都是用夯土建造，夯土高度密實(shí)且分層。Google Earth 2019年影像(圖4(a))顯示現(xiàn)存的城墻主要有北墻大部分和東墻北段，其余各段已蕩然無(wú)存。圖4(b)，(c)表示即使是城市更迭、覆滅，仍有部分墻體殘存，實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，北墻殘高2～3 m左右，西北角較為高大，高約5 m，東墻一般殘高2 m左右，寬約1 m。經(jīng)5%的線性高斯增強(qiáng)后的Corona影像(如圖4(d)所示)可以觀測(cè)到城墻的大致形狀及城墻坍塌后遺留的痕跡。東墻北段和南墻的陰影標(biāo)記顯示墻體高于地表；北墻大部分墻體也存在，但是由于墻內(nèi)側(cè)有建筑物存在，墻體顯示不明顯；東墻南段仍有長(zhǎng)條脊?fàn)罹€存在；西墻破壞最嚴(yán)重，周代城邑大多為方形，西邊直線道路與三邊墻體形成方形的空間格局，可推斷出西邊墻體與道路重合。使用Corona影像的Sobel邊緣檢測(cè)算法得出的邊緣和紋理信息可識(shí)別出平陶城城址的城墻輪廓(圖4(e))。圖4(a)和圖4(d)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，在20世紀(jì)60年代以前遺址已經(jīng)遭到了不可逆轉(zhuǎn)的破壞，之后土地覆蓋發(fā)生了巨大的變化，耕地結(jié)構(gòu)也隨著改變，最明顯的是南城墻東段坍塌嚴(yán)重，地表不復(fù)存在，影像上依稀能看到痕跡(圖4(f)和圖4(g))，箭頭顯示的條帶狀負(fù)作物標(biāo)記都表明了南城墻遺址的存在。

(a)綜合分析 (b)部分北墻東段城墻遺跡 (c)部分東墻北段城墻遺跡 (d)Corona顯示城墻輪廓 (e)Sobel識(shí)別城墻輪廓

(f)2011年GoogleEarth歷史影像疑似東段南城墻負(fù)作物標(biāo)記 (g)2013年GoogleEarth歷史影像疑似東段南城墻負(fù)作物標(biāo)記

(h)Corona疑似圓形角臺(tái)遺跡 (i)假彩色疑似圓形角臺(tái)遺跡 (j)疑似角臺(tái)區(qū)域已建寺廟

在城墻的西北處，即北城墻和西城墻交匯處，墻體有明顯的不連續(xù)性，北墻西端有明顯的高臺(tái)凸出(圖4(d))，圖4(h)中高臺(tái)形狀呈現(xiàn)圓形。據(jù)《周禮·考工記》：“宮隅之制，以為諸侯之城制?！敝艽鷷r(shí)期的都城建筑工藝中，在城墻轉(zhuǎn)角處會(huì)建方形或圓形角臺(tái)，并規(guī)定“宮隅之制七雉，城隅之制九雉”，即指角臺(tái)高度較城墻高二丈。平陶城初步考古調(diào)查也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存城墻西北角較其他城墻高，非監(jiān)督分類(lèi)、Sobel邊緣檢測(cè)和平均值的波段組合能夠增強(qiáng)高臺(tái)異常區(qū)顏色，圓形結(jié)構(gòu)更為清晰(圖4(i))。然而疑似為角臺(tái)的異常區(qū)域現(xiàn)今已建房屋，已無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步識(shí)別與驗(yàn)證(圖4(j))。

城門(mén)是一座城市的重要節(jié)點(diǎn)，由于平陶城考古研究有限，在已有的勘探和發(fā)掘資料中，沒(méi)有任何關(guān)于城門(mén)的資料。遺痕分析法[35]可以幫助我們尋找疊壓在地表之下的古代城址，“遺痕”即古代城市的城垣、河湖、街道和大型建筑所遺留的痕跡，它反映了城市本身的歷史變化，可以根據(jù)分析現(xiàn)代城市中所遺留的古代城市痕跡，復(fù)原被埋在地下的古代城市的平面規(guī)劃和布局[36]。城門(mén)作為城邑出入通道在城市交通中占有重要位置，并影響著城的格局，城門(mén)與城門(mén)之間有一定的緊密聯(lián)系。古代的城墻雖然殘破、但仍高高立于地上，因此只有城門(mén)附近進(jìn)出方便，這些都會(huì)對(duì)居民生活、道路建設(shè)等產(chǎn)生影響。從道路制圖(圖5)中可以看出，北墻、南墻和東墻分別存在缺口，且每個(gè)缺口都有道路穿過(guò)。此外，南北缺口的位置是對(duì)稱(chēng)的，中間有一條筆直道路連接。東墻缺口是北墻和南墻道路向東走向的交匯處，缺口位置處于東墻的正中心。因此，根據(jù)遺痕分析法推斷這3個(gè)缺口為平陶城城門(mén)的地點(diǎn)。然而由于破壞嚴(yán)重，西門(mén)的具體位置未能被發(fā)現(xiàn)。平陶城城址規(guī)模較小，推測(cè)城門(mén)的數(shù)量也少，研究中發(fā)現(xiàn)的缺口數(shù)量和位置可以與城墻形成很好的對(duì)應(yīng)，增強(qiáng)了識(shí)別出的城門(mén)的可信度。綜合以上分析結(jié)果，可以認(rèn)為平陶城城址為方形，西北角有一角臺(tái)，東、南、北墻各有一城門(mén)。

圖5 平陶城城址疑似城門(mén)大致位置Fig.5 The approximate location of the suspected gate of Pingtao City

4.2 無(wú)人機(jī)熱紅外及高光譜圖像異常區(qū)域分析

通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)熱紅外影像判讀，發(fā)現(xiàn)一長(zhǎng)方形的疑似遺跡靶區(qū)，長(zhǎng)約44 m，寬約10 m，西邊和北邊線性特征明顯，在熱紅外影像中表現(xiàn)為異常亮值，東邊和南邊線性特征不連續(xù)(圖6)。為了突出溫度差異點(diǎn)，對(duì)熱紅外影像進(jìn)一步增強(qiáng)處理，將高通濾波圖像、低通濾波圖像和原圖像進(jìn)行RGB組合(圖6(b))，影像信息層次感增加使異常亮值表現(xiàn)更為明顯。在Google Earth歷史影像庫(kù)中的RGB圖像中該特征表現(xiàn)不明顯(圖6(c))，而1963年的Corona影像(圖6(d))表現(xiàn)出來(lái)的長(zhǎng)方形特征的陰影標(biāo)記位置與熱紅外影像的大致相同，可推斷出它們是同一個(gè)遺跡。對(duì)它們的位置進(jìn)行分析顯示，從多時(shí)相的遙感影像中確認(rèn)此遺跡位置沒(méi)有發(fā)生明顯的土地利用改變，地表覆蓋在過(guò)去的幾十年間變化較小，主要為耕地(圖6(e))。說(shuō)明該長(zhǎng)方形靶區(qū)形成較早，可能與平陶城城址有關(guān)?；谝陨系募僭O(shè)，通過(guò)分析它與平陶城城墻和城門(mén)之間的距離和方位來(lái)推斷此遺跡類(lèi)型。它與東城門(mén)之間的距離約為整個(gè)城址的1/3，正中心正對(duì)東城門(mén)，由此推斷，此長(zhǎng)方形或?yàn)楣糯ㄖ??？脊艑W(xué)家們從地表散落的陶罐上發(fā)現(xiàn)有戳印的“平陶稟(廩)陶”、“平兆用器”等東周陶文，推斷出當(dāng)時(shí)可能設(shè)有工官管理的制陶作坊，實(shí)地考察也從遺址地表收集到小而多的陶片(圖6(f))。由于是官營(yíng)作坊，其規(guī)模大、等級(jí)高，據(jù)其規(guī)模和位置推測(cè)，此長(zhǎng)方形房基有可能是當(dāng)時(shí)的制陶作坊遺跡。

(a)熱紅外長(zhǎng)方形特征疑似遺跡 (b)彩色合成長(zhǎng)方形特征疑似遺跡 (e)異常區(qū)域地表現(xiàn)狀

相對(duì)于高光譜原始譜帶，通過(guò)應(yīng)用MNF獲得補(bǔ)充信息，比應(yīng)用主成分變換更易于視覺(jué)分析遺跡特征,因?yàn)橹鞒煞肿儞Q對(duì)噪聲比較敏感，當(dāng)遙感影像的噪聲過(guò)大時(shí)第一分量的信噪比降低導(dǎo)致降維效果變差，MNF旨在通過(guò)將一組相關(guān)變量通過(guò)信噪比大小轉(zhuǎn)換為一組新的不相關(guān)變量來(lái)消除頻譜冗余信息或噪聲并突出圖像中的信息頻譜變化的過(guò)程。利用MNF處理后的航空高光譜影像中(圖7)，第一成分包含了最大的信息量(圖7(a))，隨著維數(shù)的增加，影像質(zhì)量逐漸下降。通過(guò)高光譜最小噪聲分離分析，可以對(duì)研究區(qū)的一些影像特征進(jìn)行突出顯示，發(fā)現(xiàn)條帶狀的負(fù)作物標(biāo)記，該標(biāo)記在Google Earth歷史影像和無(wú)人機(jī)熱紅外影像中表現(xiàn)不明顯(圖7(g)，(h))，但是在MNF前2個(gè)主成分中可以觀測(cè)到表面不明顯的遺跡特征。在真彩色影像(圖7(d))中負(fù)作物標(biāo)記顯示不突出，且在假彩色影像(圖7(e))中無(wú)作物標(biāo)記，但使用前3個(gè)主成分的所有組合生成假彩色影像以進(jìn)行彩色增強(qiáng)，將條帶狀的灰度差別轉(zhuǎn)換為明顯的色彩差異，明顯有利于疑似目標(biāo)解譯和提取更多有用信息(圖7(f))。對(duì)航空高光譜影像識(shí)別到的靶區(qū)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在Corona影像上由北門(mén)到東門(mén)的道路(圖5)與靶區(qū)影像位置重疊，且長(zhǎng)時(shí)間序列影像顯示該道路在1970年以后就已廢棄，覆壓在耕地下，根據(jù)遺跡特征遙感解譯標(biāo)志進(jìn)行判讀，可確定該靶區(qū)類(lèi)型為古道路遺跡。

(a)MNF1 (b)MNF2

5 結(jié)論

基于多源高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，本研究對(duì)平陶城城址進(jìn)行無(wú)損詳細(xì)識(shí)別、定位和提取遺跡特征信息，并對(duì)考古遺址空間結(jié)構(gòu)重建，主要結(jié)論如下：

1)利用多時(shí)相、多源高分辨率遙感影像，對(duì)比分析考古目標(biāo)表現(xiàn)的色調(diào)、質(zhì)感、形狀、大小等特征，能夠提取出遺址的異常區(qū)域。且依據(jù)城址規(guī)模、缺口等現(xiàn)代城市所遺留的古代城市痕跡的“遺痕分析法”可推測(cè)平陶城城址城門(mén)數(shù)量和大致位置。研究還有效探測(cè)到疑似城墻、角臺(tái)、長(zhǎng)方形房基、壕溝等遺跡，為研究遺址的建筑格局、等級(jí)和形制研究提供重要的空間信息，初步可確定平陶城城址符合周代時(shí)期古代城市的傳統(tǒng)布局。

2)無(wú)人機(jī)熱紅外技術(shù)可以揭示在地面或光學(xué)影像上不明顯的埋藏的考古特征，高光譜影像經(jīng)過(guò)MNF變換有助于探測(cè)微弱信息，Corona影像能夠識(shí)別出早期遺址面貌，Google Earth歷史影像則在微小的疑似遺跡特征檢測(cè)和提取方面提供幫助。利用邊緣檢測(cè)算法可以有效提取遺跡紋理信息，尤其是城墻結(jié)構(gòu)的信息增強(qiáng)，彩色合成方法能夠?qū)⑽⑿∮跋裉卣鞯幕叶炔顒e顯示為明顯的色彩差異，有利于目視識(shí)別靶區(qū)目標(biāo)。

3)綜合利用多源高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)遺址遺跡特征進(jìn)行解譯，很大程度提高了考古調(diào)查效率和準(zhǔn)確性，未來(lái)的研究將結(jié)合地球物理探測(cè)方法進(jìn)行勘察，以期為下一步考古工作提供更有效的線索和依據(jù)。