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

【摘 要】隨著人類對(duì)考古遺址的認(rèn)識(shí)不斷加深，空間考古的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛?？臻g考古中重要元素的識(shí)別是確保發(fā)掘項(xiàng)目質(zhì)量及安全性的前提。因此，研究方法和數(shù)據(jù)對(duì)遺址探測(cè)和發(fā)掘等具有重要意義。在考古學(xué)中，遺址位置測(cè)量是必不可少的環(huán)節(jié)。遺址所處位置不僅關(guān)系到遺址自身的發(fā)展軌跡和歷史進(jìn)程，也是探索中國(guó)早期大型城市發(fā)展體系的重要依據(jù)之一。因此，研究方法以不同時(shí)間尺度開(kāi)展考古遺址空間定位研究具有重要意義。中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院（原中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所）長(zhǎng)期致力于遙感數(shù)據(jù)空間使用及研究以及遙感應(yīng)用于考古勘探中。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展考古發(fā)掘工作以獲取更多重要發(fā)掘信息和研究成果，為考古學(xué)服務(wù)于人類健康社會(huì)發(fā)展提供理論支撐和實(shí)踐參考。

【關(guān)鍵詞】多源高分辨率數(shù)據(jù)；遺址空間；考古精細(xì)識(shí)別；考古

【中圖分類號(hào)】K878；TP751 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1007—4198（2023）02

引言

我國(guó)是世界上最早使用高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的國(guó)家之一。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，高分辨率衛(wèi)星遙感技術(shù)得到了快速發(fā)展。近十年來(lái)，隨著地球空間環(huán)境的不斷變化，衛(wèi)星數(shù)據(jù)在世界范圍內(nèi)變得更加廣泛而豐富。但是，隨著人類活動(dòng)的不斷加劇，對(duì)于遺址等文物遺跡來(lái)說(shuō)，空間屬性復(fù)雜多變而且多源高分辨率數(shù)據(jù)尚未被充分利用，如何通過(guò)遙感影像的精細(xì)識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)對(duì)遺址進(jìn)行精準(zhǔn)定位和提取至關(guān)重要。長(zhǎng)期以來(lái)，許多學(xué)者一直致力于在遙感影像空間屬性識(shí)別的基礎(chǔ)上對(duì)遺址空間屬性進(jìn)行細(xì)分。然而由于不同來(lái)源數(shù)據(jù)存在著不同特征之間的差異無(wú)法得到精準(zhǔn)識(shí)別這一問(wèn)題始終沒(méi)有得到解決。因此如何利用多種技術(shù)手段來(lái)提高遺址的空間屬性識(shí)別功能及其在更多領(lǐng)域中的應(yīng)用便顯得尤為重要。

一、遺址空間考古精細(xì)識(shí)別技術(shù)概述

隨著遙感技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多地融入到老百姓的生活中，遙感技術(shù)也從“高大上”走入了尋常百姓家，遙感與考古也完成完美“合體”。而隨著科技、經(jīng)濟(jì)和軍事發(fā)展，行業(yè)對(duì)遺跡等數(shù)據(jù)需求也不斷增加，特別是對(duì)大型遺址數(shù)據(jù)高精度數(shù)據(jù)需求的增加，地面的田野考古調(diào)查往往只見(jiàn)樹木、難見(jiàn)森林。僅憑借肉眼或簡(jiǎn)單的工具去獲取人類活動(dòng)的物質(zhì)遺存信息畢竟存在局限，對(duì)于大范圍、長(zhǎng)距離、條線式大型古代遺存，需要多角度去觀看。站得高才能看得遠(yuǎn)。如今，遙感技術(shù)在考古活動(dòng)中被廣泛使用，在技術(shù)幫助下，考古工作者可以“穿透”森林、地表甚至巖土層，探測(cè)林下、地下以及水下的遺存與分布情況。具有全局、直觀、周期性強(qiáng)、覆蓋范圍大的特點(diǎn)。隨著國(guó)際上多學(xué)科交叉融合與創(chuàng)新方興未艾，應(yīng)發(fā)揮我國(guó)遺產(chǎn)大國(guó)優(yōu)勢(shì)及空間技術(shù)優(yōu)勢(shì)，搶占空間技術(shù)與文化遺產(chǎn)有機(jī)結(jié)合研究的制高點(diǎn)，形成中國(guó)在該領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，并利用聯(lián)合國(guó)教科文組織自然與文化遺產(chǎn)空間技術(shù)中心設(shè)在我國(guó)的條件，為國(guó)際該領(lǐng)域發(fā)展作出獨(dú)特的貢獻(xiàn)[1]。例如利用地面影像的提取功能已將遙感影像和地面影像緊密結(jié)合在一起。例如在野外調(diào)查中可以利用地面影像來(lái)提取出地上建筑物以及地面地貌物。本文基于多源高分辨率數(shù)據(jù)的遙感影像空間屬性識(shí)別這一研究方向，利用不同來(lái)源的資源數(shù)據(jù)來(lái)獲取更多的高分辨率地圖特征信息，從而使得遙感影像空間屬性識(shí)別功能更加高效和精確。

二、遺址空間考古精細(xì)識(shí)別技術(shù)研究現(xiàn)狀

（一）理論框架與應(yīng)用機(jī)制

考古遺址空間劃分技術(shù)，可以分為兩類：一類是劃分法，另一類是聚落學(xué)劃分方法。劃分法中的“聚落”是指對(duì)一種或多種聚落進(jìn)行定位并加以確定的空間劃分?！熬勐洹眲t是根據(jù)聚落所處的地理位置和環(huán)境條件，確定聚落的分布范圍，并對(duì)聚落進(jìn)行空間管理和保護(hù)的方法 。聚落劃分法是利用聚落周邊區(qū)域的地理位置和地形特征對(duì)聚落進(jìn)行命名和劃分的方法。聚落的命名與它所處地理位置有關(guān)：聚落作為一個(gè)整體存在于一個(gè)區(qū)域之中而不是只具有一個(gè)名稱；聚落的具體名稱與其所在地理位置有關(guān)；聚落的規(guī)模與其所在地區(qū)具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性；聚落內(nèi)存在許多建筑物、墓葬、水井等附屬設(shè)施[2] 。聚落學(xué)劃分法在聚落內(nèi)部存在大量堆積形式相近而又具有多種性質(zhì)的遺存或遺跡之間存在多種組合形式，而這種組合形式又可能會(huì)相互影響和改變其原有性質(zhì)。聚落類型包括山嶺聚落、平原聚落和山地聚落等類型 。

在遺址空間定位方法中應(yīng)用最廣泛的方法為高程定位法、區(qū)域定位法及空間定位法三種方法的結(jié)合。高程定位法具有定位精度高優(yōu)勢(shì)，且能夠有效減少干擾和誤差；區(qū)域定位法適用于大量遺址，能夠?yàn)檫z址空間定位提供大量數(shù)據(jù)支持；時(shí)空定位法通過(guò)多種不同方法構(gòu)建遺址三維模型并進(jìn)行對(duì)比分析。高程定位法需要耗費(fèi)大量人力物力，且目前這一技術(shù)尚處于研究階段；區(qū)域定位法具有較為明顯的區(qū)域局限性且需要大量人工干預(yù)；區(qū)域定位法存在一定安全隱患。區(qū)域定位法在遺址空間定位方面尚處于初步應(yīng)用階段，區(qū)域定位方法主要是通過(guò)分析各個(gè)遺址區(qū)內(nèi)遺跡種類以及空間位置等特征對(duì)遺跡空間定位進(jìn)行確定 。高程定位法具有較為顯著的區(qū)域局限性，難以用于準(zhǔn)確辨識(shí)出遺址區(qū)域內(nèi)存在的遺跡類型以及數(shù)量、分布情況；區(qū)域定位法雖然可以對(duì)遺跡空間定位進(jìn)行支持 ，但無(wú)法滿足遺址空間定位工作的需要；時(shí)空定位法使用簡(jiǎn)單 ，但在遺址定位中會(huì)存在較大誤差[3] ?；谝陨咸攸c(diǎn)可以看出遺址空間定位方法研究現(xiàn)狀：遺址分類與位置精度分析需要融合多種技術(shù)手段進(jìn)行識(shí)別以及空間分區(qū)；遺產(chǎn)類型空間定位需要基于多種技術(shù)手段進(jìn)行空間分區(qū)和多尺度區(qū)分；遺址空間分布與遺址定位要求相結(jié)合進(jìn)行功能分區(qū)；遺址空間定位方法尚不能滿足需要等。

遺址空間考古的重點(diǎn)工作包括研究遺址在空間上的位置關(guān)系、遺跡的形成過(guò)程以及遺跡之間的相互關(guān)系。目前遺址空間勘探主要集中在兩個(gè)方面：一是對(duì)遺跡進(jìn)行識(shí)別和研究，如對(duì)陶器上、下兩層遺跡上遺留的紅褐色斑進(jìn)行識(shí)別；二是對(duì)遺跡之間形成的溝槽進(jìn)行識(shí)別，如在遺跡上鋪有紅褐色砂土等。考古工作中遺址識(shí)別主要是對(duì)遺跡之間形成的溝槽進(jìn)行識(shí)別。例如：在陜西大荔縣沙溝寨鎮(zhèn)西王母村南半部山坡上發(fā)現(xiàn)了一處西周時(shí)期文化層（1—2層）遺跡。遺跡表面殘存泥質(zhì)粉砂巖及紅砂巖層。同時(shí)發(fā)現(xiàn)保存較為完整的一段石砌臺(tái)基；臺(tái)身殘破部分形成一條山脊 [4]。

（二）遺址空間識(shí)別方法

時(shí)空法是以地表的觀測(cè)數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)將區(qū)域內(nèi)的空間分割、區(qū)域分析和建模等方法提取出各類空間符號(hào)。影像圖識(shí)別是以各種影像信息為基礎(chǔ)、綜合運(yùn)用影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)確定空間區(qū)域范圍的方法，通過(guò)對(duì)區(qū)域的空間信息進(jìn)行表征從而實(shí)現(xiàn)識(shí)別的過(guò)程。目前我國(guó)學(xué)者多以傳統(tǒng)遙感為主要工具來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大（城址）遺址空間信息的識(shí)別分析。這類技術(shù)對(duì)于大規(guī)格遺址（含城址）的區(qū)分與分析具有重要作用。

1.地表觀測(cè)

遺址地表是指以土地、植物為基礎(chǔ)的地表環(huán)境，它與周圍的自然環(huán)境相對(duì)應(yīng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、人民生活水平的提高，利用地表資源（如巖石和土壤）來(lái)開(kāi)展遺址空間環(huán)境的研究已經(jīng)成為研究我國(guó)大（城址）遺址空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，并為人們深入研究大（城址）遺址地表空間活動(dòng)提供了可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源?；诘乇碛^測(cè)技術(shù)對(duì)大（城址）遺址空間分布情況進(jìn)行識(shí)別具有重要意義[5]。

2.區(qū)域分析

區(qū)域分析就是根據(jù)影像中與遺址有關(guān)的空間符號(hào)來(lái)劃分遺址區(qū)域。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)不同的影像手段對(duì)遺跡區(qū)域中的空間符號(hào)進(jìn)行提取分析。區(qū)域分析的主要方法有兩種：第一種是利用空間比例原理，根據(jù)大遺址和小遺址兩者的空間分布特點(diǎn)，結(jié)合影像特征來(lái)判別小遺址和大遺址（如城址）之間的空間位置關(guān)系；第二種是通過(guò)空間分析結(jié)合影像特征，將影像和大（城址）的不同特征提取到適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)予以識(shí)別。張雪梅等采用了兩種方法對(duì)河北大都城遺址和大秦關(guān)中城市遺址進(jìn)行了分析：一是將具有相似特征的小遺址分類到同一區(qū)域內(nèi)；二是根據(jù)遺址的范圍大小采取不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，以小遺址劃分出大遺址范圍。該方法對(duì)于大規(guī)格遺址（含城址）具有一定普適性甚至適用性。

三、基于多源高分辨率數(shù)據(jù)的遺址空間考古精細(xì)識(shí)別實(shí)例分析

（一）研究區(qū)域與研究方法

北京房山位于北京市東部，緊鄰著海河流域、京西平原和華北平原。是華北地區(qū)第一大平原。北京房山文化遺址群位于房山南部山區(qū)房山地區(qū)，處于古長(zhǎng)城的中段和西安城墻的北端。該文化中有多處具有歷史意義的重要古城遺址，如山東陽(yáng)谷城址、鄭州商城遺址、洛陽(yáng)龍門遺址等。房山文化遺址群（又稱房山城址）位于房山地區(qū)東北部山前丘陵地帶，屬于新石器時(shí)代中期文化遺存，是目前我國(guó)發(fā)現(xiàn)最早、規(guī)模最大、延續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的新石器時(shí)代中期城址文化。該地區(qū)也是華北地區(qū)唯一一處新石器時(shí)代中期古城遺址，該遺址主要分布在房山一帶。在該考古學(xué)地區(qū)開(kāi)展過(guò)多次考古工作和研究，但多為零星發(fā)掘活動(dòng)，主要涉及遺址分布情況以及可能的考古學(xué)文化因素等方面，缺乏深入研究和發(fā)掘成果信息搜集與反饋工作。因此，本研究將利用衛(wèi)星遙感、手持 GPS定位等多種手段進(jìn)行三維影像的采集、處理、分析和報(bào)告工作。通過(guò)將遙感圖像和遙感影像中包含的文化元素進(jìn)行聯(lián)合定位和分析，進(jìn)而獲得相關(guān)遺址信息和古環(huán)境信息用于發(fā)掘研究或考古工作數(shù)據(jù)獲取及更新、結(jié)果評(píng)價(jià)與分析等研究工作中。

（二）研究數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

數(shù)據(jù)源：遙感數(shù)據(jù)集主要包括遙感影像、高光譜數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)和其它相關(guān)數(shù)據(jù)集等。其中，高光譜數(shù)據(jù)是指獲取近紅外光圖像并對(duì)其進(jìn)行放大、縮小、降噪處理后獲得原始光度圖像。傾斜數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星傾斜和地球曲率等，主要用于研究地表沉降、地表植被分布等內(nèi)容，同時(shí)也可用于定位。高光譜數(shù)據(jù)通常采用多光譜融合方法，主要用于獲取近紅外光波段在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜波段數(shù)據(jù)，以及獲取太陽(yáng)輻射光譜波段的光譜特性和頻率信息。在高光譜數(shù)據(jù)中，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，信噪比越低，波段越短，信噪比越高，則信噪比越高。高光譜數(shù)據(jù)采用多光譜模型進(jìn)行研究，通常采用指數(shù)矩陣進(jìn)行模型訓(xùn)練，將多光譜模型訓(xùn)練完成后再利用指數(shù)矩陣模型訓(xùn)練完成模型驗(yàn)證，最后再利用指數(shù)矩陣模型進(jìn)行優(yōu)化求解與驗(yàn)證來(lái)優(yōu)化模型的性能與精度。研究方法：依據(jù)高分辨率遙感影像對(duì)歷史考古遺址提取和精細(xì)識(shí)別數(shù)據(jù)，采用基于 RapidMap、GIS應(yīng)用等方法進(jìn)行處理分析與結(jié)果比對(duì)研究，具體方法如下所示：其中， KBPT數(shù)據(jù)主要用于對(duì)中國(guó)境內(nèi)典型地物分布及高精度空間定位相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。GIS數(shù)據(jù)主要用于分析中國(guó)境內(nèi)典型地物分布與空間定位問(wèn)題之間的相關(guān)性差異性及其與遺址空間定位準(zhǔn)確性的關(guān)系傳導(dǎo)機(jī)制及影響機(jī)制等相關(guān)問(wèn)題。

四、結(jié)語(yǔ)

本文基于衛(wèi)星、 GNSS、無(wú)人機(jī)等多種數(shù)據(jù)源，結(jié)合考古學(xué)、歷史地理和空間考古學(xué)等多種理論方法，針對(duì)不同空間遺址進(jìn)行分析。以多源高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合考古研究工作中存在的問(wèn)題，提出一種新的多源空間考古定位研究方法——Rapid—Automated Mapping，并以此為基礎(chǔ)通過(guò)分析不同時(shí)間尺度下考古遺址分布狀況，構(gòu)建了系統(tǒng)分析方法。通過(guò)該方法可以有效提高空間考古定位精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)遺址的精細(xì)化識(shí)別，提高了空間考古學(xué)研究工作水平，為考古學(xué)科學(xué)研究提供了技術(shù)支撐和實(shí)踐參考。本文主要針對(duì)發(fā)掘工作實(shí)踐中常出現(xiàn)較少關(guān)注考古因素并造成定位精度不高的情況進(jìn)行了研究。然而，研究結(jié)果顯示隨著時(shí)間增長(zhǎng)，考古因素對(duì)定位精度影響逐漸變大，對(duì)未來(lái)考古工作產(chǎn)生一定影響。因此，在開(kāi)展考古工作時(shí)需多角度分析考古學(xué)因素對(duì)于定標(biāo)精度的影響，并在工作過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)考古因素的關(guān)注和研究力度和技術(shù)創(chuàng)新力度。最后對(duì)此提出幾點(diǎn)建議：（1）目前對(duì)考古元素進(jìn)行定性識(shí)別是利用專業(yè)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分析獲取元素定標(biāo)精度較高但精度不高問(wèn)題，需要不斷提高技術(shù)水平和工作質(zhì)量。（2）進(jìn)一步加強(qiáng)無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)在考古領(lǐng)域的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：羅勝（1988—），男，漢族，四川人，研究生，副研究員，研究方向?yàn)榭萍伎脊拧?/p>