“遼金古城”遺址遙感分析策略與提取技術(shù)研究

張 宇 李遠(yuǎn)華 劉嘉宸 徐 達(dá) 蔡德森

吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130026

1 概述

習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào),“要讓更多文物和文化遺產(chǎn)活起來(lái),營(yíng)造傳承中華文明的濃厚社會(huì)氛圍。我們要積極推進(jìn)文物保護(hù)利用和文化遺產(chǎn)保護(hù)傳承,挖掘文物和文化遺產(chǎn)的多重價(jià)值”[1-3]。東北地區(qū)作為遼金文化發(fā)源地,留存的古城遺址十分豐富,約有百余座,鐫刻著幾百年前的遼金文化記憶,是東北地區(qū)寶貴獨(dú)特的文化資源[4-5]。

遼金時(shí)代的古城由于時(shí)間久遠(yuǎn),古城的原始形態(tài)、功能和文化內(nèi)涵并不明確,史料記載有限,較難獲取具體真實(shí)的有關(guān)信息[6];經(jīng)歷了幾百年變遷,遺址殘缺程度高,難以辨別其具體信息[7]。當(dāng)前相關(guān)研究以考古或歷史文化領(lǐng)域居多,遙感的參與度不高,缺乏空間化思想的分析與具體信息提取技術(shù)的支持[8]。因此,采用何種遙感解決方案,探測(cè)與表達(dá)古城的空間信息,服務(wù)遼金文化挖掘,對(duì)東北旅游資源開發(fā)、助力東北振興戰(zhàn)略、提高文化自信具有現(xiàn)實(shí)意義,是一個(gè)值得研究的問題。

東北地區(qū)遼金古城空間分布廣泛、離散,殘缺嚴(yán)重、文化小眾、資料相對(duì)較少。遙感技術(shù)具有探測(cè)范圍廣、獲取信息快、數(shù)據(jù)真實(shí)等特點(diǎn),正是解決這類具有較強(qiáng)宏觀性問題的最佳方法之一[9-10]。因此,剖析“遼金古城”遺址空間特征、設(shè)計(jì)有針對(duì)性的信息提取策略、找到具有可操作性的遙感信息提取技術(shù)顯得尤為重要。

2 技術(shù)方法

首先,在充分收集“遼金古城”遺址歷史、考古資料的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析與之相關(guān)的地理位置描述、形態(tài)風(fēng)格等信息,為古城遺址空間分布、微觀形態(tài)等信息的提取奠定基礎(chǔ);其次,依據(jù)“遼金古城”遺址空間信息主要存在的“微觀粗略定位、局部大致定性和區(qū)域模糊描述”特征,提出三個(gè)層次的分析與提取策略;再次,設(shè)計(jì)“點(diǎn)位修正法、局部檢索法、區(qū)域掃面分析法”實(shí)現(xiàn)空間信息檢索與提取;按照古城遺址的保存完整程度,劃分為“結(jié)構(gòu)完整型、框架完整型、殘缺型、消失型、未發(fā)現(xiàn)型”五種古城空間數(shù)據(jù)類型,為遙感信息提取與制圖提供明確的提取目標(biāo);然后,從數(shù)據(jù)處理、核心要素提取、面向?qū)ο筇崛〉确矫婕?xì)化遙感信息提取技術(shù);最后,收集和整理東三省遼金古城空間信息和遙感數(shù)據(jù),并開展技術(shù)實(shí)踐與分析(圖1)。

圖1 古城遺址分級(jí)提取技術(shù)路線

3 東北遼金古城空間層次分析與提取對(duì)策

由于遼金文化相比于中原文化的研究關(guān)注度不夠,加之遼金古遺址分布廣闊而分散,直接利用價(jià)值不明顯,因此“遼金古城”遺址資料豐富程度不夠,相關(guān)位置與形態(tài)描述不夠精細(xì)。通過對(duì)東北遼金古城資料分析發(fā)現(xiàn),“遼金古城”遺址空間信息主要存在“微觀粗略定位、局部大致定性和區(qū)域模糊描述”等類型。因此,有必要采取分層提取策略加以處理和提取。

3.1 遼金古城空間位置整理方法

對(duì)不同層次的古城空間信息進(jìn)行分析整理,重點(diǎn)搜集“遼金古城”遺址的歷史記載和空間信息,設(shè)計(jì)“東北遼金古城遺址信息表”,對(duì)名稱、經(jīng)度(X)、緯度(Y)、地理位置、所屬信息類型等屬性加以記錄。為獲取遙感影像數(shù)據(jù)、掌握古城遺址的分布、遺址信息的空間化和數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。采集信息格式為“編號(hào):C001,名稱:沙河鄉(xiāng)魏家樓子城址,經(jīng)度:123.4486,緯度:41.6096,備注:原無(wú)坐標(biāo)”。

3.2 不同空間信息條件下的提取對(duì)策

(1)點(diǎn)位修正策略:針對(duì)具有詳細(xì)坐標(biāo)信息的古城資料(“微觀粗略定位型”),采取坐標(biāo)點(diǎn)精確定位,并根據(jù)影像特征提取古城空間信息。

(2)局部檢索策略:針對(duì)僅有大致位置描述信息的古城(“局部大致定性型”),采用局部區(qū)域識(shí)別定位,再按遙感特征開展遙感信息提取工作。

(3)區(qū)域提取策略:針對(duì)只存在部分描述或缺少資料的古城信息(“區(qū)域模糊描述型”),采用區(qū)域遙感檢索方式發(fā)現(xiàn)和定位古城。此外,要根據(jù)不同古城遺址的現(xiàn)存狀態(tài)制訂相應(yīng)的遙感信息提取方案。

4 現(xiàn)存古城類型與空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

按照遺址的殘存程度,可把遺址分為五種類型:結(jié)構(gòu)完整型、框架完整型、殘缺型、消失型、未發(fā)現(xiàn)型。例如,結(jié)構(gòu)完整型古城保存狀態(tài)較為完好,古城遺址的結(jié)構(gòu)和城內(nèi)典型建筑的遺跡在遙感影像上較為明顯;框架完整型古城僅留下較為完整的城墻遺跡;殘缺型受嚴(yán)重風(fēng)化或人類活動(dòng)影響,古城僅剩一些殘?jiān)珨啾?消失型是古城痕跡消失,未發(fā)現(xiàn)型是指存在未被發(fā)現(xiàn)的古城(圖2)。

圖2 古城遺址示意圖

將提取古城遺址各要素圖層存在放Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫(kù)中,實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο笫降囊惑w化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

5 遙感提取關(guān)鍵技術(shù)分析

按照從宏觀到微觀,從整體到局部的分析策略,充分借助遙感技術(shù)對(duì)古城空間結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行提取和表達(dá),例如從古城范圍的確定到城門位置,城墻缺口寬度等微觀要素的細(xì)致提取,先對(duì)較大范圍,宏觀性強(qiáng)的要素進(jìn)行提取分析,之后逐步分解古城各要素;同時(shí)能參考已提取要素(如城墻),通過二者之間的相對(duì)位置,更合理地確定城門、馬面等要素的點(diǎn)位,實(shí)現(xiàn)對(duì)古城遺址進(jìn)行由外及內(nèi)、收縮式的空間表達(dá)。

5.1 目標(biāo)檢索方法與遙感數(shù)據(jù)處理

根據(jù)前述的信息提取策略,設(shè)計(jì)了“點(diǎn)位修正法”“局部檢索法”“區(qū)域掃描分析法”三種古城遙感目標(biāo)檢索技術(shù)。

“點(diǎn)位修正法”的技術(shù)關(guān)鍵是:根據(jù)已知的點(diǎn)位坐標(biāo),在公共數(shù)據(jù)平臺(tái)上對(duì)古城定位,然后以古城為中心,向外以2～3倍大小范圍獲取古城遺址遙感數(shù)據(jù)。之后,根據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量再對(duì)遙感圖像進(jìn)行相應(yīng)的增強(qiáng)、校正處理。

“局部檢索法”的技術(shù)要點(diǎn)是:根據(jù)提示信息,先找尋標(biāo)志明顯的參考地標(biāo),如村落、特殊建筑等。然后,在其周邊根據(jù)古城遙感特征檢索古城位置,并以此為中心,按照資料所述距離的3～5倍做緩沖區(qū)截取影像,并進(jìn)行必要的圖像裁剪、校正和對(duì)比度增強(qiáng)等處理。

“區(qū)域掃描分析法”技術(shù)思路是:將潛在的古城分布區(qū)域(例如某一市、縣等)作為搜索范圍,在公共數(shù)據(jù)平臺(tái)上采用網(wǎng)格式排查、掃描,優(yōu)先確定疑似古城目標(biāo),通過遙感解譯標(biāo)志進(jìn)一步判定其真實(shí)性,確認(rèn)屬實(shí)的古城遺址按前述方法處理。

5.2 古城核心要素提取方法

首先,根據(jù)收集的資料提取位置信息,對(duì)“遼金古城”遺址進(jìn)行空間標(biāo)記定位,然后根據(jù)空間坐標(biāo)收集遙感數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)源選擇分辨率優(yōu)于2.5米的可見光波段,為了排除季節(jié)的影響,對(duì)較難判別的古城借助多時(shí)相、跨季節(jié)的數(shù)據(jù)對(duì)比分析;接著結(jié)合資料和遙感影像對(duì)古城信息校正,并按殘存程度分為“結(jié)構(gòu)完整型、框架完整型、殘缺型、消失型、未發(fā)現(xiàn)型”五類;之后對(duì)每種類型古城的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析,在ArcGIS中建立古城空間數(shù)據(jù)庫(kù),利用Geodatabase存儲(chǔ)古城城墻、城防設(shè)施等空間要素,并制圖表達(dá),完成“遼金古城”遺址遙感信息的提取(圖3)。

圖3 古城遙感信息提取流程

6 實(shí)例驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證本文技術(shù)的可行性、有效性,根據(jù)前述分析策略和遙感信息技術(shù),選擇黑龍江省、吉林省、遼寧省的“遼金古城”遺址作為研究區(qū),開展技術(shù)驗(yàn)證與分析,并進(jìn)行典型古城遙感信息提取實(shí)例驗(yàn)證。

6.1 數(shù)據(jù)源采集與古城點(diǎn)位信息整理

遼金古城具有規(guī)模小、殘缺嚴(yán)重、影像特征不明顯等特點(diǎn),因此,需要高分辨率遙感影像來(lái)解決。由于研究區(qū)范圍巨大,本文研究在Google、天地圖等開源遙感數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)。遙感數(shù)據(jù)源類型有:Geoeye-1、Worldview、IKONOS、Quick Bird等。

粗略定位型古城遙感數(shù)據(jù)的采集,以已知坐標(biāo)點(diǎn)為中心,截取2～3倍古城規(guī)模范圍的遙感影像;局部大致定性型古城根據(jù)資料描述的相對(duì)位置和距離,以參考位置為中心,擴(kuò)大遙感影像截取區(qū)域,截取半徑為參考距離的2～5倍;區(qū)域模糊描述型古城先利用開源數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)搜尋,找到目標(biāo)古城遺址后,再以2倍古城范圍截取其影像數(shù)據(jù)。按前述方法共整理“遼金古城”遺址340余處,初步掌握了“遼金古城”遺址在東北地區(qū)的分布狀況(圖4)。

圖4 東三省遼金古城分布示意圖

6.2 新建古城空間數(shù)據(jù)庫(kù)

在ArcGIS中新建個(gè)人地理數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase),文件名為古城名稱,并按古城結(jié)構(gòu)解析結(jié)果建立城墻、城防設(shè)施等要素類。信息提取時(shí)選擇對(duì)應(yīng)要素類型進(jìn)行編輯,最終完成古城空間數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,實(shí)現(xiàn)對(duì)古城數(shù)據(jù)的管理和存儲(chǔ)。

6.3 古城空間要素提取

本文以吉林省、黑龍江省的部分古城遺址為代表,開展遙感信息提取與制圖實(shí)踐。以ArcMap為信息提取平臺(tái),加載對(duì)應(yīng)的古城遙感數(shù)據(jù),提取和編輯對(duì)應(yīng)要素類,并對(duì)顏色、線型、符號(hào)加以整飾,形成“遼金古城”遺址遙感制圖(圖5)。

圖5 殘缺型古城遺址信息提取

6.4 分析與討論

本文方法依據(jù)東北遼金古城空間特點(diǎn)分類施策,可快速進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)的獲取與定位和集成式的提取,具有較強(qiáng)的可操作性;通過對(duì)古城分布范圍制圖分析,可以發(fā)現(xiàn)東北遼金古城在東北三省地區(qū)大致呈現(xiàn)南稠北稀、東疏西密的分布態(tài)勢(shì);東北地區(qū)的土質(zhì)型古城除城墻保留相對(duì)較好外,絕大多數(shù)殘缺不堪,具有侵蝕嚴(yán)重、保存狀態(tài)較差等特征,“遼金古城”遺址的保護(hù)應(yīng)該引起重視。

7 結(jié)論

本文針對(duì)古城位置問題提出了空間分層次的解決策略,設(shè)計(jì)“點(diǎn)位修正法、局部檢索法、區(qū)域掃面分析法”開展遙感信息提取,并開展實(shí)例驗(yàn)證取得如下認(rèn)識(shí)。

(1)類似“遼金古城”遺址空間信息可劃分為“微觀粗略定位、局部大致定性、區(qū)域模糊描述”等類型,可采取三個(gè)層次的處理策略,可采用“點(diǎn)位修正法、局部檢索法、區(qū)域掃面分析法”開展古城目標(biāo)檢索與分析。

(2)采用Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理城墻、馬面等古城空間要素,可體現(xiàn)古城的整體架構(gòu)與局部信息,實(shí)現(xiàn)一體化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

(3)利用遙感技術(shù)提取古城要素時(shí)應(yīng)與檢索策略呼應(yīng),采取分層逐步式、類型差異化提取,重點(diǎn)獲取遺址框架、組成要素、重要部件等空間信息。

(4)東北遼金古城呈現(xiàn)南稠北稀、東疏西密的分布,現(xiàn)存古城大多殘缺,侵蝕嚴(yán)重,應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)。

特別要說明的是:本文僅對(duì)東北三省“遼金古城”遺址開展技術(shù)性研究,未將屬于東北的蒙東地區(qū)數(shù)據(jù)納入,希望在以后的工作中進(jìn)一步完善內(nèi)蒙古地區(qū)“遼金古城”遺址數(shù)據(jù)。

衷心感謝吉林大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”對(duì)本項(xiàng)研究的支持,感謝《東北邊境1∶5萬(wàn)遙感地質(zhì)解譯與查證》項(xiàng)目在古城數(shù)據(jù)方面的支持,特別感謝吉林大學(xué)考古學(xué)院孫賢博士提供的專業(yè)指導(dǎo)與資料支持。