胡慶武，王少華?，傅才武，尹開國

①武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，武漢 430079；②武漢大學(xué) 國家文化創(chuàng)新研究中心，武漢 430070；③湖北海達文化遺產(chǎn)保護科技研究院，武漢 430074

我國擁有燦爛的歷史文明，在華夏大地分布著成千上萬年的古代自然和社會活動遺跡(包括大型聚落、城址、宮室、陵寢墓葬等遺址群)，為研究中國古代政治、宗教、軍事、科技、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、交通、水利等提供了大量的實物素材，是研究我國古代人文學(xué)、社會學(xué)、美學(xué)和自然科學(xué)的珍貴資源，具有重要的研究和保護價值。隨著全球化、信息化的迅猛發(fā)展，西方文化和價值觀借機滲透，存在著民族文化傳統(tǒng)印記淡化、人文精神失落的危險，國家與民族凝聚力受到嚴峻挑戰(zhàn)。文化遺產(chǎn)保護不僅是維系本土文化獨立性的國家戰(zhàn)略，而且是維系民族團結(jié)、國家統(tǒng)一、文化自信、文化認同的基石和重要舉措[1]。

近些年來，隨著我國經(jīng)濟建設(shè)速度的加快、自然環(huán)境的變化和人為破壞，大量古代文化遺跡遺存正以不可逆的方式快速消亡，如不及時采取科學(xué)的保護措施，將會給國家和民族造成不可挽回的損失[2-3]。提前預(yù)測和加快保護這些文化遺存的任務(wù)越來越緊迫，《國家“十三五”文化遺產(chǎn)保護與公共文化服務(wù)科技創(chuàng)新規(guī)劃》明確指出：“大力發(fā)展文化遺產(chǎn)價值認知科學(xué)與技術(shù)，在遺跡遺物探測、文物信息提取、文物價值挖掘等方面突破系列核心關(guān)鍵技術(shù)?！?/p>

古代人類活動留下來的遺存遺跡是人們過去生活過的地方，人類活動導(dǎo)致其自然形態(tài)發(fā)生變化，使其與周圍純自然的環(huán)境有所區(qū)別。雖然這些變化經(jīng)過后來的人工擾亂不易察覺，但是畢竟與原來的周圍環(huán)境存在差異，并通過地表水分條件、植被生長狀況、土地利用狀況、地貌結(jié)構(gòu)的不同得以保存下來，以不同的空間模式或特征分布在地表。如何利用這些遺存遺跡與周邊地形、環(huán)境、植被覆蓋等的不同，進行大范圍及隱蔽區(qū)域的遺存遺跡識別、調(diào)查和測繪，對于文化遺產(chǎn)的發(fā)現(xiàn)、保護、研究和利用具有重要意義。

1 遙感科技考古

遙感自誕生以來就是人們發(fā)現(xiàn)和認識考古遺址的重要手段。遙感考古通過從航天飛機、衛(wèi)星、飛機、無人機等不同平臺上運用攝影機、光譜相機、紅外相機、雷達等成像設(shè)備獲取考古遺址影像資料，根據(jù)遺址范圍內(nèi)地表現(xiàn)狀和光譜成像規(guī)律等的相互關(guān)系，對影像的色調(diào)、紋理、圖案及其時空分布規(guī)律進行研究，判定遺跡或遺址的位置、分布、形狀、深度等特征，進行遺址識別和調(diào)查。與田野考古相比，遙感考古能夠在許多方面彌補地面觀測無法得到的大量信息，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)為覆蓋范圍廣、時空分辨率高、光譜分辨率高、穿透能力強，以及對考古對象的無損探測[4-6]。

遙感考古作為區(qū)域歷史文化信息的探測、發(fā)現(xiàn)和認知的重要手段，已得到廣泛應(yīng)用。在遙感技術(shù)的幫助下，考古學(xué)家能夠從正在消失的考古資源遺跡中提取豐富而重要的信息。早在20世紀初，航空像片就已經(jīng)被考古學(xué)家所采用。英國考古學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)地面上長期以來被遺棄的特征與結(jié)構(gòu)、土壤構(gòu)成以及植被覆蓋，而這些在此前的傳統(tǒng)地面調(diào)查中被忽略。在過去的30多年，全球考古學(xué)家利用遙感技術(shù)以便更好地了解古代景觀和居住方式，遙感考古使得傳統(tǒng)考古學(xué)的發(fā)展獲得了一個全新的平臺，現(xiàn)在已經(jīng)成為國內(nèi)外考古研究的重點[4-7]。挪威學(xué)者利用IKONOS 衛(wèi)星拍攝的多譜段照片在挪威南部農(nóng)田發(fā)現(xiàn)古代聚落遺跡[8]；西班牙學(xué)者利用遙感技術(shù)，并結(jié)合孢粉學(xué)、地形學(xué)，在俄羅斯奧倫堡地區(qū)發(fā)現(xiàn)了史前歐亞大陸規(guī)模最大的古代銅礦遺址[9]。劍橋大學(xué)運用衛(wèi)星遙感技術(shù)在埃及中部尼羅河三角洲海岸發(fā)現(xiàn)了古代遺跡[10]，以及至今仍是一個謎的秘魯納斯卡神秘線條[11](圖1)等。中國遙感考古出現(xiàn)較晚，但發(fā)展迅速。中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所就航空像片、機載與星載傳感器、合成孔徑雷達、高分辨率衛(wèi)星影像、高光譜遙感等技術(shù)在考古方面的應(yīng)用進行了闡述[12]；陜西師范大學(xué)、陜西省考古研究所等提出了高光譜遙感考古技術(shù)方法，并以秦始皇陵為對象驗證了高光譜遙感用于考古是可行的[13-14]；楊瑞霞[15]對不同時期、不同類型古文化遺存遙感影像解譯標志進行了分類研究。塔拉依據(jù)在內(nèi)蒙古遼、金、元都城等的遙感考古成果強調(diào)，遙感考古對古城址、古墓葬、古長城、古河道、古窯址、古代聚落遺址等研究對象十分有效[16]。武漢大學(xué)王然等[17]取得的2007年十大考古發(fā)現(xiàn)之一的遼瓦店遺址柱洞，在遙感影像上清晰可見(圖2)。

圖1 秘魯納斯卡神秘線條(猴)

圖2 2007年十大考古發(fā)現(xiàn)之一的遼瓦店遺址

當前，國際國內(nèi)的遙感考古主要集中在可見光遙感、高光譜技術(shù)、紅外遙感技術(shù)、地磁雷達技術(shù)等，在遺址考古中取得一定的成效，但仍存在著各自的弱點，如光學(xué)遙感對于掩蓋在叢林中近地表的考古遺址識別和發(fā)現(xiàn)，成效甚微。在植被和樹林覆蓋地區(qū)，光學(xué)遙感只能看見超出樹冠的古遺址，甚至大的金字塔都會被漏掉?？梢?，地表植被等要素對文化遺跡的遮蓋是影響光學(xué)遙感進行考古遺址識別的一個主要問題。陳述彭院士強調(diào)，考古要走信息化的道路，要重視波譜特性的應(yīng)用，提高波譜的相對應(yīng)用能力[18-19]。

劉樹人[20-21]指出應(yīng)重視提取背景條件復(fù)雜的“隱性考古信息”弱信息技術(shù)的研究。趙生才[22]也指出遙感考古中亟待進一步開展從遙感信息中提取古遺址弱信息的研究。光學(xué)遙感不能解決有遮擋的地表遺址識別調(diào)查的問題。針對近地表植被覆蓋下，受人類活動和環(huán)境影響的大量弱信息古遺址遺存識別、調(diào)查和監(jiān)測等難題，遙感考古中亟待開展新型考古遙感信息獲取技術(shù)和不同類型古遺址弱信息的智能提取與辨識方法研究，突破現(xiàn)有的光學(xué)遙感技術(shù)手段，解決有遮擋的地表遺址弱信息識別問題。這是當前遙感考古領(lǐng)域的重要課題。

2 激光雷達遙感與考古發(fā)現(xiàn)

激光雷達遙感(light detection and ranging,LiDAR)是近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其利用高頻率發(fā)射的激光脈沖非接觸主動式快速獲取物體表面三維密集點，以獲得被檢測對象信息進行提取和處理，可全天候、快速、直接、高精度采集對象的三維信息，廣泛應(yīng)用于三維城市建模、資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開發(fā)、水利工程、土地利用、環(huán)境監(jiān)測、森林資源管理、海岸侵蝕監(jiān)測、防震減災(zāi)，以及國家重點建設(shè)項目等領(lǐng)域。作為一種主動遙感技術(shù)，激光雷達能夠穿透密林或者一定深度的水體，極大地提高了三維空間數(shù)據(jù)的獲取效率，同時為地表植被、農(nóng)作物等要素覆蓋下的文化遺跡揭露提供了可能(圖3)。

圖3 機載激光雷達遙感技術(shù)原理

激光雷達遙感的一個顯著特點是能夠穿透密林到達林下地面，或者穿透一定深度的水體達到水下，經(jīng)過對點云數(shù)據(jù)進行濾波、分類和空間插值，得到林下或水下高分辨率的地表形態(tài)信息，適于大尺度或者區(qū)域尺度的遙感考古。在眾多激光雷達遙感考古中，影響較大的是美國佛羅里達大學(xué)開展的瑪雅新古城考古和澳大利亞悉尼大學(xué)牽頭的吳哥遺址考古。2010年美國佛羅里達大學(xué)利用機載激光雷達技術(shù)(Airborne LiDAR)獲取了伯利茲Caracol濃密雨林區(qū)的激光點云數(shù)據(jù)，通過植被濾波得到林下精細三維地形圖，僅用4天時間便發(fā)現(xiàn)了瑪雅古城此前未知的大量古建筑、古道路和梯田遺跡，重現(xiàn)了一座嶄新的瑪雅古城堡(圖4)。此前，考古學(xué)家在該地區(qū)已經(jīng)開展了25年的田野考古調(diào)查，機載激光雷達僅用一個月就新發(fā)現(xiàn)了近200 km2古遺跡，是過去25年間傳統(tǒng)考古發(fā)現(xiàn)范圍的8倍[23-24]。2012年，澳大利亞悉尼大學(xué)利用直升機搭載激光雷達獲取了柬埔寨吳哥窟遺址及其周邊森林區(qū)域高密度點云數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了隱藏于吳哥遺址北部庫倫山區(qū)茂密森林和稻田下的吳哥古城遺跡，將吳哥中心古城遺址覆蓋范圍從早期的9 km2擴展為35 km2，吳哥遺址歷史往前推進了350年[25]。可見，激光雷達遙感對于發(fā)現(xiàn)掩藏在植被覆蓋區(qū)域的人類活動留下的遺跡遺存有著獨特的優(yōu)勢。

激光雷達遙感科技考古一般在移動平臺(衛(wèi)星、飛機、飛艇、無人機等)搭載激光雷達傳感器，通過遙感飛行獲取高密度的三維激光點云和高分辨率的光學(xué)影像數(shù)據(jù)；根據(jù)近地表歷史文化遺跡遺存具有特征起伏微小、分散而不連續(xù)、植被覆蓋茂密、地形特征和遺存特征混雜(如古代土遺址已成為地形的一部分、古城墻)等特點，采用顧及近地表考古遺址空間特性的點云濾波與分類算法，得到精細表達的地表微地形數(shù)字高程模型；在考古學(xué)家專業(yè)知識的支持下，實現(xiàn)近地表考古遺址空間特征的準確提取和表達，并結(jié)合嚴格地理配準的高分辨率光學(xué)遙感影像，進行近地表考古遺址信息的呈現(xiàn)與判讀[26]。其方法流程如圖5所示。

近地表古代人類活動留下來的文化遺跡遺存具有特征起伏微小(如古代墓垣)、分散而不連續(xù)(有些已經(jīng)被破壞不是連續(xù)的整體)、地形特征和遺存特征混雜(如古代土遺址已成為地形的一部分、古城墻)等特點，通過歷史學(xué)、考古學(xué)、地理學(xué)與遙感科學(xué)交叉研究，揭示機載激光雷達點云和近地表考古遺跡目標作用的機理和規(guī)律，采用顧及近地表考古遺址空間特性的點云濾波與分類算法，實現(xiàn)近地表文化遺存復(fù)雜特征單元的提取，有效提升近地表考古遺跡遺存信息的呈現(xiàn)、判讀與定位。

3 激光雷達遙感人類活動遺跡發(fā)現(xiàn)案例

從2010年開始，在國家文物局資助下，采用激光雷達遙感科技考古技術(shù)對楚紀南故城大遺址八嶺山楚墓群、湖南澧陽平原史前遺址、洛陽邙山陵墓群、成都寶墩城址、遼寧醫(yī)巫閭山遺址群、貴州海龍囤土司遺址群進行了大范圍考古調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大量年代久遠、隱藏在濃密植被覆蓋下的人類活動留下的遺跡遺存，如墓葬、城址、要塞等。

(1)楚紀南故城八嶺山古墓群激光雷達遙感考古發(fā)現(xiàn)

八嶺山古墓群南北長8 km，東西寬5 km，總面積40多km2。山中古墓葬密集，現(xiàn)封土堆尚存特大型、大型及中型古墓560余座，其中以楚墓居多，明藩王墓次之。不少墓冢雄踞山頭，宛若山峰，構(gòu)成了八嶺山的壯觀奇景。史載楚莊王墓在山中，前后陪葬有數(shù)十冢，皆列成行[26](圖6)。

(2)湖南澧陽平原史前遺址激光雷達遙感考古發(fā)現(xiàn)

城頭山古文化遺址，位于湖南省常德市澧縣，是中國南方史前大溪文化至石家河文化時期的遺址，也是迄今中國唯一發(fā)現(xiàn)時代最早、文物最豐富、保護最完整的古城遺址，被譽為“中國最早的城市”。歷經(jīng)4 000多年滄海桑田，從激光雷達遙感數(shù)據(jù)中依舊可以清晰地發(fā)現(xiàn)城墻遺跡(圖7)。

(3)洛陽邙山陵墓群激光雷達遙感考古發(fā)現(xiàn)

邙山陵墓群，位于河南省洛陽市、孟津縣東西長近50 km、南北寬約20 km的邙山上。陵墓群面積為756 km2，有大型的封土墓970多座(圖8)，古墓葬有數(shù)十萬之多，是世界上古代陵墓分布較為集中的地區(qū)之一，有“東方金字塔”之稱。

(4)成都寶墩城址

寶墩城址位于成都新津縣龍馬鄉(xiāng)寶墩村，俗稱“龍馬古城”。當?shù)乩习傩諅髡f這是三國時期諸葛亮七擒孟獲的“孟獲城”。其筑城年代約在公元前2500年，其廢棄年代大約在公元前2300年。通過激光雷達遙感發(fā)現(xiàn)，外城墻體寬度殘存15～25 m，殘存高度為1.5～4 m不等，夯筑方式與內(nèi)城墻完全一致(圖9)。寶墩外城城墻的發(fā)現(xiàn)使考古學(xué)界對寶墩古城遺址有了全新的認識，這對于探索寶墩文化時期的聚落形態(tài)、社會結(jié)構(gòu)與社會復(fù)雜化程度具有十分重要的意義。

(5)遼寧醫(yī)巫閭山遺址群

圖6 八嶺山古墓群激光雷達遙感考古發(fā)現(xiàn)

圖7 湖南澧陽平原史前遺址群(城墻遺跡)

醫(yī)巫閭山，古稱于微閭、無慮山，按《周禮?職方》稱：“東北曰幽州，其山鎮(zhèn)曰醫(yī)無閭?！钡妹踉纾巡豢煽?。與古華夏民族的“醫(yī)、巫文化崇拜有關(guān)”，今稱閭山，地處今遼寧省境內(nèi)，采用激光雷達遙感發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存的瞭望臺、壩墻子等遺存(圖10)。

(6)貴州海龍囤土司遺址群

圖8 洛陽邙山陵墓群(墓冢)

圖9 寶墩城址(外城墻)

圖10 遼寧醫(yī)巫閭山遺址群(琉璃寺)

海龍囤遺址是貴州境內(nèi)目前僅見的一處大型軍事建筑與宮殿建筑合二為一的遺址，也是當今中國乃至亞洲保存完好的中世紀城堡遺址。海龍囤遺址位于貴州遵義老城北約30 km的龍巖山東麓，湘江上游，是中國西南地區(qū)歷史最久、規(guī)模最大、保存最完整的土司城堡之一。始建于南宋寶祐五年(1257年)的貴州遵義海龍囤土司城由南宋朝廷與播州的土司楊氏共同營建，后來毀于1600年對抗明朝廷的戰(zhàn)爭。周長約6 km的環(huán)囤城墻尚存，囤內(nèi)面積達1.59 km2，“老王宮”和“新王宮”是囤內(nèi)兩組最大的建筑群，面積均在2萬m2左右，大體為“橫三縱三”的布局，是集軍事屯堡、衙署與“行宮”為一體的“土司”遺存(圖11)。

圖11 貴州海龍囤土司遺址(土司城)

4 結(jié)論

我國幅員遼闊，數(shù)千年的人類文明在廣袤大地上留下了豐富的文化遺存，而在人們認識自然、改造自然的過程中，大量的遺跡特征被植被等諸多地物遮擋，相關(guān)遺跡現(xiàn)象也支離破碎為諸多大小不一的遺跡單元，不成一個連續(xù)整體，呈現(xiàn)出微地形弱信息的特點。激光雷達遙感通過對植被的穿透，獲取近地表高密度三維激光點云，在顧及遺跡遺存時空分布模式的三維激光點云濾波和分類技術(shù)支撐下，可以對地表植被、農(nóng)作物等要素覆蓋下的文化遺跡揭露，實現(xiàn)密集植被區(qū)域的文化遺存遺跡識別。激光雷達遙感科學(xué)、歷史學(xué)、地理學(xué)與考古學(xué)交叉遙感理論和方法的研究，將為我國大量植被、森林和農(nóng)作物覆蓋下的文化遺存遺跡的遙感調(diào)查和識別提供技術(shù)支撐，在文化遺產(chǎn)調(diào)查、三維數(shù)字化和遺存遙感動態(tài)監(jiān)測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]周和平. 中國非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護的實踐與探索[J]. 求是, 2010(4):44-46.

[2]呂舟. 國家歷史身份的載體: 中國世界遺產(chǎn)保護事業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J]. 中國科學(xué)院院刊, 2017, 32(7): 711-719.

[3]王新文, 張沛, 孔黎明. 試論“重建”之于中國文化遺產(chǎn)保護的意義[J]. 東南文化, 2016(6): 13-19.

[4]宋寶泉. 遙感考古學(xué)[M]. 鄭州: 中州古籍出版社, 2000.

[5]孟祥偉. 什么是遙感考古?[J]. 百科知識, 2008(1): 25-27.

[6]麻賽萍, 麥克·帕克·珀爾森. 考古學(xué)家手鏟下的“巨石陣”[J]. 大眾考古, 2015(4): 38-43.

[7]欒盛楠. 遙感考古——探索人類文化遺產(chǎn)的新手段[J]. 東南文化,2004(4): 40-42.

[8]PARCAK S H. Satellite remote sensing for archaeology [J]. Routledge,2009, 84(325): 915-916.

[9]FERNáNDEZ FREIRE C, URIARTE GONZáLEZ A, VICENT GARCíA J M, et al. Bronze age economies and landscape resources in the Kargaly steppe (Orenburg, Russia) [C]// Proceeding of 31st European Association of Remote Sensing Laboratories Symposium(EARSeL 2011), May 30th-June 2nd, 2011, Prague, Czech Republic.2011: 75-84.

[10]STANLEY J D, BERNASCONI M P, JORSTAD T F. Pelusium,an ancient port fortress on Egypt’s Nile Delta Coast: its evolving environmental setting from foundation to demise [J]. Journal of Coastal Research, 2008, 24(2): 451-462.

[11]崔月婷, PEDRO, ALFONSO. 秘魯納斯卡線條世界上最大“涂鴉”的未解之謎[J]. 國家人文地理, 2009(8): 76-81.

[12]MEI J, WANG P, CHEN K, et al. Archaeometallurgical studies in China: some recent developments and challenging issues [J]. Journal of Archaeological Science, 2015, 56: 221-232.

[13]譚克龍, 萬余慶, 楊一德, 等. 高光譜遙感考古探索研究[J]. 紅外與毫米波學(xué)報, 2005, 24(6): 437-440.

[14]王琳琳. 古遺址的高光譜數(shù)據(jù)信息提取方法研究[D]. 西安: 西北大學(xué), 2012.

[15]楊瑞霞. 中原地區(qū)數(shù)字環(huán)境考古研究[D]. 上海: 華東師范大學(xué),2009.

[16]塔拉, 張亞強. 內(nèi)蒙古通遼市吐爾基山遼代墓葬[J]. 考古, 2004(7):50-53.

[17]王然, 傅玥. 湖北鄖縣遼瓦店子遺址東周遺存的發(fā)掘[J]. 考古,2008(4): 14-27.

[18]陳述彭, 黃翀. 文化遺產(chǎn)保護與開發(fā)的思考[J]. 地理研究, 2005,24(4): 489-498.

[19]陳述彭. 文化遺產(chǎn)保護與環(huán)境遙感監(jiān)測[J]. 科學(xué)中國人, 2005(2):34-36.

[20]劉樹人. 空間遙感環(huán)境考古的地學(xué)分析[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報,1996(1): 39-42.

[21]劉樹人. 我國遙感考古回顧及展望[J]. 國土資源遙感, 1998, 10(2):18-23.

[22]趙生才. 人類文化遺產(chǎn)信息的空間認識[J]. 地球科學(xué)進展, 2004,19(4): 687-691.

[23]MASINI N, LASAPONARA R. Airborne Lidar in archaeology:overview and a case study [M]// Computational Science and Its Applications — ICCSA 2013. Berlin/Heidelberg: Springer, 2013: 663-676.

[24]CAMPANA S, BIANCHI G, FICHERA G A, et al. 3D recording and total archaeology: from landscapes to historical buildings [J].International Journal of Heritage in the Digital Era, 2012, 1(1): 443-460.

[25]EVANS D H, FLETCHER R J, POTTIER C, et al. Uncovering archaeological landscapes at Angkor using lidar [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(31): 12595-12600.

[26]WANG S, HU Q, WANG F, et al. A microtopographic feature analysisbased LiDAR data processing approach for the identification of Chu tombs [J]. Remote Sensing, 2017, 9(9): 880.