周日平

(中煤地質(zhì)集團(tuán)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(shí)空分辨率高、光譜分辨率高、數(shù)據(jù)的綜合性和可比性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效率高、穿透能力強(qiáng)、能對(duì)考古文物無損探測等的特點(diǎn)而越來越多地運(yùn)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(jì)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(xiàng)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(jìn)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(jìn)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(duì)文物遺存進(jìn)行無損探測，發(fā)現(xiàn)了封土堆熱異常，證實(shí)了阻排水渠的存在及其阻水效果， 確認(rèn)了西墓道的存在。田慶久(2007)對(duì)江蘇西溪貝丘遺址，利用高光譜遙感飛行數(shù)據(jù)成功對(duì)工區(qū)遺址信息進(jìn)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(dá)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(tái)地。如今，航空相片、機(jī)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(jià)值和廣闊發(fā)展前景(鄧飚，2010)。宗鑫(2017)認(rèn)為將遙感和探地雷達(dá)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(duì)灃、鎬進(jìn)行了長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的田野考古調(diào)查和發(fā)掘工作，考古界大致認(rèn)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(shí)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(jìn)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(duì)灃河沿岸進(jìn)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(dá)到一定規(guī)模，就會(huì)對(duì)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(gè)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(huì)比周遍環(huán)境高；燒毀的物質(zhì)會(huì)深深地增加土壤磁性(Clark，2000)；沉積物的變化、壓實(shí)程度、土壤中水分的含量和其它因素都會(huì)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(duì)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(bǔ)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(shí)的資料。

(1) 分析比較久遠(yuǎn)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(dòng)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?qǐng)D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(shí)的成像季節(jié)、太陽高度、方位和地形特征，達(dá)到識(shí)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。現(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(duì)1956年的老航片進(jìn)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(shí)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(jìn)行信息提取，進(jìn)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(jìn)行RGB組合。尋找溫度差異點(diǎn)，再與周邊地物環(huán)境做對(duì)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(shí)相遙感圖像識(shí)別植被長勢差異、微地貌差異，進(jìn)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(diǎn)與自然地理環(huán)境的關(guān)系。重點(diǎn)研究和分析灃河在第四紀(jì)的擺動(dòng)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(gè)波段)和解譯1956年老航片立體像對(duì)，提取微地貌信息，結(jié)合高光譜的異常信息，圈定可疑點(diǎn)。

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(shí)進(jìn)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(shí)測各類地物的表面溫度。目的是測定地面定標(biāo)點(diǎn)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(yán)重，存在不同程度的輻射畸變和幾何畸變?yōu)榇?，利用統(tǒng)計(jì)校正方法進(jìn)行了輻射畸變處理，對(duì)幾何畸變使用OMIS和GPS/IMU數(shù)據(jù)格式的破解，實(shí)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(shí)程度、土壤中水分的含量和其它因素都會(huì)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(xì)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(gè)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(huì)比周遍環(huán)境高；燒毀的物質(zhì)會(huì)深深地增加土壤磁性(Clark，2000)；或者潮濕沉積物填補(bǔ)原有的壕溝將會(huì)促進(jìn)地表的植物生長，熱輻射值會(huì)比周遍環(huán)境低。

將夜航熱紅外遙感溫度圖像進(jìn)行信息提取，為了突出信息的層次，易于目視識(shí)別，必須對(duì)溫度圖像進(jìn)一步增強(qiáng)處理，首先進(jìn)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(jìn)行RGB組合。尋找溫度差異點(diǎn)，再與周邊地物環(huán)境做對(duì)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?qǐng)D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(shí)的成像季節(jié)、太陽高度、方位和地形特征，達(dá)到識(shí)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)異常可能與地下墓葬、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(duì)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(yuǎn)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(diǎn)，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?cái)U(kuò)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(jìn)行地理幾何編碼處理，即把快鳥圖像進(jìn)行幾何校正，以快鳥圖像為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)1956年的老航片進(jìn)行幾何校正，使得二者在空間上實(shí)現(xiàn)幾何位置的配準(zhǔn)，然后在立體儀下進(jìn)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(diǎn)為香積寺村、賈里村、杜永村三個(gè)村子之間的區(qū)域，最后確定規(guī)模較大的9個(gè)可疑區(qū)，如圖3所示。

圖3 勘探驗(yàn)證的遙感考古遺跡異常區(qū)

采用鉆探的手段檢驗(yàn)遙感圈定的文物遺存靶區(qū)，是對(duì)遙感考古技術(shù)的最嚴(yán)格的檢驗(yàn)。考古研究所選擇驗(yàn)證了其中的8個(gè)可疑區(qū)，其中有5個(gè)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(gè)為微地貌異常信息。

根據(jù)陜西省考古研究所的鉆探驗(yàn)證結(jié)果，認(rèn)為“在通過遙感獲取的異常區(qū)域內(nèi)經(jīng)過嚴(yán)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(yùn)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”。