基于無人機遙感技術的遺址考古研究

文 圖/趙向莉 孫曉飛

無人機遙感技術具有實現高分辨率影像采集、獲取影像機動靈活、獲取影像覆蓋范圍廣、成本低、易操作等優點，被廣泛應用于遺址考古和文化遺產保護領域。這里以青臺遺址為例，通過無人機遙感技術在遺址測繪和考古攝影中的應用，旨在探討基于該技術的遺址考古工作思路和成果數據應用領域研究。

青臺遺址位于鄭州西北35 公里的滎陽市廣武鎮青臺村東側的土崗上，東臨廣武鎮，西扼虎牢關，南臨唐崗水庫，北連廣武山，是一處規模較大、覆蓋范圍廣的大河村類型的仰韶中晚期遺址。

近年來，鄭州市文物考古研究院對青臺遺址進行了系統勘探，遺址面積達100 萬平方米。2015—2017 年，依據勘探成果在重要遺存位置布設探方，經針對性考古發掘，發現居民區、墓葬區、祭祀區等聚落空間布局，清理出土房址、墓葬和疑似北斗九星祭祀區等重要遺跡，出土了一批珍貴的遺物，尤其出土的絲織物是中原地區考古發掘所見的最早絲織品。2013 年，遺址就被國務院核定公布為第七批全國重點文物保護單位。2017 年獲得當年河南省五大考古新發現。

應用于遺址測繪

青臺遺址考古研究過程中，要理清遺址的時代、文化堆積性質和內涵、空間布局結構、功能區劃分、與周邊環境的關系等問題，需要完整、準確、高精度的三維數字模型、數字正射影像和數字地形圖等基礎資料，為開展考古調查、勘探、發掘、研究、保護和管理工作提供支撐。傳統的基礎資料獲取手段是采用全站儀、RTK 和熱氣球等進行測量，其效率低、費時費力。無人機遙感技術具有性能穩定、工作效率高、成果精度高和易操作等優勢，為遺址三維模型、正射影像和大比例尺地形圖測繪基礎數據獲取提供一種新技術支持。該技術應用于遺址考古研究主要分為數據獲取和數據處理兩個方面。

遺址測繪基礎數據獲取主要作業流程：航線規劃、影像獲取和控制點測量、數據處理。

航線規劃

青臺遺址航線規劃是基于Google Earth 和MdCockpit 軟件進行編輯，Google Earth 主要參數設置“工具”菜單，地形提升高度參數設為1，坐標顯示設為小數度數。進入MdCockpit 軟件，將青臺遺址位置的經緯度坐標添加至背景起點，設置地圖圖片每行為3 張，導入谷歌地球（TM）的地圖，緩存遺址區影像。切換至Google Earth界面，重復執行編輯菜單欄下的“復制圖像”命令。

青臺遺址航線規劃

航線總體屬性編輯，起飛點位置為獨立于航點1；航線對準原點飛行為no；相機Sony α7R。創建航點1，屬性設置相對高度為20；創建航點2，相對高度與航高應一致為200m，航點（1 和2）動作為未配置。在航點2 基礎上創建GIS 柵格，柵格屬性：光刪方向角為0°、航向角180°；離地高度（飛行高度）為200m；水平速度8m/s；轉動每列為yes；區域寬度為1600m，區域高度為1300m；橫向重疊60%，垂直重疊70%；執行“優化航線”命令。逐條檢查航線屬性是否一致，航線兩端航點動作為未配置；影像獲取采用間隔3s 正射拍照模式，相機舵機俯仰角是+90°，相機舵機滾轉角+0°。

青臺遺址區域較大，為保證飛行數據質量和飛行安全，飛行設備單塊電池續航時間須控制在22 分鐘以內，將航線手動拆分為4 條分航線，4 個架次飛行。

影像獲取和控制點測量

影像獲取，首先，需根據氣候、地理環境和氣象等條件對相機參數進行設置。青臺遺址影像獲取時相機設置：手動檔（M 檔），選擇目標物最亮部分測光，相機焦距調至無窮，光圈為f6.3，曝光時間是1/1250s，ISO 速度為ISO—200。其次，審查航線，相機調試并安裝至云臺，相機存儲卡和SIM 卡安裝至飛行設備，確保飛行設備、地面站和遙控器等正常運行。再次，航前檢查：4 個電機旋轉方向、電池電壓電量及安裝、數據卡安裝、GPS 蓋、旋翼的安裝及支臂固定、微波盒、遙控器信號等。最后，指標正常和保證飛行安全，航線上傳飛行器成功，啟動飛行器，當飛行器離地一定高度，切入航線工作模式，按規劃航線執行。同時從地面站可實時觀察到飛行器姿態、電池電量、風速和拍攝區域等。

控制點測量

一個架次飛行結束，將影像和POS 點導入計算機、檢查影像重疊度和質量、核查POS 點數據。

青臺遺址控制點測量中，對遺址區域東北、西北、西南、東南、中心等區域選擇獨立特征點進行三維坐標測量。控制點測量時應對所測控制點進行拍照和文字記錄，照片編號和測量數據編號必須一致，便于內業數據整理核查。此次，青臺遺址共選擇17 個特征點進行測量。

數據處理

數據處理包括數據預處理和數據深加工。數據預處理是將影像數據、控制點數據和飛行記錄數據導入計算機，所有的影像數據存儲于一個文件夾，經數據質量檢查，剔除冗余影像，利用Photoshop 軟件調整受自然環境干擾的影像。將POS 點和影像編號對應存儲，對控制點按平面坐標系統中三維坐標順序進行整理。

控制點刺點

在Pix4d 軟件平面編輯器中刺像控點，初步處理（快速檢測），查看質量報告中控制點精度評估情況。若控制點精度較低，進入空三射線編輯器，對控制點進行調整并優化。空三射線編輯器中刺點應注意三個標記：藍色圓圈是預測控制點位置、黃色叉是所刺的控制點、綠色叉表示控制點已經重新參與計算重新得到的位置。另外，刺點時照片不宜放過大，放到照片2 倍。并且，對控制點調整后需“優化”處理。精度滿足要求時執行初始化高精度處理，并設置點云和數字表面模型及正射影像圖相應模塊參數，執行開始命令，生成測繪結果。

應用于考古攝影

考古攝影可直觀、真實地記錄田野考古調查、發掘過程中重要的遺跡遺物，是實物資料獲取的一種重要技術手段?？脊艛z影主要內容包括遺址全景照、考古發掘工作照、發掘探方照片、單個遺跡照、遺物照和重要遺跡遺物出土錄像等。

傳統考古攝影是借助梯子、升降機或搭架子等獲取影像，雖可達到考古攝影要求，但在實施中會遇到梯子安全性低、拆卸造成資源浪費，有人駕駛飛機或熱氣球飛行高度高、速度快等特點較難獲取高清、全面的影像等問題，導致工作效率低、獲取影像技術單一和費時費力。大疆S1000+和佳能EOS 5D 技術具有飛行器性能穩定、易操作等優勢，尤其高清圖傳顯示設備和相機自動對焦功能，圖傳顯示設備可實時播放相機獲取的影像資料并指導飛控手調整飛行方向和高度，飛行器位置、角度確定，自動對焦獲取高清影像?？蓪崿F對考古發掘遺跡遺物進行多角度、全方位拍攝和錄像，保證影像的完整性和全面性。

青臺遺址考古攝影，在大疆S1000+和佳能EOS 5D（自動對焦）相機技術支持下，依據考古發掘工作進程及時獲取遺跡遺物影像（照片和錄像）。

成果與分析

質量報告中影像重疊率

青臺遺址數字地表模型

青臺遺址數據處理質量報告顯示影像重疊率低，湖面區域出現空洞。影像重疊度低，主要受航向重疊率和旁向重疊率、飛行高度、飛行速度、拍照時間間隔和風等影響；湖面空洞主要因面積大，像對點不易識別，可通過軟件修補處理空洞。從質量報告控制點精度0.008m分析可知，DSM 和DOM 滿足規范要求，可用于遺址考古研究。

青臺遺址正射影像

通過青臺遺址無數據獲取、數據處理和成果分析可知，在人機遙感技術中數據獲取是關鍵，決定了成果質量和精度。首先，航線規劃時航測區域界定、航高設置、重疊率設置、拍照時間間隔等設置，一定要充分考慮周邊地理環境、自然氣候條件和測區風俗習慣等因素，合理優化航線，保證飛行安全、獲取數據的完整性和精準度。其次，控制點測量時坐標系統需與遺址調查、勘探和發掘遺跡等坐標系統一致；同時根據遺址測區范圍、周邊地形地貌等情況，選擇目標清晰、易于判斷和測量，且較穩固的地物交點、拐角和中心點等作為控制點，保證數據可靠性和精度。

我們將大疆S1000+和佳能EOS 5D 技術應用于青臺遺址考古攝影，及時對發掘遺跡進行了多角度、全方位拍攝，獲取到遺址全景、考古發掘場景，遺跡、遺物等的高分辨率影像。其中青臺遺址重要考古發現北斗九星祭祀區，就是在該技術支持下獲取的全面、準確的遺跡遺物數字化影像。

北斗九星祭祀區（《華夏考古》2018(03):2）

無人機遙感技術在青臺遺址考古中的應用取得豐碩成果。青臺遺址DOM 和DSM 為遺址地形圖（DLG）編繪提供了數字圖像支持，解決了傳統全站儀或GPS-RTK 逐點采集作業難、效率低等問題，提高了作業效率，保證了遺址考古成果資料的時效性和準確性。高分辨率正射影像圖、數字地表模型和數字高程模型為考古學者提供直觀、可靠的數字資料，有助于考古學者決策部署田野考古調查、勘探和發掘等工作。正射影像圖可作為考古勘探遺跡分布圖和考古發掘遺跡分布圖的底圖，遺跡現象空間分布和聚落空間布局都能疊置顯示，并有相應的三維坐標，對考古學發掘探方布設提供決策性的技術引導，為遺址考古研究提供全面、精準的數字化資料。所有影像、數據和成果都可作為遺址的檔案資料，永久留存于檔案室。遺址測繪和考古攝影所得影像、數據均是遺址考古三維模型建立的重要資料源。所有數字化資料為大遺址保護規劃、遺址公園建設和文化遺產保護工程等提供準確、高精度的基礎信息資料。

結語

通過兩種型號無人機遙感技術在青臺遺址考古中的應用探索，開創了遺址測繪新工作模式和考古攝影新技術，提高了工作效率和信息資料質量，為建立遺址三維模型提供高分辨率、全面性強和高質量的影像數據，更為全面、高效地獲取考古實物影像資料提供了技術支持。無人機遙感技術具有的時效性強、高精度、高效率和易操作等優勢，決定其將成為遺址考古影像獲取的重要技術，被廣泛應用于遺址考古研究。