東北“遼金古城”遺址遙感識(shí)別技術(shù)研究

陳宇星，李遠(yuǎn)華

（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130021）

東北地區(qū)作為遼金朝代的發(fā)源地及核心行政區(qū)域，留有眾多歷史文物和古塔、古城等遺址與遺跡。其中，東北境內(nèi)至今還分布著數(shù)百座“遼金古城”遺址。開(kāi)展古城遺址相關(guān)的各項(xiàng)研究，對(duì)于深入揭示遼金建筑文化、服務(wù)東北歷史遺跡保護(hù)與旅游資源開(kāi)發(fā)、振興東北具有重要的文化價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

總體來(lái)看，前人多采用傳統(tǒng)的考古、文物發(fā)掘等研究手段，通過(guò)歷史材料整理、文物普查等方式對(duì)東北地區(qū)“遼金古城”的文化歷史開(kāi)展研究，積累了大量文字資料[1-5]。近年來(lái)，結(jié)合遙感與GIS方法的考古研究有所發(fā)展，但在東北“遼金古城”研究領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)應(yīng)用較為薄弱[6-10]。如何運(yùn)用遙感與GIS開(kāi)展東北地區(qū)“遼金古城”遺址研究，為其賦予更多空間與結(jié)構(gòu)信息，是一個(gè)值得深入探討的問(wèn)題。

本文在充分收集、整理相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，深入分析東北“遼金古城”遺址的主要遙感特征和量化方法，針對(duì)其特點(diǎn)構(gòu)建了遙感技術(shù)可提取的古城空間參數(shù)，提出“遼金古城”遙感信息提取技術(shù)和遙感影像分析方法并開(kāi)展了技術(shù)驗(yàn)證。研究成果初步反映了東北地區(qū)“遼金古城”的分布現(xiàn)狀，提供了“面積、形態(tài)、走向、空間結(jié)構(gòu)”等古城遺跡空間信息，為東北““遼金古城””遺址的調(diào)查與保護(hù)提供了專(zhuān)業(yè)的遙感技術(shù)與GIS智慧。

1 “遼金古城”的遙感特征分析

要進(jìn)行東北“遼金古城”遺址遙感信息提取研究，首先需明確城址的特點(diǎn)和遙感影像特征，為建立提取技術(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

1.1 古跡特征

東北“遼金古城”具有典型的時(shí)代特征。其整體建筑形態(tài)多呈非正南北朝向的方形、矩形，偶有特殊的圓形、橢圓形；多數(shù)古城四隅筑有角臺(tái)，城墻建有防御結(jié)構(gòu)，城址設(shè)多個(gè)城門(mén)；城墻多為夯土材質(zhì)，墻體較寬，原始城墻上部可提供巡邏場(chǎng)地；古城內(nèi)部除居民區(qū)、辦公區(qū)外，部分還建有軍火庫(kù)、炮臺(tái)等軍事設(shè)施（見(jiàn)圖1）?！斑|金古城”大多距今已有1000多年的歷史，又因土質(zhì)建筑材料的限制，易受人為或自然因素的影響而遭到破壞?，F(xiàn)存古城遺址多單獨(dú)出現(xiàn)，主要?dú)埩魹楣懦菈?、角臺(tái)、宮殿臺(tái)基等（見(jiàn)圖2）；另有一小部分是雙生結(jié)構(gòu)：兩座同等級(jí)的古城伴生出現(xiàn)、互為防守，或大型城址周邊有小型附屬城址。

圖1 土城子城址平面圖

圖2 典型遼金古城遺址細(xì)節(jié)圖

1.2 遙感特征

根據(jù)《中國(guó)東北地區(qū)遼金元城址的考古學(xué)研究》中對(duì)古城的考察成果，實(shí)驗(yàn)收集與整理了200余處遺址記錄并獲取對(duì)應(yīng)古城的遙感圖像，從遺址形狀、大小、色調(diào)、顏色、位置、紋理、陰影等方面，分析它們的遙感特征，其主要表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)。

從形狀和大小上看：遺址多為方形，偶有橢圓形等其他不規(guī)則形狀；一般長(zhǎng)150-500m、寬100-400m、周長(zhǎng)500-2500m，面積多在10000-200000m2。從色調(diào)上看：遺址內(nèi)部色調(diào)在夏天一般較公路與居民地深；有雪覆蓋時(shí)遺址城墻陰影處色調(diào)明顯較深。從顏色上看：部分遺址城墻上草被與樹(shù)木生長(zhǎng)茂盛，保護(hù)情況良好，因而遺址邊界處影像符合植被顏色變化規(guī)律；部分遺址城墻上缺少植被覆蓋，因而影像顏色具有不確定性。從紋理上看：近十年多時(shí)相遙感影像中，遺址內(nèi)部紋理多與周?chē)叵嗤簧贁?shù)遺址內(nèi)建有房屋，符合現(xiàn)代居民地紋理特征。從空間位置上看：遺址多在現(xiàn)代村落周?chē)?-1.5km范圍內(nèi)，少部分在山上或緊鄰水源地附近（見(jiàn)圖3）。

圖3 典型“遼金古城”的遙感特征

2 遙感信息提取方法

2.1 技術(shù)路線

通過(guò)前述分析，可構(gòu)建“遼金古城”遙感信息提取技術(shù)流程，具體分為資料收集、圖像處理、解譯標(biāo)志建立等數(shù)個(gè)核心步驟。

首先收集東北地區(qū)“遼金古城”相關(guān)文字資料，依據(jù)資料中的描述選擇數(shù)據(jù)源進(jìn)行遙感影像查找與收集；而后對(duì)收集到的遙感影像進(jìn)行圖像校正、圖像增強(qiáng)等數(shù)據(jù)處理，依據(jù)影像特征建立解譯指標(biāo)；最后通過(guò)遙感影像提取東北“遼金古城”各類(lèi)形態(tài)、結(jié)構(gòu)信息，并提出“遼金古城”遙感分析方法（見(jiàn)圖4）。

圖4 遙感信息提取技術(shù)路線圖

2.2 技術(shù)方法

2.2.1 資料收集與遙感數(shù)據(jù)源選擇

通過(guò)對(duì)古城特征的分析可知，要想準(zhǔn)確識(shí)別古城遺址，在對(duì)其分布和特點(diǎn)有科學(xué)認(rèn)識(shí)的前提下，要選取合適的遙感影像開(kāi)展信息提取。遙感數(shù)據(jù)源的選擇，要考慮傳感器類(lèi)型、空間分辨率、數(shù)據(jù)時(shí)相等綜合因素。古城遺址總體構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，普通的可見(jiàn)光遙感影像即可滿足探測(cè)需求。由于古城邊長(zhǎng)多在100-500m，城墻寬度在2-7m，因此要對(duì)古城城墻寬度、內(nèi)部情況及其他相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別，遙感影像分辨率以優(yōu)于2.5m為宜，若提高到亞米級(jí)效果更佳（見(jiàn)圖5）。而由于歷史久遠(yuǎn)，有些遺址邊界不夠清晰，同時(shí)由于現(xiàn)代建筑、植被覆蓋等因素會(huì)在不同季節(jié)對(duì)遙感影像中遺址整體形態(tài)產(chǎn)生不同的影響，因此需要借助多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)獲取更為精準(zhǔn)的現(xiàn)代建筑、植被覆蓋、古城遺址邊界等地物信息（見(jiàn)圖6）。

圖5 同一古城不同分辨率遙感影像對(duì)比

圖6 多時(shí)相遙感影像中的古城

2.2.2 圖像處理

在圖像查找與獲取的過(guò)程中，需保證其空間位置的準(zhǔn)確性和影像形變的消減。因此，首先要完成遙感圖像的坐標(biāo)系建立和投影變換、圖像校正。計(jì)算周長(zhǎng)、面積等幾何參數(shù)時(shí)，要將數(shù)據(jù)投影至直角坐標(biāo)系，對(duì)于無(wú)坐標(biāo)遙感影像要進(jìn)行幾何校正，使其符合上述要求。

古城信息提取的主要任務(wù)是范圍圈定和內(nèi)部要素提取，因此要保證邊界清晰、內(nèi)部要素對(duì)比度高、易于識(shí)別。在此要求下需針對(duì)偏暗的原始遙感影像進(jìn)行“對(duì)比度增強(qiáng)”和“亮度調(diào)節(jié)”（見(jiàn)圖7），有時(shí)還要進(jìn)行邊緣增強(qiáng)處理。為反映古城遺址所在地的植被發(fā)育情況，要盡量選擇對(duì)植被反射率高的波段參與組合。

圖7 典型城址對(duì)比度增強(qiáng)效果圖

2.3 解譯標(biāo)志建立

綜合分析古城遙感影像，首先可以從形狀、大小、色調(diào)、顏色、位置、紋理等方面出發(fā)，同時(shí)細(xì)化城門(mén)、臺(tái)基等內(nèi)部要素，提取典型古城的遙感特征。依此形成古城遙感解譯標(biāo)志，為東北“遼金古城”的圈定提供特征支持，為其遙感解譯、圖像分類(lèi)等工作奠定理論基礎(chǔ)。

2.4 信息提取

信息提取的要素包括：中心位置、城門(mén)位置、古城邊界、古城結(jié)構(gòu)參數(shù)、現(xiàn)代挖掘處、內(nèi)部土利用類(lèi)型等，可以采用ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行人機(jī)交互解譯（部分自動(dòng)分類(lèi)方法），數(shù)字化指標(biāo)可以通過(guò)提取成果的矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。

在信息提取時(shí)要注意以下問(wèn)題：（1）遙感影像中要以古城墻最外側(cè)為基準(zhǔn)勾繪古城邊界，有植被干擾時(shí)優(yōu)先考慮古城的幾何形態(tài)邊界。對(duì)于痕跡模糊的遺址，要以影像特征為基礎(chǔ)，通過(guò)“包絡(luò)線”方式確定邊界。城墻內(nèi)邊界勾繪方式同上。對(duì)于城內(nèi)其他的現(xiàn)代地物，則采用土地利用類(lèi)型解譯方法提取其位置與范圍。（2）確定古城位置點(diǎn)時(shí)，可通過(guò)遙感影像提取到的邊界來(lái)判斷其幾何中心；確定城門(mén)位置時(shí)，可根據(jù)歷史記錄參考古城形態(tài)綜合提取古城中心線，進(jìn)而判斷與標(biāo)記城門(mén)；對(duì)于疑似現(xiàn)代人工挖掘的道路出口等位置，可對(duì)比多時(shí)相遙感影像中的地物變化狀況以及結(jié)合實(shí)地考察來(lái)確定與標(biāo)記。（3）其他反映古城形狀、結(jié)構(gòu)的周長(zhǎng)、面積、占地比例等參數(shù)，可以在調(diào)查成果的基礎(chǔ)上通過(guò)自動(dòng)獲取和測(cè)量解譯圖中矢量數(shù)據(jù)的方式實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 黑龍江省哈爾濱市“阿城區(qū)小城子城址”遙感特征提取

2.5 成果數(shù)據(jù)表達(dá)方法

“遼金古城”遙感影像數(shù)據(jù)、具體量化數(shù)值等綜合信息提取完成后，可以通過(guò)單個(gè)古城空間信息遙感分析圖的制作來(lái)綜合各類(lèi)調(diào)查數(shù)據(jù)，可視化表達(dá)各古城遺址整體特征。

3 單個(gè)古城遙感分析方法

古城遙感調(diào)查成果的總體分析與常規(guī)GIS分析方法類(lèi)似，常用空間分圖、空間密度、分布區(qū)域統(tǒng)計(jì)等方式實(shí)現(xiàn)。然而，單個(gè)古城對(duì)于宏觀性強(qiáng)的遙感技術(shù)而言，相當(dāng)于一個(gè)微觀對(duì)象，要全面反映它的面貌，就必須從微觀尺度加以分析。因此，本文在前述工作基礎(chǔ)上，以單個(gè)古城遺址為分析對(duì)象，提出有針對(duì)性的遙感分析技術(shù)，具體思路和方法如下。

3.1 分析方法

在單個(gè)古城遺址遙感分析時(shí)，首先要基于前述流程提取古城內(nèi)外邊界、古城墻殘留形態(tài)、城門(mén)位置、古城中心線、城墻類(lèi)型、現(xiàn)代挖掘點(diǎn)、古城遺址植被發(fā)育情況等特征數(shù)據(jù)，而后利用GIS制圖技術(shù)編繪典型古城遙感分析圖。其中古城形狀可通過(guò)構(gòu)建線文件來(lái)表達(dá)；城墻位置可通過(guò)多邊形面來(lái)表達(dá)；整體形態(tài)可通過(guò)量測(cè)影像、標(biāo)記參數(shù)來(lái)表達(dá)。

分析圖（圖9）關(guān)鍵點(diǎn)如下：首先以遙感影像為底圖，輔以必要的居民地、道路等各類(lèi)地理要素。古城特征通過(guò)點(diǎn)、線、面與形狀、顏色等組合的方式體現(xiàn)——外邊界采用單獨(dú)的線要素表示（圖中為粗框線）；城墻范圍采用內(nèi)外邊界之間的面要素來(lái)表示（圖中①號(hào)區(qū)域）；內(nèi)部土地利用類(lèi)型中，不同地類(lèi)可用不同顏色表示，如現(xiàn)代耕地用暖色系不規(guī)則面要素表示（圖中③號(hào)區(qū)域）、現(xiàn)代道路用冷色系面要素表示（圖中⑤號(hào)區(qū)域）；關(guān)鍵信息采用要素標(biāo)注方法進(jìn)行標(biāo)記，例如周長(zhǎng)、面積等，其具體數(shù)值在圖例欄進(jìn)行表達(dá)；最后為地圖添加圖名、圖例、比例尺、指北針及其他注記等整飾要素。

3.2 實(shí)踐效果與分析

為實(shí)踐與證明“遙感信息提取技術(shù)路線”的有效性，實(shí)驗(yàn)在信息收集過(guò)程中共整理遺址記錄700余條，通過(guò)綜合分析和本次遙感圖像判定，在黑吉兩省范圍內(nèi)，可以提供一定地理位置范圍且有遙感痕跡的遺址暫為235處。同時(shí)，通過(guò)遙感影像判讀，又新發(fā)現(xiàn)2處可圈定范圍的古城遺址。而后實(shí)驗(yàn)在信息收集的基礎(chǔ)上完成了235座遺址的遙感邊界提取及數(shù)據(jù)庫(kù)建立工作，并對(duì)它們整體的建筑風(fēng)格、城址規(guī)模及周長(zhǎng)、面積等參數(shù)的總體水平加以分析。

此外，為了驗(yàn)證“單個(gè)古城遙感分析方法”的可行性，本文選擇吉林省琿春市“裴優(yōu)城遺址”作為典型遺址，依據(jù)上述古城遙感分析方法對(duì)裴優(yōu)城進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。主要提取要素包括古城內(nèi)外邊界、中心點(diǎn)、城門(mén)、植被發(fā)育情況等，同時(shí)利用Argis平臺(tái)解譯其內(nèi)部“居民地”、“現(xiàn)代耕地”等土地利用類(lèi)型，自動(dòng)量測(cè)古城周長(zhǎng)、面積等各類(lèi)數(shù)字化信息，并編制遙感分析圖，全面反映遺址的整體量化數(shù)據(jù)與土地利用特征（見(jiàn)圖9）。

圖9 “琿春市裴優(yōu)城遺址”遙感分析圖

通過(guò)遙感技術(shù)可以較全面地提取古城遺址的分布位置、整體形態(tài)、幾何參數(shù)等特征信息，并整合為遙感分析圖以反映古城當(dāng)前面貌。綜上所述，通過(guò)本文的研究與實(shí)踐證明，此次提出的古城信息提取技術(shù)與古城遙感分析方法具有較強(qiáng)的可行性與實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文在充分收集東北“遼金古城”信息的基礎(chǔ)上，以有明確記錄的古城為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其特征的分析，提出了“遼金古城”遺址遙感信息提取內(nèi)容和技術(shù)方法，并通過(guò)遙感影像明確其空間分布位置和邊界范圍，最后以典型古城遺址為例開(kāi)展了遙感分析方法研究。上述實(shí)驗(yàn)探討了遙感與GIS技術(shù)在東北“遼金古城”探測(cè)與保護(hù)中的應(yīng)用問(wèn)題，使得我們可以從遙感角度加深對(duì)“遼金古城”的了解。通過(guò)本文研究取得如下認(rèn)識(shí)：

（1）從遙感與GIS視角出發(fā)開(kāi)展古城遺址研究，應(yīng)在收集相關(guān)歷史信息的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注其建筑特征和空間形態(tài)，而后可利用遙感技術(shù)進(jìn)一步獲取其形狀、規(guī)模、結(jié)構(gòu)、保護(hù)狀態(tài)等信息，較客觀地補(bǔ)充反映古城遺址現(xiàn)狀。

（2）開(kāi)展古城信息提取時(shí)要選擇多時(shí)相、高分辨率遙感影像，最好優(yōu)于亞米級(jí)。同時(shí)要通過(guò)各類(lèi)圖像增強(qiáng)技術(shù)突出古城殘存遺址的現(xiàn)狀，再基于形態(tài)、結(jié)構(gòu)、植被類(lèi)型等解譯標(biāo)志提取古城位置、類(lèi)型等信息。

（3）在古城遺址影像可解譯程度較高的情況下，采用遙感技術(shù)可以提取古城內(nèi)外邊界、古城墻殘留形態(tài)、古城門(mén)、古城中心線、現(xiàn)代挖掘點(diǎn)、城墻類(lèi)型、古城遺址植被發(fā)育情況等數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的綜合分析，可以較全面地反映古城遺址的現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)和保存情況，對(duì)于古城的保護(hù)與開(kāi)發(fā)具有指示性意義。