基于高分衛星遙感技術的河北省長城文化遺產動態監測與數據庫建設

暴耀東

河北省文物與古建筑保護研究院 河北石家莊 050051

一、項目背景和意義

(一)豐富的資源量

河北長城現存規模大、分布范圍廣，總長度達2668.41千米，位居全國第二，其中明長城(河北段)長度達1338.625千米，是明代磚體長城中保存最好的。國家文物局確定的第一批83段/處國家級長城重要點段名單中，河北明長城有18段/處入選，占總數的22%。

(二)當前長城保護面臨的一些現實性問題

一是保護管理力量薄弱。當前基層文物管理部門普遍存在機構不健全、人員力量不足等困難。二是規模巨大，現存狀況復雜。長城不再發揮原有功能，維修加固工作處于停滯狀態，長期的自然侵蝕及災害和歷史上周邊居民生產生活的破壞，造成了許多地段出現隱患。三是人為原因。一些地區在保護范圍和建設控制地帶內存在不正確行為，還沒有從根本上得到治理。四是無序旅游形成管理壓力。隨著民眾對原生態旅游訴求的不斷提高，前往偏遠、未開發的長城點段游覽、探險的熱潮持續高漲，給保護帶來壓力。

(三)開展的意義

結合河北長城文物資源實際和工作實踐，借助高分辨率遙感衛星對長城線性文化遺產進行監測，采用北斗導航終端，配合實地現場巡察，即“天上看、地上查”的監管模式，對長城兩線范圍內保存狀況進行有效監管。推動文物資源有效保護和合理利用，推動文物安全保護與現代科技融合創新，改變傳統靠人力防范、低效巡查監管的舊模式，提升文物安全監測效能，健全文物違法預警機制，實現周期性監測數據成果積累。

二、動態監測范圍

本次遙感監測工作內容主要針對長城2448處長城本體及其兩線范圍內地物變化情況進行監測，涉及河北省秦皇島市、唐山市、承德市及張家口市四個地市中的9個區縣，共計2448個文物點，按所屬行政區劃劃分：秦皇島1209處，唐山844處，承德77處，張家口318處；按所屬類型劃分：單體建筑1785處，相關遺存70處，長城關堡104處，長城墻體489處。具體如下表所示：

監測區長城遺址文物本體匯總表

如圖1所示，監測涉及本體種類達20余個，包括敵臺、馬面、烽火臺、擋馬墻、其他遺址遺存、攔馬溝、采石場、石刻、營址、方城、基址、壕溝、居住址、關堡、山險、山險墻、石墻、磚墻等，其中敵臺占比較高，然后依次為馬面、烽火臺，單體建筑、墻體及文物兩線范圍為此次本體監測的重點。

圖1 長城本體監測類別統計圖

三、遙感影像數據的采集

基于高分辨率衛星遙感技術，結合長城資源調查參考資料，采集選定區域的歷史、當前兩個時間段衛星遙感影像，根據文物點在影像上的顏色、色調、大小、形狀、紋理、結構、高度、陰影、組合構型等信息，實現在影像上拾取文物點，勾繪出文物外形結構，通過兩期影像上比對，提取出文物本體變化情況。

(1)對于長城墻體重要史跡等線性不可移動文物，提取出建筑外形建造結構的中心線，通過矢量圖形表示；

(2)對于關、堡等范圍性的不可移動文物，先確定四至范圍，然后通過變化分析，在四至范圍內除了提取范圍內登記資料的建筑文物本體變化信息外，還要提取范圍內新增、消失、改建的地物本體；

(3)對于烽火臺、刻石等豎直不可移動文物，能夠提取文物本體變化信息的，在影像進行提取，不能直接提取出的，用點在影像上表示，實現點位精準落圖。

四、遙感影像數據的處理

針對前后兩期衛星遙感影像，通過數據整理與分析、空三加密、影像配準、融合、正射糾正、影像增強、勻色鑲嵌等，并做好每一環節的質量控制，消除幾何誤差和云霧覆蓋等干擾因素，改善影像的解譯環境，從而得到質量、精度都符合文物變化監測的標準遙感影像。

在GIS系統支持下，以歷史影像為基底開展文物定位，結合文物對應的長城資源調查、三普信息，首先通過經緯度坐標進行模糊定位，然后分析調查登記信息描述，根據建立的地類特征解譯標志，判斷其文物類型、建筑形態以及周邊地物樣貌等信息在遙感影像圖上進行地物選取，繪制文物邊界，采用計算機自動識別和人機交互圖像解譯方法，按照規則對變化的面狀地物、線狀地物和文物本體進行解譯和屏幕數字化，繪制文物邊界，從而形成基于衛星影像的文物圖斑。

通過內業變化監測工作可形成監測區域內文物消失情況、文物疑似變化情況以及文物未變化情況。按照內業對文物現狀解譯的成果，將經內業解譯后的文物分為未變化類、疑似變化類、消失類、目視無法判斷類。

(一)變化信息發現

通過計算機算法的自動識別、波段運算等方法發現變化信息，標繪變化地物大致范圍，常用閾值法、差值法、過濾法三種方法。

(二)變化信息提取

變化信息提取時，在該信息導引下，按實際像元大小逐屏幕交替閃爍兩個時相的影像，逐個地塊逐個地物目視比較。根據影像的顏色、色調、大小、形狀、紋理、結構、高度、陰影、組合構型和所處的地理位置等信息，判讀解譯變化，一方面剔除特征變異圖斑中的偽變化圖斑，另一方面發現遺漏的變化圖斑，發現變化后放大1.5～2倍勾繪圖斑邊界，變化信息圖斑如圖2所示。

圖2 變化信息示意圖斑

(三)成果整理

變化信息提取完成后，對提取結果按變化類型進行歸類，建立內業解譯分類統計表及對應的分類圖斑統計文檔。

五、遙感影像變化圖斑的實地核查

針對內業解譯的消失、疑似變化、目視無法判讀類文物點進行實地核查。現場巡查底圖包括數字巡查底圖和紙質巡查底圖兩種產品模式。以近期影像為基底，疊加內業解譯分類長城點位、圖斑、名稱及編號形成影像+矢量數據的核查底圖，打印出紙質地圖，供現場核查人員參考，將現場修正的長城點位在圖上進行標注，作為內業修正的參考底圖，如圖3所示。

圖3 外業核查底圖

六、數據庫的建設與應用

長城文物監測成果數據庫管理系統通過對監測區域影像、文物統計資料等進行信息錄入、上傳和存檔入庫，實現對長城監測成果、違法信息數據成果的數字化管理和維護，用戶可以根據入庫元數據和目錄進行文物查詢、瀏覽、資源下載及信息共享等，系統繼續支持對現有以及對未來數據擴充承載。通過數據庫管理系統的建設，實現長城文物的瀏覽、查詢、統計分析以及直觀展示和建筑控制地帶范圍內的地物現狀查詢顯示。

圖4 數據庫管理系統功能組成圖

七、思考與建議

一是探索實現長城資源數據更新。對長城文化遺產重要點段進行動態變化監測與分析，在既有文物資源數據基礎上，形成新的數據庫資源。

二是通過不斷完善長城文物監測管理系統，為文物執法部門提供科學可靠的依據，逐步探索形成一套技術方法體系推廣應用，彌補保護隊伍人員不足等現實問題。

三是探索實現動態變化監測。運用高分衛星、無人機每年進行影像采集，補充數據庫信息，實現長城文化遺產的動態監測和預警，提高保護預警及科學決策能力。