基于多源高分辨率數據的遺址空間考古精細識別研究

【摘 要】隨著人類對考古遺址的認識不斷加深，空間考古的應用也越來越廣泛。空間考古中重要元素的識別是確保發掘項目質量及安全性的前提。因此，研究方法和數據對遺址探測和發掘等具有重要意義。在考古學中，遺址位置測量是必不可少的環節。遺址所處位置不僅關系到遺址自身的發展軌跡和歷史進程，也是探索中國早期大型城市發展體系的重要依據之一。因此，研究方法以不同時間尺度開展考古遺址空間定位研究具有重要意義。中國科學院空天信息創新研究院（原中國科學院遙感與數字地球研究所）長期致力于遙感數據空間使用及研究以及遙感應用于考古勘探中。在此基礎上開展考古發掘工作以獲取更多重要發掘信息和研究成果，為考古學服務于人類健康社會發展提供理論支撐和實踐參考。

【關鍵詞】多源高分辨率數據；遺址空間；考古精細識別；考古

【中圖分類號】K878；TP751 【文獻標識碼】A 【文章編號】1007—4198（2023）02

引言

我國是世界上最早使用高分辨率衛星遙感數據的國家之一。自20世紀90年代以來，高分辨率衛星遙感技術得到了快速發展。近十年來，隨著地球空間環境的不斷變化，衛星數據在世界范圍內變得更加廣泛而豐富。但是，隨著人類活動的不斷加劇，對于遺址等文物遺跡來說，空間屬性復雜多變而且多源高分辨率數據尚未被充分利用，如何通過遙感影像的精細識別功能實現對遺址進行精準定位和提取至關重要。長期以來，許多學者一直致力于在遙感影像空間屬性識別的基礎上對遺址空間屬性進行細分。然而由于不同來源數據存在著不同特征之間的差異無法得到精準識別這一問題始終沒有得到解決。因此如何利用多種技術手段來提高遺址的空間屬性識別功能及其在更多領域中的應用便顯得尤為重要。

一、遺址空間考古精細識別技術概述

隨著遙感技術在國民經濟多個領域的廣泛應用，越來越多地融入到老百姓的生活中，遙感技術也從“高大上”走入了尋常百姓家，遙感與考古也完成完美“合體”。而隨著科技、經濟和軍事發展，行業對遺跡等數據需求也不斷增加，特別是對大型遺址數據高精度數據需求的增加，地面的田野考古調查往往只見樹木、難見森林。僅憑借肉眼或簡單的工具去獲取人類活動的物質遺存信息畢竟存在局限，對于大范圍、長距離、條線式大型古代遺存，需要多角度去觀看。站得高才能看得遠。如今，遙感技術在考古活動中被廣泛使用，在技術幫助下，考古工作者可以“穿透”森林、地表甚至巖土層，探測林下、地下以及水下的遺存與分布情況。具有全局、直觀、周期性強、覆蓋范圍大的特點。隨著國際上多學科交叉融合與創新方興未艾，應發揮我國遺產大國優勢及空間技術優勢，搶占空間技術與文化遺產有機結合研究的制高點，形成中國在該領域的優勢，并利用聯合國教科文組織自然與文化遺產空間技術中心設在我國的條件，為國際該領域發展作出獨特的貢獻[1]。例如利用地面影像的提取功能已將遙感影像和地面影像緊密結合在一起。例如在野外調查中可以利用地面影像來提取出地上建筑物以及地面地貌物。本文基于多源高分辨率數據的遙感影像空間屬性識別這一研究方向，利用不同來源的資源數據來獲取更多的高分辨率地圖特征信息，從而使得遙感影像空間屬性識別功能更加高效和精確。

二、遺址空間考古精細識別技術研究現狀

（一）理論框架與應用機制

考古遺址空間劃分技術，可以分為兩類：一類是劃分法，另一類是聚落學劃分方法。劃分法中的“聚落”是指對一種或多種聚落進行定位并加以確定的空間劃分。“聚落”則是根據聚落所處的地理位置和環境條件，確定聚落的分布范圍，并對聚落進行空間管理和保護的方法 。聚落劃分法是利用聚落周邊區域的地理位置和地形特征對聚落進行命名和劃分的方法。聚落的命名與它所處地理位置有關：聚落作為一個整體存在于一個區域之中而不是只具有一個名稱；聚落的具體名稱與其所在地理位置有關；聚落的規模與其所在地區具有較強的關聯性；聚落內存在許多建筑物、墓葬、水井等附屬設施[2] 。聚落學劃分法在聚落內部存在大量堆積形式相近而又具有多種性質的遺存或遺跡之間存在多種組合形式，而這種組合形式又可能會相互影響和改變其原有性質。聚落類型包括山嶺聚落、平原聚落和山地聚落等類型 。

在遺址空間定位方法中應用最廣泛的方法為高程定位法、區域定位法及空間定位法三種方法的結合。高程定位法具有定位精度高優勢，且能夠有效減少干擾和誤差；區域定位法適用于大量遺址，能夠為遺址空間定位提供大量數據支持；時空定位法通過多種不同方法構建遺址三維模型并進行對比分析。高程定位法需要耗費大量人力物力，且目前這一技術尚處于研究階段；區域定位法具有較為明顯的區域局限性且需要大量人工干預；區域定位法存在一定安全隱患。區域定位法在遺址空間定位方面尚處于初步應用階段，區域定位方法主要是通過分析各個遺址區內遺跡種類以及空間位置等特征對遺跡空間定位進行確定 。高程定位法具有較為顯著的區域局限性，難以用于準確辨識出遺址區域內存在的遺跡類型以及數量、分布情況；區域定位法雖然可以對遺跡空間定位進行支持 ，但無法滿足遺址空間定位工作的需要；時空定位法使用簡單 ，但在遺址定位中會存在較大誤差[3] 。基于以上特點可以看出遺址空間定位方法研究現狀：遺址分類與位置精度分析需要融合多種技術手段進行識別以及空間分區；遺產類型空間定位需要基于多種技術手段進行空間分區和多尺度區分；遺址空間分布與遺址定位要求相結合進行功能分區；遺址空間定位方法尚不能滿足需要等。

遺址空間考古的重點工作包括研究遺址在空間上的位置關系、遺跡的形成過程以及遺跡之間的相互關系。目前遺址空間勘探主要集中在兩個方面：一是對遺跡進行識別和研究，如對陶器上、下兩層遺跡上遺留的紅褐色斑進行識別；二是對遺跡之間形成的溝槽進行識別，如在遺跡上鋪有紅褐色砂土等。考古工作中遺址識別主要是對遺跡之間形成的溝槽進行識別。例如：在陜西大荔縣沙溝寨鎮西王母村南半部山坡上發現了一處西周時期文化層（1—2層）遺跡。遺跡表面殘存泥質粉砂巖及紅砂巖層。同時發現保存較為完整的一段石砌臺基；臺身殘破部分形成一條山脊 [4]。

（二）遺址空間識別方法

時空法是以地表的觀測數據和地理信息數據為基礎，通過將區域內的空間分割、區域分析和建模等方法提取出各類空間符號。影像圖識別是以各種影像信息為基礎、綜合運用影像技術和計算機技術確定空間區域范圍的方法，通過對區域的空間信息進行表征從而實現識別的過程。目前我國學者多以傳統遙感為主要工具來實現對大（城址）遺址空間信息的識別分析。這類技術對于大規格遺址（含城址）的區分與分析具有重要作用。

1.地表觀測

遺址地表是指以土地、植物為基礎的地表環境，它與周圍的自然環境相對應。隨著科學技術的發展、人民生活水平的提高，利用地表資源（如巖石和土壤）來開展遺址空間環境的研究已經成為研究我國大（城址）遺址空間結構的關鍵和基礎，并為人們深入研究大（城址）遺址地表空間活動提供了可靠的數據來源。基于地表觀測技術對大（城址）遺址空間分布情況進行識別具有重要意義[5]。

2.區域分析

區域分析就是根據影像中與遺址有關的空間符號來劃分遺址區域。其實質是通過不同的影像手段對遺跡區域中的空間符號進行提取分析。區域分析的主要方法有兩種：第一種是利用空間比例原理，根據大遺址和小遺址兩者的空間分布特點，結合影像特征來判別小遺址和大遺址（如城址）之間的空間位置關系；第二種是通過空間分析結合影像特征，將影像和大（城址）的不同特征提取到適當的范圍內予以識別。張雪梅等采用了兩種方法對河北大都城遺址和大秦關中城市遺址進行了分析：一是將具有相似特征的小遺址分類到同一區域內；二是根據遺址的范圍大小采取不同的分類標準，以小遺址劃分出大遺址范圍。該方法對于大規格遺址（含城址）具有一定普適性甚至適用性。

三、基于多源高分辨率數據的遺址空間考古精細識別實例分析

（一）研究區域與研究方法

北京房山位于北京市東部，緊鄰著海河流域、京西平原和華北平原。是華北地區第一大平原。北京房山文化遺址群位于房山南部山區房山地區，處于古長城的中段和西安城墻的北端。該文化中有多處具有歷史意義的重要古城遺址，如山東陽谷城址、鄭州商城遺址、洛陽龍門遺址等。房山文化遺址群（又稱房山城址）位于房山地區東北部山前丘陵地帶，屬于新石器時代中期文化遺存，是目前我國發現最早、規模最大、延續時間最長的新石器時代中期城址文化。該地區也是華北地區唯一一處新石器時代中期古城遺址，該遺址主要分布在房山一帶。在該考古學地區開展過多次考古工作和研究，但多為零星發掘活動，主要涉及遺址分布情況以及可能的考古學文化因素等方面，缺乏深入研究和發掘成果信息搜集與反饋工作。因此，本研究將利用衛星遙感、手持 GPS定位等多種手段進行三維影像的采集、處理、分析和報告工作。通過將遙感圖像和遙感影像中包含的文化元素進行聯合定位和分析，進而獲得相關遺址信息和古環境信息用于發掘研究或考古工作數據獲取及更新、結果評價與分析等研究工作中。

（二）研究數據來源及方法

數據源：遙感數據集主要包括遙感影像、高光譜數據、地理信息系統（GIS）數據、遙感數據和其它相關數據集等。其中，高光譜數據是指獲取近紅外光圖像并對其進行放大、縮小、降噪處理后獲得原始光度圖像。傾斜數據包括衛星傾斜和地球曲率等，主要用于研究地表沉降、地表植被分布等內容，同時也可用于定位。高光譜數據通常采用多光譜融合方法，主要用于獲取近紅外光波段在一定波長范圍內的光譜波段數據，以及獲取太陽輻射光譜波段的光譜特性和頻率信息。在高光譜數據中，波長越長，信噪比越低，波段越短，信噪比越高，則信噪比越高。高光譜數據采用多光譜模型進行研究，通常采用指數矩陣進行模型訓練，將多光譜模型訓練完成后再利用指數矩陣模型訓練完成模型驗證，最后再利用指數矩陣模型進行優化求解與驗證來優化模型的性能與精度。研究方法：依據高分辨率遙感影像對歷史考古遺址提取和精細識別數據，采用基于 RapidMap、GIS應用等方法進行處理分析與結果比對研究，具體方法如下所示：其中， KBPT數據主要用于對中國境內典型地物分布及高精度空間定位相關問題進行研究。GIS數據主要用于分析中國境內典型地物分布與空間定位問題之間的相關性差異性及其與遺址空間定位準確性的關系傳導機制及影響機制等相關問題。

四、結語

本文基于衛星、 GNSS、無人機等多種數據源，結合考古學、歷史地理和空間考古學等多種理論方法，針對不同空間遺址進行分析。以多源高分辨率衛星遙感數據為基礎，結合考古研究工作中存在的問題，提出一種新的多源空間考古定位研究方法——Rapid—Automated Mapping，并以此為基礎通過分析不同時間尺度下考古遺址分布狀況，構建了系統分析方法。通過該方法可以有效提高空間考古定位精度，實現對遺址的精細化識別，提高了空間考古學研究工作水平，為考古學科學研究提供了技術支撐和實踐參考。本文主要針對發掘工作實踐中常出現較少關注考古因素并造成定位精度不高的情況進行了研究。然而，研究結果顯示隨著時間增長，考古因素對定位精度影響逐漸變大，對未來考古工作產生一定影響。因此，在開展考古工作時需多角度分析考古學因素對于定標精度的影響，并在工作過程中加強對考古因素的關注和研究力度和技術創新力度。最后對此提出幾點建議：（1）目前對考古元素進行定性識別是利用專業衛星遙感數據分析獲取元素定標精度較高但精度不高問題，需要不斷提高技術水平和工作質量。（2）進一步加強無人機遙感監測技術在考古領域的應用。

參考文獻：

[1]舒慧勤，方俊永，魯鵬，等.基于多源高分辨率數據的遺址空間考古精細識別研究[J].國土資源遙感，2021（2）.

[2]張夢迪.國家考古遺址公園空間分布特征研究[J].美與時代·城市，2019（2）.

[3]陳世文.基于現象學理論的國家考古遺址公園展示空間設計研究[D].荊州：長江大學，2019.

[4]張毅，邱建，賈玲利.金沙國家考古遺址公園開敞空間利用研究[J].西南大學學報（自然科學版），2016（9）.

[5]劉文卿，劉大平.景觀考古學視野下的聚落空間組織信息闡釋——以三江平原漢魏聚落遺址為例[J].建筑學報，2019（11）.

作者簡介：羅勝（1988—），男，漢族，四川人，研究生，副研究員，研究方向為科技考古。