中华文明探源研究中遥感技术方法与应用

第1章 中华文明探源工程与空间信息技术 夏鼐先生在《中国文明的起源》一书中明确指出，未来考古学的综合研究需要立足于大量的可靠资料，并突出强调了要紧密结合及应用自然科学方法的重要性(夏鼐，1985)。1996年启动的夏商周断代工程，在中国**次开创了多学科综合研究社会人文问题的模式，从方法论上为研究文明的起源做了准备。从2001年开始，国家文物局组织众多科研单位开展了“中华文明探源工程”这一宏伟的研究计划，综合了自然学科与社会学科的力量，对中华文明起源与早期发展进行多层次、多学科的研究。这一工程的实施目标在于研究中华文明的起源、发展以及其背后的环境和演变过程，不仅对研究我国的历史文明具有重要意义，而且对于研究世界文明遗迹文化传播和多样性问题同样具有不可替代的作用。中华文明探源工程旨在基于中华文明“多元一体”的认识，运用多学科结合的方法对考古学的研究进行细化与实证，并多角度、多层次、全方位地研究文明起源的重点区域。经过十多年的努力，考古学家可以得出一个基本的结论，在距今5000年前后，中国已经出现了比较发达的文化形式，而且各个区域文化的上层社会之间也出现了广泛的交流。这一阶段的古文化虽然各有特色，但却呈现出很多共同点，中华文明开始从多元走向一体。在中华文明探源工程中，以遥感技术(RS)和地理信息系统(GIS)为代表的空间信息技术具有快速、无损获取大量数据并进行分析、管理和展示的能力，契合了考古研究向更大范围扩展的趋势，因而发挥了显著作用。 1.1 中华文明探源工程 中华民族上下5000年，为我们留下了独一无二的文化遗产，它们是中华文明发展的见证。根据第十二届全国人民代表大会常务委员会第三十一次会议《国务院关于文化遗产工作情况的报告》，我国目前拥有不可移动文物76万余处。截至2019年7月，我国拥有55项《世界遗产名录》项目(包括自然遗产14项、文化遗产37项、双重遗产4项，其中含跨国项目1项)，提升了我国文化遗产的知名度，扩大了中国文化的国际影响力和民族凝聚力。但由于文化遗产数量众多、分布广泛，而经济社会的快速发展给文化遗产带来了很大的扰动，加上文化遗产保护立法执法的困难，保护难度较大。 “夏商周断代工程”之后，为了继续探索中华文明起源，国家文物局作为组织单位启动了“中华文明探源工程”，这是综合多学科开展中国历史与古代文化研究的国家科技支撑计划项目(王巍，2010)。项目紧密结合时代发展特征，把握历史文化脉络，综合利用高新技术与传统考古技术来探索中华文明的起源。 中国文化遗产资源丰富，作为一个典型的农业国家，目前仍有大量遗址被埋藏在农田或现代建筑等地表之下尚未被发现，加之文化遗产面临的自然、人为等多种破坏，例如地震、火灾、战争、盗墓、旅游开发、城镇化发展等都不同程度地对古建筑、古遗址的本体和周边环境构成了威胁。在目前的形势下，如何保障经济发展，同时充分保护和有效利用这些不可替代的文化遗产，一直是考古研究的热点问题。空间信息技术在考古应用中的显著作用已经逐渐得到认可，各考古部门普遍都在应用遥感技术和地理信息系统。然而，如何利用好海量的遥感数据，充分发挥地理信息系统的空间分析能力实现遗址的探测、研究、保护和管理是个值得深入探讨的问题。 遥感考古研究的发展与我国文化遗产保护理念息息相关。从20世纪70年代的文物保护，到2000年中国文化遗产保护与城市发展《北京共识》提出的文化遗产的综合保护与管理，再到2005年《国务院关于加强文化遗产保护的通知》(国发〔2005〕42号)提出要全面有效地保护我国的文化遗产。自此以后，我国文化遗产保护进入整体性保护，不仅包括文化遗产本体，还涵盖了周边环境，因此对空间探测技术的需求和要求也逐步提高，同时也促进了中国遥感考古的发展，但是真正适合中国文化遗产现状的遥感考古综合研究还有待完善。依据国家文物局的资料统计，目前国内考古工作中抢救性发掘差不多占到全部考古工作量的80%。以2013年度全国十大考古新发现为例，其中有七成为抢救性发掘。鉴于文化遗产的不可再生性，我们必须加以合理的保护传承与开发利用，摸清文化遗产的家底，从我国文化遗产保护的现状、技术的应用与发展需求考虑，在中华大地开展科技考古，条件得天独厚，特别是利用空间信息技术开展文化遗产综合研究工作是十分必要的。 近年来，空间信息技术在考古研究与遗址探测中的应用程度和认可度都得到了很大提升，尤其是遥感技术宏观、动态、实时的特性，将遗址保护研究从单个遗址提升到景观范畴，可以对文化遗产进行全天时、全天候的监测，提升保护与管理水平，从宏观的角度去理解和研究5000年中华文明。 1.2 空间信息技术的发展 20世纪以来，遥感技术的迅速发展，使其在军事、农业、环境、资源开发等方面广泛应用，包括军事侦察与测绘、气象观测与预警、土地利用的监测与规划、海洋测量与监视、灾害监测与预警、资源普查与探测、环境污染监测、农作物监测与产量评估、森林与牧场监测等方面。通过遥感技术可以获取肉眼无法观察到的多波段、全天候、俯瞰角度下的实时空间影像，并进行保存留档。这些影像通过辐射定标与校正、几何畸形校正和地形阴影校正等预处理，经过计算、分类和统计等分析可以获取所需信息，并应用于各个领域的学术研究与工程项目中。近年来，遥感技术的研究主要在于空间分辨率的提高、光谱波段的扩展以及向全时域、多时相等方向发展，通过研究先进的遥感传感器和传输设备、增强遥感系统的抗干扰能力以获取全天候、实时、多光谱、高光谱、高空间分辨率的遥感影像，并进行综合的遥感信息处理分析以获取所需的空间信息。 在考古研究中利用遥感数据，不仅可以通过俯瞰角度获取全局、实时的遗址空间信息，包括土地利用与分类、地形地貌、地表植被覆盖、地表温度与湿度和遗址空间测量测绘等信息，还可以通过多幅影像计算的衍生影像获取相关的指数、变化信息。例如，对不同时间、不同波段的影像进行计算，可获取植被指数、土壤指数、水体指数等信息，进而提取相同年份、不同物候期的特征变化，或者不同年份、相同物候期的特征变化。这些信息可以给田野考古活动提供大量全方位、系统的信息。 遥感考古的主要应用是利用遥感数据探测由于地下埋藏的古遗址、遗迹所引起的地表植被、土壤的异常标志，再经过田野考古调查与发掘，发现古代人类的行为活动所留下的遗迹和遗物。由于大量遗址埋藏在耕地表土之下，经历了岁月变迁，形成了与周围自然土壤的水分、密度、构成材料与结构不同的特征体。而埋藏在浅地表的特征体，则会影响植被作物的生长，产生抑制作用或者促进作用，进而生成与其周边植被不同的生长状态，即植被作物的异常标志。遥感考古调查应用遥感影像对这些异常标志进行分析、识别与追踪，为田野考古提供可靠有效的地表及地下埋藏信息。 遥感考古是自然科学和技术科学中的遥感科学、地学与社会科学中的考古学有机结合的产物。遥感考古一个显著的特点就是可以在很短的时间内，投入较少的人力，在很大面积地区开展文物普查或考古专项调查。在相同范围内，用遥感考古的方法在人力和效率上要比传统的踏查方法提高几十倍甚至上百倍。遥感考古所包含的理论和方法很多，主要包括遥感观测、数字图像处理、GIS分析、地球物理勘探、数据库建设、虚拟现实、地图测绘等一系列技术手段，同时需要结合文献研究与考古调查、发掘等。简而言之，遥感考古是利用遥感技术对古代遗迹、遗物进行探测、监测、保护规划、信息管理等工作(图1-1)。　　 图1-1 遥感考古技术路线及工作流程　　 遥感考古能够全面、立体、快速地获取探明地上和埋藏在地下的遗迹现象。遥感技术和传统考古的整合，在现代考古中发挥着十分明显的作用，越来越受到考古工作者的重视，逐渐成为考古研究的新领域。通过研究近几十年来遥感考古发展的情况，用于考古的遥感技术主要有以下几种。 1. 航空摄影考古 航空摄影考古是采用多种形式在不同时间、从不同角度在空中对地面进行摄影，利用地貌形态、地物阴影、霜雪、植被及土壤湿度等多种因素在遗址地区形成的不同标志，解释地面或地下遗迹的特征。由于视野广阔，很容易把在地面上很难发现或杂乱无章的现象，概括出一个有规律的整体。航空摄影考古是考古学家*常用和*简便的遥感考古方法之一。航空摄影考古在欧洲国家开展较早，已有近一个世纪的时间。我国的起步较晚，20世纪50年代，与苏联合作开展了航空摄影考古工作；70～80年代又用卫星图像寻找北京平原上的古城和长城遗址以及三峡大坝库区的古遗址等。1994年，国家文物局、中国历史博物馆与德国波鸿鲁尔大学史前史专业签订了在中国开展遥感与航空摄影考古合作意向书。1996年，文化部、国家文物局将发展遥感与航空摄影考古列入“中国文博事业九五发展规划和2010年远景目标”中，并将“在中国启动航空摄影考古”的工作列为文化部1996年工作重点，并在中国历史博物馆成立了中国航空考古工作小组，1997年成立了“遥感与航空摄影考古中心”。在吸收国外先进的理论和观点的同时，我国的考古学者和遥感专业技术人员几乎不约而同地发现了卫星像片、航空像片中蕴藏了丰富的文物考古内容，也做了许多有益的尝试，并取得了可喜的成果(图1-2)。　　 图1-2 历史航空像片的遥感考古应用—鹿邑城址遗迹 2. 卫星遥感考古 利用遥感影像上地物特定的光谱特征，通过对土壤湿度、盐度及沉积物组成成分等信息的分析，可以很清楚地解译遗迹的形成与变迁、消亡等信息。遥感影像的成像尺度变化范围大，肉眼只能观测到可见光部分，而遥感则能利用紫外线、红外线、热红外、微波等全波段电磁波和高光谱来探测地物。田野考古只能在特定的时间对考古对象进行野外勘查，而遥感考古则可利用卫星长周期、多时相所获得的数据积累获取研究区的遥感数据，以及研究区域随时间变化的地形景观和古遗址的情况。在空间分辨率上，高分辨率商业卫星已经能提供和航空影像相比拟的多波段遥感图像(图1-3)。多光谱遥感图像能提供同一研究区不同谱段的遥感信息。高光谱成像仪能够在一个特定光谱范围内细分出数十至数百个波段，增强了对地物(如考古研究区地表作物的变化)的识别能力。　　 图1-3 在新疆文物普查中遥感解译到的罗布泊古城遗迹 3. 虚拟考古 作为一项基于计算机平台的数字考古新技术，虚拟考古以三维动态显示古代遗迹形态结构及其消亡、荒废的过程，从而真实地再现遗迹的面貌及环境演变的过程，反映当时的社会及环境状况。利用虚拟和数字考古技术，人们可以基于过去曾遭受破坏的某个文化遗址的历史资料，结合该地的地貌、水系、地形高程等景观特征，恢复和重建古遗址原貌，为文物保护提供一份可用计算机演示的数字档案(图1-4)。　　 图1-4 贵州遵义海龙屯古城堡遗址三维复原影像 4. 激光雷达考古 新一代激光雷达是新型机载激光扫描设备，能够穿透植被等障碍物，精确度一般可达10 m、密度2.5 m，适合雨季时期草原、森林等地区的大规模考古调查，建立数字DSM模型和DTM模型。该设备可以去除草原和森林地区的地表植被，探测保存于地表和埋藏于地下的考古遗存(图1-5、图1-6、图1-7)。　　 图1-5 激光雷达去除地表植被之一　　 图1-6 激光雷达去除地表植被之二 (引自：Chase et al.，2010) 5. 地理信息系统考古 地理信息是指表征地理系统诸要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息属于空间信息，其位置的识别是与数据联系在一起的，这是地理信息区别于其他类型信息的*显著的标志。地理信息具有区域