激光雷达遥感科技考古——发现即将消逝的人类活动的遗迹遗存*

胡庆武，王少华†，傅才武，尹开国

①武汉大学 遥感信息工程学院，武汉 430079；②武汉大学 国家文化创新研究中心，武汉 430070；③湖北海达文化遗产保护科技研究院，武汉 430074

我国拥有灿烂的历史文明，在华夏大地分布着成千上万年的古代自然和社会活动遗迹(包括大型聚落、城址、宫室、陵寝墓葬等遗址群)，为研究中国古代政治、宗教、军事、科技、工业、农业、建筑、交通、水利等提供了大量的实物素材，是研究我国古代人文学、社会学、美学和自然科学的珍贵资源，具有重要的研究和保护价值。随着全球化、信息化的迅猛发展，西方文化和价值观借机渗透，存在着民族文化传统印记淡化、人文精神失落的危险，国家与民族凝聚力受到严峻挑战。文化遗产保护不仅是维系本土文化独立性的国家战略，而且是维系民族团结、国家统一、文化自信、文化认同的基石和重要举措[1]。

近些年来，随着我国经济建设速度的加快、自然环境的变化和人为破坏，大量古代文化遗迹遗存正以不可逆的方式快速消亡，如不及时采取科学的保护措施，将会给国家和民族造成不可挽回的损失[2-3]。提前预测和加快保护这些文化遗存的任务越来越紧迫，《国家“十三五”文化遗产保护与公共文化服务科技创新规划》明确指出：“大力发展文化遗产价值认知科学与技术，在遗迹遗物探测、文物信息提取、文物价值挖掘等方面突破系列核心关键技术。”

古代人类活动留下来的遗存遗迹是人们过去生活过的地方，人类活动导致其自然形态发生变化，使其与周围纯自然的环境有所区别。虽然这些变化经过后来的人工扰乱不易察觉，但是毕竟与原来的周围环境存在差异，并通过地表水分条件、植被生长状况、土地利用状况、地貌结构的不同得以保存下来，以不同的空间模式或特征分布在地表。如何利用这些遗存遗迹与周边地形、环境、植被覆盖等的不同，进行大范围及隐蔽区域的遗存遗迹识别、调查和测绘，对于文化遗产的发现、保护、研究和利用具有重要意义。

1 遥感科技考古

遥感自诞生以来就是人们发现和认识考古遗址的重要手段。遥感考古通过从航天飞机、卫星、飞机、无人机等不同平台上运用摄影机、光谱相机、红外相机、雷达等成像设备获取考古遗址影像资料，根据遗址范围内地表现状和光谱成像规律等的相互关系，对影像的色调、纹理、图案及其时空分布规律进行研究，判定遗迹或遗址的位置、分布、形状、深度等特征，进行遗址识别和调查。与田野考古相比，遥感考古能够在许多方面弥补地面观测无法得到的大量信息，其优势主要表现为覆盖范围广、时空分辨率高、光谱分辨率高、穿透能力强，以及对考古对象的无损探测[4-6]。

遥感考古作为区域历史文化信息的探测、发现和认知的重要手段，已得到广泛应用。在遥感技术的帮助下，考古学家能够从正在消失的考古资源遗迹中提取丰富而重要的信息。早在20世纪初，航空像片就已经被考古学家所采用。英国考古学家能够发现地面上长期以来被遗弃的特征与结构、土壤构成以及植被覆盖，而这些在此前的传统地面调查中被忽略。在过去的30多年，全球考古学家利用遥感技术以便更好地了解古代景观和居住方式，遥感考古使得传统考古学的发展获得了一个全新的平台，现在已经成为国内外考古研究的重点[4-7]。挪威学者利用IKONOS 卫星拍摄的多谱段照片在挪威南部农田发现古代聚落遗迹[8]；西班牙学者利用遥感技术，并结合孢粉学、地形学，在俄罗斯奥伦堡地区发现了史前欧亚大陆规模最大的古代铜矿遗址[9]。剑桥大学运用卫星遥感技术在埃及中部尼罗河三角洲海岸发现了古代遗迹[10]，以及至今仍是一个谜的秘鲁纳斯卡神秘线条[11](图1)等。中国遥感考古出现较晚，但发展迅速。中国科学院遥感与数字地球研究所就航空像片、机载与星载传感器、合成孔径雷达、高分辨率卫星影像、高光谱遥感等技术在考古方面的应用进行了阐述[12]；陕西师范大学、陕西省考古研究所等提出了高光谱遥感考古技术方法，并以秦始皇陵为对象验证了高光谱遥感用于考古是可行的[13-14]；杨瑞霞[15]对不同时期、不同类型古文化遗存遥感影像解译标志进行了分类研究。塔拉依据在内蒙古辽、金、元都城等的遥感考古成果强调，遥感考古对古城址、古墓葬、古长城、古河道、古窑址、古代聚落遗址等研究对象十分有效[16]。武汉大学王然等[17]取得的2007年十大考古发现之一的辽瓦店遗址柱洞，在遥感影像上清晰可见(图2)。

图1 秘鲁纳斯卡神秘线条(猴)

图2 2007年十大考古发现之一的辽瓦店遗址

当前，国际国内的遥感考古主要集中在可见光遥感、高光谱技术、红外遥感技术、地磁雷达技术等，在遗址考古中取得一定的成效，但仍存在着各自的弱点，如光学遥感对于掩盖在丛林中近地表的考古遗址识别和发现，成效甚微。在植被和树林覆盖地区，光学遥感只能看见超出树冠的古遗址，甚至大的金字塔都会被漏掉。可见，地表植被等要素对文化遗迹的遮盖是影响光学遥感进行考古遗址识别的一个主要问题。陈述彭院士强调，考古要走信息化的道路，要重视波谱特性的应用，提高波谱的相对应用能力[18-19]。

刘树人[20-21]指出应重视提取背景条件复杂的“隐性考古信息”弱信息技术的研究。赵生才[22]也指出遥感考古中亟待进一步开展从遥感信息中提取古遗址弱信息的研究。光学遥感不能解决有遮挡的地表遗址识别调查的问题。针对近地表植被覆盖下，受人类活动和环境影响的大量弱信息古遗址遗存识别、调查和监测等难题，遥感考古中亟待开展新型考古遥感信息获取技术和不同类型古遗址弱信息的智能提取与辨识方法研究，突破现有的光学遥感技术手段，解决有遮挡的地表遗址弱信息识别问题。这是当前遥感考古领域的重要课题。

2 激光雷达遥感与考古发现

激光雷达遥感(light detection and ranging,LiDAR)是近年来发展起来的一项高新技术，其利用高频率发射的激光脉冲非接触主动式快速获取物体表面三维密集点，以获得被检测对象信息进行提取和处理，可全天候、快速、直接、高精度采集对象的三维信息，广泛应用于三维城市建模、资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、森林资源管理、海岸侵蚀监测、防震减灾，以及国家重点建设项目等领域。作为一种主动遥感技术，激光雷达能够穿透密林或者一定深度的水体，极大地提高了三维空间数据的获取效率，同时为地表植被、农作物等要素覆盖下的文化遗迹揭露提供了可能(图3)。

图3 机载激光雷达遥感技术原理

激光雷达遥感的一个显著特点是能够穿透密林到达林下地面，或者穿透一定深度的水体达到水下，经过对点云数据进行滤波、分类和空间插值，得到林下或水下高分辨率的地表形态信息，适于大尺度或者区域尺度的遥感考古。在众多激光雷达遥感考古中，影响较大的是美国佛罗里达大学开展的玛雅新古城考古和澳大利亚悉尼大学牵头的吴哥遗址考古。2010年美国佛罗里达大学利用机载激光雷达技术(Airborne LiDAR)获取了伯利兹Caracol浓密雨林区的激光点云数据，通过植被滤波得到林下精细三维地形图，仅用4天时间便发现了玛雅古城此前未知的大量古建筑、古道路和梯田遗迹，重现了一座崭新的玛雅古城堡(图4)。此前，考古学家在该地区已经开展了25年的田野考古调查，机载激光雷达仅用一个月就新发现了近200 km2古遗迹，是过去25年间传统考古发现范围的8倍[23-24]。2012年，澳大利亚悉尼大学利用直升机搭载激光雷达获取了柬埔寨吴哥窟遗址及其周边森林区域高密度点云数据，发现了隐藏于吴哥遗址北部库伦山区茂密森林和稻田下的吴哥古城遗迹，将吴哥中心古城遗址覆盖范围从早期的9 km2扩展为35 km2，吴哥遗址历史往前推进了350年[25]。可见，激光雷达遥感对于发现掩藏在植被覆盖区域的人类活动留下的遗迹遗存有着独特的优势。

激光雷达遥感科技考古一般在移动平台(卫星、飞机、飞艇、无人机等)搭载激光雷达传感器，通过遥感飞行获取高密度的三维激光点云和高分辨率的光学影像数据；根据近地表历史文化遗迹遗存具有特征起伏微小、分散而不连续、植被覆盖茂密、地形特征和遗存特征混杂(如古代土遗址已成为地形的一部分、古城墙)等特点，采用顾及近地表考古遗址空间特性的点云滤波与分类算法，得到精细表达的地表微地形数字高程模型；在考古学家专业知识的支持下，实现近地表考古遗址空间特征的准确提取和表达，并结合严格地理配准的高分辨率光学遥感影像，进行近地表考古遗址信息的呈现与判读[26]。其方法流程如图5所示。

近地表古代人类活动留下来的文化遗迹遗存具有特征起伏微小(如古代墓垣)、分散而不连续(有些已经被破坏不是连续的整体)、地形特征和遗存特征混杂(如古代土遗址已成为地形的一部分、古城墙)等特点，通过历史学、考古学、地理学与遥感科学交叉研究，揭示机载激光雷达点云和近地表考古遗迹目标作用的机理和规律，采用顾及近地表考古遗址空间特性的点云滤波与分类算法，实现近地表文化遗存复杂特征单元的提取，有效提升近地表考古遗迹遗存信息的呈现、判读与定位。

3 激光雷达遥感人类活动遗迹发现案例

从2010年开始，在国家文物局资助下，采用激光雷达遥感科技考古技术对楚纪南故城大遗址八岭山楚墓群、湖南澧阳平原史前遗址、洛阳邙山陵墓群、成都宝墩城址、辽宁医巫闾山遗址群、贵州海龙囤土司遗址群进行了大范围考古调查，发现大量年代久远、隐藏在浓密植被覆盖下的人类活动留下的遗迹遗存，如墓葬、城址、要塞等。

(1)楚纪南故城八岭山古墓群激光雷达遥感考古发现

八岭山古墓群南北长8 km，东西宽5 km，总面积40多km2。山中古墓葬密集，现封土堆尚存特大型、大型及中型古墓560余座，其中以楚墓居多，明藩王墓次之。不少墓冢雄踞山头，宛若山峰，构成了八岭山的壮观奇景。史载楚庄王墓在山中，前后陪葬有数十冢，皆列成行[26](图6)。

(2)湖南澧阳平原史前遗址激光雷达遥感考古发现

城头山古文化遗址，位于湖南省常德市澧县，是中国南方史前大溪文化至石家河文化时期的遗址，也是迄今中国唯一发现时代最早、文物最丰富、保护最完整的古城遗址，被誉为“中国最早的城市”。历经4 000多年沧海桑田，从激光雷达遥感数据中依旧可以清晰地发现城墙遗迹(图7)。

(3)洛阳邙山陵墓群激光雷达遥感考古发现

邙山陵墓群，位于河南省洛阳市、孟津县东西长近50 km、南北宽约20 km的邙山上。陵墓群面积为756 km2，有大型的封土墓970多座(图8)，古墓葬有数十万之多，是世界上古代陵墓分布较为集中的地区之一，有“东方金字塔”之称。

(4)成都宝墩城址

宝墩城址位于成都新津县龙马乡宝墩村，俗称“龙马古城”。当地老百姓传说这是三国时期诸葛亮七擒孟获的“孟获城”。其筑城年代约在公元前2500年，其废弃年代大约在公元前2300年。通过激光雷达遥感发现，外城墙体宽度残存15～25 m，残存高度为1.5～4 m不等，夯筑方式与内城墙完全一致(图9)。宝墩外城城墙的发现使考古学界对宝墩古城遗址有了全新的认识，这对于探索宝墩文化时期的聚落形态、社会结构与社会复杂化程度具有十分重要的意义。

(5)辽宁医巫闾山遗址群

图6 八岭山古墓群激光雷达遥感考古发现

图7 湖南澧阳平原史前遗址群(城墙遗迹)

医巫闾山，古称于微闾、无虑山，按《周礼•职方》称：“东北曰幽州，其山镇曰医无闾。”得名甚早，已不可考。与古华夏民族的“医、巫文化崇拜有关”，今称闾山，地处今辽宁省境内，采用激光雷达遥感发现现存的瞭望台、坝墙子等遗存(图10)。

(6)贵州海龙囤土司遗址群

图8 洛阳邙山陵墓群(墓冢)

图9 宝墩城址(外城墙)

图10 辽宁医巫闾山遗址群(琉璃寺)

海龙囤遗址是贵州境内目前仅见的一处大型军事建筑与宫殿建筑合二为一的遗址，也是当今中国乃至亚洲保存完好的中世纪城堡遗址。海龙囤遗址位于贵州遵义老城北约30 km的龙岩山东麓，湘江上游，是中国西南地区历史最久、规模最大、保存最完整的土司城堡之一。始建于南宋宝祐五年(1257年)的贵州遵义海龙囤土司城由南宋朝廷与播州的土司杨氏共同营建，后来毁于1600年对抗明朝廷的战争。周长约6 km的环囤城墙尚存，囤内面积达1.59 km2，“老王宫”和“新王宫”是囤内两组最大的建筑群，面积均在2万m2左右，大体为“横三纵三”的布局，是集军事屯堡、衙署与“行宫”为一体的“土司”遗存(图11)。

图11 贵州海龙囤土司遗址(土司城)

4 结论

我国幅员辽阔，数千年的人类文明在广袤大地上留下了丰富的文化遗存，而在人们认识自然、改造自然的过程中，大量的遗迹特征被植被等诸多地物遮挡，相关遗迹现象也支离破碎为诸多大小不一的遗迹单元，不成一个连续整体，呈现出微地形弱信息的特点。激光雷达遥感通过对植被的穿透，获取近地表高密度三维激光点云，在顾及遗迹遗存时空分布模式的三维激光点云滤波和分类技术支撑下，可以对地表植被、农作物等要素覆盖下的文化遗迹揭露，实现密集植被区域的文化遗存遗迹识别。激光雷达遥感科学、历史学、地理学与考古学交叉遥感理论和方法的研究，将为我国大量植被、森林和农作物覆盖下的文化遗存遗迹的遥感调查和识别提供技术支撑，在文化遗产调查、三维数字化和遗存遥感动态监测方面具有广阔的应用前景。

[1]周和平. 中国非物质文化遗产保护的实践与探索[J]. 求是, 2010(4):44-46.

[2]吕舟. 国家历史身份的载体: 中国世界遗产保护事业的发展与挑战[J]. 中国科学院院刊, 2017, 32(7): 711-719.

[3]王新文, 张沛, 孔黎明. 试论“重建”之于中国文化遗产保护的意义[J]. 东南文化, 2016(6): 13-19.

[4]宋宝泉. 遥感考古学[M]. 郑州: 中州古籍出版社, 2000.

[5]孟祥伟. 什么是遥感考古?[J]. 百科知识, 2008(1): 25-27.

[6]麻赛萍, 麦克·帕克·珀尔森. 考古学家手铲下的“巨石阵”[J]. 大众考古, 2015(4): 38-43.

[7]栾盛楠. 遥感考古——探索人类文化遗产的新手段[J]. 东南文化,2004(4): 40-42.

[8]PARCAK S H. Satellite remote sensing for archaeology [J]. Routledge,2009, 84(325): 915-916.

[9]FERNÁNDEZ FREIRE C, URIARTE GONZÁLEZ A, VICENT GARCÍA J M, et al. Bronze age economies and landscape resources in the Kargaly steppe (Orenburg, Russia) [C]// Proceeding of 31st European Association of Remote Sensing Laboratories Symposium(EARSeL 2011), May 30th-June 2nd, 2011, Prague, Czech Republic.2011: 75-84.

[10]STANLEY J D, BERNASCONI M P, JORSTAD T F. Pelusium,an ancient port fortress on Egypt’s Nile Delta Coast: its evolving environmental setting from foundation to demise [J]. Journal of Coastal Research, 2008, 24(2): 451-462.

[11]崔月婷, PEDRO, ALFONSO. 秘鲁纳斯卡线条世界上最大“涂鸦”的未解之谜[J]. 国家人文地理, 2009(8): 76-81.

[12]MEI J, WANG P, CHEN K, et al. Archaeometallurgical studies in China: some recent developments and challenging issues [J]. Journal of Archaeological Science, 2015, 56: 221-232.

[13]谭克龙, 万余庆, 杨一德, 等. 高光谱遥感考古探索研究[J]. 红外与毫米波学报, 2005, 24(6): 437-440.

[14]王琳琳. 古遗址的高光谱数据信息提取方法研究[D]. 西安: 西北大学, 2012.

[15]杨瑞霞. 中原地区数字环境考古研究[D]. 上海: 华东师范大学,2009.

[16]塔拉, 张亚强. 内蒙古通辽市吐尔基山辽代墓葬[J]. 考古, 2004(7):50-53.

[17]王然, 傅玥. 湖北郧县辽瓦店子遗址东周遗存的发掘[J]. 考古,2008(4): 14-27.

[18]陈述彭, 黄翀. 文化遗产保护与开发的思考[J]. 地理研究, 2005,24(4): 489-498.

[19]陈述彭. 文化遗产保护与环境遥感监测[J]. 科学中国人, 2005(2):34-36.

[20]刘树人. 空间遥感环境考古的地学分析[J]. 地球信息科学学报,1996(1): 39-42.

[21]刘树人. 我国遥感考古回顾及展望[J]. 国土资源遥感, 1998, 10(2):18-23.

[22]赵生才. 人类文化遗产信息的空间认识[J]. 地球科学进展, 2004,19(4): 687-691.

[23]MASINI N, LASAPONARA R. Airborne Lidar in archaeology:overview and a case study [M]// Computational Science and Its Applications — ICCSA 2013. Berlin/Heidelberg: Springer, 2013: 663-676.

[24]CAMPANA S, BIANCHI G, FICHERA G A, et al. 3D recording and total archaeology: from landscapes to historical buildings [J].International Journal of Heritage in the Digital Era, 2012, 1(1): 443-460.

[25]EVANS D H, FLETCHER R J, POTTIER C, et al. Uncovering archaeological landscapes at Angkor using lidar [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(31): 12595-12600.

[26]WANG S, HU Q, WANG F, et al. A microtopographic feature analysisbased LiDAR data processing approach for the identification of Chu tombs [J]. Remote Sensing, 2017, 9(9): 880.