永顺土司城遗址卫星遥感监测预警方式研究

田建林，杨海荣

(吉首大学 土木工程与建筑学院，湖南 张家界 427000)

0 引言

当前，世界自然遗产地监测的方法主要有获取卫星遥感数据实施监测、获取研究区域断面数据实施监测以及在研究区域进行布设监测点以获取布点数据来实施监测等几类[1]。卫星遥感监测具有整体宏观、覆盖面广、时效性强等特点。因此，利用卫星遥感影像来获取监测数据，具有节省人力物力、信息处理客观、动态可比性强等优点[2]，但同时也存在监测类别不全、部分信息精度不高的缺陷。因而，世界自然遗产的监测所采用的方法不一而足，需针对监测的内容灵活采用不同的方法，具体的监测方案往往是多种方法的组合。此外，不同的世界自然遗产所处地理环境大不相同，监测内容和需求也存在一定的差异，因此其监测方法也应因地制宜地进行选择。文章从永顺土司城监测预警的实际需求出发，参照同类遗址监测的指标体系，探讨了利用遥感技术对其进行监测预警的思路与方法。

1 研究区概况

永顺土司城遗址是我国历史最悠久、规模最大、保存较完整的古代城镇遗址。遗址位于湖南省永顺县城区东偏北方向18 km，背靠太平山，前有灵溪河蜿蜒流过，地理坐标为N28°59′55″，E109°58′10″。

遗址所在地永顺县地处武陵山脉中段，位于云贵高原东缘的扬子准地台八面山褶皱带，是武陵褶皱束与江南地轴的结合部位[3]。遗址及其周边的表层土壤主要由第四系地表土壤层、素填土层、残坡积成因的黏性土层(当地又叫岩砂土)和冲洪积砂卵石组成，下层基岩主要由寒武系中上统白云岩、白云质灰岩，夹薄层钙质页岩等组成，与下伏奥陶系统地层整合接触[4]。遗址所在地属亚热带季风温暖湿润气候区，周边主要河(溪)流有灵溪河、雅松溪和罗子湾溪等[5]。

遗址保护区总面积25 km2，土司城城区(核心区域)面积25万m2。土司城城区保留了体积庞大的城墙和建筑，城址包括宫殿区、衙署区、街巷区、墓葬区、宗教区、苑墅区等几个区域，主要遗址文物有祖师殿、彭氏宗祠、土司德政碑、翼南牌坊、土司地宫、土司古墓群等。

2 遗址监测内容与需求分析

永顺土司城遗址监测内容主要包括遗址与文物本体监测、遗址周边自然环境监测以及遗址周边人文社会环境监测3个方面，具体监测需求分析如下。

2.1 遗址与文物本体监测

遗址与文物本体监测主要包括遗址的总体格局变化、遗址内部构建筑物变形、文物实体保护微环境等。

2.1.1 遗址总体格局变化监测

遗址总体格局变化监测需求主要是及时发现遗址边界及内部格局变化，包括遗址外界变迁、遗产监测要素迁移、内部主要道路、广场格局变化、地形地貌形态改变等。

2.1.2 建筑物变形监测

建筑物变形监测需求主要是及时发现遗址内部建构筑物的结构与构造变形。土司城内部的主要建构筑物有：祖师殿、彭氏宗祠、土司德政碑、翼南牌坊、土司地宫、土司古墓群等，要针对其不同材质、不同结构与构造功能开展各类变形监测。

2.1.3 文物保护微环境监测

土司城遗址现存有大量的文物实体，主要包括各类壁画、绘画、陶器、瓷器、玉器、金银饰物等。不同材质文物实体的长期保存对局部微环境的要求极其严苛，因此需要长期持续监测其局部微环境的变化，如局部气温、湿度、气流、有毒有害气体、病虫害等。

2.2 周边自然环境监测

外部大环境是内部小环境的基础本底，因此，除内部、局部环境监测外，对一定范围内的周边自然环境监测也同样重要。遗址周边自然环境的监测主要是及时发现因周边自然环境的变化而带来的遗址内部环境变化。其监测的项目除了遗址内部微环境监测的项目外，还包括更大范围的土壤、地质、土地利用与覆被(Land-Use and Land-Cover Change，LUCC)、气象、大气、微生物与病虫害等。

2.3 周边人文社会环境监测

环境是人与自然的耦合系统，人口变化、土地利用方式、经济发展方式(模式)、文化价值观念等时刻映射着人与自然这一系统地相互作用。对遗址周边人文社会环境的监测需求主要是及时掌握遗址内外部人口数量与密度、土地性质、土地利用类型、生产经营方式、舆情与价值观等方面的变化。

3 卫星遥感监测方式及方法分析

3.1 监测手段及适应性分析

依据永顺土司城遗址的监测预警内容和需求确定永顺土司城遗址监测指标18个，各监测指标包括检测具体内容2～5项不等，如表1所示。现有的监测手段各有所长，因此需针对不同的监测需求寻求合适的监测手段。总体来说，宏观、整体性格局、大环境宜采用卫星遥感监测；局部细微变化监测需借助精密仪器实时监测；一般项目的监测可采用传统人工现场监测。针对不同监测对象(内容)而采用的监测手段及适应性分析如表1所示。

表1 监测内容与监测手段适应性分析

3.2永顺土司城卫星遥感监测预警方式的探讨

通过分析可知：在上述永顺土司城监测预警指标体系中，依据现有的卫星遥感监测技术条件，有多个监测指标、多项监测内容均可直接或间接应用卫星遥感技术，就其遥感卫星监测思路与方法探讨如下。

3.2.1 直接判译

利用卫星遥感技术可直接开展监测的项目有土地利用覆被变化、建筑(水体)面积变化、交通网络变化、景观格局变化等。这些项目的监测可依据监测需求，选用合适分辨率的卫星影像，经专业图像处理后实施影像解译，结合“3S”技术，可直接进行判译并实现动态监测。

3.2.2 数据挖掘与信息转换

在永顺土司城监测预警指标体系中，有一些指标中的部分监测信息虽然无法通过卫星影像直接判译，但可以通过获取卫星遥感影像相关信息后，进行数据(信息)转换后获得。这一类监测内容包括高程变化、地貌变化、森林覆盖度、极端天气等。另外，由于监测原理、方式、方法等的不同，卫星遥感监测和人工监测的结果相比较往往存在较大的偏差，卫星遥感技术在这些方面的应用依赖于建立二者之间精准的转换(或关联)模型。当然，为提高相关模型的精度，大量的数据挖掘、分析和验证工作亟待开展。通过数据挖掘与信息转换，能够开展卫星遥感监测的项目有水质、土壤湿度、地表温度等。

3.2.3 辅助验证

此外还有一部分监测指标(内容)，目前利用卫星遥感技术尚无法达到目标精度，但能宏观反映变化趋势，实施这些项目的卫星遥感监测可以作为人工监测结果的辅助验证。这一类监测指标包括地表温度、病虫害分布、GDP、生产经营方式等。

4 结语

基于世界自然遗产监测预警的内在要求和永顺土司城遗址的实际情况，采用多种途径、多种手段实施全方位立体监测是遗址监测预警的实际需要。永顺土司城遗址监测可采用卫星遥感监测、激光扫面监测、传统人工监测等多种手段，优势互补、互相验证，实施全方位立体监测。随着卫星遥感技术的进一步发展，它在古遗址监测方面的应用将日益广泛和深入。