基于多源高分辨率数据的遗址空间考古精细识别研究

【摘 要】随着人类对考古遗址的认识不断加深，空间考古的应用也越来越广泛。空间考古中重要元素的识别是确保发掘项目质量及安全性的前提。因此，研究方法和数据对遗址探测和发掘等具有重要意义。在考古学中，遗址位置测量是必不可少的环节。遗址所处位置不仅关系到遗址自身的发展轨迹和历史进程，也是探索中国早期大型城市发展体系的重要依据之一。因此，研究方法以不同时间尺度开展考古遗址空间定位研究具有重要意义。中国科学院空天信息创新研究院（原中国科学院遥感与数字地球研究所）长期致力于遥感数据空间使用及研究以及遥感应用于考古勘探中。在此基础上开展考古发掘工作以获取更多重要发掘信息和研究成果，为考古学服务于人类健康社会发展提供理论支撑和实践参考。

【关键词】多源高分辨率数据；遗址空间；考古精细识别；考古

【中图分类号】K878；TP751 【文献标识码】A 【文章编号】1007—4198（2023）02

引言

我国是世界上最早使用高分辨率卫星遥感数据的国家之一。自20世纪90年代以来，高分辨率卫星遥感技术得到了快速发展。近十年来，随着地球空间环境的不断变化，卫星数据在世界范围内变得更加广泛而丰富。但是，随着人类活动的不断加剧，对于遗址等文物遗迹来说，空间属性复杂多变而且多源高分辨率数据尚未被充分利用，如何通过遥感影像的精细识别功能实现对遗址进行精准定位和提取至关重要。长期以来，许多学者一直致力于在遥感影像空间属性识别的基础上对遗址空间属性进行细分。然而由于不同来源数据存在着不同特征之间的差异无法得到精准识别这一问题始终没有得到解决。因此如何利用多种技术手段来提高遗址的空间属性识别功能及其在更多领域中的应用便显得尤为重要。

一、遗址空间考古精细识别技术概述

随着遥感技术在国民经济多个领域的广泛应用，越来越多地融入到老百姓的生活中，遥感技术也从“高大上”走入了寻常百姓家，遥感与考古也完成完美“合体”。而随着科技、经济和军事发展，行业对遗迹等数据需求也不断增加，特别是对大型遗址数据高精度数据需求的增加，地面的田野考古调查往往只见树木、难见森林。仅凭借肉眼或简单的工具去获取人类活动的物质遗存信息毕竟存在局限，对于大范围、长距离、条线式大型古代遗存，需要多角度去观看。站得高才能看得远。如今，遥感技术在考古活动中被广泛使用，在技术帮助下，考古工作者可以“穿透”森林、地表甚至岩土层，探测林下、地下以及水下的遗存与分布情况。具有全局、直观、周期性强、覆盖范围大的特点。随着国际上多学科交叉融合与创新方兴未艾，应发挥我国遗产大国优势及空间技术优势，抢占空间技术与文化遗产有机结合研究的制高点，形成中国在该领域的优势，并利用联合国教科文组织自然与文化遗产空间技术中心设在我国的条件，为国际该领域发展作出独特的贡献[1]。例如利用地面影像的提取功能已将遥感影像和地面影像紧密结合在一起。例如在野外调查中可以利用地面影像来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数据的遥感影像空间属性识别这一研究方向，利用不同来源的资源数据来获取更多的高分辨率地图特征信息，从而使得遥感影像空间属性识别功能更加高效和精确。

二、遗址空间考古精细识别技术研究现状

（一）理论框架与应用机制

考古遗址空间划分技术，可以分为两类：一类是划分法，另一类是聚落学划分方法。劃分法中的“聚落”是指对一种或多种聚落进行定位并加以确定的空间划分。“聚落”则是根据聚落所处的地理位置和环境条件，确定聚落的分布范围，并对聚落进行空间管理和保护的方法 。聚落划分法是利用聚落周边区域的地理位置和地形特征对聚落进行命名和划分的方法。聚落的命名与它所处地理位置有关：聚落作为一个整体存在于一个区域之中而不是只具有一个名称；聚落的具体名称与其所在地理位置有关；聚落的规模与其所在地区具有较强的关联性；聚落内存在许多建筑物、墓葬、水井等附属设施[2] 。聚落学划分法在聚落内部存在大量堆积形式相近而又具有多种性质的遗存或遗迹之间存在多种组合形式，而这种组合形式又可能会相互影响和改变其原有性质。聚落类型包括山岭聚落、平原聚落和山地聚落等类型 。

在遗址空间定位方法中应用最广泛的方法为高程定位法、区域定位法及空间定位法三种方法的结合。高程定位法具有定位精度高优势，且能够有效减少干扰和误差；区域定位法适用于大量遗址，能够为遗址空间定位提供大量数据支持；时空定位法通过多种不同方法构建遗址三维模型并进行对比分析。高程定位法需要耗费大量人力物力，且目前这一技术尚处于研究阶段；区域定位法具有较为明显的区域局限性且需要大量人工干预；区域定位法存在一定安全隐患。区域定位法在遗址空间定位方面尚处于初步应用阶段，区域定位方法主要是通过分析各个遗址区内遗迹种类以及空间位置等特征对遗迹空间定位进行确定 。高程定位法具有较为显著的区域局限性，难以用于准确辨识出遗址区域内存在的遗迹类型以及数量、分布情况；区域定位法虽然可以对遗迹空间定位进行支持 ，但无法满足遗址空间定位工作的需要；时空定位法使用简单 ，但在遗址定位中会存在较大误差[3] 。基于以上特点可以看出遗址空间定位方法研究现状：遗址分类与位置精度分析需要融合多种技术手段进行识别以及空间分区；遗产类型空间定位需要基于多种技术手段进行空间分区和多尺度区分；遗址空间分布与遗址定位要求相结合进行功能分区；遗址空间定位方法尚不能满足需要等。

遗址空间考古的重点工作包括研究遗址在空间上的位置关系、遗迹的形成过程以及遗迹之间的相互关系。目前遗址空间勘探主要集中在两个方面：一是对遗迹进行识别和研究，如对陶器上、下两层遗迹上遗留的红褐色斑进行识别；二是对遗迹之间形成的沟槽进行识别，如在遗迹上铺有红褐色砂土等。考古工作中遗址识别主要是对遗迹之间形成的沟槽进行识别。例如：在陕西大荔县沙沟寨镇西王母村南半部山坡上发现了一处西周时期文化层（1—2层）遗迹。遗迹表面残存泥质粉砂岩及红砂岩层。同时发现保存较为完整的一段石砌台基；台身残破部分形成一条山脊 [4]。

（二）遗址空间识别方法

时空法是以地表的观测数据和地理信息数据为基础，通过将区域内的空间分割、区域分析和建模等方法提取出各类空间符号。影像图识别是以各种影像信息为基础、综合运用影像技术和计算机技术确定空间区域范围的方法，通过对区域的空间信息进行表征从而实现识别的过程。目前我国学者多以传统遥感为主要工具来实现对大（城址）遗址空间信息的识别分析。这类技术对于大规格遗址（含城址）的区分与分析具有重要作用。

1.地表观测

遗址地表是指以土地、植物为基础的地表环境，它与周围的自然环境相对应。随着科学技术的发展、人民生活水平的提高，利用地表资源（如岩石和土壤）来开展遗址空间环境的研究已经成为研究我国大（城址）遗址空间结构的关键和基础，并为人们深入研究大（城址）遗址地表空间活动提供了可靠的数据来源。基于地表观测技术对大（城址）遗址空间分布情况进行识别具有重要意义[5]。

2.区域分析

区域分析就是根据影像中与遗址有关的空间符号来划分遗址区域。其实质是通过不同的影像手段对遗迹区域中的空间符号进行提取分析。区域分析的主要方法有两种：第一种是利用空间比例原理，根据大遗址和小遗址两者的空间分布特点，结合影像特征来判别小遗址和大遗址（如城址）之间的空间位置关系；第二种是通过空间分析结合影像特征，将影像和大（城址）的不同特征提取到适当的范围内予以识别。张雪梅等采用了两种方法对河北大都城遗址和大秦关中城市遗址进行了分析：一是将具有相似特征的小遗址分类到同一区域内；二是根据遗址的范围大小采取不同的分类标准，以小遗址划分出大遗址范围。该方法对于大规格遗址（含城址）具有一定普适性甚至适用性。

三、基于多源高分辨率数据的遗址空间考古精细识别实例分析

（一）研究区域与研究方法

北京房山位于北京市东部，紧邻着海河流域、京西平原和华北平原。是华北地区第一大平原。北京房山文化遗址群位于房山南部山区房山地区，处于古长城的中段和西安城墙的北端。该文化中有多处具有历史意义的重要古城遗址，如山东阳谷城址、郑州商城遗址、洛阳龙门遗址等。房山文化遗址群（又称房山城址）位于房山地区东北部山前丘陵地带，属于新石器时代中期文化遗存，是目前我国发现最早、规模最大、延续时间最长的新石器时代中期城址文化。该地区也是华北地区唯一一处新石器时代中期古城遗址，该遗址主要分布在房山一带。在该考古学地区开展过多次考古工作和研究，但多为零星发掘活动，主要涉及遗址分布情況以及可能的考古学文化因素等方面，缺乏深入研究和发掘成果信息搜集与反馈工作。因此，本研究将利用卫星遥感、手持 GPS定位等多种手段进行三维影像的采集、处理、分析和报告工作。通过将遥感图像和遥感影像中包含的文化元素进行联合定位和分析，进而获得相关遗址信息和古环境信息用于发掘研究或考古工作数据获取及更新、结果评价与分析等研究工作中。

（二）研究数据来源及方法

数据源：遥感数据集主要包括遥感影像、高光谱数据、地理信息系统（GIS）数据、遥感数据和其它相关数据集等。其中，高光谱数据是指获取近红外光图像并对其进行放大、缩小、降噪处理后获得原始光度图像。倾斜数据包括卫星倾斜和地球曲率等，主要用于研究地表沉降、地表植被分布等内容，同时也可用于定位。高光谱数据通常采用多光谱融合方法，主要用于获取近红外光波段在一定波长范围内的光谱波段数据，以及获取太阳辐射光谱波段的光谱特性和频率信息。在高光谱数据中，波长越长，信噪比越低，波段越短，信噪比越高，则信噪比越高。高光谱数据采用多光谱模型进行研究，通常采用指数矩阵进行模型训练，将多光谱模型训练完成后再利用指数矩阵模型训练完成模型验证，最后再利用指数矩阵模型进行优化求解与验证来优化模型的性能与精度。研究方法：依据高分辨率遥感影像对历史考古遗址提取和精细识别数据，采用基于 RapidMap、GIS应用等方法进行处理分析与结果比对研究，具体方法如下所示：其中， KBPT数据主要用于对中国境内典型地物分布及高精度空间定位相关问题进行研究。GIS数据主要用于分析中国境内典型地物分布与空间定位问题之间的相关性差异性及其与遗址空间定位准确性的关系传导机制及影响机制等相关问题。

四、结语

本文基于卫星、 GNSS、无人机等多种数据源，结合考古学、历史地理和空间考古学等多种理论方法，针对不同空间遗址进行分析。以多源高分辨率卫星遥感数据为基础，结合考古研究工作中存在的问题，提出一种新的多源空间考古定位研究方法——Rapid—Automated Mapping，并以此为基础通过分析不同时间尺度下考古遗址分布状况，构建了系统分析方法。通过该方法可以有效提高空间考古定位精度，实现对遗址的精细化识别，提高了空间考古学研究工作水平，为考古学科学研究提供了技术支撑和实践参考。本文主要针对发掘工作实践中常出现较少关注考古因素并造成定位精度不高的情况进行了研究。然而，研究结果显示随着时间增长，考古因素对定位精度影响逐渐变大，对未来考古工作产生一定影响。因此，在开展考古工作时需多角度分析考古学因素对于定标精度的影响，并在工作过程中加强对考古因素的关注和研究力度和技术创新力度。最后对此提出几点建议：（1）目前对考古元素进行定性识别是利用专业卫星遥感数据分析获取元素定标精度较高但精度不高问题，需要不断提高技术水平和工作质量。（2）进一步加强无人机遥感监测技术在考古领域的应用。

参考文献：

[1]舒慧勤，方俊永，鲁鹏，等.基于多源高分辨率数据的遗址空间考古精细识别研究[J].国土资源遥感，2021（2）.

[2]张梦迪.国家考古遗址公园空间分布特征研究[J].美与时代·城市，2019（2）.

[3]陈世文.基于现象学理论的国家考古遗址公园展示空间设计研究[D].荆州：长江大学，2019.

[4]张毅，邱建，贾玲利.金沙国家考古遗址公园开敞空间利用研究[J].西南大学学报（自然科学版），2016（9）.

[5]刘文卿，刘大平.景观考古学视野下的聚落空间组织信息阐释——以三江平原汉魏聚落遗址为例[J].建筑学报，2019（11）.

作者简介：罗胜（1988—），男，汉族，四川人，研究生，副研究员，研究方向为科技考古。