基于无人机遥感技术的遗址考古研究

文 图/赵向莉 孙晓飞

无人机遥感技术具有实现高分辨率影像采集、获取影像机动灵活、获取影像覆盖范围广、成本低、易操作等优点，被广泛应用于遗址考古和文化遗产保护领域。这里以青台遗址为例，通过无人机遥感技术在遗址测绘和考古摄影中的应用，旨在探讨基于该技术的遗址考古工作思路和成果数据应用领域研究。

青台遗址位于郑州西北35 公里的荥阳市广武镇青台村东侧的土岗上，东临广武镇，西扼虎牢关，南临唐岗水库，北连广武山，是一处规模较大、覆盖范围广的大河村类型的仰韶中晚期遗址。

近年来，郑州市文物考古研究院对青台遗址进行了系统勘探，遗址面积达100 万平方米。2015—2017 年，依据勘探成果在重要遗存位置布设探方，经针对性考古发掘，发现居民区、墓葬区、祭祀区等聚落空间布局，清理出土房址、墓葬和疑似北斗九星祭祀区等重要遗迹，出土了一批珍贵的遗物，尤其出土的丝织物是中原地区考古发掘所见的最早丝织品。2013 年，遗址就被国务院核定公布为第七批全国重点文物保护单位。2017 年获得当年河南省五大考古新发现。

应用于遗址测绘

青台遗址考古研究过程中，要理清遗址的时代、文化堆积性质和内涵、空间布局结构、功能区划分、与周边环境的关系等问题，需要完整、准确、高精度的三维数字模型、数字正射影像和数字地形图等基础资料，为开展考古调查、勘探、发掘、研究、保护和管理工作提供支撑。传统的基础资料获取手段是采用全站仪、RTK 和热气球等进行测量，其效率低、费时费力。无人机遥感技术具有性能稳定、工作效率高、成果精度高和易操作等优势，为遗址三维模型、正射影像和大比例尺地形图测绘基础数据获取提供一种新技术支持。该技术应用于遗址考古研究主要分为数据获取和数据处理两个方面。

遗址测绘基础数据获取主要作业流程：航线规划、影像获取和控制点测量、数据处理。

航线规划

青台遗址航线规划是基于Google Earth 和MdCockpit 软件进行编辑，Google Earth 主要参数设置“工具”菜单，地形提升高度参数设为1，坐标显示设为小数度数。进入MdCockpit 软件，将青台遗址位置的经纬度坐标添加至背景起点，设置地图图片每行为3 张，导入谷歌地球（TM）的地图，缓存遗址区影像。切换至Google Earth界面，重复执行编辑菜单栏下的“复制图像”命令。

青台遗址航线规划

航线总体属性编辑，起飞点位置为独立于航点1；航线对准原点飞行为no；相机Sony α7R。创建航点1，属性设置相对高度为20；创建航点2，相对高度与航高应一致为200m，航点（1 和2）动作为未配置。在航点2 基础上创建GIS 栅格，栅格属性：光删方向角为0°、航向角180°；离地高度（飞行高度）为200m；水平速度8m/s；转动每列为yes；区域宽度为1600m，区域高度为1300m；横向重叠60%，垂直重叠70%；执行“优化航线”命令。逐条检查航线属性是否一致，航线两端航点动作为未配置；影像获取采用间隔3s 正射拍照模式，相机舵机俯仰角是+90°，相机舵机滚转角+0°。

青台遗址区域较大，为保证飞行数据质量和飞行安全，飞行设备单块电池续航时间须控制在22 分钟以内，将航线手动拆分为4 条分航线，4 个架次飞行。

影像获取和控制点测量

影像获取，首先，需根据气候、地理环境和气象等条件对相机参数进行设置。青台遗址影像获取时相机设置：手动档（M 档），选择目标物最亮部分测光，相机焦距调至无穷，光圈为f6.3，曝光时间是1/1250s，ISO 速度为ISO—200。其次，审查航线，相机调试并安装至云台，相机存储卡和SIM 卡安装至飞行设备，确保飞行设备、地面站和遥控器等正常运行。再次，航前检查：4 个电机旋转方向、电池电压电量及安装、数据卡安装、GPS 盖、旋翼的安装及支臂固定、微波盒、遥控器信号等。最后，指标正常和保证飞行安全，航线上传飞行器成功，启动飞行器，当飞行器离地一定高度，切入航线工作模式，按规划航线执行。同时从地面站可实时观察到飞行器姿态、电池电量、风速和拍摄区域等。

控制点测量

一个架次飞行结束，将影像和POS 点导入计算机、检查影像重叠度和质量、核查POS 点数据。

青台遗址控制点测量中，对遗址区域东北、西北、西南、东南、中心等区域选择独立特征点进行三维坐标测量。控制点测量时应对所测控制点进行拍照和文字记录，照片编号和测量数据编号必须一致，便于内业数据整理核查。此次，青台遗址共选择17 个特征点进行测量。

数据处理

数据处理包括数据预处理和数据深加工。数据预处理是将影像数据、控制点数据和飞行记录数据导入计算机，所有的影像数据存储于一个文件夹，经数据质量检查，剔除冗余影像，利用Photoshop 软件调整受自然环境干扰的影像。将POS 点和影像编号对应存储，对控制点按平面坐标系统中三维坐标顺序进行整理。

控制点刺点

在Pix4d 软件平面编辑器中刺像控点，初步处理（快速检测），查看质量报告中控制点精度评估情况。若控制点精度较低，进入空三射线编辑器，对控制点进行调整并优化。空三射线编辑器中刺点应注意三个标记：蓝色圆圈是预测控制点位置、黄色叉是所刺的控制点、绿色叉表示控制点已经重新参与计算重新得到的位置。另外，刺点时照片不宜放过大，放到照片2 倍。并且，对控制点调整后需“优化”处理。精度满足要求时执行初始化高精度处理，并设置点云和数字表面模型及正射影像图相应模块参数，执行开始命令，生成测绘结果。

应用于考古摄影

考古摄影可直观、真实地记录田野考古调查、发掘过程中重要的遗迹遗物，是实物资料获取的一种重要技术手段。考古摄影主要内容包括遗址全景照、考古发掘工作照、发掘探方照片、单个遗迹照、遗物照和重要遗迹遗物出土录像等。

传统考古摄影是借助梯子、升降机或搭架子等获取影像，虽可达到考古摄影要求，但在实施中会遇到梯子安全性低、拆卸造成资源浪费，有人驾驶飞机或热气球飞行高度高、速度快等特点较难获取高清、全面的影像等问题，导致工作效率低、获取影像技术单一和费时费力。大疆S1000+和佳能EOS 5D 技术具有飞行器性能稳定、易操作等优势，尤其高清图传显示设备和相机自动对焦功能，图传显示设备可实时播放相机获取的影像资料并指导飞控手调整飞行方向和高度，飞行器位置、角度确定，自动对焦获取高清影像。可实现对考古发掘遗迹遗物进行多角度、全方位拍摄和录像，保证影像的完整性和全面性。

青台遗址考古摄影，在大疆S1000+和佳能EOS 5D（自动对焦）相机技术支持下，依据考古发掘工作进程及时获取遗迹遗物影像（照片和录像）。

成果与分析

质量报告中影像重叠率

青台遗址数字地表模型

青台遗址数据处理质量报告显示影像重叠率低，湖面区域出现空洞。影像重叠度低，主要受航向重叠率和旁向重叠率、飞行高度、飞行速度、拍照时间间隔和风等影响；湖面空洞主要因面积大，像对点不易识别，可通过软件修补处理空洞。从质量报告控制点精度0.008m分析可知，DSM 和DOM 满足规范要求，可用于遗址考古研究。

青台遗址正射影像

通过青台遗址无数据获取、数据处理和成果分析可知，在人机遥感技术中数据获取是关键，决定了成果质量和精度。首先，航线规划时航测区域界定、航高设置、重叠率设置、拍照时间间隔等设置，一定要充分考虑周边地理环境、自然气候条件和测区风俗习惯等因素，合理优化航线，保证飞行安全、获取数据的完整性和精准度。其次，控制点测量时坐标系统需与遗址调查、勘探和发掘遗迹等坐标系统一致；同时根据遗址测区范围、周边地形地貌等情况，选择目标清晰、易于判断和测量，且较稳固的地物交点、拐角和中心点等作为控制点，保证数据可靠性和精度。

我们将大疆S1000+和佳能EOS 5D 技术应用于青台遗址考古摄影，及时对发掘遗迹进行了多角度、全方位拍摄，获取到遗址全景、考古发掘场景，遗迹、遗物等的高分辨率影像。其中青台遗址重要考古发现北斗九星祭祀区，就是在该技术支持下获取的全面、准确的遗迹遗物数字化影像。

北斗九星祭祀区（《华夏考古》2018(03):2）

无人机遥感技术在青台遗址考古中的应用取得丰硕成果。青台遗址DOM 和DSM 为遗址地形图（DLG）编绘提供了数字图像支持，解决了传统全站仪或GPS-RTK 逐点采集作业难、效率低等问题，提高了作业效率，保证了遗址考古成果资料的时效性和准确性。高分辨率正射影像图、数字地表模型和数字高程模型为考古学者提供直观、可靠的数字资料，有助于考古学者决策部署田野考古调查、勘探和发掘等工作。正射影像图可作为考古勘探遗迹分布图和考古发掘遗迹分布图的底图，遗迹现象空间分布和聚落空间布局都能叠置显示，并有相应的三维坐标，对考古学发掘探方布设提供决策性的技术引导，为遗址考古研究提供全面、精准的数字化资料。所有影像、数据和成果都可作为遗址的档案资料，永久留存于档案室。遗址测绘和考古摄影所得影像、数据均是遗址考古三维模型建立的重要资料源。所有数字化资料为大遗址保护规划、遗址公园建设和文化遗产保护工程等提供准确、高精度的基础信息资料。

结语

通过两种型号无人机遥感技术在青台遗址考古中的应用探索，开创了遗址测绘新工作模式和考古摄影新技术，提高了工作效率和信息资料质量，为建立遗址三维模型提供高分辨率、全面性强和高质量的影像数据，更为全面、高效地获取考古实物影像资料提供了技术支持。无人机遥感技术具有的时效性强、高精度、高效率和易操作等优势，决定其将成为遗址考古影像获取的重要技术，被广泛应用于遗址考古研究。