高光谱综合遥感考古方法研究——以长安-扈邑区考古为例

周日平

(中煤地质集团北京大地高科地质勘查有限公司，北京 100040)

遥感由于其观测面积广、光谱范围大、时空分辨率高、光谱分辨率高、数据的综合性和可比性强、经济效率高、穿透能力强、能对考古文物无损探测等的特点而越来越多地运用到考古工作中(秦灵灵等，2011)。早在1906年英国人在热气球上拍摄了“巨石阵”遗址；上世纪七八十年代，罗马大道、金字塔、吴哥古城、古埃及名城亚历山大等世界知名历史遗迹都应用了遥感考古这项技术(张多勇，2007)。

我国从最初的航片目视判读(孟佳芳，2002)到与TM影像图等结合解译，进而发展到高光谱遥感考古的地下无损探测。1996年，在河南洛阳邙山古墓群、汉魏故城、偃师商城等地进行首次尝试遥感与航空摄影考古，标志着遥感考古在中国正式展开(杨林，2002)。段清波、周小虎等(2007)应用现代遥感技术在秦始皇陵区对文物遗存进行无损探测，发现了封土堆热异常，证实了阻排水渠的存在及其阻水效果， 确认了西墓道的存在。田庆久(2007)对江苏西溪贝丘遗址，利用高光谱遥感飞行数据成功对工区遗址信息进行了提取和圈定。张依欣等(2018)利用高分辨率WorldView-2卫星、TerraSAR-X雷达影像和高精度的数字表面模型(DSM)，找到了良渚遗址群的城墙和城内的台地。如今，航空相片、机载与星载传感器的不断发展显现出遥感技术在考古领域的巨大应用价值和广阔发展前景(邓飚，2010)。宗鑫(2017)认为将遥感和探地雷达相结合是文化遗址无损探测领域的重要发展趋势。

众多考古工作者先后对沣、镐进行了长达半个世纪的田野考古调查和发掘工作，考古界大致认为沣镐两京的位置就在今沣河两岸，沣京位于沣河中游西岸，东界沣河，西界灵沼河，北至岭岗地北缘，即今客省庄村北至海家坡一线，南到石榴村至鲁坡头，面积约8～10km2。镐京位于沣河东岸，商周时期的西北界临沣水，总面积约5km2(见图1)(张拴厚，2012)。虽然取得了一系列重要成果，但未取得突破性的进展，具体位置一直不能确定。使用传统考古手段无法迅速提供历史地理环境资料，古代遗存分布规律难以寻找。因此，使用遥感考古高新技术对沣河沿岸进行文物遗存的再提取是非常有必要的。

图1 研究区地理位置示意图

2 研究方法

地下的文物遗存信息只要达到一定规模，就会对上覆土壤湿度或植物产生的电场、磁场和光谱等方面的干扰，一个埋藏的石质地基可能更有磁性，阻碍植物生长，热辐射值会比周遍环境高；烧毁的物质会深深地增加土壤磁性(Clark，2000)；沉积物的变化、压实程度、土壤中水分的含量和其它因素都会影响太阳辐射的吸收率和自身的辐射率，产生热异常(Dabas & Tabbagh 2000)。遥感可以穿透地表一定深度，反映土壤文物遗存特征变化信息、植物覆盖信息，遥感考古就是通过分析各种遥感影像特征来发现分布于田野的古代遗存，开展考古研究和文物保存工作(栾盛楠，2004)。使用遥感探测仪器代替肉眼，不仅可以获得物体通过可见光反映的情况(肉眼能见到的)，还可以探测到物体在近紫外、红外、微波等非可见光的辐射或反射信息(肉眼所看不到的)。大多数传感器只对一定波长范围做出敏感反应，因此多种方法可以提供多角度结果，提供多种印证补充。

本文论述以高光谱遥感为主要技术的多元遥感考古研究方法。总结长安-鄠邑研究区(见图1)历史地理环境(水道、湖泊、地貌的变迁)、文化遗存(聚落、陵墓)及其分布，为历史学研究与环境考古提供更为翔实的资料。

(1) 分析比较久远的航空摄影像片，解析文化遗存信息。利用1956年全色航空摄影相片，人类扰动较少，制作高精度DTM，反演原始微地貌，获取异常特征。在立体状态下，观察航空图像上的色调、阴影、纹理、地物形态等标志的变化，结合当时的成像季节、太阳高度、方位和地形特征，达到识别和提取异常信息的目的。地面就有若干直径3～50m，高度1.5～20m的园丘形封土堆。位于村庄周围(尤其是南北两侧居多)分布。现在这些封土堆现在地面踪迹全无，难以准确定标。采用快鸟图像对1956年的老航片进行几何校正几何位置配准，把解译的结果标注在快鸟图像上。

(2) 高光谱遥感古文化遗存信息。实施研究区高光谱遥感飞行，将能反映温度差异的夜航热红外遥感图像进行信息提取，进行高通、低通滤波处理，分别将原图像、低通滤波图像、高通滤波图像进行RGB组合。寻找温度差异点，再与周边地物环境做对比分析加以辅证。夜航高光谱与快鸟图像组合提取的异常信息见图2，解析引起异常的原因；提取可能指示文化遗存的信息。

(3) 高空间分辨率卫星遥感古文化遗存信息解析。利用Quickbird卫星数据，提取大区域内文化遗存整体布局信息，利用多时相遥感图像识别植被长势差异、微地貌差异，进而推测古文化遗存。

(4) 古地理环境变迁的遥感分析。以1998年的TM遥感图像和热红外图像为基础，解译研究区及其外围地形地貌、古地理环境、水文地质条件，宏观分析区内规模较大的墓葬、陪葬坑及附属设施遗址等文物遗存点与自然地理环境的关系。重点研究和分析沣河在第四纪的摆动和变迁特征。

3 关键技术

关键技术工作主要体现在获取并处理日航、夜航两种环境的高光谱数据(64个波段)和解译1956年老航片立体像对，提取微地貌信息，结合高光谱的异常信息，圈定可疑点。

3.1 高光谱数据获取与处理

高光谱数据获取系统分成两部分，空中集成中国科学院上海技术物理研究所OMIS2成像光谱仪、加拿大APPLANIXIMU/DGPS高精度航空导航定位姿态测量系统；地面集成中国煤炭地质总局航测遥感局的Field ProFR分光辐射光谱仪、SMS2土壤水分测量仪、ER-2008红外测温仪，形成空—D地同步观测系统，空中观测数据通过姿态定位校正和地面定标处理形成了一套较高质量的高光谱数据。

高光谱飞行分为夜航和日航，在飞行的同时进行了地面光谱和温度的定标工作。日航飞行同步开展地面波谱测试，夜航飞行同步实测各类地物的表面温度。目的是测定地面定标点的光谱反射率、地表温度、湿度等参数，为高光谱图像反演地物光谱及地面温度提供基础数据。由于飞行高度低，受大气影响严重，存在不同程度的辐射畸变和几何畸变为此，利用统计校正方法进行了辐射畸变处理，对几何畸变使用OMIS和GPS/IMU数据格式的破解，实现两类数据的匹配，完成这些数据的高精度几何校正。

3.2 高光谱数据信息提取

沉积物的变化、压实程度、土壤中水分的含量和其它因素都会影响太阳辐射的吸收率和自身的辐射率，产生热异常(Dabas & Tabbagh 2000)。文物遗存特征能引起在地物辐射的细微变化，与周围环境相比较，这种差异就能被区分出来：一个埋藏的石质地基可能更有磁性，阻碍植物生长，热辐射值会比周遍环境高；烧毁的物质会深深地增加土壤磁性(Clark，2000)；或者潮湿沉积物填补原有的壕沟将会促进地表的植物生长，热辐射值会比周遍环境低。

将夜航热红外遥感温度图像进行信息提取，为了突出信息的层次，易于目视识别，必须对温度图像进一步增强处理，首先进行高通、低通滤波处理，分别将原图像、低通滤波图像、高通滤波图像进行RGB组合。寻找温度差异点，再与周边地物环境做对比分析加以辅证，夜航高光谱与快鸟图像组合提取的异常信息如图2所示。

图2 高光谱-热红外-快鸟图像综合提取的异常区域

3.3 1956年老航片信息提取

在立体状态下，观察航空图像上的色调、阴影、纹理、地物形态等标志的变化，结合当时的成像季节、太阳高度、方位和地形特征，达到识别和提取异常信息的目的。

全色图像上判别考古遗迹的标志有下列几种：

1)同等耕作条件下，规模较大的同一田块中出现的色调异常，包括深浅、形状，通常出现为非线性斑块，空间展布不同于田埂、道路、水渠，这些色调异常可能与地下墓葬、古代垃圾坑、夯土层有关。

2)大片区域内地表形态相对稳定，在坡度、坡向一致的情况下，出现规模较大的凹陷，与周围地形不协调，尤其在距村庄较远的地方，出现比较规则的凹陷坑，很可能是古代人类大规模改造的结果，例如古代砖窑、陪葬坑等。

3)空间布局上出现断续的异常点，构成一定形状的图案，例如城墙遗址。

借助于立体测图技术和立体镜下解译，可以在1956年的航空摄影图像上判读出地面圆形封土堆，但是由于大规模平整以及后来的居民地扩张，现在这些封土堆在地面踪迹全无，难以准确定标。为了给立体判读的结果准确定位，采用最新的快鸟图像进行地理几何编码处理，即把快鸟图像进行几何校正，以快鸟图像为标准，对1956年的老航片进行几何校正，使得二者在空间上实现几何位置的配准，然后在立体仪下进行解译，把解译的结果标注在快鸟图像上(见图3)。

4 研究结果

经过多种遥感信息综合分析后，集中重点为香积寺村、贾里村、杜永村三个村子之间的区域，最后确定规模较大的9个可疑区，如图3所示。

图3 勘探验证的遥感考古遗迹异常区

采用钻探的手段检验遥感圈定的文物遗存靶区，是对遥感考古技术的最严格的检验。考古研究所选择验证了其中的8个可疑区，其中有5个为从高光谱遥感图像和热红外遥感图像提取的异常区域，有3个为微地貌异常信息。

根据陕西省考古研究所的钻探验证结果，认为“在通过遥感获取的异常区域内经过严格的考古钻探工作，发现了数量不少的古代文化重要遗存。表明运用非考古勘探的遥感勘探技术寻找地下古代文化遗存有较高的准确性”。