东北“辽金古城”遗址遥感识别技术研究

陈宇星，李远华

（吉林大学 地球探测科学与技术学院，吉林 长春130021）

东北地区作为辽金朝代的发源地及核心行政区域，留有众多历史文物和古塔、古城等遗址与遗迹。其中，东北境内至今还分布着数百座“辽金古城”遗址。开展古城遗址相关的各项研究，对于深入揭示辽金建筑文化、服务东北历史遗迹保护与旅游资源开发、振兴东北具有重要的文化价值和现实意义。

总体来看，前人多采用传统的考古、文物发掘等研究手段，通过历史材料整理、文物普查等方式对东北地区“辽金古城”的文化历史开展研究，积累了大量文字资料[1-5]。近年来，结合遥感与GIS方法的考古研究有所发展，但在东北“辽金古城”研究领域，相关技术应用较为薄弱[6-10]。如何运用遥感与GIS开展东北地区“辽金古城”遗址研究，为其赋予更多空间与结构信息，是一个值得深入探讨的问题。

本文在充分收集、整理相关资料的基础上，深入分析东北“辽金古城”遗址的主要遥感特征和量化方法，针对其特点构建了遥感技术可提取的古城空间参数，提出“辽金古城”遥感信息提取技术和遥感影像分析方法并开展了技术验证。研究成果初步反映了东北地区“辽金古城”的分布现状，提供了“面积、形态、走向、空间结构”等古城遗迹空间信息，为东北““辽金古城””遗址的调查与保护提供了专业的遥感技术与GIS智慧。

1 “辽金古城”的遥感特征分析

要进行东北“辽金古城”遗址遥感信息提取研究，首先需明确城址的特点和遥感影像特征，为建立提取技术奠定理论基础。

1.1 古迹特征

东北“辽金古城”具有典型的时代特征。其整体建筑形态多呈非正南北朝向的方形、矩形，偶有特殊的圆形、椭圆形；多数古城四隅筑有角台，城墙建有防御结构，城址设多个城门；城墙多为夯土材质，墙体较宽，原始城墙上部可提供巡逻场地；古城内部除居民区、办公区外，部分还建有军火库、炮台等军事设施（见图1）。“辽金古城”大多距今已有1000多年的历史，又因土质建筑材料的限制，易受人为或自然因素的影响而遭到破坏。现存古城遗址多单独出现，主要残留为古城墙、角台、宫殿台基等（见图2）；另有一小部分是双生结构：两座同等级的古城伴生出现、互为防守，或大型城址周边有小型附属城址。

图1 土城子城址平面图

图2 典型辽金古城遗址细节图

1.2 遥感特征

根据《中国东北地区辽金元城址的考古学研究》中对古城的考察成果，实验收集与整理了200余处遗址记录并获取对应古城的遥感图像，从遗址形状、大小、色调、颜色、位置、纹理、阴影等方面，分析它们的遥感特征，其主要表现为如下几点。

从形状和大小上看：遗址多为方形，偶有椭圆形等其他不规则形状；一般长150-500m、宽100-400m、周长500-2500m，面积多在10000-200000m2。从色调上看：遗址内部色调在夏天一般较公路与居民地深；有雪覆盖时遗址城墙阴影处色调明显较深。从颜色上看：部分遗址城墙上草被与树木生长茂盛，保护情况良好，因而遗址边界处影像符合植被颜色变化规律；部分遗址城墙上缺少植被覆盖，因而影像颜色具有不确定性。从纹理上看：近十年多时相遥感影像中，遗址内部纹理多与周围耕地相同；少数遗址内建有房屋，符合现代居民地纹理特征。从空间位置上看：遗址多在现代村落周围0-1.5km范围内，少部分在山上或紧邻水源地附近（见图3）。

图3 典型“辽金古城”的遥感特征

2 遥感信息提取方法

2.1 技术路线

通过前述分析，可构建“辽金古城”遥感信息提取技术流程，具体分为资料收集、图像处理、解译标志建立等数个核心步骤。

首先收集东北地区“辽金古城”相关文字资料，依据资料中的描述选择数据源进行遥感影像查找与收集；而后对收集到的遥感影像进行图像校正、图像增强等数据处理，依据影像特征建立解译指标；最后通过遥感影像提取东北“辽金古城”各类形态、结构信息，并提出“辽金古城”遥感分析方法（见图4）。

图4 遥感信息提取技术路线图

2.2 技术方法

2.2.1 资料收集与遥感数据源选择

通过对古城特征的分析可知，要想准确识别古城遗址，在对其分布和特点有科学认识的前提下，要选取合适的遥感影像开展信息提取。遥感数据源的选择，要考虑传感器类型、空间分辨率、数据时相等综合因素。古城遗址总体构成相对简单，普通的可见光遥感影像即可满足探测需求。由于古城边长多在100-500m，城墙宽度在2-7m，因此要对古城城墙宽度、内部情况及其他相关结构进行识别，遥感影像分辨率以优于2.5m为宜，若提高到亚米级效果更佳（见图5）。而由于历史久远，有些遗址边界不够清晰，同时由于现代建筑、植被覆盖等因素会在不同季节对遥感影像中遗址整体形态产生不同的影响，因此需要借助多时相遥感数据获取更为精准的现代建筑、植被覆盖、古城遗址边界等地物信息（见图6）。

图5 同一古城不同分辨率遥感影像对比

图6 多时相遥感影像中的古城

2.2.2 图像处理

在图像查找与获取的过程中，需保证其空间位置的准确性和影像形变的消减。因此，首先要完成遥感图像的坐标系建立和投影变换、图像校正。计算周长、面积等几何参数时，要将数据投影至直角坐标系，对于无坐标遥感影像要进行几何校正，使其符合上述要求。

古城信息提取的主要任务是范围圈定和内部要素提取，因此要保证边界清晰、内部要素对比度高、易于识别。在此要求下需针对偏暗的原始遥感影像进行“对比度增强”和“亮度调节”（见图7），有时还要进行边缘增强处理。为反映古城遗址所在地的植被发育情况，要尽量选择对植被反射率高的波段参与组合。

图7 典型城址对比度增强效果图

2.3 解译标志建立

综合分析古城遥感影像，首先可以从形状、大小、色调、颜色、位置、纹理等方面出发，同时细化城门、台基等内部要素，提取典型古城的遥感特征。依此形成古城遥感解译标志，为东北“辽金古城”的圈定提供特征支持，为其遥感解译、图像分类等工作奠定理论基础。

2.4 信息提取

信息提取的要素包括：中心位置、城门位置、古城边界、古城结构参数、现代挖掘处、内部土利用类型等，可以采用ArcGIS平台进行人机交互解译（部分自动分类方法），数字化指标可以通过提取成果的矢量数据统计得到。

在信息提取时要注意以下问题：（1）遥感影像中要以古城墙最外侧为基准勾绘古城边界，有植被干扰时优先考虑古城的几何形态边界。对于痕迹模糊的遗址，要以影像特征为基础，通过“包络线”方式确定边界。城墙内边界勾绘方式同上。对于城内其他的现代地物，则采用土地利用类型解译方法提取其位置与范围。（2）确定古城位置点时，可通过遥感影像提取到的边界来判断其几何中心；确定城门位置时，可根据历史记录参考古城形态综合提取古城中心线，进而判断与标记城门；对于疑似现代人工挖掘的道路出口等位置，可对比多时相遥感影像中的地物变化状况以及结合实地考察来确定与标记。（3）其他反映古城形状、结构的周长、面积、占地比例等参数，可以在调查成果的基础上通过自动获取和测量解译图中矢量数据的方式实现，如图8所示。

图8 黑龙江省哈尔滨市“阿城区小城子城址”遥感特征提取

2.5 成果数据表达方法

“辽金古城”遥感影像数据、具体量化数值等综合信息提取完成后，可以通过单个古城空间信息遥感分析图的制作来综合各类调查数据，可视化表达各古城遗址整体特征。

3 单个古城遥感分析方法

古城遥感调查成果的总体分析与常规GIS分析方法类似，常用空间分图、空间密度、分布区域统计等方式实现。然而，单个古城对于宏观性强的遥感技术而言，相当于一个微观对象，要全面反映它的面貌，就必须从微观尺度加以分析。因此，本文在前述工作基础上，以单个古城遗址为分析对象，提出有针对性的遥感分析技术，具体思路和方法如下。

3.1 分析方法

在单个古城遗址遥感分析时，首先要基于前述流程提取古城内外边界、古城墙残留形态、城门位置、古城中心线、城墙类型、现代挖掘点、古城遗址植被发育情况等特征数据，而后利用GIS制图技术编绘典型古城遥感分析图。其中古城形状可通过构建线文件来表达；城墙位置可通过多边形面来表达；整体形态可通过量测影像、标记参数来表达。

分析图（图9）关键点如下：首先以遥感影像为底图，辅以必要的居民地、道路等各类地理要素。古城特征通过点、线、面与形状、颜色等组合的方式体现——外边界采用单独的线要素表示（图中为粗框线）；城墙范围采用内外边界之间的面要素来表示（图中①号区域）；内部土地利用类型中，不同地类可用不同颜色表示，如现代耕地用暖色系不规则面要素表示（图中③号区域）、现代道路用冷色系面要素表示（图中⑤号区域）；关键信息采用要素标注方法进行标记，例如周长、面积等，其具体数值在图例栏进行表达；最后为地图添加图名、图例、比例尺、指北针及其他注记等整饰要素。

3.2 实践效果与分析

为实践与证明“遥感信息提取技术路线”的有效性，实验在信息收集过程中共整理遗址记录700余条，通过综合分析和本次遥感图像判定，在黑吉两省范围内，可以提供一定地理位置范围且有遥感痕迹的遗址暂为235处。同时，通过遥感影像判读，又新发现2处可圈定范围的古城遗址。而后实验在信息收集的基础上完成了235座遗址的遥感边界提取及数据库建立工作，并对它们整体的建筑风格、城址规模及周长、面积等参数的总体水平加以分析。

此外，为了验证“单个古城遥感分析方法”的可行性，本文选择吉林省珲春市“裴优城遗址”作为典型遗址，依据上述古城遥感分析方法对裴优城进行实验。主要提取要素包括古城内外边界、中心点、城门、植被发育情况等，同时利用Argis平台解译其内部“居民地”、“现代耕地”等土地利用类型，自动量测古城周长、面积等各类数字化信息，并编制遥感分析图，全面反映遗址的整体量化数据与土地利用特征（见图9）。

图9 “珲春市裴优城遗址”遥感分析图

通过遥感技术可以较全面地提取古城遗址的分布位置、整体形态、几何参数等特征信息，并整合为遥感分析图以反映古城当前面貌。综上所述，通过本文的研究与实践证明，此次提出的古城信息提取技术与古城遥感分析方法具有较强的可行性与实用性。

4 结论

本文在充分收集东北“辽金古城”信息的基础上，以有明确记录的古城为研究对象，通过对其特征的分析，提出了“辽金古城”遗址遥感信息提取内容和技术方法，并通过遥感影像明确其空间分布位置和边界范围，最后以典型古城遗址为例开展了遥感分析方法研究。上述实验探讨了遥感与GIS技术在东北“辽金古城”探测与保护中的应用问题，使得我们可以从遥感角度加深对“辽金古城”的了解。通过本文研究取得如下认识：

（1）从遥感与GIS视角出发开展古城遗址研究，应在收集相关历史信息的基础上，重点关注其建筑特征和空间形态，而后可利用遥感技术进一步获取其形状、规模、结构、保护状态等信息，较客观地补充反映古城遗址现状。

（2）开展古城信息提取时要选择多时相、高分辨率遥感影像，最好优于亚米级。同时要通过各类图像增强技术突出古城残存遗址的现状，再基于形态、结构、植被类型等解译标志提取古城位置、类型等信息。

（3）在古城遗址影像可解译程度较高的情况下，采用遥感技术可以提取古城内外边界、古城墙残留形态、古城门、古城中心线、现代挖掘点、城墙类型、古城遗址植被发育情况等数据。通过对这些数据的综合分析，可以较全面地反映古城遗址的现状结构和保存情况，对于古城的保护与开发具有指示性意义。