遙感考古：碧空“慧眼” 穿越千年

從海底探測到無損檢測，科技的發(fā)展給考古工作帶來更多可能。其中，遙感，讓傳統(tǒng)野外考古和文化遺產(chǎn)保護(hù)擁有了“慧眼”。相比地面考古調(diào)查，太空中的衛(wèi)星和天空中的飛機(jī)等遙感平臺為考古提供了不一樣的視角，對解讀數(shù)千年來的考古信息起到不可替代的作用。近年來，遙感考古技術(shù)得到系統(tǒng)發(fā)展，通過數(shù)據(jù)、理論、技術(shù)的不斷整合，在田野考古調(diào)查、文化遺產(chǎn)保護(hù)與復(fù)原、文物資源管理與展示等方面表現(xiàn)突出。

1 變不可能為可能，遙感技術(shù)賦能考古

遙感考古是指利用遙感對考古遺存進(jìn)行發(fā)現(xiàn)與識別的無損探測技術(shù)與方法，主要原理是基于多平臺多傳感器，獲取遺址和環(huán)境的空間、和光譜信息，根據(jù)光譜成像規(guī)律和空間相關(guān)性，提取遺跡的光譜、紋理、幾何特征及其空間分布。這讓許多過去不可能發(fā)現(xiàn)的信息，清晰展現(xiàn)在世人們面前。

當(dāng)?shù)乇?、淺地表存在考古遺跡或遺物時(shí)，會影響周圍土壤的物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)、含水量、營養(yǎng)成分與未經(jīng)擾動的自然堆積之間存在差異，從而在遙感影像上形成植被、土壤、陰影等考古標(biāo)志，為考古調(diào)查和發(fā)掘提供參考依據(jù)。

遙感不僅能夠服務(wù)于考古調(diào)查與發(fā)掘，關(guān)鍵是能夠記錄和解釋遺址及環(huán)境的歷史變化，尤其是隨著遙感考古理論與方法的發(fā)展，多種技術(shù)方法的引入與融合，能夠?qū)崿F(xiàn)對考古空間信息的深入挖掘、綜合研究和多維展示，為考古研究和文化遺產(chǎn)保護(hù)工作提供科學(xué)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

與傳統(tǒng)文物保護(hù)、考古學(xué)的傳統(tǒng)技術(shù)手段相比，遙感技術(shù)具有宏觀綜合、動態(tài)實(shí)時(shí)、客觀準(zhǔn)確、時(shí)空回溯、全天時(shí)全天候、穿透能力強(qiáng)等優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

觀測平臺多樣。遙感能夠根據(jù)考古調(diào)查、遺址監(jiān)測等不同應(yīng)用場景需求，從地面、飛機(jī)、衛(wèi)星等不同觀測平臺獲取多尺度和多時(shí)相的遙感觀測數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)多源性。載荷的成像譜段從可見光波段向長波和短波不斷延伸，能夠獲取到高空間、高時(shí)間、高光譜分辨率以及長時(shí)間序列的多源信息，為遺址調(diào)查、文物保護(hù)監(jiān)測和古環(huán)境重建提供豐富的數(shù)據(jù)源。

全天時(shí)、全天候、大范圍。遙感技術(shù)能夠突破氣候條件、觀測時(shí)段的限制，快速、準(zhǔn)確、宏觀地獲取地表、淺地表的考古信息。

動態(tài)實(shí)時(shí)。遙感能夠獲取海量數(shù)據(jù)，具備對遺址及賦存環(huán)境進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)觀測的能力。

穿透能力強(qiáng)。遙感考古可在一定程度上穿透遺跡上層的覆蓋，激光雷達(dá)能穿透森林冠層獲得地面信息，合成孔徑成像雷達(dá)和探地雷達(dá)能穿透地表的不同深度，從而獲取地面遺跡或埋藏于地下的遺跡信息。

無損探測。遙感能夠突破傳統(tǒng)田野考古的局限性，在不進(jìn)行考古發(fā)掘的前提下感知、測量和分析考古遺存的特征，極大提高考古調(diào)查的效率和探測能力，在農(nóng)作物覆蓋、戈壁灘等不同地表覆被情況的考古調(diào)查中取得很好的應(yīng)用效果。

可以說，遙感技術(shù)在文物的發(fā)現(xiàn)、保護(hù)、修復(fù)與管理等領(lǐng)域不斷發(fā)力，并逐步形成遙感考古這個(gè)獨(dú)具特色的研究領(lǐng)域。隨著遙感考古技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用研究的不斷深入，地理信息系統(tǒng)、地球物理、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘、知識圖譜、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)逐漸融入遙感考古研究中，拓展了遙感考古研究的思路、方法和內(nèi)容，提高了田野考古工作和文化遺產(chǎn)保護(hù)的水平，推動遙感考古研究步入嶄新的時(shí)期。

2 西域都護(hù)府治所究竟在哪里？遙感助力解答千古謎題

遙感考古技術(shù)的一個(gè)典型應(yīng)用，就是對西域都護(hù)府治所位置的判斷。西域都護(hù)府是漢代中央治理西域的最高政治機(jī)構(gòu)，對其治所位置的探尋是考古及歷史學(xué)者鉆研近百年的課題，但始終沒有定論。近年來，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、國家博物館和新疆文物考古研究所等單位聯(lián)合，將遙感、物探技術(shù)與文獻(xiàn)考證、實(shí)地考察等手段結(jié)合，進(jìn)一步推進(jìn)尋找西域都護(hù)府治所的考古研究。

研究人員通過歷史記載和文獻(xiàn)，初步劃定遺址可能所在區(qū)域，利用多源遙感數(shù)據(jù)對該區(qū)域進(jìn)行大范圍探測，發(fā)現(xiàn)考古感興趣區(qū)，進(jìn)一步采用多種地球物理手段對感興趣區(qū)進(jìn)行勘探，驗(yàn)證并獲取地下埋藏目標(biāo)信息，通過地上地下一體化考古探測與綜合分析，獲取古城的布局和形制等方面信息，最后通過傳統(tǒng)考古鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。遙感考古探測的結(jié)果為考古調(diào)查和發(fā)掘提供了重要的參考信息。

根據(jù)北京大學(xué)考古文博學(xué)院教授林梅村的研究，“漢代西域三十六國流行圓城，而中原多為方城”?；诤娇蘸秃教爝b感影像發(fā)現(xiàn)奎玉克協(xié)海爾古城為圓角方形，表現(xiàn)出西域與中原特色的融合，城墻邊長約230米，為漢代的百丈，符合漢代規(guī)制。

遙感影像上發(fā)現(xiàn)古城高臺周邊有一圈環(huán)形異常，尤其是降雨后表現(xiàn)為明顯的潮濕標(biāo)志，后經(jīng)地球物理探測其水分含量高于周邊，推測為壕溝。在城內(nèi)和疑似壕溝多處進(jìn)行鉆探發(fā)現(xiàn)大量的紅燒土和灰燼層，經(jīng)碳14測年距今約2200年左右(漢代)。

研究人員依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和勘探分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)古城高臺最高處距地面約6米，推斷其早期為“多級高臺建筑”，據(jù)此模擬復(fù)原了奎玉克協(xié)海爾古城原貌。

2017年，“漢唐絲綢之路的開拓—西域都護(hù)府”研討會在新疆巴州輪臺縣召開，與會學(xué)者認(rèn)為西域都護(hù)府遺址位置可初步確認(rèn)在輪臺境內(nèi)。

3 不斷進(jìn)步不斷突破，我國遙感考古實(shí)踐日趨豐富

我國遙感考古技術(shù)應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代修建三門峽水庫，其時(shí)，科學(xué)家們利用航空照片分析了庫區(qū)古代遺址、墓葬的分布。此后，開展了北京長城航空遙感調(diào)查、壽春城遙感解譯、陜西和寧夏交界處干沙掩埋的古長城探測、秦始皇陵遙感考古勘探等研究工作。2001年，由中國科學(xué)院、教育部、國家文物局聯(lián)合成立遙感考古聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，標(biāo)志著我國遙感考古應(yīng)用進(jìn)入新階段。隨后，國家文物局啟動了系列多學(xué)科聯(lián)合的重大科研項(xiàng)目，以遙感技術(shù)為主的空間信息技術(shù)成功運(yùn)用于京杭大運(yùn)河保護(hù)、中華文明探源工程、西部干旱區(qū)典型遺址探測、天地聯(lián)合田野考古調(diào)查等研究中，大大推動了遙感考古技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

近年來，遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于考古調(diào)查、發(fā)掘、保護(hù)與研究工作，取得了系列突破性進(jìn)展和標(biāo)志性成果，在推動考古學(xué)發(fā)展方面起到了不可替代的重要作用。

一是遙感考古調(diào)查與發(fā)現(xiàn)。遙感技術(shù)可以克服復(fù)雜地形對傳統(tǒng)考古調(diào)查的影響，形成對考古遺址結(jié)構(gòu)布局及分布的新感知。在海南、新疆第三次文物普查中，應(yīng)用遙感技術(shù)對古城、墓葬、長城、坎兒井等不可移動文物進(jìn)行大范圍遙感考古調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了數(shù)百處遺址，尤其在茂密植被覆蓋區(qū)、荒漠和戈壁等無人區(qū)的考古調(diào)查中發(fā)揮了重要作用；開展西北干旱區(qū)地表考古勘察，在古絲綢之路干道甘肅瓜州-沙洲段發(fā)現(xiàn)多處古城遺址，填補(bǔ)了巴州古城遺址以西區(qū)域漢唐遺址遙感考古發(fā)現(xiàn)的空白，為西北邊疆史地研究提供豐富的實(shí)物資料；在內(nèi)蒙古、河南、河北和新疆等地的航空考古調(diào)查中發(fā)現(xiàn)了多處考古遺跡，為多元文化融合區(qū)的考古研究提供了新的素材。

二是空間技術(shù)協(xié)同探測。隨著遙感考古應(yīng)用實(shí)踐與積累，遙感考古也逐漸走向遙感、地理信息系統(tǒng)、地球物理等多元信息與技術(shù)融合的綜合遙感考古應(yīng)用，有效提升了在京杭大運(yùn)河、絲綢之路、長城等大型線性文化遺產(chǎn)和都邑性遺址、典型遺跡的考古信息獲取能力與協(xié)同探測能力，為遺址探測、空間預(yù)測、環(huán)境分析等提供了基礎(chǔ)信息和技術(shù)支持。

三是文化遺產(chǎn)保護(hù)監(jiān)測。遙感技術(shù)能夠監(jiān)測文物本體保存狀況、核心區(qū)和緩沖區(qū)內(nèi)的自然和人為變化、周邊地區(qū)開發(fā)對文物本體的影響等，支撐文化遺產(chǎn)保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)評估?；诟叻直媛市l(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、長時(shí)間序列中分辨率光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)、微波遙感數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)等多源遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建成吳哥遺產(chǎn)地空間數(shù)據(jù)庫，提取吳哥遺址本體及周邊森林、水系、地表形變等環(huán)境特征要素的時(shí)空分布信息，實(shí)現(xiàn)遺產(chǎn)地綜合監(jiān)測；利用“地中海盆地觀測小衛(wèi)星星座系統(tǒng)”(COSMO-SkyMed)數(shù)據(jù)，獲取洛陽古城地表沉降場，初步揭示人類活動對典型遺產(chǎn)地的影響。

四是文物鑒定、修復(fù)與保護(hù)。利用文物專用高光譜掃描成像系統(tǒng)，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，能夠?qū)Σ世L類文物的隱藏病害進(jìn)行無損提取和鑒定，增強(qiáng)對壁畫繪畫工藝、色彩搭配以及材料來源等歷史信息的認(rèn)知，為彩繪類文物保護(hù)與修復(fù)提供重要科學(xué)依據(jù)。在對敦煌莫高窟壁畫起甲病害的評估中，采用近紅外高光譜技術(shù)，獲取出從未發(fā)生起甲到碎片脫落的病害周期內(nèi)各個(gè)階段的光譜信息，便于對文物病害位置進(jìn)行有效保護(hù)。

五是文物信息數(shù)字化與三維展示。綜合不同平臺的遙感數(shù)據(jù)以及測繪、現(xiàn)場調(diào)查、考古研究等資料，用于考古信息的數(shù)字化記錄和遺址三維展示，推動文物的活化利用。利用三維激光掃描技術(shù)對東漢函谷關(guān)、龍門石窟、佛香閣復(fù)雜大型古建筑進(jìn)行三維復(fù)原，有力支撐文化遺產(chǎn)的保護(hù)；利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)和考古調(diào)查資料等，對北京、新疆等多地長城的烽燧、戍堡、卡倫、驛站遺址進(jìn)行三維復(fù)原，對陶寺、雙槐樹等系列遺址的古地形進(jìn)行三維重建，實(shí)現(xiàn)遺址與環(huán)境變遷的再認(rèn)知。

六是文物空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)與大數(shù)據(jù)分析。基于文物資源管理與考古全流程的業(yè)務(wù)需求，建立文物數(shù)據(jù)管理和分析的智能化平臺，推動文物綜合應(yīng)用體系的構(gòu)建。建立典型遺跡波譜庫，獲取不同材質(zhì)、年代、埋藏條件下的遺跡波譜特征，為遙感考古探測提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；基于海量遙感數(shù)據(jù)和考古調(diào)查、考古勘探和考古發(fā)掘等信息，構(gòu)建了文物資源管理系統(tǒng)、考古綜合數(shù)據(jù)庫、中國世界文化遺產(chǎn)遙感數(shù)據(jù)庫等，實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的聯(lián)通；融合人工智能和遙感考古大數(shù)據(jù)分析方法，將海量多源遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化遺址信息和考古知識，為文化遺產(chǎn)的科學(xué)保護(hù)與管理提供空間大數(shù)據(jù)支撐。

遙感技術(shù)能夠最大限度地獲取文物的時(shí)空信息，從宏觀、中觀、微觀不同層面，為解決考古學(xué)問題提供不可替代的信息和服務(wù)。在宏觀景觀層面，能夠全面掌握遺址賦存環(huán)境的地表要素變化、空間分布情況；在中觀遺址層面，能夠了解文物的空間結(jié)構(gòu)、布局及空間位置關(guān)系；在微觀本體層面能夠獲取遺址及遺跡的多維空間細(xì)節(jié)信息。遙感已經(jīng)成為考古調(diào)查與監(jiān)測必不可少的手段。

隨著遙感數(shù)據(jù)的極大豐富，空間考古信息呈現(xiàn)爆發(fā)式增長的態(tài)勢，發(fā)展基于人工智能和考古大數(shù)據(jù)的遙感考古技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)之一。在多學(xué)科融合背景下，遙感與地球物理、環(huán)境等多學(xué)科的交叉融合，會進(jìn)一步促進(jìn)遙感考古的協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展。未來，遙感技術(shù)的不斷突破與文物行業(yè)需求的有效牽引，將促進(jìn)遙感考古基本原理、技術(shù)方法、應(yīng)用水平的全面提升，推動考古智能化、定量化發(fā)展，為推動建設(shè)中國特色、中國風(fēng)格、中國氣派的考古學(xué)貢獻(xiàn)遙感力量。

(作者：于麗君、朱建峰、顧燕杰，分別系中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院副研究員、副研究員、七級職員)

來源：光明日報(bào)