好文推荐丨星/机载考古与文化遗产遥感应用研究：世纪评论（1907-2017）

遥感人的成长家园

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遥感，文化遗产，摄影测量，多/高光谱，SAR，LiDAR，无人机，大数据，空间考古

曾经，一把洛阳铲是考古工作者最实用的工具。如今，考古已不再只靠“手工”技术。遥感技术越来越多地被运用在考古研究中，成为一种先进的考古方式。

考古遗址和文化遗产是我们这个星球文化多样性的核心载体之一，直接关系到人类的可持续发展。联合国教科文组织（UNESCO）和国际科技界一直致力于推动和鼓励使用先进的无损探测技术与方法进行考古遗址和文化遗产的科学研究与利用保护。

遥感作为一种非破坏性的技术手段，越来越受到世界各地遥感考古专家的喜爱与使用，因为它允许在多个尺度上进行快速的考古遗址勘探分析、文化遗产本体及其赋存环境的动态监测。

中国科学院空天信息研究院骆磊、王心源、郭华东等人近期发表综述文章《Airborne and spaceborne remote sensing for archaeological and cultural heritage applications: A review of the century (1907–2017)》，基于20多年在一带一路沿线的案例实践与理论积累，系统总结回顾了过去110年（1907-2017）遥感在考古与文化遗产领域应用的发展历程，全面阐述并提出了摄影测量、多/高光谱、SAR、LiDAR等主被动探测技术的应用原理、国内外研究进展与现状、优势与不足、面临的问题与挑战等，最终实现从20世纪遥感考古学（Remote Sensing Archaeology, RSA）到21世纪空间考古学（Space Archaeology, SA）的历史性跨越。

论文标题

Airborne and spaceborne remote sensing for archaeological and cultural heritage applications: A review of the century (1907–2017)

发表期刊

Remote Sensing of Environment

论文全文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0034425719302998

研究源起 

考古/文化遗产是遥感最早得到应用的领域之一，早在1906年军用热气球就被用于拍摄英国巨石阵遗址。随着航空飞机、飞艇、火箭、航天飞机、空间站、卫星等观测平台的不断发展，以及摄影测量、光谱成像、SAR、LiDAR等探测技术的不断完善，考古学家逐渐认识到多平台主被动遥感技术对于探测和理解考古遗址及其赋存环境的巨大价值。尽管遥感在考古/文化遗产领域的应用已有一个多世纪，并在上个世纪八九十年代涌现出了一大批具有重大意义的考古发现和研究成果，但进入21世纪后，遥感与考古“两张皮”问题日益显著，遥感考古技术革新缓慢，遭遇了前所未有的发展瓶颈。

图1 遥感考古概念示意图

  研究现状 

01

摄影遥感考古

20世纪20年代初诞生的航空摄影遥感考古，提出了植被、土壤和阴影三大考古解译标志，进而奠定了遥感考古今后发展的理论与技术基础。过去100多年里，摄影遥感考古主要是利用存档的历史航空摄影照片与冷战时期的间谍卫星照片（CORONA卫星等）开展考古遗址的调查、勘探与制图，因为它们大量保留了已被破坏或消失的考古遗址或文化遗产的信息。

同时，利用运动恢复结构（SfM）和多目立体视觉（MVS）技术，基于历史相对可以重建研究区的历史数字高程模型（hDEM），为考古遗址的历史景观认知提供全新的数据。进入21世纪，无人机成为摄影遥感考古的新宠，尤其是无人机摄影测量技术广泛应用于文化遗产的三维建模展示以及考古发掘现场的三维实时记录。

(a)1945年历史航片   (b)1967年CORONA历史卫片                                                                

(c)谷歌图像                     (d)明清北京城城市布局

图2 基于历史航片和CORONA历史卫片，数字化重建明清北京城的城市布局与变迁

02

光谱成像考古

光谱成像考古中最常用的解译标志是植被和土壤两大标志，它们在多/高光谱图像中往往与周边地物存在明显的光谱特征差异，通过图像增强可以提高解译标志的可视性，进而解译得到埋藏的考古特征。

植被标志的可见性通常取决于植被类型和土壤条件，其在图像上的表达又取决于植被的生长周期。由于局部土壤性质的细微差异形成的土壤标志，其在图像上的表达取决于土壤的物理、化学和生物条件，特别是土壤水分和土壤成分。

多/高光谱技术在很大程度上解决了这些问题，因为它能够同时在不同的波长范围内进行光谱成像。此外，可以结合黎明前和正午的热图像来确定地表热惯性的变化，这些变化可以指示埋藏考古遗址目标或土壤湿度差异。

图3 遥感考古解译标志

03

合成孔径雷达考古

与光学遥感相比，SAR在探测掩埋特征、土壤标志和微地形起伏方面具有独特优势，尤其是在干旱-半干旱地区。不同的频率的SAR图像具有不同的“穿透能力”，一般而言，较低频率的SAR图像表现出更大的穿透能力，主要受到地表特征、树冠和土壤水分含量等的显著影响。

干涉合成孔径雷达（InSAR）技术是基于对覆盖同一场景的两个或多个SAR图像进行干涉处理的技术，能够检测到不同采集间隔之间发生的缓慢变化。高分辨率DEM是最常见和最常用的InSAR衍生产品之一，它提供了考古遗址及其赋存环境的精细高程特征，用于研究考古遗址目标分布的地形特征。同时，基于D-InSAR和MT-InSAR技术的微形变产品被广泛应用于文化遗产本体及其赋存环境的结构不稳定性和脆弱性的早期预警及危害监测。

图4 基于SIR-C/X-SAR极化数据的隋、明两代长城遗址的探测与发现

04

激光雷达考古

机载激光雷达能够穿透一定厚度或深度的密林和水体，实现林下或水下目标的准确探测，被考古研究人员用于密林覆盖区遗址、水下沉船等的调查与识别。一般来说，近红外LiDAR（波长1064 nm或1550 nm）可以穿透树冠获取地形信息；蓝绿LiDAR（波长532 nm）可以穿透水柱进行水深测量。

数字表面模型（DSM）和数字地形模型（DTM）是机载激光雷达点云最重要的两类衍生产品，DSM提供了树冠顶部、人造结构或水面高度的估计值，DTM显示了裸露地表、水下地形的高程特征。激光雷达考古的关键技术主要包括遗址目标点云数据的滤波与分类、DSM与DTM产品的精确生成及其快速三维渲染与可视化展示。同时，多/高光谱LiDAR的涌现为林下及水下遗址探测提供了全新的技术手段和科学数据。

图5  基于机载LiDAR数据的疑似玛雅遗址探测与识别

  趋势与讨论  

在新一代数字地球和地球大数据的双重时代背景下，21世纪以遥感为代表的空间信息技术应用于考古/文化遗产领域的五大新方向：

● 走向自动识别与人工智能

由于考古遗址目标的多解性及其赋存环境的复杂性，导致目前遥感考古仍以专家的目视或人机交互解译为主，需要消耗大量的时间、人力和物力，亟需自动识别甚至人工智能方法的出现，以提升考古遗址目标解译识别的速度与效率。

● 走向地球大数据与云计算

单靠遥感数据是不可能完全解决或解释实际的考古问题或现象，需要在云平台下进行地球物理勘探数据、田野考古发掘数据、气象水文物候观测数据、遗址本体及其赋存环境的物理与生化测验数据等地球大数据的综合分析与集成应用。

● 走向遗址本体与赋存环境综合体

遥感考古不能只见树木（遗址本体），不见森林（赋存环境）。景观尺度的遥感考古是一个极具挑战性的领域，不仅需要对遥感有很好的了解，还需要了解遗址赋存环境的地形、地貌和水文条件、遗址的历史起源和相关的社会文化环境等。

● 走向成果落地与服务SDG 

考古遗址与文化遗产是重要的文化旅游资源，是区域经济发展的驱动器。遥感考古的科技成果需要及时落地，用于积极推动文化旅游资源的保护、发展与利用，支持联合国可持续发展目标11.4“加大努力保护和捍卫世界文化与自然遗产”的实现。

● 走向国际合作网络经验的充分利用与转化

国际合作网络不仅免费提供了考古遗址与文化遗产的遥感图像等地球大数据，但更重要的是，它们提供了交流和共享研究方法、结果和经验的有效渠道。我们需要并应该充分转化和利用现有国际合作网络的经验，科技支撑文化遗产的保护与发展，造福人类社会。

图6 高亚洲气候变化与丝路屯田文明演变

结论与展望

随着科学技术的飞速发展，特别是自然科学与人文社会科学的结合，考古学已发展形成了历史考古学、遥感考古学、环境考古学、景观考古学等诸多新的分支学科。

传统考古是以“时间”为核心的科学，而遥感则是以“空间”为核心的技术。考古专家和公众都对遥感技术特别感兴趣，因为它结合了考古学研究的三个关键要素：对象、空间和时间，并已成为帮助考古学家探索和理解考古遗址、记录和保存文化遗产以及解决实际考古问题的重要工具。无论是地下的还是地表的考古遗址或文化遗产，遥感都是从其“空间”属性的认识开始的，包括微观空间（遗址尺度）和宏观空间（景观尺度）。

今天，以遥感技术为代表的空间信息技术在考古与文化遗产应用研究，已从考古调查与测绘、文化遗产监测与记录开始向考古大数据挖掘，考古知识发现与理解以及文化景观格局分析与重建等转移。这些技术的革新和研究内容的转变共同推动了遥感考古向空间考古的历史性跨越。

更多信息

详见论文

第一作者简介

骆磊，中国科学院空天信息研究院，助理研究员，研究方向为空间考古、遥感图像处理、历史地理等；E-mail: [e-mail]。

通信作者简介

王心源，中国科学院空天信息研究院，研究员，博士生导师，现任中科院数字地球重点实验室副主任、UNESCO国际自然-文化遗产空间技术中心副主任、数字丝路国际科学计划世界遗产工作组（DBAR-Heritage）联合主席，研究方向为空间考古、数字遗产、自然地理等。先后主持和参与中科院先导专项、科技部重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目三十余项，发表论文（著）150余篇（部）。

相关论文

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https://www.mdpi.com/2072-4292/10/10/1558

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