遥感考古:碧空“慧眼” 穿越千年

发布时间:2023-12-02 10:32:45 来源: sp20231202

原标题:遥感考古:碧空“慧眼” 穿越千年

奎太克协海尔古城远景图(上)与复原图(下)。图片由中国科学院空天信息创新研究院提供

从海底探测到无损检测,科技的发展给考古工作带来更多可能。其中,遥感,让传统野外考古和文化遗产保护拥有了“慧眼”。相比地面考古调查,太空中的卫星和天空中的飞机等遥感平台为考古提供了不一样的视角,对解读数千年来的考古信息起到不可替代的作用。近年来,遥感考古技术得到系统发展,通过数据、理论、技术的不断整合,在田野考古调查、文化遗产保护与复原、文物资源管理与展示等方面表现突出。

1 变不可能为可能,遥感技术赋能考古

遥感考古是指利用遥感对考古遗存进行发现与识别的无损探测技术与方法,主要原理是基于多平台多传感器,获取遗址和环境的空间、和光谱信息,根据光谱成像规律和空间相关性,提取遗迹的光谱、纹理、几何特征及其空间分布。这让许多过去不可能发现的信息,清晰展现在世人们面前。

当地表、浅地表存在考古遗迹或遗物时,会影响周围土壤的物理化学性质,导致土壤结构、含水量、营养成分与未经扰动的自然堆积之间存在差异,从而在遥感影像上形成植被、土壤、阴影等考古标志,为考古调查和发掘提供参考依据。

遥感不仅能够服务于考古调查与发掘,关键是能够记录和解释遗址及环境的历史变化,尤其是随着遥感考古理论与方法的发展,多种技术方法的引入与融合,能够实现对考古空间信息的深入挖掘、综合研究和多维展示,为考古研究和文化遗产保护工作提供科学数据和技术支撑。

与传统文物保护、考古学的传统技术手段相比,遥感技术具有宏观综合、动态实时、客观准确、时空回溯、全天时全天候、穿透能力强等优势,主要表现在以下几个方面:

观测平台多样。遥感能够根据考古调查、遗址监测等不同应用场景需求,从地面、飞机、卫星等不同观测平台获取多尺度和多时相的遥感观测数据。

数据多源性。载荷的成像谱段从可见光波段向长波和短波不断延伸,能够获取到高空间、高时间、高光谱分辨率以及长时间序列的多源信息,为遗址调查、文物保护监测和古环境重建提供丰富的数据源。

全天时、全天候、大范围。遥感技术能够突破气候条件、观测时段的限制,快速、准确、宏观地获取地表、浅地表的考古信息。

动态实时。遥感能够获取海量数据,具备对遗址及赋存环境进行动态实时观测的能力。

穿透能力强。遥感考古可在一定程度上穿透遗迹上层的覆盖,激光雷达能穿透森林冠层获得地面信息,合成孔径成像雷达和探地雷达能穿透地表的不同深度,从而获取地面遗迹或埋藏于地下的遗迹信息。

无损探测。遥感能够突破传统田野考古的局限性,在不进行考古发掘的前提下感知、测量和分析考古遗存的特征,极大提高考古调查的效率和探测能力,在农作物覆盖、戈壁滩等不同地表覆被情况的考古调查中取得很好的应用效果。

可以说,遥感技术在文物的发现、保护、修复与管理等领域不断发力,并逐步形成遥感考古这个独具特色的研究领域。随着遥感考古技术创新和应用研究的不断深入,地理信息系统、地球物理、虚拟现实、机器学习、数据挖掘、知识图谱、物联网等新兴技术逐渐融入遥感考古研究中,拓展了遥感考古研究的思路、方法和内容,提高了田野考古工作和文化遗产保护的水平,推动遥感考古研究步入崭新的时期。

2 西域都护府治所究竟在哪里?遥感助力解答千古谜题

遥感考古技术的一个典型应用,就是对西域都护府治所位置的判断。西域都护府是汉代中央治理西域的最高政治机构,对其治所位置的探寻是考古及历史学者钻研近百年的课题,但始终没有定论。近年来,中国科学院空天信息创新研究院、国家博物馆和新疆文物考古研究所等单位联合,将遥感、物探技术与文献考证、实地考察等手段结合,进一步推进寻找西域都护府治所的考古研究。

研究人员通过历史记载和文献,初步划定遗址可能所在区域,利用多源遥感数据对该区域进行大范围探测,发现考古感兴趣区,进一步采用多种地球物理手段对感兴趣区进行勘探,验证并获取地下埋藏目标信息,通过地上地下一体化考古探测与综合分析,获取古城的布局和形制等方面信息,最后通过传统考古钻探进行验证。遥感考古探测的结果为考古调查和发掘提供了重要的参考信息。

根据北京大学考古文博学院教授林梅村的研究,“汉代西域三十六国流行圆城,而中原多为方城”。基于航空和航天遥感影像发现奎玉克协海尔古城为圆角方形,表现出西域与中原特色的融合,城墙边长约230米,为汉代的百丈,符合汉代规制。

遥感影像上发现古城高台周边有一圈环形异常,尤其是降雨后表现为明显的潮湿标志,后经地球物理探测其水分含量高于周边,推测为壕沟。在城内和疑似壕沟多处进行钻探发现大量的红烧土和灰烬层,经碳14测年距今约2200年左右(汉代)。

研究人员依据现场调查和勘探分析结果,发现古城高台最高处距地面约6米,推断其早期为“多级高台建筑”,据此模拟复原了奎玉克协海尔古城原貌。

2017年,“汉唐丝绸之路的开拓—西域都护府”研讨会在新疆巴州轮台县召开,与会学者认为西域都护府遗址位置可初步确认在轮台境内。

3 不断进步不断突破,我国遥感考古实践日趋丰富

我国遥感考古技术应用开始于20世纪60年代修建三门峡水库,其时,科学家们利用航空照片分析了库区古代遗址、墓葬的分布。此后,开展了北京长城航空遥感调查、寿春城遥感解译、陕西和宁夏交界处干沙掩埋的古长城探测、秦始皇陵遥感考古勘探等研究工作。2001年,由中国科学院、教育部、国家文物局联合成立遥感考古联合实验室,标志着我国遥感考古应用进入新阶段。随后,国家文物局启动了系列多学科联合的重大科研项目,以遥感技术为主的空间信息技术成功运用于京杭大运河保护、中华文明探源工程、西部干旱区典型遗址探测、天地联合田野考古调查等研究中,大大推动了遥感考古技术的应用和发展。

近年来,遥感技术广泛应用于考古调查、发掘、保护与研究工作,取得了系列突破性进展和标志性成果,在推动考古学发展方面起到了不可替代的重要作用。

一是遥感考古调查与发现。遥感技术可以克服复杂地形对传统考古调查的影响,形成对考古遗址结构布局及分布的新感知。在海南、新疆第三次文物普查中,应用遥感技术对古城、墓葬、长城、坎儿井等不可移动文物进行大范围遥感考古调查,发现了数百处遗址,尤其在茂密植被覆盖区、荒漠和戈壁等无人区的考古调查中发挥了重要作用;开展西北干旱区地表考古勘察,在古丝绸之路干道甘肃瓜州-沙洲段发现多处古城遗址,填补了巴州古城遗址以西区域汉唐遗址遥感考古发现的空白,为西北边疆史地研究提供丰富的实物资料;在内蒙古、河南、河北和新疆等地的航空考古调查中发现了多处考古遗迹,为多元文化融合区的考古研究提供了新的素材。

二是空间技术协同探测。随着遥感考古应用实践与积累,遥感考古也逐渐走向遥感、地理信息系统、地球物理等多元信息与技术融合的综合遥感考古应用,有效提升了在京杭大运河、丝绸之路、长城等大型线性文化遗产和都邑性遗址、典型遗迹的考古信息获取能力与协同探测能力,为遗址探测、空间预测、环境分析等提供了基础信息和技术支持。

三是文化遗产保护监测。遥感技术能够监测文物本体保存状况、核心区和缓冲区内的自然和人为变化、周边地区开发对文物本体的影响等,支撑文化遗产保护的风险评估。基于高分辨率卫星遥感数据、长时间序列中分辨率光学卫星数据、微波遥感数据、激光雷达数据等多源遥感数据,构建成吴哥遗产地空间数据库,提取吴哥遗址本体及周边森林、水系、地表形变等环境特征要素的时空分布信息,实现遗产地综合监测;利用“地中海盆地观测小卫星星座系统”(COSMO-SkyMed)数据,获取洛阳古城地表沉降场,初步揭示人类活动对典型遗产地的影响。

四是文物鉴定、修复与保护。利用文物专用高光谱扫描成像系统,结合云计算、大数据,能够对彩绘类文物的隐藏病害进行无损提取和鉴定,增强对壁画绘画工艺、色彩搭配以及材料来源等历史信息的认知,为彩绘类文物保护与修复提供重要科学依据。在对敦煌莫高窟壁画起甲病害的评估中,采用近红外高光谱技术,获取出从未发生起甲到碎片脱落的病害周期内各个阶段的光谱信息,便于对文物病害位置进行有效保护。

五是文物信息数字化与三维展示。综合不同平台的遥感数据以及测绘、现场调查、考古研究等资料,用于考古信息的数字化记录和遗址三维展示,推动文物的活化利用。利用三维激光扫描技术对东汉函谷关、龙门石窟、佛香阁复杂大型古建筑进行三维复原,有力支撑文化遗产的保护;利用高分辨率遥感数据和考古调查资料等,对北京、新疆等多地长城的烽燧、戍堡、卡伦、驿站遗址进行三维复原,对陶寺、双槐树等系列遗址的古地形进行三维重建,实现遗址与环境变迁的再认知。

六是文物空间数据库建设与大数据分析。基于文物资源管理与考古全流程的业务需求,建立文物数据管理和分析的智能化平台,推动文物综合应用体系的构建。建立典型遗迹波谱库,获取不同材质、年代、埋藏条件下的遗迹波谱特征,为遥感考古探测提供重要的基础数据;基于海量遥感数据和考古调查、考古勘探和考古发掘等信息,构建了文物资源管理系统、考古综合数据库、中国世界文化遗产遥感数据库等,实现了多源异构数据的联通;融合人工智能和遥感考古大数据分析方法,将海量多源遥感数据转化遗址信息和考古知识,为文化遗产的科学保护与管理提供空间大数据支撑。

遥感技术能够最大限度地获取文物的时空信息,从宏观、中观、微观不同层面,为解决考古学问题提供不可替代的信息和服务。在宏观景观层面,能够全面掌握遗址赋存环境的地表要素变化、空间分布情况;在中观遗址层面,能够了解文物的空间结构、布局及空间位置关系;在微观本体层面能够获取遗址及遗迹的多维空间细节信息。遥感已经成为考古调查与监测必不可少的手段。

随着遥感数据的极大丰富,空间考古信息呈现爆发式增长的态势,发展基于人工智能和考古大数据的遥感考古技术已成为研究热点之一。在多学科融合背景下,遥感与地球物理、环境等多学科的交叉融合,会进一步促进遥感考古的协同创新发展。未来,遥感技术的不断突破与文物行业需求的有效牵引,将促进遥感考古基本原理、技术方法、应用水平的全面提升,推动考古智能化、定量化发展,为推动建设中国特色、中国风格、中国气派的考古学贡献遥感力量。

(作者:于丽君、朱建峰、顾燕杰,分别系中国科学院空天信息创新研究院副研究员、副研究员、七级职员)

(责编:王连香、李楠桦)