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      遙感考古:碧空“慧眼” 穿越千年
      發布時間:2023-11-02     來源: 光明網-《光明日報》     瀏覽:1130次

      從海底探測到無損檢測,科技的發展給考古工作帶來更多可能。其中,遙感,讓傳統野外考古和文化遺產保護擁有了“慧眼”。相比地面考古調查,太空中的衛星和天空中的飛機等遙感平臺為考古提供了不一樣的視角,對解讀數千年來的考古信息起到不可替代的作用。近年來,遙感考古技術得到系統發展,通過數據、理論、技術的不斷整合,在田野考古調查、文化遺產保護與復原、文物資源管理與展示等方面表現突出。

      奎太克協海爾古城遠景圖(上)與復原圖(下)。

      圖片由中國科學院空天信息創新研究院提供

      1 變不可能為可能,遙感技術賦能考古

      遙感考古是指利用遙感對考古遺存進行發現與識別的無損探測技術與方法,主要原理是基于多平臺多傳感器,獲取遺址和環境的空間、和光譜信息,根據光譜成像規律和空間相關性,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現的信息,清晰展現在世人們面前。

      當地表、淺地表存在考古遺跡或遺物時,會影響周圍土壤的物理化學性質,導致土壤結構、含水量、營養成分與未經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、陰影等考古標志,為考古調查和發掘提供參考依據。

      遙感不僅能夠服務于考古調查與發掘,關鍵是能夠記錄和解釋遺址及環境的歷史變化,尤其是隨著遙感考古理論與方法的發展,多種技術方法的引入與融合,能夠實現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保護工作提供科學數據和技術支撐。

      與傳統文物保護、考古學的傳統技術手段相比,遙感技術具有宏觀綜合、動態實時、客觀準確、時空回溯、全天時全天候、穿透能力強等優勢,主要表現在以下幾個方面:

      觀測平臺多樣。遙感能夠根據考古調查、遺址監測等不同應用場景需求,從地面、飛機、衛星等不同觀測平臺獲取多尺度和多時相的遙感觀測數據。

      數據多源性。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、高時間、高光譜分辨率以及長時間序列的多源信息,為遺址調查、文物保護監測和古環境重建提供豐富的數據源。

      全天時、全天候、大范圍。遙感技術能夠突破氣候條件、觀測時段的限制,快速、準確、宏觀地獲取地表、淺地表的考古信息。

      動態實時。遙感能夠獲取海量數據,具備對遺址及賦存環境進行動態實時觀測的能力。

      穿透能力強。遙感考古可在一定程度上穿透遺跡上層的覆蓋,激光雷達能穿透森林冠層獲得地面信息,合成孔徑成像雷達和探地雷達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。遙感能夠突破傳統田野考古的局限性,在不進行考古發掘的前提下感知、測量和分析考古遺存的特征,極大提高考古調查的效率和探測能力,在農作物覆蓋、戈壁灘等不同地表覆被情況的考古調查中取得很好的應用效果。

      可以說,遙感技術在文物的發現、保護、修復與管理等領域不斷發力,并逐步形成遙感考古這個獨具特色的研究領域。隨著遙感考古技術創新和應用研究的不斷深入,地理信息系統、地球物理、虛擬現實、機器學習、數據挖掘、知識圖譜、物聯網等新興技術逐漸融入遙感考古研究中,拓展了遙感考古研究的思路、方法和內容,提高了田野考古工作和文化遺產保護的水平,推動遙感考古研究步入嶄新的時期。

      2 西域都護府治所究竟在哪里?遙感助力解答千古謎題

      遙感考古技術的一個典型應用,就是對西域都護府治所位置的判斷。西域都護府是漢代中央治理西域的最高政治機構,對其治所位置的探尋是考古及歷史學者鉆研近百年的課題,但始終沒有定論。近年來,中國科學院空天信息創新研究院、國家博物館和新疆文物考古研究所等單位聯合,將遙感、物探技術與文獻考證、實地考察等手段結合,進一步推進尋找西域都護府治所的考古研究。

      研究人員通過歷史記載和文獻,初步劃定遺址可能所在區域,利用多源遙感數據對該區域進行大范圍探測,發現考古感興趣區,進一步采用多種地球物理手段對感興趣區進行勘探,驗證并獲取地下埋藏目標信息,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,最后通過傳統考古鉆探進行驗證。遙感考古探測的結果為考古調查和發掘提供了重要的參考信息。

      根據北京大學考古文博學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感影像發現奎玉克協海爾古城為圓角方形,表現出西域與中原特色的融合,城墻邊長約230米,為漢代的百丈,符合漢代規制。

      遙感影像上發現古城高臺周邊有一圈環形異常,尤其是降雨后表現為明顯的潮濕標志,后經地球物理探測其水分含量高于周邊,推測為壕溝。在城內和疑似壕溝多處進行鉆探發現大量的紅燒土和灰燼層,經碳14測年距今約2200年左右(漢代)。

      研究人員依據現場調查和勘探分析結果,發現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”,據此模擬復原了奎玉克協海爾古城原貌。

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

      吉仁臺溝口遺址正射影像圖(左)與數字高程模型(右)。

      圖片由中國科學院空天信息創新研究院提供

      3 不斷進步不斷突破,我國遙感考古實踐日趨豐富

      我國遙感考古技術應用開始于20世紀60年代修建三門峽水庫,其時,科學家們利用航空照片分析了庫區古代遺址、墓葬的分布。此后,開展了北京長城航空遙感調查、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,由中國科學院、教育部、國家文物局聯合成立遙感考古聯合實驗室,標志著我國遙感考古應用進入新階段。隨后,國家文物局啟動了系列多學科聯合的重大科研項目,以遙感技術為主的空間信息技術成功運用于京杭大運河保護、中華文明探源工程、西部干旱區典型遺址探測、天地聯合田野考古調查等研究中,大大推動了遙感考古技術的應用和發展。

      近年來,遙感技術廣泛應用于考古調查、發掘、保護與研究工作,取得了系列突破性進展和標志性成果,在推動考古學發展方面起到了不可替代的重要作用。

      一是遙感考古調查與發現。遙感技術可以克服復雜地形對傳統考古調查的影響,形成對考古遺址結構布局及分布的新感知。在海南、新疆第三次文物普查中,應用遙感技術對古城、墓葬、長城、坎兒井等不可移動文物進行大范圍遙感考古調查,發現了數百處遺址,尤其在茂密植被覆蓋區、荒漠和戈壁等無人區的考古調查中發揮了重要作用;開展西北干旱區地表考古勘察,在古絲綢之路干道甘肅瓜州-沙洲段發現多處古城遺址,填補了巴州古城遺址以西區域漢唐遺址遙感考古發現的空白,為西北邊疆史地研究提供豐富的實物資料;在內蒙古、河南、河北和新疆等地的航空考古調查中發現了多處考古遺跡,為多元文化融合區的考古研究提供了新的素材。

      二是空間技術協同探測。隨著遙感考古應用實踐與積累,遙感考古也逐漸走向遙感、地理信息系統、地球物理等多元信息與技術融合的綜合遙感考古應用,有效提升了在京杭大運河、絲綢之路、長城等大型線性文化遺產和都邑性遺址、典型遺跡的考古信息獲取能力與協同探測能力,為遺址探測、空間預測、環境分析等提供了基礎信息和技術支持。

      三是文化遺產保護監測。遙感技術能夠監測文物本體保存狀況、核心區和緩沖區內的自然和人為變化、周邊地區開發對文物本體的影響等,支撐文化遺產保護的風險評估?;诟叻直媛市l星遙感數據、長時間序列中分辨率光學衛星數據、微波遙感數據、激光雷達數據等多源遙感數據,構建成吳哥遺產地空間數據庫,提取吳哥遺址本體及周邊森林、水系、地表形變等環境特征要素的時空分布信息,實現遺產地綜合監測;利用“地中海盆地觀測小衛星星座系統”(COSMO-SkyMed)數據,獲取洛陽古城地表沉降場,初步揭示人類活動對典型遺產地的影響。

      四是文物鑒定、修復與保護。利用文物專用高光譜掃描成像系統,結合云計算、大數據,能夠對彩繪類文物的隱藏病害進行無損提取和鑒定,增強對壁畫繪畫工藝、色彩搭配以及材料來源等歷史信息的認知,為彩繪類文物保護與修復提供重要科學依據。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,獲取出從未發生起甲到碎片脫落的病害周期內各個階段的光譜信息,便于對文物病害位置進行有效保護。

      五是文物信息數字化與三維展示。綜合不同平臺的遙感數據以及測繪、現場調查、考古研究等資料,用于考古信息的數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對東漢函谷關、龍門石窟、佛香閣復雜大型古建筑進行三維復原,有力支撐文化遺產的保護;利用高分辨率遙感數據和考古調查資料等,對北京、新疆等多地長城的烽燧、戍堡、卡倫、驛站遺址進行三維復原,對陶寺、雙槐樹等系列遺址的古地形進行三維重建,實現遺址與環境變遷的再認知。

      六是文物空間數據庫建設與大數據分析?;谖奈镔Y源管理與考古全流程的業務需求,建立文物數據管理和分析的智能化平臺,推動文物綜合應用體系的構建。建立典型遺跡波譜庫,獲取不同材質、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數據;基于海量遙感數據和考古調查、考古勘探和考古發掘等信息,構建了文物資源管理系統、考古綜合數據庫、中國世界文化遺產遙感數據庫等,實現了多源異構數據的聯通;融合人工智能和遙感考古大數據分析方法,將海量多源遙感數據轉化遺址信息和考古知識,為文化遺產的科學保護與管理提供空間大數據支撐。

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

      隨著遙感數據的極大豐富,空間考古信息呈現爆發式增長的態勢,發展基于人工智能和考古大數據的遙感考古技術已成為研究熱點之一。在多學科融合背景下,遙感與地球物理、環境等多學科的交叉融合,會進一步促進遙感考古的協同創新發展。未來,遙感技術的不斷突破與文物行業需求的有效牽引,將促進遙感考古基本原理、技術方法、應用水平的全面提升,推動考古智能化、定量化發展,為推動建設中國特色、中國風格、中國氣派的考古學貢獻遙感力量。

      《光明日報》(2023年11月02日 16版)

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