遙感原理與方法及其在大遺址保護中的應用（簡體書）

《遙感原理與方法及其在大遺址保護中的應用》是《空間信息技術與文化遺產保護叢書》之一。《遙感原理與方法及其在大遺址保護中的應用》內容是基于國家科技支撐計劃課題“空間信息技術在大遺址保護中的應用研究（以京杭大運河為例）”（課題編號：2006BAK30B01）的研究成果，對解決目前我國文化遺產保護所面臨的嚴峻問題及信息技術在大遺址保護中的應用都具有重要的指導作用。
《遙感原理與方法及其在大遺址保護中的應用》從遙感技術、遙感考古、遙感在大遺址保護中的應用技術路線三個方面系統介紹了遙感技術及其文化遺產保護中應用的原理、方法和技術流程，并給出了一些國內外遙感技術在文化遺產保護中應用的實例。《遙感原理與方法及其在大遺址保護中的應用》的出版對遙感考古和遙感技術在大遺址保護中應用有積極影響。
《遙感原理與方法及其在大遺址保護中的應用》為文博行業管理人員、文化遺址保護和考古研究人員、遙感技術應用人員提供參考，也可供高等院校考古、文化遺產保護、遙感技術應用等專業的師生閱讀使用。

聶躍平、楊林等編著的《遙感原理與方法及其在大遺址保護中的應用》按照概念與特點、歷史回顧與國內外研究發展現狀、基本原理、面臨的問題、方法與技術路線、經典案例、發展與展望等體系展開，內容范圍上涵蓋對遙感考古星、機、地等各種平臺的講述，其中以星載、機載遙感為重點。

總序一
總序二
總前言
序言
前言
第1章緒論
1.1遙感考古科學的發展
1.2遙感考古的優勢及特點
1.3遙感技術在大遺址保護中的作用
1.4遙感技術在大遺址保護研究中面臨的一些問題
第2章遙感技術與遙感考古
2.1遙感技術簡介
2.2遙感考古簡介
2.2.1遙感考古技術
2.2.2遙感考古學的研究內容
2.3遙感考古學國內外發展簡史
2.3.1遙感考古在國外的發展和應用
2.3.2遙感考古在我國的起步應用
2.4遙感考古常用數據介紹
2.4.1衛星影像數據
2.4.2航空遙感數據
2.4.3地面遙感數據
第3章遙感考古原理
3.1遙感電磁基礎
3.1.1電磁波及特性
3.1.2電磁波譜
3.1.3電磁輻射
3.2磁法
3.2.1磁場與物質的磁化
3.2.2地磁場
3.2.3物質的磁性
3.2.4磁法考古
3.3電法
3.3.1電阻率法
3.3.2激發極化法
3.3.3自然電場法
3.3.4探地雷達
3.3.5金屬探測法
3.4重力場
3.4.1重力數據的處理和解釋
3.4.2重力異常和重力改正
第4章大遺址保護現狀與問題
4.1大遺址的概念
4.1.1大遺址概念的起源
4.1.2目前對“大遺址”概念的界定
4.1.3本書定義與詮釋
4.2我國大遺址保護現狀
4.2.1我國大遺址的分布
4.2.2大遺址的分類
4.2.3大遺址的特點
4.2.4我國大遺址保護目前存在的問題
4.3大遺址保護對遙感技術的需求
4.3.1遙感技術在大遺址保護中的應用
4.3.2遙感技術在考古工作中的應用
4.3.3遙感技術在大遺址規劃中的應用
4.3.4遙感技術在大遺址管理中的應用
4.3.5空間信息技術在大遺址展示中的應用
第5章遙感技術在大遺址保護中的技術路線
5.1遙感考古數據獲取
5.1.1遙感影像特征
5.1.2航空像片的選擇
5.1.3航天遙感圖像的選擇
5.2遙感圖像處理
5.2.1輻射糾正
5.2.2幾何糾正
5.2.3圖像增強
5.3遙感信息提取方法與技術流程
5.3.1計算機分類
5.3.2目視解譯
5.3.3專題考古內容解譯
5.3.4精度檢驗
5.4土地利用/覆蓋變化監測
5.4.1大遺址保護土地利用遙感動態監測體系框架
5.4.2系統建設關鍵技術
第6章遙感技術在大遺址保護中的經典案例
6.1國內遙感考古實例
6.1.1京杭大運河
6.1.2長城
6.1.3秦始皇陵
6.1.4西安豐鎬大型遺址
6.1.5內蒙古古城遺址
6.1.6高句麗古城
6.2國外遙感考古實例
6.2.1瑪雅古遺址
6.2.2埃及古遺址
6.2.3吳哥窟
6.2.4印度泰姬陵
6.2.5哥斯達黎加古道路
6.2.6沙漠中消失的古城吾巴爾
6.2.7危地馬拉廟宇
第7章結論與展望
7.1空間信息與中國古代文明研究
7.2空間技術與古人類遺址和環境重建
7.3順應發展和國家要求建立我國遙感考古體系
參考文獻
彩圖

第1章　緒 論
我國幅員遼闊，是世界上唯一有著五千年連續發展歷史的文明古國，文化遺產遍布全國各地，特別是影響中國政治、社會、軍事和對外交往的大型遺址，如公元前2世紀開辟的絲綢之路，從陸地和海洋把中華文明傳播到世界各地。因此，充分認識這些寶貴的大型文化遺產的各種信息，對研究中國和整個人類發展歷史都具有重大意義。
作為研究人類發展歷史的考古學，19世紀初在西方誕生，20世紀初傳入中國，隨著自然科學的發展，已從單一的考古學發展成為環境考古學、遙感考古學、水下考古學等多學科體系，展現出考古學蓬勃發展的軌跡，特別是通過人文社會科學與自然科學在理論、方法、技術手段等方面的結合，豐富了考古學研究的廣度和深度。以遙感技術為主的對地觀測技術、地理信息系統、全球衛星定位系統和虛擬現實技術已成為認識文化遺產的時空分布規律、重建古文明發展史、建立文化遺產信息管理系統，以及再現古文明的重要手段。
所謂大型遺址指的是具有考古意義的，在空間上有較大跨度（如長城、大運河、絲綢之路等），有較大面積（如秦始皇陵、高句麗古城、古民居等）的遺址。由于這些大遺址，特別是線性大遺址跨越不同自然環境，有的甚至跨越國境，用田野考古的方法對其進行全面研究是非常困難的。遙感可以從天空或太空俯瞰大地，大大地拓寬了人們的視野和思路，使得人們對地物的認識從二維平面擴展到三維空間的高度，能全面、更好地認識大型遺址的現狀、歷史演變和空間分布規律，從而為大型遺址的挖掘和保護作出客觀的評價并提供科學的依據。
1.1　遙感考古科學的發展
遙感考古是一門體現遙感技術與傳統考古學相互滲透、交叉、融合的新技術，它能全面、快速、有效地探測地上和半掩埋古遺址的分布信息，因此成為人們從空間上探究遺址的一門新興學科。
1906年英國軍官H.P.沙普從軍用熱氣球上對新石器晚期的巨石陣遺址進行了傾斜和垂直攝影拍照，并在考古學雜志上發表。英國地理及考古學家O.G.S.克勞福德（Crawford）在20世紀20年代做的工作奠定了航空攝影考古學的基礎，提出了航空考古勘察和航片分析的三種標志：陰影標志、土壤標志和植被標志，從航空像片上識別出農田里羅馬時期的古城遺跡，到了30年代基本建立了航空攝影考古學的理論基礎，許多國家逐漸應用航空攝影考古學的方法，并拍攝了大量的考古航空像片。第二次世界大戰期間，航空攝影技術得到了進一步的發展，在垂直和傾斜攝影技術上得到了很大的提高，研制出彩色膠片和紅外假彩色膠片，并出現了微波雷達成像技術。此後，航空攝影考古學在西歐得到更迅速的發展，特別是在戰後重建和發展經濟的過程中，經濟建設與文物保護產生了尖銳的矛盾，因此航空攝影考古受到極大重視。通過利用航空攝影考古和地球物理無損探測等技術，加強了考古勘探的力度并降低了大面積作業的勘探成本。
自1957年前蘇聯人造衛星的發射成功到1972年美國地球資源衛星對地球成像，在短短的十幾年里，人類航天技術得到了突破性的發展，從衛星平臺上獲取了大量對地觀測數據，揭開了遙感考古的新篇章。現在我們不僅能得到多光譜（甚至高光譜）、多角度、多分辨率、多尺度的光學遙感數據，還能得到多波段、多極化、多模式的成像雷達數據；不僅能得到全球尺度高時間分辨率的遙感影像，還能得到像“快鳥”（QuickBird）這樣61cm高空間分辨率衛星圖像。所有這些都為包括環境考古、文化景觀考古、古地理重建等在內的考古學研究提供了豐富的數據，也為用地理信息系統對古遺址的文化資源管理提供了基礎遙感影像數據庫。通過遙感、地理信息系統、全球定位系統與田野考古的結合，我們能精確地提取人類歷史文化遺產的空間信息，并監測文化遺產地在人類和自然因素作用下的時空變化，為政府部門保護文化遺產提供了科學的依據。
虛擬考古是20世紀90年代發展起來的一項基于計算機平臺的新技術。利用虛擬考古技術，人們可以通過基于過去曾遭受破壞的某個文化遺址的歷史資料，結合該地的地貌、水系、地形高程等景觀特征，恢復和重建古遺址原貌，為文物保護提供一份可用計算機存檔的歷史資料。
國際上，20世紀90年代初，由法國國家宇航局、美國國家航空航天局（NASA）、歐洲空間局、日本宇宙事業開發集團等遙感機構共同籌備了“空間考古研究”的國際學術會議；1997年3月，第一屆“遙感考古應用會議”在美國的明尼蘇達州舉行，會議討論了衛星和航空遙感在考古、考古資源管理、居民地分布格局識別以及環境考古研究中的優勢和重要作用；2001年由意大利文化遺產應用技術研究所和美國波士頓大學考古研究中心、遙感中心和考古系與NASA合作舉辦了“意大利-美國遙感研討會：數字技術重建古地形”，主要目的是針對GIS、空間分析和遙感技術開展古地形重建，以及把考古景觀作為重要且豐富的文化資源進行評價和展示。2002年4月，在希臘召開了“考古學中計算機應用和定量方法大會”，其會議主題為“考古的數字遺產”，討論了空間信息技術在考古領域上的獨特作用，評價和分析了空間信息在世界遺產的監測、管理、制圖、保護等方面取得的成果。這些都反映出以“數字化”為主題的考古學發展已成為當今多學科交叉發展的主流，遙感和虛擬現實技術已成為考古研究和古遺址保護與重建的主要技術手段。
我國航空攝影考古的發展相對于西方國家而言，起步甚晚。在“七五”期間，在安徽開展了對戰國晚期壽春古城的航空攝影考古工作，1996年在中國歷史博物館成立了遙感與航空攝影考古中心。此後開展了對河南省偃師二里頭遺址、偃師商城遺址、洛陽隋唐東都城遺址等地的航空攝影；由山東省文物考古研究所與德國魯爾大學史前考古學研究室合作，對20世紀20~30年代美軍所攝山東省臨淄縣境的航片進行室內觀察分析，并制成臨淄全境古城與古墓位置地圖，出版了我國第一部航空攝影考古報告；2002年開展了對陜北統萬城和內蒙古部分古遺址和山海關長城、慕田峪、遵義海龍屯等的遙感考古工作；2006年，由科技部支撐計劃支持的“空間信息技術在大遺址保護中的應用研究”項目對京杭大運河開展了運河現狀、歷史演變的綜合性研究。
1993年由國家教委批準在華東師范大學成立了“城市與環境考古遙感開放研究實驗室”，曾先後在長江下游、絲綢之路、金長城、中原大地等地進行遙感考古研究，取得了顯著成效。河南省科學院地理研究所利用遙感技術與考古部門相結合，在考古遺址航空攝影測量、航空影像古文化遺跡解釋等方面進行了一些應用和實驗研究。中國社會科學院考古研究所利用航空影像、衛星影像以及淺層地球物理方法（探地雷達等）尋找考古遺跡以及對考古遺跡進行高分辨率無損探測等，為考古發掘和研究提供可靠依據，開展了“高分辨率地球物理及衛星遙感在考古資源評估中的集成研究”和“安陽洹北商城的遙感考古與地球物理勘探”等工作。原地質礦產部航空物探遙感中心對寧夏全境的古長城及北京長城都做了航空攝影測量及分析工作。安徽師范大學和安徽省地質遙感中心對隋唐大運河進行了遙感考古研究。中國科學院遙感應用研究所用航天飛機成像雷達數據探測到位于陜西和寧夏交界處被干沙掩埋的古長城，并用高分辨率相機對北京老山漢墓成像，圈定出古墓的“異常區”。
鑒于國內對遙感考古的需求，于2001年11月在北京成立了“中國科學院教育部國家文物局遙感考古聯合實驗室”，并在浙江、河南、安徽、陜西、江蘇、內蒙古、云南這些省份正式成立了該實驗室的遙感考古工作站。這種跨部門、跨行業的遙感考古聯合實驗室以國家需求為目標，通過與地方考古界及遙感機構網絡式的廣泛合作，旨在推動我國遙感考古事業的發展。2002年12月在北京召開了由遙感考古聯合實驗室主辦的“全國第一屆遙感考古會議”；2003年召開了“人類文化遺產的空間認識”香山科學會議；2004年舉辦“北京國際遙感考古會議”，使之成為交流空間信息考古應用的大舞臺；2005年4月14日，在聯合國科教文總部，中國與聯合國教科文組織（UnitedNationsEducational，Sci-entificandCulturalOrganization，UNESCO）簽署了一份協議，內容是：中國將加入開放式行動，該行動旨在使用空間技術協助世界文化遺產的保護。中國科學院教育部國家文物局遙感考古聯合實驗室將與阿根廷空間局、加拿大空間局、黎巴嫩遙感中心、摩洛哥皇家遙感中心和美國國家航空航天局一起，協助聯合國教科文組織利用衛星監測世界遺產。
1.2　遙感考古的優勢及特點
與傳統田野考古相比，遙感考古能在許多方面獲得從地面觀測無法得到的大量信息，主要表現在六個方面。
（1）覆蓋范圍廣。依靠各種遙感平臺，距離地面的作業高度由十幾米一直可達幾百米、幾千米，甚至幾萬公里，可以獲得研究區的全局信息，而地面觀測只能獲得視線內的地物景觀，無法得到全局圖像。遙感圖像的成像尺度變化范圍大，可從用于環境考古研究的中等分辨率成像光譜儀及低分辨率掃描模式合成孔徑雷達中獲得小比例尺區域圖像，直至用于古遺址詳細研究的QuickBird及IKONOS高分辨率遙感圖像，不僅保障了區域性的、大范圍的、大面積的遺跡宏觀觀察和對比分析，而且使系統的、全面的、微觀的遺跡勘測成為可能。
（2）光譜范圍大，獲取信息豐富。人的肉眼只能觀測到可見光部分的電磁波反射，而遙感（包括地球物理勘探技術）則能利用紫外線、可見光、紅外線、熱紅外、微波等全波段電磁波來探測地物。勘測能力遠遠超出人的視覺范圍，勘測內容包括考古遺存和其他地學信息，即能觀察研究各種類型、各種大小規模的遺跡和遺物，也能研究遺存與其周圍自然環境的關系；遙感成像無論是像片還是圖像，都是對文化遺存保存狀態其及周圍自然環境的形象寫照和真實記錄，是大千世界的縮影，便于我們客觀地認識和了解遺存現象，同時具有很高的檔案價值。
（3）時空分辨率高。田野考古只能在特定的時間對考古對象進行野外勘查，而遙感考古則可利用衛星高時間重復頻率所獲得的數據積累獲得研究區的遙感數據，以及研究區隨時間變化的地形景觀和古遺址的情況。在空間分辨率上，高分辨率商業衛星已經能提供和航空攝影測量所得圖像相比的多波段遙感圖像，并且可以避免野外條件艱辛給工作造成的影響，保證工作質量。由于航空航天勘察和信息資料獲取使用的各種飛行器，不受地勢阻礙、交通不便、供給困難等地面條件的約束，使得在尚未開發的、偏僻的以及在地面不易進入的地區（如沙漠、草原、山區等）的工作成為可能。
（4）光譜分辨率高。光譜分辨率越高，專題研究的針對性越強，對地物的識別精度越高，遙感應用分析的效果也就越好。多光譜遙感圖像能提供對同一研究區不同譜段的遙感信息，高光譜成像儀能夠在一個特定光譜范圍內細分出數十至數百個波段，增強了對地物（如考古研究區作物的變化）的識別能力。
（5）穿透能力強。微波對地表有一定的穿透性，它不僅可以反映遺跡表面的信息，還可以在一定程度上反映遺跡地表以下的物質的信息。因此，利用合成孔徑成像雷達的穿透性可用于干旱沙漠區古地理環境研究，而探地雷達技術則能獲取地表下一定深度的考古信息，進而分析環境演變的過程和原因。
（6）對考古文物的無損探測。遙感考古具有對地下考古對象無損探測的優點，特別是遙感技術和物探方法結合能探測和研究遺跡的準確位置、規模結構、平面形制特征和布局結構，無需進行大面積的揭露，這樣既能節省大量的人力、物力和時間，也不會對遺存有任何破壞。
1.3　遙感技術在大遺址保護中的作用
遙感技術在大遺址保護中的作用有六個方面。
（1）利用遙感技術對遺址的重大發現。由于保存于地表或地表以下的古代遺跡會隨著歲月的流逝逐漸荒廢，有的變為農田，有的形成村鎮，但由于這些遺跡全部為人工建成，與周圍沒有經過人工擾動的土壤環境存在著差異，這就形成了這一地區一系列的在土壤、水分、地表溫度等方面的特別征象。由于人們在平地觀察這些特別征象是微乎其微的，但這些差異在遙感圖像上則造成了光譜差異，因此這些古遺址能被識別出來；此外，由于雷達的全天時、全天候的成像能力及對一定地物的穿透能力，地物的後向散射特性決定了古遺址能從雷達圖像上識別出來。
（2）遙感技術在大型遺址的調查、保護與監測中的優勢。我國的文物古跡遍及各地，世界遺產有35處，目前存有大量需要保護和探明的古遺址，其中包括大型古代聚落、古城、皇陵、運河、長城、絲綢之路等，還有許多現在已被列入或今後可能被列入世界遺產的地方。我國有1200多個國家級重點文物保護單位、99個國家歷史名城。遙感技術無疑是探尋古遺址、動態監測歷史文化遺址的變化情況及古遺址保護的有效手段。
（3）古環境研究。古代環境的恢復對于研究當時的社會、文化、經濟、自然地理條件等方面都有著重要的作用。古地理環境的變遷，對于古代環境、政治演變的研究也十分重要。用遙感研究長周期的環境歷史變遷，主要是依據它在遙感圖像上所遺留下來的“痕跡”來進行識別。因為每種研究對象，都有其區別于其他對象的特征，其中不少特征得以不同程度的保留。這些特征反映在遙感圖像上，則可以通過色調、陰影、形態、大小、紋理等的差異識別出來。目前，應用遙感技術進行環境考古，熱點主要集中在運用多時相、多源和多分辨率航空及航天圖像進行考古遺址環境監測、景觀考古、環境變化和社會變革的關系研究，以及歷史時期環境恢復等方面。
（4）對地下遺址的無損探測。遙感考古的又一大研究內容，就是對深埋于地下的古代遺址的無損探測。目前采用的無損探測方法主要包括磁力探測法、電阻率探測法、微波脈沖探地雷達及地震探測法等。
（5）考古專題制圖和文物考古信息系統。遙感考古研究的主要工具是遙感圖像，圖像本身具有可以長期保存的特性，因此我們可以從早期保存的遙感圖像上發現已被破壞的古跡，從現在的圖像上發現現有的古跡，制成考古信息專題圖，在圖像上保存這些古跡的位置、范圍及古跡的真實外貌特征，以供將來分析之用。經過糾正的遙感圖像有很高的精度，因此可以從圖像上對遺址的范圍及形狀進行直接測量，并可將結果直接轉繪到地圖上，具有很高的參考價值。GIS在考古學中的應用研究是多方面的，可以應用于從考古數據采集到數據存儲、分析、解釋以及表達的各個方面。具體地說，可以總結為以下幾個方面：建立考古信息管理系統、建立考古遺址預測模型、進行考古遺址的發展和擴張，以及景觀考古GIS研究等。
（6）空間技術與古人類遺址和環境重建。自20世紀90年代以來，出現了虛擬遺產技術，即運用先進的計算機技術進行世界歷史、文化、自然遺產的保護與發展的研究。虛擬現實技術是虛擬考古應用的關鍵技術，選擇將虛擬現實技術作為虛擬遺產研究課題的技術層次支撐，是因為虛擬遺產的研究所要表達的信息是多維的，既要有歷史真實性，又要有文化藝術性，還要有環境的現實性。而這些多維度信息的表達就目前的計算機技術而言，可以成為虛擬現實技術的高性能硬件設備的支撐。在虛擬遺產研究中，還會涉及其他各類計算機技術，如掃描技術、信息處理、計算機輔助設計，以及地理信息系統等，具體應用哪些技術需根據不同的研究項目而定。從總的概念來談，虛擬遺產強調的是要表達出歷史的文化現實，反映人類在發展過程中對科學與藝術創造性的努力和不斷提升的知識、信仰和價值的體驗。虛擬遺產是目前國外歷史遺產保護和發展的新的發展方向和趨勢，越來越多的人正從事于這方面的研究。
1.4　遙感技術在大遺址保護研究中面臨的一些問題
遙感技術以其獨特的優勢在探測和保護大型遺址中發揮著越來越重要的作用。但與其他應用領域相比，還存在很大差距。
（1）遙感考古是自然科學與社會科學相互滲透的科學，要求科學工作者必須具備遙感技術知識和歷史考古知識。
（2）由于遺址存在的自然環境的復雜性和多樣性，特別在人類活動強烈區，干擾因素大，給遺址的遙感信息提取帶來一定困難。
（3）不同時代、不同地區、同一時代、同一地區的遺址，從結構到物質組成都不相同，而電磁波與其相互作用的機理等尚未做過系統的理論研究。
（4）大型古遺址存在的狀況大都屬半掩埋或掩埋，如何從復雜的地物中提取這些弱信息，是目前要解決的關鍵技術。
（5）遙感考古是一門跨領域、跨學科的科學領域。在進行遺址的研究中，必須結合考古學、環境學、物探、鉆探等多種手段和方法進行綜合研究。
遙感技術在遺址的研究中已展現了其巨大的應用潛力。與其他應用領域一樣，遙感技術在大遺址保護中會隨著遙感技術的不斷發展和完善及遙感考古研究的不斷深入得到不斷的完善和提高。它將為中華文明探源和我國重要遺址的保護作出貢獻。