1 空间信息技术与人类文化遗产

我国幅员辽阔，是世界上唯一有着5000年连续发展历史的文明古国，文化遗产遍布全国。如，公元前2世纪开辟的丝绸之路从陆地和海洋把中华文明传播到世界各地。因此，认识这些人类文化遗产信息对研究中国和整个人类历史都具有重大意义。作为研究人类发展历史的考古学，19世纪初在西方诞生，20世纪初传入中国。从单一的考古到环境考古学、遥感考古学、水下考古学等多学科体系的建立，展现出考古学蓬勃发展的轨迹，特别是通过人文社会科学与自然科学在理论、方法、技术手段等方面的结合，丰富了考古学研究的广度和深度。以空间对地观测技术、地理信息系统、全球卫星定位系统和虚拟现实技术为代表的空间信息获取与分析技术，已成为认识文化遗产的时空分布规律，重建古文明发展史，建立文化遗产信息管理系统，再现古文明的重要手段。

人类文化遗产是人类历史的信息载体，这些信息记录着大量人类活动的内容和过程。遥感卫星从空间观测地球，记录了大量人类历史文化的遗迹，客观地反映了它们的空间分布规律和特性。由于遥感考古能够全面、立体、快速有效地探明地上和地下古遗址的分布信息，在现代考古中发挥着十分明显的作用，越来越受到考古工作者的重视，逐渐成为考古研究的重要手段。

2 国际发展现状及趋势

1906年英国军官H. P. 沙普从军用热气球上对新石器晚期的巨石阵遗址进行了倾斜和垂直摄影拍照，并在考古学杂志上发表。英国地理及考古学家O.G.S.克劳福德在20世纪20年代做的工作奠定了航空摄影考古学的基础，提出了航空考古勘察和航片分析的三种标志：阴影标志，土壤标志和植被标志，从航空像片上识别出农田里罗马时期的古城遗迹。到了30年代基本建立了航空摄影考古学的理论基础，许多国家逐渐应用航空摄影考古学的方法并拍摄了大量的考古航空像片。第二次世界大战期间，航空摄影技术得到了进一步的发展，垂直和倾斜摄影技术得到了很大提高，研制出彩色胶片和红外假彩色胶片，并出现了微波雷达成像技术。此后，航空摄影考古学在西欧得到更迅速的发展，特别是战后重建和发展经济过程中遇到的经济建设与文物保护的尖锐矛盾，使航空摄影考古得到更大的重视。通过利用航空摄影考古和地球物理无损探测等技术，加强了考古勘探的力度并大大降低了大面积地面作业的勘探成本。

自1957年前苏联人造卫星发射成功到1972年美国地球资源卫星对地球成像，在短短的十几年里，人类航天技术得到了突破性发展，从卫星平台上获取的大量对地观测数据，揭开了遥感考古的新篇章。现在我们不仅能得到多光谱(甚至高光谱)、多角度、多分辨率、多尺度的光学遥感数据，还能得到多波段、多极化、多模式的成像雷达数据；不仅能得到全球尺度高时间分辨率的遥感影像，还能得到像“快鸟”这样61cm高空间分辨率卫星图像。所有这些都为包括环境考古、文化景观考古、古地理重建等在内的考古学研究提供了丰富的数据，也为用地理信息系统对古遗址的文化资源管理提供了基础遥感影像数据库。通过遥感、地理信息系统、全球定位系统与田野考古的结合，我们能精确地提取人类历史文化遗产的空间信息，并监测文化遗产地在人类和自然因素作用下的时空变化，为政府部门保护文化遗产提供科学依据。

虚拟考古是上个世纪90年代发展起来的一项基于计算机平台的新技术。利用虚拟考古技术，人们可以基于过去曾遭受破坏的某个文化遗址的历史资料，结合该地的地貌、水系、地形高程等景观特征，恢复和重建古遗址原貌，为文物保护提供一份可用计算机存档的历史资料。

1990年初，由法国空间局、美国宇航局、欧空局、日本宇宙事业开发集团等遥感机构共同筹备了“空间考古研究”的国际学术会议；1997年3月，第一届“遥感考古应用会议”在美国明尼苏达州举行，会议讨论了卫星和航空遥感在考古、考古资源管理、居民地分布格局识别及环境考古研究中的优势及重要作用；2001年由意大利文化遗产应用技术研究所和美国波士顿大学考古研究中心、遥感中心和考古系与NASA合作举办了“意大利美国遥感研讨会：数字技术重建古地形”，主要目的是针对GIS、空间分析和遥感技术开展古地形重建，以及把考古景观作为重要且丰富的文化资源进行评价和展示。2002年4月，在希腊召开了“考古学中计算机应用和定量方法大会”，其会议主题为“考古的数字遗产”，讨论了空间信息技术在考古领域上的独特作用，评价和分析了空间信息在世界遗产的监测、管理、制图、保护等方面取得的成果。这些都反映出以“数字化”为主题的考古学发展已成为当今多学科交叉发展的主流，遥感和虚拟现实技术已成为考古研究和古遗址保护与重建的主要技术手段。

3 我国研究进展

我国航空摄影考古相对于西方国家而言起步较晚。“七五”期间，在安徽开展了对战国晚期“寿春古城”的航空摄影考古工作，1996年在中国历史博物馆成立了遥感与航空摄影考古中心。此后开展了对河南省偃师二里头遗址、偃师尸乡沟商城遗址、洛阳隋唐东都城遗址南部等航空摄影；由山东省文物考古研究所与德国鲁尔大学史前考古学研究室合作，对20世纪20—30年代美军所摄山东省临淄县境的航片进行室内观察分析，制成了临淄全境古城与古墓位置地图，出版了我国第一部航空摄影考古报告；2002年开展了对陕北统万城和内蒙古部分古遗址的航空摄影测量工作。

1993年由国家教委批准在华东师范大学成立了“城市与环境考古遥感开放研究实验室” 曾先后在长江下游、丝绸之路、金长城、中原大地等地进行遥感考古研究，取得了显著成效。河南省科学院地理研究所利用遥感技术与考古部门相结合，在考古遗址航空摄影测量、航空影像古文化遗迹解释等方面进行了一些应用和实验研究。中国社会科学院考古研究所利用航空影像、卫星影像以及浅层地球物理方法(探地雷达等)寻找考古遗迹以及对考古遗迹进行高分辨率无损探测等；为给考古发掘和研究提供可靠依据，开展了“高分辨率地球物理及卫星遥感在考古资源评估中的集成研究”和“安阳洹北商城的遥感考古与地球物理勘探”等工作。原国家地矿部航空物探遥感中心对宁夏全境的古长城及北京长城做了航空摄影测量及分析工作。安徽师范大学和安徽省地质遥感中心对隋唐大运河进行了遥感考古研究。中科院遥感应用研究所用航天飞机成像雷达数据探测到位于陕西和宁夏交界处干沙掩埋的古长城；用高分辨率相机对北京老山汉墓成像，圈定出古墓的“异常区”。

鉴于我国对遥感考古的需求，于2001年11月在北京成立了“中国科学院、教育部、国家文物局遥感考古联合实验室”，并在浙江、河南、安徽、陕西、江苏、内蒙、云南正式成立了该实验室的遥感考古工作站。 这种跨部门、跨行业的遥感考古联合实验室以国家需求为目标，通过与地方考古界及遥感机构网络式的广泛合作，旨在推动我国遥感考古事业的发展。2002年12月在北京召开了由遥感考古联合实验室主办的“全国第一届遥感考古会议”；2003年召开了“人类文化遗产的空间认识”香山科学会议；2004年举办北京国际遥感考古会议，使之成为交流空间信息考古应用的大舞台；2005年4月14日，在联合国科教文总部，中国与联合国教科文组织签署了一份协议，内容是：中国将加入开放式行动，该行动旨在使用空间技术协助世界文化遗产的保护。中国科学院、教育部、国家文物局遥感考古联合实验室将与阿根廷空间局、加拿大空间局、黎巴嫩遥感中心、摩洛歌皇家遥感中心和美国宇航局一起，协助联合国科教文组织用卫星监测世界遗产。

4 空间信息探测对发现历史文化遗产的

独特作用

与传统田野考古相比，遥感考古能在许多方面获得从地面观测无法得到的大量信息，主要表现在：

(1)覆盖范围广。遥感可以获得研究区的全局信息，而地面观测只能获得视线内的地物景观，无法得到全局图像。遥感图像的成像尺度变化范围大，可从用于环境考古研究的中等分辨率成像光谱仪及低分辨率扫描模式合成孔径雷达获得的小比例尺区域图像，直至用于古遗址详细研究的Quickbird及IKONOS高分辨率遥感图像。

(2)光谱范围大。人的肉眼只能观测到可见光部分的电磁波反射，而遥感(包括地球物理勘探技术)则能利用紫外线、可见光、红外线、热红外、微波等全波段电磁波来探测地物。

(3)时空分辨率高。田野考古只能在特定的时间对考古对象进行野外勘查，而遥感考古则可利用卫星高时间重复频率所获得的数据积累获得研究区的遥感数据，以及研究区随时间变化的地形景观和古遗址的情况。在空间分辨率上，高分辨率商业卫星已经能提供和航空摄影测量所得图像相比的多波段遥感图像。

(4)光谱分辨率高。多光谱遥感图像能提供对同一研究区不同谱段的遥感信息，高光谱成像仪能够在一个特定光谱范围内细分出数十至数百个波段，增强了对地物(如考古研究区作物的变化)的识别能力。

(5)穿透能力强。合成孔径成像雷达的穿透性可用于干旱沙漠区古地理环境研究，而探地雷达技术则能获取地表下一定深度的考古信息。

(6)对考古文物的无损探测。遥感考古具有对地下考古对象无损探测的优点，使用物探方法能探测和研究遗迹的平面形制特征和布局结构，无需进行大面积的揭露，既能节省大量人力、物力和时间，又不会对遗存有任何破坏。

以上简述了遥感考古的主要特点。考古空间信息的获取、处理及分析利用是认识历史文化遗产必不可少的重要过程，下面从遥感数据获取遥感器出发，论述空间信息在探测历史文化遗产上的独特作用。

4.1 利用空间信息技术对古遗址的重大发

现

由于保存于地表或地表以下的古代遗迹随着岁月的流失逐渐荒废，有的变为农田，有的形成村镇，但由于这些遗迹全部为人工建成，与周围没有经过人工扰动的土壤环境存在着差异，这就形成了这一地区在土壤、水分、地表温度等一系列的特别征象，人们在平地观察这些特别征象可能微乎其微，但这些差异却能造成遥感图像上的光谱差异，因此这些古遗址能被识别出来；此外，由于雷达的全天时、全天候的成像能力及对一定地物的穿透能力，地物的后向散射特性决定了古遗址能从雷达图像上识别出来。 目前已有很多利用遥感技术发现古遗址的实例，充分说明了遥感在考古应用中的作用。例如： 美国考古学家利用卫星遥感影像发现了早已沉没海底数千年的古埃及名城亚历山大；欧洲的考古学家根据早期照片发现了多处古罗马的建筑遗址和著名的“罗马大道”；美国宇航局埃姆斯研究中心的科学家利用遥感技术揭开玛雅文明荣枯盛衰的奥秘，成功地识别出了古玛雅遗址的特点；希腊考古学家用红外像片在科林斯湾发现了公元前373年毁于地震的古城“Hekike”；美国宇航局考古学家从彩红外航空像片上识别出哥斯达黎加森林中的古路径；1994年航天飞机成像雷达SIRC/XSAR和AIRSAR对处于茂密森林的柬埔寨吴哥古城的研究，重建了吴哥古城的分布范围，使其由原来的200—400平方公里扩大到1000平方公里，重新勾绘出古运河水系，使我们了解到已消亡的吴哥古城的壮观原貌。

4.2 历史文化遗产的调查、保护与遥感监

测

我国的文物古迹遍及各地，有大量需要保护和探明的古遗址，其中包括大型古代聚落、古城、皇陵、长城、丝绸之路等。我国有1200多个国家级重点文物保护单位，99个国家历史名城，仅被列入世界遗产的就有30处，相信今后还会有遗产被陆续列入。空间信息技术无疑是探寻古遗址、动态监测历史文化遗址变化情况及古遗址保护的有效手段，以长城为例，我国整个长城从丹东虎山到嘉峪关全长7000多公里，由于沿线生态环境的不断恶化，再加上人为因素的破坏，破损现象非常严重，特别是在西部干旱荒漠区，多数地段已被流沙掩埋。目前长城只有不到三分之一修复和保护较好，另有三分之一残破不全，还有三分之一早已不复存在。因此，利用空间信息技术探明长城的分布，更好地保护好长城已刻不容缓。丝绸之路是我国与西方古代文化和贸易交流的主要路径，无论是中国还是外国，在这条道路上遗留着许多文物古遗址，如尼雅古城、楼兰古城、中亚土库曼斯坦的Merv古城。丝绸之路遥感考古是1994年航天飞机成像雷达过境我国尼雅古城时的一个重要课题，加拿大等国的研究人员对位于沙漠中过去的绿洲古城Merv进行了多学科的遥感考古研究，利用GPS技术和IKONOS等图像对古城进行了精确定位和古遗址分析。此外，对统万城、三星堆等遥感考古的研究都使我们对古文化遗址有更深刻的认识。

4.3 空间信息用于古环境研究

古代环境的恢复，对于研究当时的社会、文化、经济、自然地理条件等方面都有着重要的作用。而古地理环境的变迁，对于古代环境、政治演变的研究也十分重要。用遥感研究长周期的环境历史变迁，主要是依据它在遥感图像上所遗留下来的“痕迹”来进行识别。因为各种研究对象，都有其区别于其它对象的特征，其中不少特征得以不同程度的保留。这些特征反映在遥感图像上，则可以通过色调、阴影、形态、大小、纹理等的差异识别出来。

目前，应用遥感技术进行环境考古，热点主要集中在运用多时相、多源和多分辨率卫星及航天图像进行考古遗址环境监测、景观考古、环境变化和社会变革的关系研究以及历史时期环境恢复等方面。

哥伦比亚号航天飞机携带SIRA雷达于1981年11月在东撒哈拉沙漠进行飞行，McCaukey等通过对SIRA图像上沙层覆盖下基岩的雷达回波的研究，揭示出数米沙层下的古河道，后期研究表明：非洲北部存在过比现今尼罗河水系更为庞大的河流水系，否定了那里不存在主干水系的论断。古河道为旧石器时代的人类提供了沙漠中的绿洲，揭示出当时撒哈拉沙漠的环境条件。中科院遥感所的科研人员用多源卫星遥感数据结合数次野外实地验证，发现图像上的沙带路径由西南流向东北注入到雅马雷克沙漠之下，也揭示了该地区古水系的存在。

4.4 地下遗迹的无损探测

遥感考古的另一大研究内容，就是对深埋于地下的古代遗迹、古墓等的无损探测。目前采用的无损探测方法主要包括磁力探测法、电阻率探测法、微波脉冲“探地雷达”以及地震探测法等。

我国在这方面的起步较晚，主要成果有华东师范大学用探地雷达对浙江绍兴“印山大墓”进行的无损探测；在国家“863”计划中设立了对秦始皇陵的遥感勘探课题，采用航空遥感高光谱技术和热红外遥感技术与磁法、电法等20多项国内外最先进的、高精度的物理探测技术，对秦始皇陵区2.13平方公里，陵园区56.25平方公里进行遥感和地球物理综合考古研究。国际上，以色列的专家利用热红外传感器在1333m的高空成功对戈兰高地埋藏于土层下面的遗址进行了探测，并进行了热红外制图，开创了热红外遥感考古的先河。

4.5 考古专题制图和文物考古信息系统

遥感考古研究的主要工具是遥感图像，图像本身具有可以长期保存的特性，因此我们可以从早期保存的遥感图像上发现已被破坏的古迹，从现在的图像发现现有的古迹，制成考古信息专题图，在图像上保存这些古迹的位置、范围以及古迹的真实外貌特征，以供将来分析之用。

经过纠正的遥感图像会有很高的精度，因此可以从图像上对遗址的范围及形状进行直接测量，并可将结果直接转绘到地图上，具有很高的参考价值。

目前，在国际上，利用遥感进行考古制图是遥感考古的主要内容，尤其是高分辨率卫星图像和航空照片是大比例尺制图的主要数据源。利用遥感和GIS技术进行大规模的遗址调查，并精确定位，以供未来进行环境监测、遗址定位以及预测之用。

GIS在考古学中的应用是多方面的，可以应用于从考古数据采集到数据存储、分析、解释以及表达的各个方面。具体地说可以总结为以下几个方面：建立考古信息管理系统，建立考古遗址预测模型，进行考古遗址的发展和扩张，景观考古GIS研究等。

5 空间技术与古人类遗址和环境重建

自上个世纪90年代以来，出现了虚拟遗产(或虚拟考古)技术，它是指运用先进的计算机技术进行世界历史、文化、自然遗产的保护与发展的研究。虚拟现实技术是其应用发展过程中的关键技术。选择将虚拟现实技术作为虚拟遗产研究课题的技术层次支撑，是因为虚拟遗产研究所要表达的信息是多维的，既要有历史真实性，又要有文化艺术性，还要求有环境的现实性。而这些多维度信息的表达就目前的计算机技术而言，必需有虚拟现实技术的高性能硬件设备的支撑。在虚拟遗产研究中，还会涉及其它各类计算机技术，例如扫描技术、信息处理、计算机辅助设计、地理信息系统等，具体应用哪些技术需根据不同的研究项目而定。从总的概念来谈，虚拟遗产强调的是要表达出历史的文化现实，反映人类在发展过程中对科学与艺术创造性的努力和不断提升的知识、信仰和价值的体验。虚拟遗产是目前国外历史遗产保护新的发展方向和趋势，有越来越多的人从事这方面的研究。中国是文明古国，其丰富的历史文化遗产是世界历史文化遗产的重要组成部分。进行虚拟遗产的研究既可以推动中国历史遗产保护，又可与世界的发展潮流相适应，同时对于提高中国的历史文化遗产在世界历史文化遗产中的地位具有极大的意义。

利用虚拟遗产技术可以重建历史文化遗址。大英博物馆内演示的古希腊神殿，美国洛杉矶美术馆演示的古罗马城堡，都是根据残缺部件“修复”仿真的。敦煌石窟、“数字故宫”也即将付诸实现。美国学者对新墨西哥州的印第安土著人居住场所进行了虚拟恢复，埃及学者还把大金字塔进行了不同角度的虚拟仿真。日本学者用虚拟现实技术结合空间信息数据模拟的我国湖南稻作文化时期距今7000年的彭头山遗址，再现了当时的城市布局景象。我们可以利用虚拟遗产技术恢复已消失的古城(如楼兰古城，统万城等)的原貌，同时也可对现今古迹进行虚拟现实仿真，为文物保护部门提供一份宝贵的电子资料。

6 学科发展对策及建议

随着我国经济建设速度的加快和自然环境的变化，大量的文化遗产正面临着日趋严重的破坏。提前预测和加快保护这些古遗存的任务越来越紧迫。遥感考古以其独有的空间优势，在古遗址探测、文物保护和监测、古环境重建方面将发挥重要作用。遥感考古是自然科学技术与社会人文科学的交叉学科，学科融合是自然科学与社会科学发展的必然趋势。目前构建一个以空间信息技术为主的有中国特色的“国家遥感考古体系”的条件已趋成熟。“中国科学院、教育部、国家文物局遥感考古联合实验室”在国际、国内的地位和影响，已为开展遥感考古工作奠定了很好的基础。针对我国遥感考古研究现状，目前亟待开展理论基础研究并建立一套成熟的技术体系和标准体系。鉴于此，特提出如下建议：

(1)开展电磁波与古遗址之间相互作用的机理研究，建立统一标准的遥感考古波谱数据库，这是确定不同古遗址有效探测波段的重要基础。

(2)认识和研究不同条件下的古遗址类型特性，建立古遗址信息、古环境信息系统，这是遥感考古的前提。

(3)通过对各种遥感数据的综合研究，分析已知古遗址的遥感数据特征，以分析遥感考古目标的信息特点和古目标背景场的信息特点为主，增强与提取考古目标的弱信息。

(4)融合多元考古信息，数字化重建四维古遗址的空间位置与几何形态，定量化、数字化研究考古区域古环境及其时空变化，完成古遗址的四维数字虚拟，实现遥感考古信息的可视化。

(5)技术集成研究。遥感考古实际上是以遥感技术为主，并涵括了不直接接触探测对象而获得信息的各种技术手段，如地球物理技术、虚拟技术等，在不同地域、不同遗址类型、不同条件和不同研究阶段，其应用的程度各不相同，应通过综合研究，系统集成一套适合于中华文明探源的遥感考古技术系统。

主要参考文献

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