“遼金古城”遺址遙感分析策略與提取技術研究

張 宇 李遠華 劉嘉宸 徐 達 蔡德森

吉林大學地球探測科學與技術學院 吉林長春 130026

1 概述

習近平總書記強調,“要讓更多文物和文化遺產活起來,營造傳承中華文明的濃厚社會氛圍。我們要積極推進文物保護利用和文化遺產保護傳承,挖掘文物和文化遺產的多重價值”[1-3]。東北地區作為遼金文化發源地,留存的古城遺址十分豐富,約有百余座,鐫刻著幾百年前的遼金文化記憶,是東北地區寶貴獨特的文化資源[4-5]。

遼金時代的古城由于時間久遠,古城的原始形態、功能和文化內涵并不明確,史料記載有限,較難獲取具體真實的有關信息[6];經歷了幾百年變遷,遺址殘缺程度高,難以辨別其具體信息[7]。當前相關研究以考古或歷史文化領域居多,遙感的參與度不高,缺乏空間化思想的分析與具體信息提取技術的支持[8]。因此,采用何種遙感解決方案,探測與表達古城的空間信息,服務遼金文化挖掘,對東北旅游資源開發、助力東北振興戰略、提高文化自信具有現實意義,是一個值得研究的問題。

東北地區遼金古城空間分布廣泛、離散,殘缺嚴重、文化小眾、資料相對較少。遙感技術具有探測范圍廣、獲取信息快、數據真實等特點,正是解決這類具有較強宏觀性問題的最佳方法之一[9-10]。因此,剖析“遼金古城”遺址空間特征、設計有針對性的信息提取策略、找到具有可操作性的遙感信息提取技術顯得尤為重要。

2 技術方法

首先,在充分收集“遼金古城”遺址歷史、考古資料的基礎上,重點分析與之相關的地理位置描述、形態風格等信息,為古城遺址空間分布、微觀形態等信息的提取奠定基礎;其次,依據“遼金古城”遺址空間信息主要存在的“微觀粗略定位、局部大致定性和區域模糊描述”特征,提出三個層次的分析與提取策略;再次,設計“點位修正法、局部檢索法、區域掃面分析法”實現空間信息檢索與提取;按照古城遺址的保存完整程度,劃分為“結構完整型、框架完整型、殘缺型、消失型、未發現型”五種古城空間數據類型,為遙感信息提取與制圖提供明確的提取目標;然后,從數據處理、核心要素提取、面向對象提取等方面細化遙感信息提取技術;最后,收集和整理東三省遼金古城空間信息和遙感數據,并開展技術實踐與分析(圖1)。

圖1 古城遺址分級提取技術路線

3 東北遼金古城空間層次分析與提取對策

由于遼金文化相比于中原文化的研究關注度不夠,加之遼金古遺址分布廣闊而分散,直接利用價值不明顯,因此“遼金古城”遺址資料豐富程度不夠,相關位置與形態描述不夠精細。通過對東北遼金古城資料分析發現,“遼金古城”遺址空間信息主要存在“微觀粗略定位、局部大致定性和區域模糊描述”等類型。因此,有必要采取分層提取策略加以處理和提取。

3.1 遼金古城空間位置整理方法

對不同層次的古城空間信息進行分析整理,重點搜集“遼金古城”遺址的歷史記載和空間信息,設計“東北遼金古城遺址信息表”,對名稱、經度(X)、緯度(Y)、地理位置、所屬信息類型等屬性加以記錄。為獲取遙感影像數據、掌握古城遺址的分布、遺址信息的空間化和數字化奠定基礎。采集信息格式為“編號:C001,名稱:沙河鄉魏家樓子城址,經度:123.4486,緯度:41.6096,備注:原無坐標”。

3.2 不同空間信息條件下的提取對策

(1)點位修正策略:針對具有詳細坐標信息的古城資料(“微觀粗略定位型”),采取坐標點精確定位,并根據影像特征提取古城空間信息。

(2)局部檢索策略:針對僅有大致位置描述信息的古城(“局部大致定性型”),采用局部區域識別定位,再按遙感特征開展遙感信息提取工作。

(3)區域提取策略:針對只存在部分描述或缺少資料的古城信息(“區域模糊描述型”),采用區域遙感檢索方式發現和定位古城。此外,要根據不同古城遺址的現存狀態制訂相應的遙感信息提取方案。

4 現存古城類型與空間數據存儲

按照遺址的殘存程度,可把遺址分為五種類型:結構完整型、框架完整型、殘缺型、消失型、未發現型。例如,結構完整型古城保存狀態較為完好,古城遺址的結構和城內典型建筑的遺跡在遙感影像上較為明顯;框架完整型古城僅留下較為完整的城墻遺跡;殘缺型受嚴重風化或人類活動影響,古城僅剩一些殘垣斷壁;消失型是古城痕跡消失,未發現型是指存在未被發現的古城(圖2)。

圖2 古城遺址示意圖

將提取古城遺址各要素圖層存在放Geodatabase空間數據庫中,實現面向對象式的一體化數據存儲。

5 遙感提取關鍵技術分析

按照從宏觀到微觀,從整體到局部的分析策略,充分借助遙感技術對古城空間結構和數據模型進行提取和表達,例如從古城范圍的確定到城門位置,城墻缺口寬度等微觀要素的細致提取,先對較大范圍,宏觀性強的要素進行提取分析,之后逐步分解古城各要素;同時能參考已提取要素(如城墻),通過二者之間的相對位置,更合理地確定城門、馬面等要素的點位,實現對古城遺址進行由外及內、收縮式的空間表達。

5.1 目標檢索方法與遙感數據處理

根據前述的信息提取策略,設計了“點位修正法”“局部檢索法”“區域掃描分析法”三種古城遙感目標檢索技術。

“點位修正法”的技術關鍵是:根據已知的點位坐標,在公共數據平臺上對古城定位,然后以古城為中心,向外以2～3倍大小范圍獲取古城遺址遙感數據。之后,根據數據質量再對遙感圖像進行相應的增強、校正處理。

“局部檢索法”的技術要點是:根據提示信息,先找尋標志明顯的參考地標,如村落、特殊建筑等。然后,在其周邊根據古城遙感特征檢索古城位置,并以此為中心,按照資料所述距離的3～5倍做緩沖區截取影像,并進行必要的圖像裁剪、校正和對比度增強等處理。

“區域掃描分析法”技術思路是:將潛在的古城分布區域(例如某一市、縣等)作為搜索范圍,在公共數據平臺上采用網格式排查、掃描,優先確定疑似古城目標,通過遙感解譯標志進一步判定其真實性,確認屬實的古城遺址按前述方法處理。

5.2 古城核心要素提取方法

首先,根據收集的資料提取位置信息,對“遼金古城”遺址進行空間標記定位,然后根據空間坐標收集遙感數據,數據源選擇分辨率優于2.5米的可見光波段,為了排除季節的影響,對較難判別的古城借助多時相、跨季節的數據對比分析;接著結合資料和遙感影像對古城信息校正,并按殘存程度分為“結構完整型、框架完整型、殘缺型、消失型、未發現型”五類;之后對每種類型古城的空間結構進行解析,在ArcGIS中建立古城空間數據庫,利用Geodatabase存儲古城城墻、城防設施等空間要素,并制圖表達,完成“遼金古城”遺址遙感信息的提取(圖3)。

圖3 古城遙感信息提取流程

6 實例驗證與分析

為驗證本文技術的可行性、有效性,根據前述分析策略和遙感信息技術,選擇黑龍江省、吉林省、遼寧省的“遼金古城”遺址作為研究區,開展技術驗證與分析,并進行典型古城遙感信息提取實例驗證。

6.1 數據源采集與古城點位信息整理

遼金古城具有規模小、殘缺嚴重、影像特征不明顯等特點,因此,需要高分辨率遙感影像來解決。由于研究區范圍巨大,本文研究在Google、天地圖等開源遙感數據平臺獲取數據。遙感數據源類型有:Geoeye-1、Worldview、IKONOS、Quick Bird等。

粗略定位型古城遙感數據的采集,以已知坐標點為中心,截取2～3倍古城規模范圍的遙感影像;局部大致定性型古城根據資料描述的相對位置和距離,以參考位置為中心,擴大遙感影像截取區域,截取半徑為參考距離的2～5倍;區域模糊描述型古城先利用開源數據平臺進行移動搜尋,找到目標古城遺址后,再以2倍古城范圍截取其影像數據。按前述方法共整理“遼金古城”遺址340余處,初步掌握了“遼金古城”遺址在東北地區的分布狀況(圖4)。

圖4 東三省遼金古城分布示意圖

6.2 新建古城空間數據庫

在ArcGIS中新建個人地理數據庫(Geodatabase),文件名為古城名稱,并按古城結構解析結果建立城墻、城防設施等要素類。信息提取時選擇對應要素類型進行編輯,最終完成古城空間數據庫的建立,實現對古城數據的管理和存儲。

6.3 古城空間要素提取

本文以吉林省、黑龍江省的部分古城遺址為代表,開展遙感信息提取與制圖實踐。以ArcMap為信息提取平臺,加載對應的古城遙感數據,提取和編輯對應要素類,并對顏色、線型、符號加以整飾,形成“遼金古城”遺址遙感制圖(圖5)。

圖5 殘缺型古城遺址信息提取

6.4 分析與討論

本文方法依據東北遼金古城空間特點分類施策,可快速進行遙感數據的獲取與定位和集成式的提取,具有較強的可操作性;通過對古城分布范圍制圖分析,可以發現東北遼金古城在東北三省地區大致呈現南稠北稀、東疏西密的分布態勢;東北地區的土質型古城除城墻保留相對較好外,絕大多數殘缺不堪,具有侵蝕嚴重、保存狀態較差等特征,“遼金古城”遺址的保護應該引起重視。

7 結論

本文針對古城位置問題提出了空間分層次的解決策略,設計“點位修正法、局部檢索法、區域掃面分析法”開展遙感信息提取,并開展實例驗證取得如下認識。

(1)類似“遼金古城”遺址空間信息可劃分為“微觀粗略定位、局部大致定性、區域模糊描述”等類型,可采取三個層次的處理策略,可采用“點位修正法、局部檢索法、區域掃面分析法”開展古城目標檢索與分析。

(2)采用Geodatabase空間數據庫管理城墻、馬面等古城空間要素,可體現古城的整體架構與局部信息,實現一體化的數據存儲。

(3)利用遙感技術提取古城要素時應與檢索策略呼應,采取分層逐步式、類型差異化提取,重點獲取遺址框架、組成要素、重要部件等空間信息。

(4)東北遼金古城呈現南稠北稀、東疏西密的分布,現存古城大多殘缺,侵蝕嚴重,應加強保護。

特別要說明的是:本文僅對東北三省“遼金古城”遺址開展技術性研究,未將屬于東北的蒙東地區數據納入,希望在以后的工作中進一步完善內蒙古地區“遼金古城”遺址數據。

衷心感謝吉林大學“大學生創新創業訓練計劃”對本項研究的支持,感謝《東北邊境1∶5萬遙感地質解譯與查證》項目在古城數據方面的支持,特別感謝吉林大學考古學院孫賢博士提供的專業指導與資料支持。