【新疆文物记录】昌吉州06（北庭课题·大遗址保护的综合遥感应用技术研究）

 

（籍借在北庭故城遗址开展的工作，2012年起开始申请科技部转制科研院所专项资金项目并获得成功，完成了《大遗址保护的综合遥感应用技术研究》（2014EG131078）课题，本文进一步修改后在《城市勘察》2020.1 上发表）

 

大遗址保护的综合遥感应用技术研究

 

摘要：课题针对大遗址保护和管理的需求，开展了大遗址保护的综合遥感应用技术研究，利用卫星遥感和航空遥感开展遗存及环境调查、监测与评价工作，形成了包括数据采集、集成、判读、分析和评估等在内的一整套解决方案；以北庭故城遗址为例，阐述了遥感应用的基本思路和内容。

关键词：遥感；空间信息技术；文化遗产

中图分类号：P237、K878 文献标识码：A

 

1. 引言

综合遥感技术作为空间信息技术体系的重要组成部分，在文化遗产及大遗址保护中的主要作用就是对时空数据进行获取、加工、管理和服务，主要流程和应用方向为：考古调查、现状调查及价值评估；基础数据资料获取；规划编制；保护工程设计及实施；运营、管理、监测、评价等五个方面。其中，现状调查、变化监测、管理监督以及综合性的分析、评估等方面的应用则相对薄弱和缺乏，这也是本课题的主要关注点，目的是深化对环境及遗存的认知、评价环境要素变化对遗址的影响、客观评价管理工作等。

大遗址的保护是目前文物保护、文化遗产保护领域中的主战场和重要方向，是我国构建新的文化业态、提升文化产业的重要组成部分，同时也是遥感技术能最大化施展的战场^[1]、[2]。在遥感应用方面，主要关注方法的梳理、流程的优化、成果体系的完善、项目质量的提升等方面，研究的重点落在利用综合遥感技术手段开展调查、分析、评估和动态监测上。课题开展基于我院的在文化遗产保护中的作用和地位，重点针对我院目前文化遗产项目比较集中的地区，强化应用，重点关注实用化、适宜性、有效性等。

2. 主要内容及考量

课题主要研究内容是利用遥感技术和遥感数据，辅以三维扫描技术及其他技术手段对地面痕迹、浅表信息和关联性进行辨识和信息提取，并开展监测、监督及其评价工作。

主要阶段和内容包括：

（1）大遗址保护和管理对空间信息服务的需求

参照目前大遗址项目的需求，结合文物现代化管理概念及遗产地监测要求，全面分析大遗址保护和管理对空间信息产品需求；选择适宜的遥感技术方法和数据产品、可行的技术路线及方法来构建适宜的工作流程；研究遥感技术在大遗址保护中的应用方向和潜力，研究针对大遗址调查的遥感影像解译标志和影像特征等。

（2）现状调查

采用低空无人机、三维激光扫描技术等对文物特征和环境特征进行空间信息采集、判读并整合其他成果进行总体研究，研究环境要素和遗存现状调查内容、方法和表达，构建调查体系，并对大遗址的现存状况进行科学评价。

（3）动态监测和管理监控

基于上述评价体系，依照文物管理部门和遗产地监测相关要求，开展管理空间信息化研究，建立多技术手段融合的模式进行动态监测和管理监控，对环境变化、文物本体/载体变化、病害生成及发育、管理措施等进行日常监控。

（4）构建完善的评价体系

采用适宜的方法进行成果评估，对遥感应用的适宜性进行评价，并进行成果完善。

课题研究的特性主要为：

Ø  作用  建立应用模式/完善大遗址调查及评价体系

Ø  方式  遥感能力梳理、环境信息空间化、影像特征分析、综合性手段、定性+定量

Ø  特点  体系化、标准化、综合性、实用性

3. 基于遥感的大遗址现状调查方法

现状调查是针对大遗址和文化遗产对象的当前状况、保存现状、文化价值、特征及规律而展开的综合性的调查研究，调查中更多关注对大遗址保护及风貌产生重要影响的因子、影响方式和信息表达。手段主要以航天和航空影像，特别是在近十年来快速发展起来的低空无人机航空遥感影像为主，而三维扫描技术则为文化遗存的数字化和虚拟化展现提供了无与伦比的平台，其高精度、高精细度的表现方式和现场化、模型化、全景化、可量测化、任意剖切和进一步的数据加工和特征提取的特性，为文物和文化遗存的调查和记录提供了新的方式。

大遗址及文化遗产地现状调查的实质就是文化遗产的价值发现及认识。

3.1  赋存环境调查

环境要素主要包括：位置、区域、地形、地貌、环境、水系、路网、自然景观和乡土景观等；社会形态、村镇建设、工农业生产发展、遗址开发建设、大型工程项目、工矿及排污情况等；土地覆盖状况及利用程度等。

调查的重点为：

Ø  整体地形地貌形态

Ø  路网构成

Ø  河渠及湿地

Ø  沙化、荒漠化影响

Ø  工矿企业及污染源

Ø  城市村镇建设

Ø  农业生产

Ø  自然风貌和乡土景观

可以从以下几个方面对大遗址的现状及影响进行分析：

Ø  整体的地形地貌、文化遗产地产生及发展变化分析

Ø  遗址地周边其它文化遗产的分布及其关联性

Ø  遗址区内（外）建设状况及对文化遗产的影响

Ø  大遗址内及其周边大型工矿、排污企业情况

Ø  周边城镇分布状况及村镇居住影响（包括遗址区内外村民住房和废弃、搬迁、牛羊饲养地等）

Ø  耕地及农业生产建设影响

Ø  路网、河道（包括河滩地、草地、芦苇地等）分布状况

Ø  地表覆盖状况及利用程度

Ø  大遗址及其周边区域的景观分析和利用及影响

Ø  其它

要评估环境对文化遗产的影响，最有效和直接的方式就是对遗址区地表覆盖状况进行全面了解，来反映对文化遗产地的环境影响和对文物及文化遗产的影响；反映遗址区域风貌特征和利用模式、利用强度等。

本课题以土遗址和郊野环境中大遗址为主要目标，提出大遗址监测中的地表类型分类。

 

 

 

  遗址区地表类型现状分类及描述

序号	类型	描述及说明
1	遗址区	主要为建筑遗存及散落范围，遗址内空置、荒芜部分一般也归入遗址区范畴，但一般不同于在大遗址和文化遗产地保护规划中的遗址区（核心区、核心遗址区、遗产区等）或缓冲区等，一般仅包括文物本体和与文物本体相关联的并未受到社会变革和生产建设影响到的环境区域部分。对于被生产生活破坏和扰动的历史环境部分，如若采取了积极的保护措施、恢复措施，进行了退耕、拆迁、风貌整治、绿化等工作，整体区域用于遗址的考古、展示、休憩等目的，也均可算作遗址区范围。
2	公路	交通主干道（含路旁沟渠等）。
3	乡村路	交通次干道，主要为乡间村镇及居住点之间往来交通通道（含路旁沟渠等）。
4	机耕路	田地间能通行的道路，主要为土地耕作和收获所用（含路旁沟渠等）。
5	田埂	分隔田块的线状物，田块的形态和分布，标示了该区域的农业生产状况、程度、方式，隐含了一定的农业生产力因素、土地承载力因素和农村人口和村镇密集度因素，也可以通过田块本身的形态和分隔表征出相关信息。
6	村镇	居住点和成片的村镇区域，包括院落和集中村镇中的空场地。
7	搬迁村镇	为开展遗址地保护而动迁的居住点和居住区域。
8	展示工程	在遗址原址上的保护工程或保护设施。
9	耕地	耕种土地，未进一步区分其间的耕地类型。
10	退耕地	主要为开展遗址地保护而弃耕、退耕的土地地块。
11	林地	自然及人工种植的树林。
12	河流	自然流淌形成的河流，主要为常流水和富含水分区域，历史中形成的宽阔的河滩等多归入滩涂中。
13	坑塘水面	人工拦堵开挖形成的以养殖为目的的水面。
14	滩涂	天然湿地状态，以自然形成的草地、灌木、坑洼积水区域等为主。
15	滩涂（芦苇）	成片密集的芦苇地。
16	未利用地	裸露地面，主要以耕地间的乱石地、打谷场、坟岗、低洼积水地等为主。
17	其它	其余凌乱、面域较小的地类。另可根据需要设置围墙、栅栏、地标冲沟、荒地、乱掘地、不明用途用地等地类。
注：1）对其他遗址区域可增设绿化地、街头广场、工厂、矿区、城镇区（或与村镇合并）、放牧区、旅游服务设施等相关地类，并可根据需要对城镇和居民地中的空置场地等进行分类和提取信息。 2）对更加荒漠的遗址地，可增加沙地、戈壁、盐碱、裸土、裸岩石砾等地类。 3）分类的原则：以对文化遗产区有实质性影响的要素分类、所见即所得、自然优先、面域。

 

如果辅以历史影像，则可开展环境趋势变化对大遗址和文化遗产地影响的分析，本课题中结合新疆北庭故城遗址的具体案例，主要从路网、河渠及湿地、村镇及生产生活等方面开展了相关研究。

路网：

调查要点 （1）分布、等级、历史成因、作用

             （2）面积比例和密度

             （3）与遗址区的距离和联系

             （4）通达性、与村镇联系等

分析要点 （1）中部穿越遗址道路影响巨大

             （2）东西两侧道路形成屏障

             （3）面积比和路网密度低，区域建设程度低

             （4）条带、自由式，地形地貌契合度高

河渠及湿地：

调查要点 （1）分布、现状、作用

             （2）与遗址区的距离和联系、影响

             （3）与村镇和生活生产的关系

             （4）湿地及自然环境

分析要点 （1）遗址所在条状绿洲的基础

             （2）历史上东侧河道影响较大

             （3）天然隔绝屏障

             （4）村镇沿河道展布（自然、建设程度低）

             （5）自然、生态、乡土景观

村镇及生产生活：

调查要点 （1）城镇、村落等

             （2）形态、面积、人口、现状、趋势

             （3）对遗址、遗存的影响方式、程度

             （4）遗址保护措施及效果

分析要点 （1）遗址近端建设影响及破坏最大

             （2）遗址远端村镇集中度不高、建设规模小

             （3）无中心城镇建设影响

             （4）发展变迁历程（居住、生产）

             （5）遗址保护

      （北庭故城遗址地表分类图·2012年）

3.2  文物本体调查

文物本体（遗存）的调查要素主要为：遗存位置、形态、形制、环境；坐标、图形、主要结构尺寸等几何数据；遗存保存状况、病害表现及致病原因；遗存保护措施及效果等^[3]。

无人机以其影像获取便捷及高分辨率的特点，在文物遗存的现状、遗存的赋存环境和影响进行调查和记录中具有极大优势。本课题中，利用多期的无人机影像并辅以其它资料，开展了北庭故城遗址的内城、外城、羊马城、壕沟、遗址区内部和其他遗迹遗存的现状调查，在调查的基础上依现状和安全性对遗址风险进行了评估，为后续的保护和管理提供支撑。

北庭故城遗址保存现状及风险性评估

序号	遗存内容	完整性	结构稳定性	病害类型	主要破坏因素	评估等级
1	羊马城	残损严重，局部有灭失，西侧和北侧西端略有形，其余多呈土垄状	差	塌垮、脱落、堆积、风化	自然风化	C
2	内城北城西段	残损严重，西端角楼处有形，尚能反映原貌，其余墙体多呈土垄状	一般	塌垮、脱落、堆积、风化	自然风化、植被根系、北侧壕沟低洼积水浸泡墙基	B
3	内城北墙东段	有形，为北庭故城遗址中完整性最佳和景观效果最好的一处。局部有塌垮，内侧多有堆积。	相对较好	风化、雨雪冲蚀、渗水、裂隙	自然破坏	A
4	内城西墙	整体形态不佳，尤其北段多呈土垄状，南段外侧因塌滑堆积而成坡状。北端一处敌台，中部有城门墩台。	一般	风化、雨雪冲蚀、塌滑	自然破坏	B
5	内城南墙	残损严重，东西两端几乎无踪，中部略有形，单边沿不齐，塌垮和崩解严重。	差	过境交通、房屋建设、自然塌垮	过境交通、房屋建设、自然破坏、降水冲蚀等	C
6	外城东墙/内城东墙	南部几乎无踪，北部北端无踪，所余部分有形，内侧坡状，外侧竖直，其间一敌台与西侧敌台对应。	相对较好	自然破坏、河水淘蚀、风化、雨雪冲蚀	东河坝流水淘蚀、自然破坏	B
7	外城北墙	东侧几乎无踪，中部瓮城完整，西侧呈断续的部分	相对较好	房屋建设、自然破坏	东部以自然破坏为主，西部以人为破坏为主	A
8	外城西墙北段	断续，南端成型，但被掏挖变窄	相对较好	过境交通、村民建房	公路穿墙而过，村民集中在墙垣处掏挖建房建院	A
9	外城西墙南段	北端有残迹，南端几乎无踪	一般	主要为建房损毁	村民建房	B
10	外城南墙西段	断续，西北角楼略有形	相对较好	主要为建房损毁	村民建房	A
11	外城南墙东段	西侧局部存，东部无踪	相对较好	过境交通、村民建房	过境交通、房屋建设、自然破坏、遗址耕种等	A
12	遗址内其它建筑遗存	除西南角佛塔外，其余多无踪	差	自然消亡、坍塌、掩埋	自然原因、挖土取肥	C
13	遗址内部区域	地表痕迹少、西南角已成耕地	差	自然消亡、人工扰动	自然原因、挖土取肥、人为开荒耕种、局部积水下渗破坏	C
注：1）完整性主要是针对拆迁并整理后的现状。 2）结构稳定性的评价主要是以拆迁、清理和开展了保护性加固后的现状为依据。     3）评估等级也是以现状所遗遗迹为主。采用三个等级设置的方式，仅表示评估对象保存状况的相对评价，并不代表绝对恒定等级。

4. 基于遥感的大遗址动态监测方法

随着社会的发展和进步，大遗址及文化遗产地将面临着不断增加的环境压力、开发压力、自然灾害和管理营运需求压力，而破解这些压力和问题的先决条件之一就是开展监测工作、开展以遥感技术为基础的综合性监测工作，并分析和评估这种变化对大遗址整体风貌、遗存现状的影响及其影响趋势^[4]。

本课题的研究主要以方法和路线为主，针对北庭故城遗址的变化监测及分析主要以2006年、2010年卫星影像和2012年、2016年航空影像为主。分析认为，在2012年以前，变化和影响主要为一种社会性、自然性的变化，而在2012年至2016年期间，主要的变化是遗址公园、申遗点规划建设的产物，更多地体现管理、运营的结果，变化监测可用来对管理能力、水平、遗产价值认知的一种辅助性判断及监督。

课题中，主要应用了2006-2016年多期影像，开展了以道路建设、村镇建设和生活生产为主要因子的变化监测和影响分析，并结合其他一些资料梳理了北庭故城遗址在近20年内的变化情况。

在管理监督方面，本课题尝试以一种客观的角度、从空间形态的变化方式上对管理成效进行一定程度的监督和评价，主要选择：遗址公园建设、保护区勘定、遗存和遗址区环境、遗址区内建筑及耕地变化、保护工程、考古发掘和规划建设为监督要点，以期对遗址公园建设进程、环境整治和生态恢复、本体保护工程、考古发掘和展示利用工作成效和不足做出正确的描述和评价。

5. 遥感应用的评估

5.1  遥感应用效能的评估

1）遥感数据的适宜性评价

Ø  高分辨率卫星遥感资料：0.5-1m分辨率，适宜面积50-500km²，大遗址整体环境的自然状况和空间格局、区域性地形地貌特征和社会发展状况等。

Ø  高分辨率航空遥感资料：0.05-0.2m分辨率，适宜面积1-50km²，大遗址区域的微地貌特征、景观特征、遗存的分布和空间格局、环境影响及保存现状等。

Ø  高分辨率航空遥感资料：0.01-0.05m分辨率，适宜面积0.1-1km²，遗存现状、损坏因素调查、保护工程评述等。

2）对环境因素及遗址布局的认识程度

通过研究和分析可知，遥感在环境要素认知和遗址遗存认知方面具备较强的优势，能够以一种特殊的视角对整体性的空间格局进行概括和认知。

3）对遗存现状和病害状况的了解

对遗存的分布、遗址残存状况的认知、主要的致损因素和程度等都可以提供强有力的支持。

4）对文化遗产保护和管理的促进作用评价

通过影像能对历史上影响遗址的人为因素和自然因素做出正确和有效的判定，通过获取遗址所在区域村镇分布、范围、人口密度、路网结构、生产生活状况来对区域和环境的承载力作出预判，可分析遗址因耕种和建设被破坏、占压、挤压的程度和发展趋势。在管理方面，可以对规划、建设、管理工作进行一定的客观性监督和评价。

5.2  遥感应用工作的实质性评估

1）历史上影响遗址的主要原因

对北庭故城遗址而言，人为因素主要是近现代村民在遗址墙垣处掏挖建房盖院、在遗址区内开荒耕种、取土放牧和公路交通穿越遗址城垣，形成对遗址的直接破坏和蚕食。遗址内的掏挖建房虽然在上世纪末基本停滞，但损毁的部分并未得到有效清理和抢险性加固处理。而自然因素除了风吹水蚀对遗址区域和墙垣等的直接损毁外，已经遭受人为损毁的墙垣也因降水、雪融的原因而加速损坏。洞穴、创面、甚至颓房残院都成了积水、降水和渗水的通道，其对遗址内部的淘蚀将极大地加速土体建筑的崩毁。在遗址东侧，旧有东河坝对遗址墙垣和台地的冲蚀作用极其明显，未知的洪水影响仍将是保护工作中需要考虑的因素。

2）目前遗址的保存状况

对遗址的保存状况主要可从遗址区域地形地貌、自然景观、遗址文物本体及遗址现状与原本状况的关系等几个方面进行评估。

从区域性遥感影像分析，北庭故城遗址所在区域整体上的地形地貌的改变比较平缓，基本上保持了原始地貌和自然景观，遗址整体区域因受东西河坝围圈的庇护，基本完整。墙垣遗存受扰动较大，已无法复原旧日形态，连续性不强，但形制和主体形态仍呈显性。遗址内地表近半受到扰动，约有1/5-1/4已经开辟为耕地，其余部分也因取土、放牧、公路横穿、沙化等影响，地表遗存和历史信息多有丧失。

遗址区整体虽受人为及自然损毁，但破坏方式单一和具有一定的可逆性，通过村民搬迁、退耕、遗存加固、环境整治、强化管理等方式可逐步恢复和显化遗址、恢复文化遗产的价值。

3）遗址的保护、考古及管理状况

2010年后，随着文物保护意识的增强和保护力度的增大，特别是作为国家级考古遗址公园的建设和世界文化遗产地的确定，北庭故城遗址的保护和利用得到了极大的加强^[5]。通过对搬迁、退耕、整治、考古、展示、管理等所体现出的空间变化来表达其进程，评价保护和管理工作的绩效。

6. 结语

文化遗产是一种生态体系，是文物本体和周边环境、风貌、社会发展业态、人文地理、气候等等共同组成的一种生态链、生态圈，和谐的发展是社会良性前进的方向，也是文保事业的终极目标。

综合性的遥感应用是大遗址保护中重要的基础工作和支撑环节，而本课题的重点在综合性、实用化和体系化上，主要是利用低空航空影像和卫星影像、历史影像等对大遗址和文化遗产地的自然环境、生态环境、社会环境和遗产构成、遗存状况、威胁等进行全面的调查和评估，并通过多期影像开展变化监测，分析变化对文化遗产地、环境和景观的影响以及管理工作的成效。在调查和监测体系的建设中，尝试采用地表覆盖类型（土地利用状况）、变化的时序梳理、变化与文化遗产保护的关系、影响因子排序、监测评估等来构建遥感应用体系。

 

主要参考文献

[1] 陈述彭.文化遗产保护与环境遥感监测[J].科学中国人,2005(2):34-36

[2] 聂跃平、杨林.遥感原理与方法及其在大遗址保护中的应用[M].科学出版社,2012

[3] 刘建国.新疆高昌、北庭故城的遥感探查[J].考古,1995,(08):749-756

[4] 王臣立.大遗址遥感动态监测研究[M].文物出版社,2014

[5] 盛春寿.北庭故城国家考古遗址公园建设的思考[J].新疆大学学报(哲学·人文社会科学版),2011,39(01):81-83