陳宇星，李遠華

（吉林大學 地球探測科學與技術學院，吉林 長春130021）

東北地區(qū)作為遼金朝代的發(fā)源地及核心行政區(qū)域，留有眾多歷史文物和古塔、古城等遺址與遺跡。其中，東北境內(nèi)至今還分布著數(shù)百座“遼金古城”遺址。開展古城遺址相關的各項研究，對于深入揭示遼金建筑文化、服務東北歷史遺跡保護與旅游資源開發(fā)、振興東北具有重要的文化價值和現(xiàn)實意義。

總體來看，前人多采用傳統(tǒng)的考古、文物發(fā)掘等研究手段，通過歷史材料整理、文物普查等方式對東北地區(qū)“遼金古城”的文化歷史開展研究，積累了大量文字資料[1-5]。近年來，結合遙感與GIS方法的考古研究有所發(fā)展，但在東北“遼金古城”研究領域，相關技術應用較為薄弱[6-10]。如何運用遙感與GIS開展東北地區(qū)“遼金古城”遺址研究，為其賦予更多空間與結構信息，是一個值得深入探討的問題。

本文在充分收集、整理相關資料的基礎上，深入分析東北“遼金古城”遺址的主要遙感特征和量化方法，針對其特點構建了遙感技術可提取的古城空間參數(shù)，提出“遼金古城”遙感信息提取技術和遙感影像分析方法并開展了技術驗證。研究成果初步反映了東北地區(qū)“遼金古城”的分布現(xiàn)狀，提供了“面積、形態(tài)、走向、空間結構”等古城遺跡空間信息，為東北““遼金古城””遺址的調(diào)查與保護提供了專業(yè)的遙感技術與GIS智慧。

1 “遼金古城”的遙感特征分析

要進行東北“遼金古城”遺址遙感信息提取研究，首先需明確城址的特點和遙感影像特征，為建立提取技術奠定理論基礎。

1.1 古跡特征

東北“遼金古城”具有典型的時代特征。其整體建筑形態(tài)多呈非正南北朝向的方形、矩形，偶有特殊的圓形、橢圓形；多數(shù)古城四隅筑有角臺，城墻建有防御結構，城址設多個城門；城墻多為夯土材質(zhì)，墻體較寬，原始城墻上部可提供巡邏場地；古城內(nèi)部除居民區(qū)、辦公區(qū)外，部分還建有軍火庫、炮臺等軍事設施（見圖1）?！斑|金古城”大多距今已有1000多年的歷史，又因土質(zhì)建筑材料的限制，易受人為或自然因素的影響而遭到破壞?，F(xiàn)存古城遺址多單獨出現(xiàn)，主要殘留為古城墻、角臺、宮殿臺基等（見圖2）；另有一小部分是雙生結構：兩座同等級的古城伴生出現(xiàn)、互為防守，或大型城址周邊有小型附屬城址。

圖1 土城子城址平面圖

圖2 典型遼金古城遺址細節(jié)圖

1.2 遙感特征

根據(jù)《中國東北地區(qū)遼金元城址的考古學研究》中對古城的考察成果，實驗收集與整理了200余處遺址記錄并獲取對應古城的遙感圖像，從遺址形狀、大小、色調(diào)、顏色、位置、紋理、陰影等方面，分析它們的遙感特征，其主要表現(xiàn)為如下幾點。

從形狀和大小上看：遺址多為方形，偶有橢圓形等其他不規(guī)則形狀；一般長150-500m、寬100-400m、周長500-2500m，面積多在10000-200000m2。從色調(diào)上看：遺址內(nèi)部色調(diào)在夏天一般較公路與居民地深；有雪覆蓋時遺址城墻陰影處色調(diào)明顯較深。從顏色上看：部分遺址城墻上草被與樹木生長茂盛，保護情況良好，因而遺址邊界處影像符合植被顏色變化規(guī)律；部分遺址城墻上缺少植被覆蓋，因而影像顏色具有不確定性。從紋理上看：近十年多時相遙感影像中，遺址內(nèi)部紋理多與周圍耕地相同；少數(shù)遺址內(nèi)建有房屋，符合現(xiàn)代居民地紋理特征。從空間位置上看：遺址多在現(xiàn)代村落周圍0-1.5km范圍內(nèi)，少部分在山上或緊鄰水源地附近（見圖3）。

圖3 典型“遼金古城”的遙感特征

2 遙感信息提取方法

2.1 技術路線

通過前述分析，可構建“遼金古城”遙感信息提取技術流程，具體分為資料收集、圖像處理、解譯標志建立等數(shù)個核心步驟。

首先收集東北地區(qū)“遼金古城”相關文字資料，依據(jù)資料中的描述選擇數(shù)據(jù)源進行遙感影像查找與收集；而后對收集到的遙感影像進行圖像校正、圖像增強等數(shù)據(jù)處理，依據(jù)影像特征建立解譯指標；最后通過遙感影像提取東北“遼金古城”各類形態(tài)、結構信息，并提出“遼金古城”遙感分析方法（見圖4）。

圖4 遙感信息提取技術路線圖

2.2 技術方法

2.2.1 資料收集與遙感數(shù)據(jù)源選擇

通過對古城特征的分析可知，要想準確識別古城遺址，在對其分布和特點有科學認識的前提下，要選取合適的遙感影像開展信息提取。遙感數(shù)據(jù)源的選擇，要考慮傳感器類型、空間分辨率、數(shù)據(jù)時相等綜合因素。古城遺址總體構成相對簡單，普通的可見光遙感影像即可滿足探測需求。由于古城邊長多在100-500m，城墻寬度在2-7m，因此要對古城城墻寬度、內(nèi)部情況及其他相關結構進行識別，遙感影像分辨率以優(yōu)于2.5m為宜，若提高到亞米級效果更佳（見圖5）。而由于歷史久遠，有些遺址邊界不夠清晰，同時由于現(xiàn)代建筑、植被覆蓋等因素會在不同季節(jié)對遙感影像中遺址整體形態(tài)產(chǎn)生不同的影響，因此需要借助多時相遙感數(shù)據(jù)獲取更為精準的現(xiàn)代建筑、植被覆蓋、古城遺址邊界等地物信息（見圖6）。

圖5 同一古城不同分辨率遙感影像對比

圖6 多時相遙感影像中的古城

2.2.2 圖像處理

在圖像查找與獲取的過程中，需保證其空間位置的準確性和影像形變的消減。因此，首先要完成遙感圖像的坐標系建立和投影變換、圖像校正。計算周長、面積等幾何參數(shù)時，要將數(shù)據(jù)投影至直角坐標系，對于無坐標遙感影像要進行幾何校正，使其符合上述要求。

古城信息提取的主要任務是范圍圈定和內(nèi)部要素提取，因此要保證邊界清晰、內(nèi)部要素對比度高、易于識別。在此要求下需針對偏暗的原始遙感影像進行“對比度增強”和“亮度調(diào)節(jié)”（見圖7），有時還要進行邊緣增強處理。為反映古城遺址所在地的植被發(fā)育情況，要盡量選擇對植被反射率高的波段參與組合。

圖7 典型城址對比度增強效果圖

2.3 解譯標志建立

綜合分析古城遙感影像，首先可以從形狀、大小、色調(diào)、顏色、位置、紋理等方面出發(fā)，同時細化城門、臺基等內(nèi)部要素，提取典型古城的遙感特征。依此形成古城遙感解譯標志，為東北“遼金古城”的圈定提供特征支持，為其遙感解譯、圖像分類等工作奠定理論基礎。

2.4 信息提取

信息提取的要素包括：中心位置、城門位置、古城邊界、古城結構參數(shù)、現(xiàn)代挖掘處、內(nèi)部土利用類型等，可以采用ArcGIS平臺進行人機交互解譯（部分自動分類方法），數(shù)字化指標可以通過提取成果的矢量數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到。

在信息提取時要注意以下問題：（1）遙感影像中要以古城墻最外側為基準勾繪古城邊界，有植被干擾時優(yōu)先考慮古城的幾何形態(tài)邊界。對于痕跡模糊的遺址，要以影像特征為基礎，通過“包絡線”方式確定邊界。城墻內(nèi)邊界勾繪方式同上。對于城內(nèi)其他的現(xiàn)代地物，則采用土地利用類型解譯方法提取其位置與范圍。（2）確定古城位置點時，可通過遙感影像提取到的邊界來判斷其幾何中心；確定城門位置時，可根據(jù)歷史記錄參考古城形態(tài)綜合提取古城中心線，進而判斷與標記城門；對于疑似現(xiàn)代人工挖掘的道路出口等位置，可對比多時相遙感影像中的地物變化狀況以及結合實地考察來確定與標記。（3）其他反映古城形狀、結構的周長、面積、占地比例等參數(shù)，可以在調(diào)查成果的基礎上通過自動獲取和測量解譯圖中矢量數(shù)據(jù)的方式實現(xiàn)，如圖8所示。

圖8 黑龍江省哈爾濱市“阿城區(qū)小城子城址”遙感特征提取

2.5 成果數(shù)據(jù)表達方法

“遼金古城”遙感影像數(shù)據(jù)、具體量化數(shù)值等綜合信息提取完成后，可以通過單個古城空間信息遙感分析圖的制作來綜合各類調(diào)查數(shù)據(jù)，可視化表達各古城遺址整體特征。

3 單個古城遙感分析方法

古城遙感調(diào)查成果的總體分析與常規(guī)GIS分析方法類似，常用空間分圖、空間密度、分布區(qū)域統(tǒng)計等方式實現(xiàn)。然而，單個古城對于宏觀性強的遙感技術而言，相當于一個微觀對象，要全面反映它的面貌，就必須從微觀尺度加以分析。因此，本文在前述工作基礎上，以單個古城遺址為分析對象，提出有針對性的遙感分析技術，具體思路和方法如下。

3.1 分析方法

在單個古城遺址遙感分析時，首先要基于前述流程提取古城內(nèi)外邊界、古城墻殘留形態(tài)、城門位置、古城中心線、城墻類型、現(xiàn)代挖掘點、古城遺址植被發(fā)育情況等特征數(shù)據(jù)，而后利用GIS制圖技術編繪典型古城遙感分析圖。其中古城形狀可通過構建線文件來表達；城墻位置可通過多邊形面來表達；整體形態(tài)可通過量測影像、標記參數(shù)來表達。

分析圖（圖9）關鍵點如下：首先以遙感影像為底圖，輔以必要的居民地、道路等各類地理要素。古城特征通過點、線、面與形狀、顏色等組合的方式體現(xiàn)——外邊界采用單獨的線要素表示（圖中為粗框線）；城墻范圍采用內(nèi)外邊界之間的面要素來表示（圖中①號區(qū)域）；內(nèi)部土地利用類型中，不同地類可用不同顏色表示，如現(xiàn)代耕地用暖色系不規(guī)則面要素表示（圖中③號區(qū)域）、現(xiàn)代道路用冷色系面要素表示（圖中⑤號區(qū)域）；關鍵信息采用要素標注方法進行標記，例如周長、面積等，其具體數(shù)值在圖例欄進行表達；最后為地圖添加圖名、圖例、比例尺、指北針及其他注記等整飾要素。

3.2 實踐效果與分析

為實踐與證明“遙感信息提取技術路線”的有效性，實驗在信息收集過程中共整理遺址記錄700余條，通過綜合分析和本次遙感圖像判定，在黑吉兩省范圍內(nèi)，可以提供一定地理位置范圍且有遙感痕跡的遺址暫為235處。同時，通過遙感影像判讀，又新發(fā)現(xiàn)2處可圈定范圍的古城遺址。而后實驗在信息收集的基礎上完成了235座遺址的遙感邊界提取及數(shù)據(jù)庫建立工作，并對它們整體的建筑風格、城址規(guī)模及周長、面積等參數(shù)的總體水平加以分析。

此外，為了驗證“單個古城遙感分析方法”的可行性，本文選擇吉林省琿春市“裴優(yōu)城遺址”作為典型遺址，依據(jù)上述古城遙感分析方法對裴優(yōu)城進行實驗。主要提取要素包括古城內(nèi)外邊界、中心點、城門、植被發(fā)育情況等，同時利用Argis平臺解譯其內(nèi)部“居民地”、“現(xiàn)代耕地”等土地利用類型，自動量測古城周長、面積等各類數(shù)字化信息，并編制遙感分析圖，全面反映遺址的整體量化數(shù)據(jù)與土地利用特征（見圖9）。

圖9 “琿春市裴優(yōu)城遺址”遙感分析圖

通過遙感技術可以較全面地提取古城遺址的分布位置、整體形態(tài)、幾何參數(shù)等特征信息，并整合為遙感分析圖以反映古城當前面貌。綜上所述，通過本文的研究與實踐證明，此次提出的古城信息提取技術與古城遙感分析方法具有較強的可行性與實用性。

4 結論

本文在充分收集東北“遼金古城”信息的基礎上，以有明確記錄的古城為研究對象，通過對其特征的分析，提出了“遼金古城”遺址遙感信息提取內(nèi)容和技術方法，并通過遙感影像明確其空間分布位置和邊界范圍，最后以典型古城遺址為例開展了遙感分析方法研究。上述實驗探討了遙感與GIS技術在東北“遼金古城”探測與保護中的應用問題，使得我們可以從遙感角度加深對“遼金古城”的了解。通過本文研究取得如下認識：

（1）從遙感與GIS視角出發(fā)開展古城遺址研究，應在收集相關歷史信息的基礎上，重點關注其建筑特征和空間形態(tài)，而后可利用遙感技術進一步獲取其形狀、規(guī)模、結構、保護狀態(tài)等信息，較客觀地補充反映古城遺址現(xiàn)狀。

（2）開展古城信息提取時要選擇多時相、高分辨率遙感影像，最好優(yōu)于亞米級。同時要通過各類圖像增強技術突出古城殘存遺址的現(xiàn)狀，再基于形態(tài)、結構、植被類型等解譯標志提取古城位置、類型等信息。

（3）在古城遺址影像可解譯程度較高的情況下，采用遙感技術可以提取古城內(nèi)外邊界、古城墻殘留形態(tài)、古城門、古城中心線、現(xiàn)代挖掘點、城墻類型、古城遺址植被發(fā)育情況等數(shù)據(jù)。通過對這些數(shù)據(jù)的綜合分析，可以較全面地反映古城遺址的現(xiàn)狀結構和保存情況，對于古城的保護與開發(fā)具有指示性意義。