1 空間信息技術與人類文化遺產
我國幅員遼闊，是世界上唯一有著5000年連續發展歷史的文明古國，文化遺產遍布全國。如，公元前2世紀開闢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，認識這些人類文化遺產信息對研究中國和整個人類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。從單一的考古到環境考古學、遙感考古學、水下考古學等多學科體系的建立，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。以空間對地觀測技術、地理信息系統、全球衛星定位系統和虛擬實境技術為代表的空間信息獲取與分析技術，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，再現古文明的重要手段。
人類文化遺產是人類歷史的信息載體，這些信息記錄著大量人類活動的內容和過程。遙感衛星從空間觀測地球，記錄了大量人類歷史文化的遺蹟，客觀地反映了它們的空間分布規律和特性。由於遙感考古能夠全面、立體、快速有效地探明地上和地下古遺址的分布信息，在現代考古中發揮著十分明顯的作用，越來越受到考古工作者的重視，逐漸成為考古研究的重要手段。
2 國際發展現狀及趨勢
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，並在考古學雜誌上發表。英國地理及考古學家O.G.S.克勞福德在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誌：陰影標誌，土壤標誌和植被標誌，從航空像片上識別出農田裡羅馬時期的古城遺蹟。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並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，垂直和傾斜攝影技術得到了很大提高，研製出彩色膠片和紅外假彩色膠片，並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，特別是戰後重建和發展經濟過程中遇到的經濟建設與文物保護的尖銳矛盾，使航空攝影考古得到更大的重視。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並大大降低了大面積地面作業的勘探成本。
自1957年前蘇聯人造衛星發射成功到1972年美國地球資源衛星對地球成像，在短短的十幾年裡，人類航天技術得到了突破性發展，從衛星平臺上獲取的大量對地觀測數據，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、多解析度、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解析度的遙感影像，還能得到像「快鳥」這樣61cm高空間解析度衛星圖像。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資料庫。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，並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科學依據。
虛擬考古是上個世紀90年代發展起來的一項基於計算機平臺的新技術。利用虛擬考古技術，人們可以基於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、地形高程等景觀特徵，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。
1990年初，由法國空間局、美國宇航局、歐空局、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及環境考古研究中的優勢及重要作用；2001年由義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「義大利美國遙感研討會：數位技術重建古地形」，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、製圖、保護等方面取得的成果。這些都反映出以「數位化」為主題的考古學發展已成為當今多學科交叉發展的主流，遙感和虛擬實境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。
3 我國研究進展
我國航空攝影考古相對於西方國家而言起步較晚。「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、偃師屍鄉溝商城遺址、洛陽隋唐東都城遺址南部等航空攝影；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，製成了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年開展了對陝北統萬城和內蒙古部分古遺址的航空攝影測量工作。
1993年由國家教委批准在華東師範大學成立了「城市與環境考古遙感開放研究實驗室」 曾先後在長江下遊、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、航空影像古文化遺蹟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)尋找考古遺蹟以及對考古遺蹟進行高解析度無損探測等；為給考古發掘和研究提供可靠依據，開展了「高解析度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。原國家地礦部航空物探遙感中心對寧夏全境的古長城及北京長城做了航空攝影測量及分析工作。安徽師範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。中科院遙感應用研究所用太空梭成像雷達數據探測到位於陝西和寧夏交界處幹沙掩埋的古長城；用高解析度相機對北京老山漢墓成像，圈定出古墓的「異常區」。
鑑於我國對遙感考古的需求，於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」，並在浙江、河南、安徽、陝西、江蘇、內蒙、雲南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籤署了一份協議，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、摩洛歌皇家遙感中心和美國宇航局一起，協助聯合國科教文組織用衛星監測世界遺產。
4 空間信息探測對發現歷史文化遺產的
獨特作用
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：
(1)覆蓋範圍廣。遙感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範圍大，可從用於環境考古研究的中等解析度成像光譜儀及低解析度掃描模式合成孔徑雷達獲得的小比例尺區域圖像，直至用於古遺址詳細研究的Quickbird及IKONOS高解析度遙感圖像。
(2)光譜範圍大。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。
(3)時空解析度高。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複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。在空間解析度上，高解析度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。
(4)光譜解析度高。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範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。合成孔徑成像雷達的穿透性可用於乾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。
(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，使用物探方法能探測和研究遺蹟的平面形制特徵和布局結構，無需進行大面積的揭露，既能節省大量人力、物力和時間，又不會對遺存有任何破壞。
以上簡述了遙感考古的主要特點。考古空間信息的獲取、處理及分析利用是認識歷史文化遺產必不可少的重要過程，下面從遙感數據獲取遙感器出發，論述空間信息在探測歷史文化遺產上的獨特作用。
4.1 利用空間信息技術對古遺址的重大發
現
由於保存於地表或地表以下的古代遺蹟隨著歲月的流失逐漸荒廢，有的變為農田，有的形成村鎮，但由於這些遺蹟全部為人工建成，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在土壤、水分、地表溫度等一系列的特別徵象，人們在平地觀察這些特別徵象可能微乎其微，但這些差異卻能造成遙感圖像上的光譜差異，因此這些古遺址能被識別出來；此外，由於雷達的全天時、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。 目前已有很多利用遙感技術發現古遺址的實例，充分說明了遙感在考古應用中的作用。例如： 美國考古學家利用衛星遙感影像發現了早已沉沒海底數千年的古埃及名城亞歷山大；歐洲的考古學家根據早期照片發現了多處古羅馬的建築遺址和著名的「羅馬大道」；美國宇航局埃姆斯研究中心的科學家利用遙感技術揭開瑪雅文明榮枯盛衰的奧秘，成功地識別出了古瑪雅遺址的特點；希臘考古學家用紅外像片在科林斯灣發現了公元前373年毀於地震的古城「Hekike」；美國宇航局考古學家從彩紅外航空像片上識別出哥斯大黎加森林中的古路徑；1994年太空梭成像雷達SIRC/XSAR和AIRSAR對處於茂密森林的柬埔寨吳哥古城的研究，重建了吳哥古城的分布範圍，使其由原來的200—400平方公裡擴大到1000平方公裡，重新勾繪出古運河水系，使我們了解到已消亡的吳哥古城的壯觀原貌。
4.2 歷史文化遺產的調查、保護與遙感監
測
我國的文物古蹟遍及各地，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、長城、絲綢之路等。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，僅被列入世界遺產的就有30處，相信今後還會有遺產被陸續列入。空間信息技術無疑是探尋古遺址、動態監測歷史文化遺址變化情況及古遺址保護的有效手段，以長城為例，我國整個長城從丹東虎山到嘉峪關全長7000多公裡，由於沿線生態環境的不斷惡化，再加上人為因素的破壞，破損現象非常嚴重，特別是在西部乾旱荒漠區，多數地段已被流沙掩埋。目前長城只有不到三分之一修復和保護較好，另有三分之一殘破不全，還有三分之一早已不復存在。因此，利用空間信息技術探明長城的分布，更好地保護好長城已刻不容緩。絲綢之路是我國與西方古代文化和貿易交流的主要路徑，無論是中國還是外國，在這條道路上遺留著許多文物古遺址，如尼雅古城、樓蘭古城、中亞土庫曼斯坦的Merv古城。絲綢之路遙感考古是1994年太空梭成像雷達過境我國尼雅古城時的一個重要課題，加拿大等國的研究人員對位於沙漠中過去的綠洲古城Merv進行了多學科的遙感考古研究，利用GPS技術和IKONOS等圖像對古城進行了精確定位和古遺址分析。此外，對統萬城、三星堆等遙感考古的研究都使我們對古文化遺址有更深刻的認識。
4.3 空間信息用於古環境研究
古代環境的恢復，對於研究當時的社會、文化、經濟、自然地理條件等方面都有著重要的作用。而古地理環境的變遷，對於古代環境、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。因為各種研究對象，都有其區別於其它對象的特徵，其中不少特徵得以不同程度的保留。這些特徵反映在遙感圖像上，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、多源和多解析度衛星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係研究以及歷史時期環境恢復等方面。
哥倫比亞號太空梭攜帶SIRA雷達於1981年11月在東撒哈拉沙漠進行飛行，McCaukey等通過對SIRA圖像上沙層覆蓋下基巖的雷達回波的研究，揭示出數米沙層下的古河道，後期研究表明：非洲北部存在過比現今尼羅河水系更為龐大的河流水系，否定了那裡不存在主幹水系的論斷。古河道為舊石器時代的人類提供了沙漠中的綠洲，揭示出當時撒哈拉沙漠的環境條件。中科院遙感所的科研人員用多源衛星遙感數據結合數次野外實地驗證，發現圖像上的沙帶路徑由西南流向東北注入到雅馬雷克沙漠之下，也揭示了該地區古水系的存在。
4.4 地下遺蹟的無損探測
遙感考古的另一大研究內容，就是對深埋於地下的古代遺蹟、古墓等的無損探測。目前採用的無損探測方法主要包括磁力探測法、電阻率探測法、微波脈衝「探地雷達」以及地震探測法等。
我國在這方面的起步較晚，主要成果有華東師範大學用探地雷達對浙江紹興「印山大墓」進行的無損探測；在國家「863」計劃中設立了對秦始皇陵的遙感勘探課題，採用航空遙感高光譜技術和熱紅外遙感技術與磁法、電法等20多項國內外最先進的、高精度的物理探測技術，對秦始皇陵區2.13平方公裡，陵園區56.25平方公裡進行遙感和地球物理綜合考古研究。國際上，以色列的專家利用熱紅外傳感器在1333m的高空成功對戈蘭高地埋藏於土層下面的遺址進行了探測，並進行了熱紅外製圖，開創了熱紅外遙感考古的先河。
4.5 考古專題製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蹟，從現在的圖像發現現有的古蹟，製成考古信息專題圖，在圖像上保存這些古蹟的位置、範圍以及古蹟的真實外貌特徵，以供將來分析之用。
經過糾正的遙感圖像會有很高的精度，因此可以從圖像上對遺址的範圍及形狀進行直接測量，並可將結果直接轉繪到地圖上，具有很高的參考價值。
目前，在國際上，利用遙感進行考古製圖是遙感考古的主要內容，尤其是高解析度衛星圖像和航空照片是大比例尺製圖的主要數據源。利用遙感和GIS技術進行大規模的遺址調查，並精確定位，以供未來進行環境監測、遺址定位以及預測之用。
GIS在考古學中的應用是多方面的，可以應用於從考古數據採集到數據存儲、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，景觀考古GIS研究等。
5 空間技術與古人類遺址和環境重建
自上個世紀90年代以來，出現了虛擬遺產(或虛擬考古)技術，它是指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。虛擬實境技術是其應用發展過程中的關鍵技術。選擇將虛擬實境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，還要求有環境的現實性。而這些多維度信息的表達就目前的計算機技術而言，必需有虛擬實境技術的高性能硬體設備的支撐。在虛擬遺產研究中，還會涉及其它各類計算機技術，例如掃描技術、信息處理、計算機輔助設計、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新的發展方向和趨勢，有越來越多的人從事這方面的研究。中國是文明古國，其豐富的歷史文化遺產是世界歷史文化遺產的重要組成部分。進行虛擬遺產的研究既可以推動中國歷史遺產保護，又可與世界的發展潮流相適應，同時對於提高中國的歷史文化遺產在世界歷史文化遺產中的地位具有極大的意義。
利用虛擬遺產技術可以重建歷史文化遺址。大英博物館內演示的古希臘神殿，美國洛杉磯美術館演示的古羅馬城堡，都是根據殘缺部件「修復」仿真的。敦煌石窟、「數字故宮」也即將付諸實現。美國學者對新墨西哥州的印第安土著人居住場所進行了虛擬恢復，埃及學者還把大金字塔進行了不同角度的虛擬仿真。日本學者用虛擬實境技術結合空間信息數據模擬的我國湖南稻作文化時期距今7000年的彭頭山遺址，再現了當時的城市布局景象。我們可以利用虛擬遺產技術恢復已消失的古城(如樓蘭古城，統萬城等)的原貌，同時也可對現今古蹟進行虛擬實境仿真，為文物保護部門提供一份寶貴的電子資料。
6 學科發展對策及建議
隨著我國經濟建設速度的加快和自然環境的變化，大量的文化遺產正面臨著日趨嚴重的破壞。提前預測和加快保護這些古遺存的任務越來越緊迫。遙感考古以其獨有的空間優勢，在古遺址探測、文物保護和監測、古環境重建方面將發揮重要作用。遙感考古是自然科學技術與社會人文科學的交叉學科，學科融合是自然科學與社會科學發展的必然趨勢。目前構建一個以空間信息技術為主的有中國特色的「國家遙感考古體系」的條件已趨成熟。「中國科學院、教育部、國家文物局遙感考古聯合實驗室」在國際、國內的地位和影響，已為開展遙感考古工作奠定了很好的基礎。針對我國遙感考古研究現狀，目前亟待開展理論基礎研究並建立一套成熟的技術體系和標準體系。鑑於此，特提出如下建議：
(1)開展電磁波與古遺址之間相互作用的機理研究，建立統一標準的遙感考古波譜資料庫，這是確定不同古遺址有效探測波段的重要基礎。
(2)認識和研究不同條件下的古遺址類型特性，建立古遺址信息、古環境信息系統，這是遙感考古的前提。
(3)通過對各種遙感數據的綜合研究，分析已知古遺址的遙感數據特徵，以分析遙感考古目標的信息特點和古目標背景場的信息特點為主，增強與提取考古目標的弱信息。
(4)融合多元考古信息，數位化重建四維古遺址的空間位置與幾何形態，定量化、數位化研究考古區域古環境及其時空變化，完成古遺址的四維數字虛擬，實現遙感考古信息的可視化。
(5)技術集成研究。遙感考古實際上是以遙感技術為主，並涵括了不直接接觸探測對象而獲得信息的各種技術手段，如地球物理技術、虛擬技術等，在不同地域、不同遺址類型、不同條件和不同研究階段，其應用的程度各不相同，應通過綜合研究，系統集成一套適合於中華文明探源的遙感考古技術系統。
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