全文刊登于《中国文化遗产》2024年 第2期《笔谈：数字化为文明赋彩》P7-9

近年来，田野考古研究和文化遗产保护领域成功引入高分辨率卫星遥感、无人机低空拍摄、遗址三维重建、地理信息系统等数字技术，在考古遗址三维空间信息的获取、分析、模拟、研究和展示等全过程中发挥着重要作用，为古代遗址与自然环境之间的人地关系等研究开辟了新的途径。

一、高分辨率卫星遥感影像，推动考古遗址整体布局、形制等方面的研究

遥感技术能够从空中视角观察考古遗址，获取地面空间信息的覆盖范围广、更新周期性快，数据规范，拥有非常成熟的影像增强、配准方法，便于遗址整体布局、形制等方面的研究。古代遗迹的空间尺度往往比较小，考古研究中对遥感影像的空间分辨率有着较高的要求，高分辨率的遥感影像才能获得比较理想的解译效果。

数字影像的空间分辨率通常用地面分辨率来表示，是数字影像最小单元（像素）对应的地面尺寸大小，由传感器系统的分辨率与传感器工作时的比例尺来决定。比如地面分辨率0.5米表示地面0.5米×0.5米的范围对应数字影像的一个像素，所以影像的空间分辨率必须小于地面目标的大小，才有可能对地面目标进行识别和判读。

卫星影像的空间分辨率决定其对地面目标的影像解译能力，是成像卫星的关键指标。目前世界上最先进的遥感卫星都兼具高分辨率、快速重访和敏捷成像的能力。美国军用卫星KeyHole-12影像的空间分辨率0.1米，法国“太阳神”卫星的可见光影像分辨率0.25米，美国民用商业卫星 WorldView-3拥有超过10个探测波段，全色影像星下点分辨率0.31米，多光谱影像星下点分辨率1.24米，其立体像对可以生成1米分辨率的数字高程模型[1]。

美国政府分别于1995年2月和2002年9月对外公开锁眼（Key Hole）卫星系列的影像，均为摄影胶片成像后扫描成为数字影像[2]。其中KH-1至KH-6等早期影像的空间分辨率较低，KH-7与KH-9胶片扫描后的影像分辨率很高，星下点分辨率约0.6米，只是KH-7的数据很少，呈零星分布。KH-9的影像成像时间是1970年代，非常适合考古研究中分析聚落及其周边环境中的早期地面特征，往往能够发现大量已经被损毁的重要考古遗迹。

我国对地观测遥感卫星平台及空间遥感技术经过40余年的发展，形成陆地、海洋、气象三大卫星遥感系统。在国家高分辨率对地观测系统重大专项的推动下，实现了一系列卫星遥感关键技术的突破，使我国高分辨率遥感卫星性能实现跨越式提升，民用遥感卫星分辨率提升至亚米级，达到世界先进水平。高分7号卫星是国内首个亚米级双线阵立体成像卫星，可同期获取多源遥感数据，垂直摄影影像的分辨率达到0.65米，倾斜摄影的立体像对可以生成优于2米分辨率的数字高程模型[3]。高分多模卫星的全色影像分辨率0.42米，8波段多光谱分辨率1.68米，幅宽15千米，具有6种成像模式，可实现对任意地面目标的“动中成像”[4]。

高分辨率的卫星遥感影像已经成为田野考古工作的基础材料，在考古遗址的分析和研究中发挥着重要作用。浙江良渚遗址群的考古工作中，1980年代在塘山长堤上发掘了良渚晚期的墓葬，基本上确认塘山长堤的年代不晚于良渚晚期，但是对其功能和性质的判断一直没有头绪。直到2010年代在不同时期获取的高分辨率卫星遥感影像的支持下，揭示出规模宏大的良渚时期大型水利系统，为正确理解良渚遗址群的布局、结构和良渚文化的繁荣与发展提供了科学支撑[5]。

二、低空无人机拍摄与遗址三维重建，为探究古代人地关系模式、复原考古遗址形成过程等奠定良好的基础

随着无人机低空拍摄技术的快速发展和多视角三维重建（倾斜摄影）等技术的日益成熟，对考古遗址开展低空拍摄与三维重建等工作成为可能。无人机低空拍摄能够根据地表植被覆盖情况选择合适的季节，快速获取大、中型考古遗址的全方位空间信息，对遗址及其周边数平方千米乃至数十平方千米的范围进行三维重建，快速生成超高分辨率的数字三维模型、数字表面模型、数字正射影像图等成果。考古遗址的三维重建可以认为是将整个遗址的地面空间信息采集到计算机中，是考古遗址最全面、最真实的空间信息记录，能够满足考古遗址的布局、结构及其与周边环境之间相互关系等研究的需要，为探究古代人地关系模式、复原遗址形成过程等奠定良好的基础。

江汉平原的史前聚落考古研究中，运用无人机拍摄30余处重要的史前聚落遗址进行三维重建，导出数字表面模型等数据，结合研究区域的低分辨率数字高程模型、田野考古调查、发掘和研究等成果，查找和分析聚落遗址内的人工遗迹及其与周边地形、地貌、水系等自然要素之间的关系，探究史前人类如何认识、适应、改造自然环境，推进史前文明的诞生和发展。研究发现大洪山南麓的龙嘴、笑城、门板湾三个遗址的高程均为29~32米，便于旱季引水灌溉农田，但是雨季中易受洪涝灾害的影响，所以建筑有完整的城垣类结构用于防洪。屈家岭遗址群发现了熊家岭和郑畈两个大型水坝及其溢洪道等设施，年代为屈家岭文化早期，距今约5100年，两个水坝所在谷地的流域面积分别为4.7平方千米和4.9平方千米，拦截的水源可以灌溉低处的农田。石家河遗址群的聚落，在屈家岭文化和石家河文化时期均位于高程30米以上的区域，能够很好地避免雨季里洪水的威胁，但是需要修建完备的灌溉设施用于抵御干旱灾害。石家河遗址群的早期灌溉方式应该是每家每户在小型谷地上端挖掘水塘，水塘以下的谷地开辟为农田，便于旱季里从水塘往下引水灌溉农田。由于水塘灌溉能力非常有限，后来在遗址群的西南部修建了朱家泊大型水库，再从东河引水至遗址群的东北部，全面提升遗址群的抗旱能力，增加了水稻种植范围，确保粮食生产顺利推进。陶家湖遗址位于陶家河与泗龙河汇合处的河谷之中，外围拥有完整的城垣和城壕结构，整合和控制两条河流的水利资源，同时兼顾防洪与灌溉功能，达到旱涝保收的目的。实现人与自然环境的和谐与平衡，史前文明才能够不断向前发展[6]。

江汉平原史前聚落的无人机拍摄与三维重建，厘清了江汉平原史前先民适应和改造自然环境的人地关系模式，重建了史前聚落遗址的形成与发展过程，深化和拓展了考古学研究领域，成为现代遥感等数字技术应用于聚落考古研究的经典案例。

近年来，无人机载的激光雷达技术发展迅速，能够滤除植被、建筑物等产生的影响，获取高分辨率的数字高程模型，在采集树木覆盖下的考古遗址地表信息方面具有很大的优势，有望在聚落考古研究与文化遗产保护中发挥重要作用。

三、地理信息系统，为考古学研究提供精确的制图、分析和模拟等技术，是考古学研究信息化的必然趋势

地理信息系统（Geographical Information System， 简称GIS），属于空间信息系统，是1960年代开始逐渐发展起来的地理学研究技术系统。地理信息系统作为计算机技术、地理、遥感、测绘、统计、规划、管理和制图等学科交叉运用的产物，代表了现代计算机应用技术和其他学科相互渗透的发展方向。地理信息系统以地理空间数据库为基础，在计算机软件和硬件的支持下，采用地理模型分析的方法，运用系统工程和信息科学的理论，对整个或部分地球表面（包括大气层）与地理空间分布有关的数据进行采集、管理、操作、分析、模拟和展示，为地理研究和地理决策服务提供多种空间地理信息的技术系统。

GIS技术具有强大的数据存储、集成研究、空间分析与图形制作等功能。田野考古调查、发掘工作中通过现代测绘、遥感、三维重建等技术获取的各种图形、影像、表格等数据，都可以在GIS软件中进行集成，为考古学研究提供精确的制图、分析和模拟等材料，是考古学研究信息化的必然趋势。目前国内很多田野考古工作都运用GIS数据采集系统，随时随地将考古调查、勘探、发掘、采样、分析等方式获取的各种信息录入到GIS系统之中，为后续的报告整理、考古学研究、文化遗产保护等奠定良好的数据基础。

在江汉平原的史前聚落遗址研究中，将地貌、土壤、水文、植被以及田野考古调查、发掘等各种图形、影像资料集成在一起进行分析和模拟，从所处的自然环境的角度分辨聚落遗址内的自然地貌与人工遗迹，及其与周边小环境、区域大环境之间的关系，揭示古代先民认识与改造自然环境的动因和目标，正确理解和阐释聚落遗址的发展、演变过程。良渚史前水利工程的研究中，根据地形、残存坝高等数据模拟岗公岭坝群和石坞坝群等产生的最大库容，再根据各自流域集水盆地的面积，计算每组坝群承载的最大降水量为800多毫米，大约为一次台风登陆所产生的降水量[7]。由此可见，良渚史前水利设施的建设与自然环境的多种因素密切相关，是史前先民适应和改造自然环境的伟大创举，更是良渚文明繁荣兴盛的重要基础。

三维展示方面，一些GIS软件能够直接加载多视角三维重建和虚拟复原的三维模型，结合卫星遥感、无人机拍摄和大范围的数字高程模型等数据，可以从宏观到微观地展示研究区域、考古遗址、遗迹乃至遗物，让研究人员和观众产生身临其境的感受，激发和拓展全新的思考空间。

总之，数字技术在考古学研究、文化遗产保护与展示等领域的运用将会越来越深入，提供最佳的研究方案，拓展和深化研究空间。考古遗址的数字材料能够转化成大众容易理解和接受的模式，以虚拟现实、增强现实、混合现实等方式进行展示，是文化传承与宣传展示的最佳载体。同时，随着信息获取与处理等相关设备和技术的快速提升，以及模式识别、机器学习和人工智能等技术的发展与完善，文物与考古领域的智能化程度将会不断增加，相关研究必将获得前所未有的突破。

作者简介

刘建国，中国社会科学院考古研究所研究员，中国社会科学院大学教授，博士生导师。从事考古测绘、遥感、地理信息系统、考古现场多视角三维重建、中国史前治水文明等方面的应用研究。

（文章参考文献和注释略）