貝丘遺址的高光譜遙感考古

貝丘遺址的高光譜遙感考古

現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界在很大程度上應(yīng)用了遙感技術(shù)，取得了許多重要成果。遙感考古快速有效地探明地上和地下古遺址的分布信息,越來(lái)越受到考古工作者的重視并逐漸成為考古研究的重要手段。國(guó)外遙感考古研究從最初的航空攝影記錄、測(cè)量發(fā)展到目標(biāo)影像識(shí)別,在最近幾年也進(jìn)行了一些考古目標(biāo)波譜特征分析,如NASA對(duì)考古目標(biāo)識(shí)別波譜的分析,粗略地提出了不同的波段可以識(shí)別的目標(biāo)類型。由于考古目標(biāo)受自然和人文雙重影響下的復(fù)雜性,尤其是其典型的地域文化特征,給考古目標(biāo)的判釋圖譜以及基本的目標(biāo)波譜特征研究帶來(lái)了很大困難。高光譜遙感的發(fā)展為利用地物光譜細(xì)微差異進(jìn)行探測(cè)地物目標(biāo)提供了新的技術(shù)途徑,可通過(guò)地物的精細(xì)光譜特征進(jìn)行有效地分類與識(shí)別。因此,從高光譜遙感數(shù)據(jù)中提取地物的光譜信息,然后直接根據(jù)其診斷性光譜特征區(qū)分地物或自動(dòng)判別地物類型是一種有效的遙感技術(shù)方法。本文結(jié)合2002年5月21日所獲取的覆蓋江蘇省宜興西溪貝丘遺址的航空128波段的成像光譜儀OMIS的數(shù)據(jù),研究分析利用高光譜遙感進(jìn)行貝丘遺址考古的可行性和有效的技術(shù)途徑。1方解石、文石、白云石特征所有的貝類的貝殼,其化學(xué)成分均以碳酸鈣為主,碳酸鈣的結(jié)晶形態(tài)有方解石型(Calcite)和文石型(Aragonite),除此之外,還有極少見(jiàn)的六方球方解石型(Vaerite)。其原因是由于鈣離子的有效半徑受到外界溫度、壓力和其他因素的影響可以變化,變化的范圍,既適合于方解石型,又適合文石型。F.Lippman(1973年)綜合了許多研究工作者的成果,做出了方解石、文石在溫度、壓力場(chǎng)中的相圖(如圖1)。從圖1中可以看到,在地表?xiàng)l件下碳酸鈣以方解石的形態(tài)存在比較穩(wěn)定,而文石只有在某些變質(zhì)巖的形成過(guò)程中才能出現(xiàn)。至于因沉淀作用和生物體中形成的文石型的穩(wěn)定性相對(duì)來(lái)講稍差一些。方解石形成的原因有許多因素,其中之一是水中溶解的重碳酸鈣(CaH2(CO3)2),由于CO2的大量逸出,形成了沉積的石灰?guī)r,經(jīng)過(guò)CaCO3凝膠-文石-方解石的過(guò)程是主要的。根據(jù)Hunt的研究結(jié)果,在短波近紅外(SWIR)波段上,方解石、解石、文石、白云石等碳酸鹽礦物(在地表多以次生方解石族為主)典型的診斷性強(qiáng)吸收光譜特征為碳酸根基團(tuán)諧基振動(dòng)所致。Gaffey分析了方解石、文石、白云石3個(gè)無(wú)水碳酸鹽礦物的光譜特征,認(rèn)為由于碳酸根的振動(dòng)過(guò)程在1600~2550nm至少存在7個(gè)吸收峰(2500nm、2300nm、2220m、2130m、1960m、1840m、1750m),并指出這7個(gè)吸收峰的波長(zhǎng)位置以及吸收寬度是碳酸鹽礦物識(shí)別的診斷性特征。通過(guò)進(jìn)一步研究得出:利用2000~2550m區(qū)域的4個(gè)吸收特征仍可有效地識(shí)別方解石(Calcite)、文石(Aragonite)、白云石(Dolomite)三類碳酸鹽礦物。2該遺址的文化屬性西溪遺址位于江蘇省宜興市楊巷鎮(zhèn)西村的西南部,南北長(zhǎng)約150m,東西寬約100m,在地表層下有約20~100cm的大量的蜆殼堆積。2003年5~7月和2003年9月~2004年1月南京博物院考古研究所對(duì)該遺址進(jìn)行發(fā)掘,并出土了玉器、石器、陶器、骨器、銅器、瓷器等文物,說(shuō)明當(dāng)時(shí)人們充分利用當(dāng)?shù)氐乃澄镔Y源。根據(jù)對(duì)陶器的分析,推測(cè)該遺址的新石器時(shí)代遺存屬于馬家浜文化時(shí)期的駱駝墩文化,時(shí)代在7000-6000年之間。該貝丘的東邊部分被房屋覆蓋,其余部分多作為農(nóng)田所用,種植油菜、小麥、地瓜等。在2002年5月21日航空高光譜遙感飛行期間,正值油菜、小麥等作物已經(jīng)收割,地面多為耕翻地,有的部位有雜草存在。由于貝殼堆積較淺,在耕翻地和雜草間的較多部位都顯露著一定量的貝殼。目前發(fā)掘的地方有一塊東西30m長(zhǎng)、南北20m寬的裸露貝殼堆積區(qū),經(jīng)過(guò)雨水沖刷后,大量的貝殼已經(jīng)明顯地分布于地表。3貝丘遺址水平面質(zhì)量和光譜特征2004年6月1日利用ASD-FR光譜儀對(duì)貝丘遺址和樣品進(jìn)行了野外/室內(nèi)光譜測(cè)量。在自然光下測(cè)量發(fā)掘后裸露堆積的貝殼、未發(fā)掘自然耕地、具有零散的貝殼裸地和雜草地、無(wú)貝殼的水稻土和裸地的光譜;在室內(nèi)50W的溴鎢燈下對(duì)洗凈貝殼樣品、自然狀態(tài)下貝殼樣品和無(wú)貝殼的土壤樣品進(jìn)行了光譜測(cè)量。所采用的ASD-FR光譜儀光譜范圍為350~2500nm,光譜采樣間隔1.4~3nm,光譜分辨率為3~10nm。野外測(cè)量時(shí),采用的是25度視場(chǎng)角,手持光譜儀探頭垂直地面,與地面相距約1.5m,每塊樣地測(cè)量10次,取平均值作為該樣地的光譜反射率;室內(nèi)測(cè)量時(shí)選擇5度視場(chǎng)角,手持光譜儀探頭,光譜儀探頭垂直樣品,與樣品相距20cm,每個(gè)樣品測(cè)量3次,取平均值作物該樣品的光譜反射率。如圖2和圖3,干凈貝殼的室內(nèi)光譜和裸露貝殼堆層的野外光譜曲線形態(tài)基本一致。在可見(jiàn)光至近紅外波段,表現(xiàn)為較高的光譜反射率,除了1472nm和1900nm附近的兩個(gè)結(jié)晶水的光譜吸收帶之外,在2288nm附近表現(xiàn)了典型的診斷性的光譜吸收特征,該吸收特征的左右肩部的波長(zhǎng)分別為2098nm和2335nm,帶寬約為100nm,為利用高光譜遙感處理和信息提取算法提供了可行性理論依據(jù)。在貝丘上方?jīng)]有被發(fā)掘的地方,被翻耕過(guò)的農(nóng)田明顯地看到貝殼的分布,其野外光譜測(cè)量的光譜曲線形態(tài)比沒(méi)有貝殼的裸土地反射率整體偏高,而且仍然在2288nm處顯示出貝殼的特征吸收峰(如圖3),該光譜特征說(shuō)明了貝丘在未發(fā)掘前可用高光譜遙感探測(cè)的可行性。貝丘遺址上方的有一定量貝殼分布的裸土地到無(wú)貝殼分布的裸土地過(guò)渡帶,其光譜特征曲線也相應(yīng)發(fā)生變化(如圖4)。無(wú)貝殼分布的裸土地的光譜反射率在可見(jiàn)光-近紅外波段比有一定量貝殼分布的裸土地的偏低,在短波紅外波段的2180nm附近表現(xiàn)為明顯的黏土光譜吸收特征;而有一定量貝殼分布的裸土地在短波紅外表現(xiàn)有貝殼診斷性光譜特征所壓抑的光譜形態(tài),光譜反射率在短波紅外范圍總體偏低。對(duì)具有一定量貝殼分布的雜草地,其光譜曲線形態(tài)表現(xiàn)為植被、土壤和貝殼的三種地表物的組合,在可見(jiàn)光光譜范圍其光譜反射率遠(yuǎn)高于通常植被的光譜,而在近紅外波段卻低于通常的植被光譜,在短波紅外波段相應(yīng)貝殼的光譜吸收特征峰有一定的掩蓋(如圖5)。4omis數(shù)據(jù)的預(yù)處理2002年5月21日該遺址貝丘還未發(fā)掘,貝丘遺址表面仍處于自然農(nóng)耕地、裸土地和雜草等地表類型。利用128波段的OMIS高光譜成像光譜儀對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了航空飛行和數(shù)據(jù)獲取,OMIS成像光譜儀性能參數(shù)見(jiàn)表1。航空飛行相對(duì)地面高度2000m,OMIS成像光譜儀的瞬時(shí)視場(chǎng)為3mrad,地面空間分辨率為6.6m×6.6m。在OMIS數(shù)據(jù)獲取時(shí)同步進(jìn)行地面定標(biāo)點(diǎn)的光譜測(cè)量,并利用經(jīng)驗(yàn)線性模型方法,對(duì)原始OMIS數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜反射率圖像轉(zhuǎn)換。定標(biāo)點(diǎn)選擇了黑色渣土和學(xué)校操場(chǎng),黑色渣土比學(xué)校操場(chǎng)的光譜反射率低(如圖6)。相應(yīng)OMIS的98個(gè)可見(jiàn)光至短波紅外波段對(duì)定標(biāo)點(diǎn)光譜進(jìn)行重采樣,從輻射定標(biāo)后的圖像上提取相應(yīng)的輻射亮度值L,并通過(guò)下式將輻射亮度圖像轉(zhuǎn)化為地面反射率值圖像:ρj(i)=Aj·Lj(i)+Bj其中:ρj(i)為傳感器第j通道,第i像元的反射率;Lj(i)為傳感器第j通道,第i像元的輻亮度值;Aj、Bj為傳感器第j通道的線性回歸系數(shù)。Aj反映了大氣傳輸及儀器設(shè)備的放大比等綜合因素,Bj為偏移項(xiàng),反映了大氣程輻射及儀器的零點(diǎn)偏移等因素。由此可看出,進(jìn)行地面光譜反射率圖像生成的過(guò)程,也就是對(duì)地物反射率光譜特征的反演。5補(bǔ)償作用的假彩色合成由于貝殼在近紅外波段(760-1300nm)、短波紅外(1500-1800nm)光譜反射率普遍高于植被、土壤、巖石等地物光譜反射率,而貝殼的診斷性光譜特征吸收峰在2288nm處的光譜段,因此選擇相應(yīng)2280nm(紅)、1600nm(綠)和810nm(藍(lán))OMIS的三個(gè)波段進(jìn)行RGB假彩色合成,在遙感圖像增強(qiáng)處理的基礎(chǔ)上,可有效地將貝丘遺址信息提取出來(lái)。如彩色插頁(yè)2圖7,紅色方框內(nèi)淺黃藍(lán)色部分就是貝丘遺址在該影像中顯示效果,與實(shí)際所處的位置非常吻合。為了充分利用OMIS高光譜遙感多個(gè)波段的綜合信息,利用400~2500nm光譜范圍的98個(gè)OMIS光譜反射波段圖像在ENVI4.2系統(tǒng)上進(jìn)行主成分分析(PCA)處理,然后將前三個(gè)主成分波段PC2、PC1、PC3依次賦予紅、綠、藍(lán)并進(jìn)行彩色合成,如彩色插頁(yè)2圖8,圖像中方框內(nèi)黃色部位,即對(duì)應(yīng)的貝丘遺址更加明顯的顯示出來(lái)。6利用施土地條件的監(jiān)督性的分析(1)研究發(fā)現(xiàn)貝殼光譜特征吸收峰中心波長(zhǎng)為2288nm處,吸收峰帶寬在2098