(三维激光扫描仪测量原理)

　　机载三维激光扫描高清遥感系统 （LIDAR）是20世纪90年代发展起来的新型技术。它由空中测量平台（飞机）、三维激光扫描仪、全球卫星定位系统（GNSS）、惯性导测量单元（IMU）、航测数字相机、高性能较量争论机及集成控制存储系统等组成，经由过程航测获取高精度地面高程数据和高清晰影像数据。其独特的滤波技术，可以过滤地表树林等植被要素，使裸露地表信息精细完整地展现出来。这项技术发展起来以后，很快就被引入考古领域，在寻找和发现古代遗址，尤其是植被茂密地区的古代遗址，以及遗址区测绘等方面呈现出明显优势。

　　2013年，湖南省文物考古研究所联合武汉大学和武汉海达数云技术有限公司文化遗产事业部 （现武汉数文科技有限公司）在湖南澧阳平原实施了“湖南澧阳平原史前遗址群机载激光遥感考古与三维考古GIS平台研究项目”,利用机载三维激光扫描高清遥感系统，对澧阳平原230平方千米的核心区域（包括城头山与鸡叫城等重要史前遗址在内）进行了航测，取得一系列成果，并于2014年底经由过程项目验收。其后，湖南省文物考古研究所入手下手将本项目成果投入考古实际应用中，在田野考古查询拜访、勘探、发掘以及考古地理信息系统构建等方面皆效用显著。

　　澧阳平原与航测区

　　鸡叫城西城墙及护城河

　　项目实施概况

　　位于湖南省西北部的澧阳平原，西、南、北三面环山，东向洞庭湖敞开，是一个即开放又相对独立的地理单元。其东西长约45~50千米、南北宽约10~15千米，面积近700平方千米。到目前为止，澧阳平原已查明有500多处重要的史前和商周时期遗址。其古文化遗址分布之密集，种类之齐全，在湖南乃至全国，都极为罕见。2011年4月29日国家文物局做出《关于澧阳平原片区史前遗址群考古工作计划的批复》（文物保函〔2011〕727号），明确指出“应做好遗址区整体测绘与影像资料的采集，并设立建设统一的考古资料数字化管理系统。”

　　为了落实国家文物局对澧阳平原片区史前遗址群考古工作的指示，2012年3月，湖南省文物考古研究所联合武汉大学和武汉海达数云技术有限公司制定了《湖南澧阳平原史前遗址群机载激光遥感考古与三维考古GIS平台研究技术方案》，并向国家文物局进行专项申报，得到国家文物局的批准和专项经费支持。

　　2013年3月，湖南省文物考古研究所与武汉海达数云技术有限公司签订了“机载激光遥感与三维可视化技术在湖南澧阳平原史前遗址群保护中的应用研究”项目立项合同，并就本项目技术方案邀请业内专家进行论证。遂后，项目进入实施阶段。

　　2013年9月29日至30日，武汉海达数云技术有限公司使用直升机平台，搭载三维激光扫描仪、高清航测数字相机、GNSS/IMU集成定位定姿系统（POS）与高性能较量争论机等一系列设备，分两个遨游飞翔架次完成了外业航测工作，总遨游飞翔时间计10小时36分。

　　2013年9月至2014年8月，武汉海达数云技术有限公司完成对原始测绘数据的内业处置惩罚，于2014年10月底向湖南省文物考古研究所提交了项目成果，并对湖南省文物考古研究所相关工作人员进行技术与操作培训。

　　2014年11月，湖南省文物考古研究所对项目成果进行了实地核查，项目成果获得由湖南省文物局组织的验收专家组一致好评，并经由过程验收。遂后，项目成果入手下手在澧阳平原区域考古查询拜访、孙家岗遗址的钻探与发掘以及湖南考古地理信息系统建设中逐步投入使用。

　　机载三维激光扫描高清遥感系统基来源根基理

　　航测直升机与其上搭载的遥感测绘仪器

　　项目成果

　　本项目所获成果主要包括以下7项：1.原始航空影像数据和激光点云数据；2.分类后激光点云数据；3.数字正射影像(DOM)；4.数字高程模型(DEM)；5.数字地表模型(DSM)；6.数字线划图(DLG)；7.三维电子沙盘系统。另外还有项目实施过程当中的资料汇编与项目结项报告等文档资料。其中，第1项为航测所获得的原始数据，第7项为依托项目成果所开发的应用性软件。

　　本项目最为核心的成果是其中第3-6项，四种地理空间数据。以鸡叫城遗址区为例，该区域四种地理空间数据如图所示。其中数字正射影像(DOM)类似高精度的航拍照片，但其上每个点都具有空间三维坐标信息，可以很方便的在上面进行考古规划设计。由于影像数据采用通用的TIF格式，我们可以很方便地在AUTOCAD里面打开，打开以后的影像数据可以直接得到随意率性一点的坐标。

　　数字表面模型（DSM）是根据航测所得全部激光点生成，对地表的房屋和树木有很好的施展阐发，可以或许真实回响反映地表的实际情况。

　　数字高程模型(DEM)是经点云滤波处置惩罚后的成果，滤去了房屋和地表植被，将航测区内植被等地表要素下真实的裸露地形精细完整地展现出来，可以呈现出诸多遗址、遗迹信息，成为区域考古查询拜访勘探的有力辅助。如鸡叫城遗址区的数字高程模型，将鸡叫城城址、城外三重护城河和更外围的水系呈现得十分清晰。数字线划图(DLG)是一种使用更为方便，可放大、漫游、查询、检查、量测的矢量地图。其数据量小，便于分层管理和使用，与其他几种地图及图层叠加，能进行各种空间分析，并能快速生成专题地图。

　　项目成果在考古中的应用

　　在考古地理信息系统建设中的应用

　　澧阳平原机载激光遥感测绘项目实施之前，湖南省文物考古研究所已经在着手构建湖南考古地理信息系统，并完成了以往考古发掘资料的电子化。2014年底，澧阳平原机载激光遥感测绘项目结项之后，湖南省文物考古研究所入手下手将项目成果导入在建的湖南考古地理信息系统，并将航测区内各文物点信息加载其上。以四种高清晰度数字化地图为底图，使各文物点相关地貌环境信息详尽清晰地呈现出来。遂后又将航测范围内已电子化的考古资料，加载到地理信息系统中，使考古资料的管理系统化、信息化，便于查阅和保管。

　　但由于以往考古资料大都缺乏具体的三维空间信息，因此这些考古发掘资料在系统内只能进行检索、查阅，而不克不及在系统内直接进行分析和研究。这对于澧阳平原机载激光遥感测绘项目的四种地理空间数据成果的强大应用潜力无疑是一种浪费。这也促使我们以后的田野考古工作要更加精细化，详尽采集各遗迹和遗物出土时的三维空间信息，以便导入考古地理信息系统中，构成一个真正数字化的澧阳平原考古信息平台，为田野考古工作规划实施、学术研究以及大遗址片区文物保护等提供数字化支撑。

　　在建之湖南考古地理信息系统

　　澧阳平原史前环壕聚落鲁家山遗址(左)与星星遗址(右)

　　在考古查询拜访中的应用

　　本项目生成的区域数字正射影像（DOM）、数字表面模型(DSM)、数字高程模型(DEM)和1：2000精度的数字线划图（DLG），因其精细而全面的地表信息展现，在考古查询拜访中的作用是不言而喻的。其中的数字表面模型图可以或许真实回响反映地表的实际情况，经过植被滤波处置惩罚后的数字高程模型则使很多原本掩藏在植被之下的遗址遗迹信息直观地呈现出来，解决了一样平常光学遥感航拍中地表茂盛植被遮挡视线的问题。对我们发现和寻找古代遗存，观察古遗址、古墓葬等遗存的全貌，及其所在区域的细微地貌特征等，都特别很是有帮助。

　　2014年至2015年，我们利用项目成果提供的信息，有目的地在项目航测区范围内开展了一系列查询拜访和勘探工作。经由过程在本项目的4D空间数据成果上观察辨认，然后到现场进行查询拜访勘探，方便快捷地对鸡叫城遗址三重护城河与更外围网状水系进行了复查，另外还确认了鲁家山、星星、丁家岗等一批环壕聚落遗址。

　　在系统性考古钻探中的应用

　　本项目所获得的正射影像、高程模型、地表模型和线划图都是在点云的根蒂根基上结合高清晰影像所生成，其实不仅仅是一张图片，而是带有三维坐标的地理空间数据集合。这实际上相当于把测区内的大地空间信息都数字化了。田野考古中所有的遗迹遗物都是依托大地而存在，这样，本项目所获成果就为测区范围田野考古工作的数字化提供了一个精细而全面的空间数据根蒂根基。这对于系统性考古钻探工作的野外作业和分析研究具有重要辅助作用。

　　湖南澧县孙家岗遗址位于澧阳平原偏西部，正位于本项目航测区范围内。孙家岗遗址2015年冬所开展的系统性考古钻探，在探眼的布设与田野定位、钻探各探眼所获堆积信息的呈现及最后钻探成果的综合分析等方面，都利用了本项目成果所获得的数字化地图。

　　田野钻探之前，首先在遗址所在岗地中部设定了遗址中心点，然后利用GIS类软件在数字地图上由中心点向东西南北正标的目的每5米定一个点，这便在数字地图上生成5米点阵。以这些点为钻探探眼位置，并依其与中心点的相对方位与距离生成每一个探眼的编号，这样就完成了钻探探眼的数字化布设。因为在数字化地图上，每个点都有自己的空间坐标数据，所以只需将各探眼所在位置的空间坐标数据导入测绘仪器RTK，利用测绘仪器在田野放点，便可将电子地图上规划布设的各探眼，精准地定位于田野实地。

　　钻探过程当中，除以表格记录每个探眼堆积信息之外，还可以经由过程GIS类软件将每一个探眼文化堆积厚度，堆积类型等信息以直观图标的形式直接加载到数据地图每一个探眼位置之上，生成整个遗址文化堆积厚度分布图和不同性质文化堆积的分布图等。最后做钻探结果的综合分析时，可以将这些信息落在可以或许反映不同地钻探综合分析的成果也是直接标注于数字地图上，这时候可以将数字表面模型(DSM)与数字线划图(DLG)叠加上来。这样钻探成果，各遗迹现象与现地表房屋林木的相对位置关系，以及涉及那一户当地居民的田地都可以呈现出来，这样方便下一步考古发掘时的发掘区规划。

　　在考古发掘中的应用

　　孙家岗遗址2015年冬季的系统钻探工作结束后，随后在2016年冬至2017年春进行了考古发掘。如前文所言，孙家岗遗址2015年冬季系统钻探工作各探眼堆积情况及最终综合分析成果皆加载于本项目所获得的数字化地图上。这样在田野发掘工作开展之前，我们便可以根据发掘目的，直接在数字化的钻探成果图上，对发掘区进行规划。

　　孙家岗遗址2016年冬至2017年春考古发掘的主要目的，是探明遗址文化堆积的时代跨度，揭示遗址的文化面貌与内涵，同时对钻探所获认识加以验证。所以在钻探所发现的遗址东部墓葬区，遗址南部大型灰沟和遗址南缘环壕内侧各布设一发掘区。因为底图是数字化的，根据发掘意图在钻探成果图上规划好发掘区后，便可以将所规划发掘区相关空间坐标数据输入测绘仪器(RTK)，田野探方布设时，经由过程测绘仪器的定位功能，便可以将规划发掘区精准的落在田野实地。在发掘工作中，我们又将本项目成果引入田野考古数字化管理系统中，作为空间数据底图，对考古发掘过程当中的资料与记录进行管理。

　　为此，我们在考古发掘过程当中，对揭示出来的遗迹和遗物，除传统的影像、文字与表格记录外，更注重提取各遗迹、遗物出土的空间三维坐标数据，然后在系统中将这些数据加载到本项目所获得的数字化地图上，使这些遗迹、遗物按其出土时的空间位置在数字化系统中各归其位。其它的影像与文字记录则与相应遗迹遗物的空间位置相链接，从而实现田野考古发掘的数字化记录与管理。这样不仅使考古资料电子化、系统化，方便后期资料的收拾整顿、查阅和管理，同时还可以在数字化地图上对遗迹、遗物分布的空间关系进行分析，对考古研究也有明显的辅助作用。

　　余论

　　2013~2014年实施的“湖南澧阳平原史前遗址群机载激光遥感考古与三维考古GIS平台研究项目”，是湖南省文物考古研究所将机载三维激光扫描高清遥感系统引入考古领域的一次初步测验考试。所以航测区域较少，当时仅航测了澧阳平原核心区域的230平方千米。实际上在澧阳平原中心区之外还有很多重要文物点分布，比如旧石器时代的乌鸦山遗址，早至新石器时代早期的华垱遗址，以及申鸣城、九里楚墓群等战国时期的城址与墓葬等，这些都在航测区范围之外。

　　澧阳平原作为考古学上一个相对独立而完整的地理单元，其考古学文化从时代上涵盖旧石器时代至商周秦汉，少有缺环。尤其平原周边的山前地带，是寻找旧石器时代末期和新石器时代早期遗存，以探寻旧石时代向新石器时代的转变、定居的出现以及农业起源等相关问题的重要区域，是湖南省未来数年甚至数十年都要重点开展考古工作的区域。因此下一步有必要扩大机载激光遥感测绘的范围，将整个澧阳平原及周围山前地带都囊括进来，用机载激光遥感测绘的成果为这些区域考古工作的数字化和考古地理信息系统的构建提供根蒂根基支撑。另外随着技术的发展，航测时也能够考虑在空中平台上搭载更多的遥感设备，例如高光谱仪、蓝绿激光、红外相机等，以获取更多成果，获得更加丰富多样的地理信息为考古工作所用。

　　最后，在对项目成果的利用上，2014年底项目结项以来，我们测验考试着将项目成果应用于区域考古地理信息系统的构建和田野考古工作中，如前文所述，确实对我们各种考古工作颇有助益。但项目成果对考古的作用肯定不止于此，考古工作中如何更好更充分地将项目成果利用起来，还需要进一步的实践与探索。（执笔：赵亚锋王少华）