学术文摘丨低空遥感考古实务

《中国文化遗产》2017年第2期

低空遥感考古实务

李哲李严孙华陈筱方俊永郭韬

摘要：在当前各国无人机航管政策不断收紧的背景下，是否还能继续推进低空遥感考古的研究甚至普及应用，如何保证这一技术手段在无害化、规范化操作的前提下进一步提高数据成果质量。通过政策分析寻找合理的技术发展空间，在此前提下针对一线考古文博单位的实际条件和工作需求，从软、硬件设备选型、作业方法改进等各个层面进行调适，充分开发5-7公斤以下便携型设备的性能潜力，尝试解决低空遥感考古实务目前面临的各种困难。

关键词：遥感考古；低空平台；航管政策；实施策略；多源图像分析

1. 管理政策之激辩

和传统的载人飞机或线控气球相比，无人机遥感不仅风险更低、使用更便捷，而且功能更强、用途多样化，该手段的引入显著降低了遥感考古的门槛。但任何新技术的出现和普及都是一把双刃剑。不正当使用导致的无人机安全事件频发，使得世界各国都在收紧相关管理政策。我国无人机飞行监管越来越严格，例如北京从早期的二环路以内禁止飞行很快扩展到六环以内全面禁飞，在特定的时间段这一范围还向外延伸200-300公里，几乎整个华北地区都会限制飞行。目前世界各国都在不断地出台相关管理规定，而针对政策合理性、松紧度的正/反辩论亦非常激烈，不仅激起了相关从业者的激烈反弹，也成为社会讨论热点之一。总体来看，出于安全考虑今后低空航管的政策必然会越来越严格，申报、审批越发不易，在这样的发展趋势下，一线的考古文博单位是否还能便捷地实施低空遥感考古？小型考古工地大多需要低空、分散性、多次性拍摄，如果每次飞行都要耗时申报手续繁琐，也不具有时效性，因为出土文物大多需要尽快实验室保护，而现场则需要快速回填或给建设工程让路，留给拍摄的周期很短。

考古领域仍然可以应用并普及基于微型平台的低空遥感技术。截至目前，国内正式发布的政策标准主要是2013年的《使用民用无人驾驶航空器系统开展通用航空经营活动管理暂行办法》，其中规定总起飞重量7公斤以下、在非人口稠密区（以及在不进入禁/限飞区的前提下，作者注）相对飞行高度120米以下、周边500米半径范围以内可视飞行的微型无人机使用者无需持有驾照或申报，飞行安全由操作者自行负责。 01 其他国家或地区也有类似规定，如瑞士、新西兰、马来西亚等都规定高度须低于120米，也有的国家规定低于300米；各国对于飞行器总重量的限制也大小不同，最严苛的是不允许超过3.5公斤。由此可见，各国低空航管规定对考古领域应用的影响都很小，除了城市考古，绝大多数野外工作场地都符合条件；除了大遗址，绝大多数遗产尺度都比较小，一般飞行高度都不必超过120米，范围大的也可以采用摄影测量分块作业再精确拼接正射影像的方式解决。若能在此基础上证明5-7公斤的微型无人机能够满足遥感考古的基本需求，则可按章实现免申报便捷实用。

基于上述政策分析，本文重点讨论微型无人机在遥感考古中的性能潜力和应用范围。鉴于各国对微型无人机重量阈值规定不同且日趋严格的总体趋势，本文选择比国内现行规定更为严格的阈值即不超过5公斤来讨论。

2. 功能转型和设备选型

2.1. 对已知或已揭露遗产记录、测量为主，大面积调查发现为辅

图01/波利尼西亚Moorea岛发现的洞中原木切削而成的土著长老骨灰盒

图02/波利尼西亚Moorea岛Puhinu山崖摄影测量获得的真彩色三维点云成果

通过空中飞行观测和拍摄，在广大区域中发现潜在遗产或穿透地表揭露掩盖的遗迹是传统遥感考古学的主要目的， 02 但在当前目视飞行限制下，基于微型无人机的低空遥感考古调查范围、地表遮盖物穿透能力有限，主要用途转变为测量、记录、分析、展示已知的遗产或考古工地，发现未知遗址的功能反而是次要的。目前基于微型无人机的少量发现类成果多集中于复杂地形条件下，针对小型、局部、可见目标。例如作者在广西左江岩画群记录、测绘中发现的两处分别绘在岩缝、洞顶的特殊岩画， 03 以及在波利尼西亚Moorea岛发现的原木制崖葬遗物（图01），都是在遗产大致方位已知的条件下（崖葬已知处在由多层崖体组成的Puhinu山崖群，只是不知道具体安放位置），用无人机在数百米范围内“地毯式”拍摄、发现并确定未知遗物的具体位置。作业的主要目的是用摄影测量技术测绘遗物及其所在的三维地形环境（图02），“发现”只是检查测绘所需大量照片时偶然得到的“副产品”。这些遗物其实都是暴露出来可见的，只是因为尺度小又隐蔽在山体中，传统的航太遥感手段或地面人工调查难以发现。同理，对于图04所示的高原大尺度城址（元中都），低空摄影测量获取的正射影像和卫星影像相比范围非常有限，但分辨率显著提高，更适合发现大遗址中的建筑单体遗迹。

2.2. 有限数据来源支持下的基本型低空遥感考古

5公斤全重的微型无人机一般只能携带不超过1.5公斤的任务荷载，高光谱成像仪、雷达这些设备目前自重都在2公斤以上，不可能用于微型无人机，这也是微型平台难于实施大面积探测的原因，佐证了前文“测量记录为主，发现为辅”的结论。

图03/基于微型平台的遥感考古常见成果种类及相互关系

图04/

1.120米、300米航高的测量航线示意图

2.摄影测量获得的元中都正射影像

3.伪彩高程图反映的城内遗迹

如图03所示，目前微型无人机可用的传感器主要是轻便型相机、红外相机、多光谱相机，以及理化环境采样设备。微单相机刚好重量在1.5公斤的允许范围内，且像素数量、镜头质量不逊于专业单反相机，可用于最高毫米级精度的低空近距离摄影测量，精确测定古建筑歪闪病害。 04 三维测绘数据也是遥感发现的基础，借助地表高程的轻微变化，利用伪彩高程图就可以快速发现并直观图示元中都原有建筑的东西对称规律性分布（图04右），超越可见光图像（图04中）自身所能提供的信息。与地面人工探查的结果（图05）相比，几乎每一处遗址在伪彩图上都有对应的色彩变化，低空遥感仅用数小时就可以标记绝大多数的潜在建筑遗迹，可用于指引地面调查工作。在外界扰动比较多、伪彩高程反映形状不够准确的情况下（图06右上图），不仅需要真彩模型辅助鉴别夯土与泥土，更需要红外相机拍摄。图06右下红外图中不仅圆形炮台更清晰，甚至连接炮台的转角城墙内外边界、宽度都能够发现并准确度量，信息的准确性是可见光拍摄甚至摄影测量所不及的，综合多源数据才能准确还原炮台的轮廓。惜该红外照片摄于春季阴天，若在有充分日照、温差较大的条件下全天等间隔多次拍摄，不同材质吸收和释放太阳辐射能的总量和速率存在差异，表面温度值及其升降周期不同，通过多时低空红外图像的比较，遗址分辨能力会更强。

图05/元中都地面考古探查成果图

图06/天津北塘炮台遗址

1.可见光照片

2.伪彩高程图

3.三维点云

4.红外图

图07/多机排列式多光谱相机

和红外相比，多光谱图像组借助不同材质或植物种类的光谱反射率差别，能够反映更多的地物信息。传统的多光谱相机是由多个带有特定滤光片的小相机排列组成（图07），重量很容易超过限制。但最新的办法是在单一相机感光底板上覆盖多个滤光片，这样在一张照片中就带有多个谱段（图09）。在飞行器持续前飞过程中拍摄多张照片，经过后期处理将相同谱段、不同位置的照片拼合，每个谱段就都完整覆盖了整个目标区域，得到应有的多光谱图像成果。此种多光谱相机可以做到类似普通微单相机的尺寸重量，已经在合川钓鱼城等项目中验证，完全适用于5公斤以下级别的无人机（图08），因此也作为常见设备及成果类型列于图03中。

图08/多滤光片式相机安装在5公斤级多旋翼机上

图09/多滤光片底板以及样片（合川钓鱼城）

总之，受飞行器级别限制，只能依靠可见光、红外及多光谱低空拍摄提供有限的图像资料，再结合摄影测量三维数据，实施非常有限的遥感考古探查。除此之外，温、湿度计等理化传感器也可以安装到微型无人机上，但大多用于大遗址保存环境的空间分析，属于比较特殊的非常见用途。

2.3. 微型飞行器选型和操纵方式的改变

若以免申报的视距内飞行拍摄为条件，只有多旋翼机一类机型适用。

固定翼机航程远，传统的无人机遥感考古多以10公斤级以上的固定翼机为飞行载具，一次飞行可以覆盖几十平方公里的土地，但500米作业半径的法规限制使其失去航程/滞空优势；而根据结构原理，无人直升机只有在全重10公斤以上级别才能和多旋翼机相比显现出效率等性能优势，因此多旋翼机几乎是唯一的微型平台选择。目前市场上出现了已内置微型相机/摄像头的全重3.5公斤以下级别多旋翼机产品，其系统完整性好且傻瓜式操作和维护，也具有15-20分钟的滞空时间，适合于大众直接购买使用；其缺点是可用相机种类少、像素数量低、镜头光学质量差，不适合参考文献4所示的高精度摄影测量。作者倾向于根据政策条款中规定的阈值和专业需求顶格组装多旋翼机。图08所示的机型采用优选的机身架构、更高效率的电机/旋翼、省略外壳等所有不必要的部件，以仅1公斤的飞行器自重携带2.2公斤重、22.2V、18安时动力锂电池和1.5公斤的任务荷载，滞空时间达到约半小时；尤其该机型可以自由实现俯拍、水平前摄甚至向上仰拍，适用于崖洞等复杂环境下无盲区的调查作业，综合性能指标是直接购买货架商品难以实现的。

在平板电脑上使用自控及导航软件APP控制无人机是当前最新颖、最轻巧便捷的无人机飞行操纵途径。和过去旅行箱大小的笨重控制台/地面站不同，平板电脑以其较强的实时运算能力、高质量的液晶屏，集飞行控制、图像监视、数据存储甚至航线自动规划、禁飞区提示、实时天气预报、设备维护提醒等丰富功能于一身。若与微型无人机配合，核心设备的总重量不超过10公斤，可单人携带和操作，能够达到最高的便携性、易用性、安全性，即使在考古领域常见的崎岖地形条件下也具有最佳可达性，因此预计平板电脑将成为今后一线考古单位最主流的微型无人机操控设备。作者基于多年实践经验，将常见的自动驾驶与导航APP软件的名称及特点总结列举如下并做相互比较（表01）：

表01/IOS系统下各种全自动飞行导航APP软件特性对照表

每个软件适用的任务不同，有的为一般平地目标低空摄影测量而设计，可以根据所需航高自动设定图像重叠率适宜的往复拍摄航线（例如图04左图就是导航软件截屏），在数分钟内完成飞行前的航线准备；有些能够将航高设为负数，当操作者身处被摄崖体的顶部而非山脚的时候非常有用；有些在设定圆形、自然曲线等特殊航线时更方便。专业使用者一般在平板电脑内安装上述多个软件，可以根据拍摄对象具体情况自主选择和使用，只需在使用前对各个软件的特性、适用场景熟记于胸即可。这些软件也普遍带有全球各种机场或其他禁飞区的坐标数据，能避免操纵者在不知情的情况下进入危险区域飞行，也可以设置电子围栏，避免无人机飞得过远；有的还带有当地天气预报分析、预警的功能，这些都进一步降低了微型遥感平台的使用风险。

目前平板APP导航软件刚出现，还有很多不足和发展空间，预计今后功能会越来越多。

3. 飞行作业方法调适

3.1. 飞行高度降低、以接力飞行换作业面积

仍以元中都测绘项目为例，图04是在新规出台之前用15公斤级以上汽油直升机携带单反相机以300米左右高度拍摄（图04左中绿色航线所示），滞空仅约20分钟可一次完成；若按照120米上限飞行（图04左白色航线所示），航线的密度/数量不得不相应增加2.5倍以上，航线总长度约20公里，需要滞空1小时左右，显然要准备多块电池接力飞行才能完成，即以多次起降换作业面积，只要有足够的电池或携带外场充电设备，仍然可以测绘数平方公里的目标区域。不过飞行高度的降低也意味着用像素数量更低、更轻小的相机也能获得与图04同样的地面分辨率，若使用微单相机甚至能获得更高质量成果。

图10/微型无人机获得的2017年某城市待建区域18平方公里正射影像（红色线条内，其外底图为2013年卫星影像用于对比）

图10是利用某3公斤级别微型多旋翼机以及多组电池，按照上述方法对某城市18平方公里待建新区拍摄的成果，红线区域内无人机拍摄图像在分辨率、测量精度、图像时效性等多方面都优于卫星影像底图，而且基于摄影测量、图像纠正技术，两者能完美的重叠、匹配起来。这个实例强有力的证明了“飞行重量7公斤以内”、“短距离目视飞行”这类航管规定，其实并未严重限制无人机实际的有效作业范围，利用两天十多小时的有效飞行时间，仍能够获得如此可观的大尺度正射影像。

3.2. 轮换装载不同的传感器重复航线飞行，以用多次作业换多源数据

相同位置拍摄的不同谱段图像更具有相互参照性，因此以往低空遥感考古是将红外、多光谱成像仪与可见光相机对齐安装到中大型无人机上同步拍摄。在当前总重量受限的条件下很难同时装载多种传感器，可比照上述办法以多次飞行换多源数据。在导航软件中设置并保存好原始航线数据，就可以多次重复相同飞行轨迹并保证不同源图像之间的位置基本一致。

大多数遗址属于静态目标，在几个小时的常见作业周期之内，除了光照角度变化之外其他因素是基本不变的，所以一般都可以采用上述办法。若面积过大、拍摄拍摄周期过长，对成果质量影响明显，就不得不采用多机配合作业的方式，根据实际条件，将某一单机设置成只负责部分区域的各种数据源获取，或者负责全部区域的单一数据源获取，这样都能大大缩短外业周期。航管规定一般只限制机型重量和单次飞行半径，但并未限制飞行器数量。

3.3. 在环境敏感语境下选择最佳的飞行时机、避免干扰

图11/云影移动造成相邻像对上的图像差别，造成三维成果中的色彩明暗突兀问题，甚至目标特征点的摄影测量误差。

飞行高度越低，遥感过程受外界干扰越多、越严重，更需要耐心等待最佳的作业时机。如图11所示，若在有风多云天测绘元中都，即使软件已经自动淡化/均化了前后照片之间的云影差别，但三维点云数据仍存在明暗突兀的缺点，阻碍判读，因此择天重新拍摄才最终获得图04中无阴影干扰的成果。若将飞行高度从原来的300米降低到120米，航线更密、耗时更长、需处理照片数量更多，可预见云影变换将更剧烈，除图像明暗之外可能产生更严重的干扰，例如摄影测量软件可能因影子移动，对原本静止不动的地面目标特征点错误识别，会导致测量误差显著增加、点云模型中出现杂乱的飞点，甚至一定数量照片的匹配完全失败，因此现有语境下，除了增加飞机数量、缩短总的飞行周期，其实更需要谨慎选择全云天等相对稳定、明暗反差小的天气用于摄影测量。前文已述，图06中红外拍摄却需要较强的日照，因此不同源数据获取所需条件可能是相反/互补的。宏观、微观元素都会影响低空遥感，温度变化、季节转换甚至连人员移动、车辆穿梭等过去高空作业可忽略的诸多条件变化都要引起重视。综合来看，选择最佳外界条件，避免干扰对低空（尤其120米以下超低空）多源遥感是非常重要的，需要提前针对目标特点、天气变化、周边环境因素制定应对预案。

4. 结语

上述分析证明低空信息采集技术在考古/遗产保护领域的应用受政策波动影响小，一线考古文博单位仍然可以继续普及基于微型平台的低空遥感手段。由于软、硬件技术的发展，飞行器自控能力越来越强，导航软件使用越来越简便，已经实现完全自动化的飞行甚至自动避障/防撞飞行，为行业普及奠定技术基础。本文的分析也说明全重5-7公斤级别的小型装备仍然可以有“大作为”，获得多源遥感数据，能够满足基本的遗产探查、记录、测绘需求。当前正是微型平台行业普及使用的最佳时机。

通过设备注册、航管申报，利用更大的无人/有人航空平台承载多种高端设备对重点目标实施全面调查也是可行的，但从成本、法规、技术各个角度都难于普及到一线的文博单位，不属于本文讨论范畴。

今后政策的微调难以预期，但尽可能使用轻小型、低风险装备并在视距范围内规范、谨慎操作、避开各种禁飞区域是不变的安全原则；在此基础上尽可能“顶格配置”，挖掘设备性能潜力、优化作业方法、维持相同甚至获得更高质量的遥感考古成果是专业应用追求的目标。

本文受国家自然科学基金项目（51478298）、国家科技支撑项目（2014BAK09B02）资助

图片均由作者提供

注释：

01 中国民用航空局.使用民用无人驾驶航空器系统开展通用航空经营活动管理暂行办法[Z].2015-12-30.

02 宋宝泉邵锡惠.遥感考古学[Z].郑州：中州古籍出版社，2000年.

03 李哲闫宇邵浩然.复杂环境下岩壁低空考古实施策略分析：以广西左江岩画调查为例[J].中国文化遗产，2015(6).

04 李哲周成传奇闫宇刘瑜.中国砖石塔现状测绘新方法[J].

李哲，天津大学建筑学院（文化部“建筑遗产传承信息技术”重点实验室/国家文物局“文物建筑测绘”重点科研基地）；李严，天津大学建筑学院（文化部“建筑遗产传承信息技术”重点实验室/国家文物局“文物建筑测绘”重点科研基地）；孙华，北京大学考古文博学院；陈筱，浙江大学文化遗产研究院；方俊永，中国科学院遥感与数字地球研究所；郭韬，瑞士苏黎世联邦高等工业大学。