西安神禾塬地区高光谱遥感考古研究

生一等级图和相应 RM S图像, 或作 scale /RM S比值运算, 或对 RMS 图像进行简单拉伸增
强处理, 就可看到图像上像元与参考光谱匹配程度.
1 2 2 热红外波段图像处理 将夜航热红外遥感温度图像进行信息提取, 根据地面同 步测试温度与 OM IS热红外波段图像上同名点的红外辐射值, 进行热红外波段温度定标
但是在实际工作中, 文物遗存区地面由于经历了数百年、甚至数千年的人类耕作活动 和变迁, 常常没有明显的土壤、植被和地貌的差异, 或者差异非常微弱, 因此在一般的遥感 图像上, 很难发现任何异常. 从以往大量考古遥感实践来看, 遥感考古往往只是在地表残 存一定遗迹的情况下才能取得好的效果, 而对于地表没有残存遗迹的考古遗址, 考古遥感 技术往往难以大显身手 [ 9] . 考古学家最需要的是在没有地表残存痕迹情况下的考古遥感
和光谱定标, 建立温度反演模型 ( 式 2)
T = - 2 446 + 0 0152* DN
( 2)
式中, DN 代表夜航热红外遥感图像上的像元亮度值, 计算的温度值与实测温度值的相关
目标, 像元光谱常是数种地物类别的混合效果 ( 当参与混合的地物尺寸达到肉眼可见规
模时, 以线性方式混合 ) , 须采用混合像元分解技术来估计每个像元中不同成分的比例.
研究光谱 (向量 )可被看作由较纯端元光谱与端元丰度值相乘并累加的结果. 把正交
矩阵的转置矩阵与对角线矩阵的共生矩阵值相乘, 即可得到原光谱库矩阵的逆阵. 将该逆 阵与所研究混合波谱进行简单向量与矩阵相乘, 据所得结果可估计出所研究光谱对应端
探测技术, 因此, 它最具有实际研究意义. 陕西西安附近的沣河两岸, 史载有西周王朝早期的都城丰、镐, 文王所建都城丰京在
沣水西岸, 武王所建都城镐京在沣水东岸. 以丰、镐为中心, 在西起户县、东到长安韦曲、 南抵秦岭、北达咸阳垣上的区域有丰富的古文化遗存 [ 10] . 该区地处关中渭河、沣河冲洪积 平原, 第四系发育良好, 主要为湖相、河流冲、洪积相的粘土、砂质粘土、砂及砂砾石层沉 积, 厚达 800m, 另有寒冷干燥气候条件下的风成黄土及成因不明的黄土状粘土层细粒沉 积, 厚度达 160m [ 11] . 全区地势从东南向西北渐次变低, 海拔高程一般在 385 410m 之间. 区内土地肥沃, 四季干、湿、冷、暖分明, 光照充足, 雨量丰沛, 气候适于农耕.
第 17卷 5 期 2009 年 10月
应用基础与工程科学学报 JOURNAL OF BASIC SC IENCE AND ENG INEER ING
文章编号: 1005 0930 ( 2009) 05 0675 08 中图分类号: TP79 do:i 10. 3969. / .j issn. 1005 0930. 2009. 05. 005
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采用与其相似度最高的参照光谱序号; 另一结果为 ru le!图像, 图像中像元值代表该像元
的光谱与参照光谱间夹角的反余弦值 (弧度 ), 像元越暗, 说明与参照光谱越相似, 二者间
夹角越小.
( 2) 线性波谱解混
自然界表面很少是仅由单一地物组成. 遥感成像过程中, 由于空间采样间隔大于地面
小麦, 已长至 5 10cm, 覆盖度达 60% 70% .
地面利用 fie ld Pro FR分光辐射光谱仪、
表 1 OM ISII成像光谱仪技术指标
ER 2008红外测 温仪、KCW 1 浅层 测温 仪、
T ab le 1 The description o f OM ISII
SM S2土壤水分测量仪, 选择 12处典型地物 进行与飞行同步的地面光谱、红外温度、土壤 水分等野外定标测试, 形成空 地观测数据 资料.
参照光谱.
nb
= cos- 1
t# r
= co s- 1
∃ t∃# ∃ r∃
% ti ri
i= 1
% % t nb 2 1 /2 i
r nb 2 1 /2 i
( 1)
i= 1
i= 1
利用 SAM 对高光谱图像分类时, 产生两种图像, 一种是 SAM 地物分类图, 类别代码
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应用基础 与工程科学学报
收稿日期: 2008 01 18; 修订日期: 2009 03 31 基金项目: 国家重大基础研究专项 ( 2003CCC01500) 作者简介: 谭克龙 ( 1964 ), 男, 博士, 教授. E m ai:l tan k @l 163. com
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应用基础 与工程科学学报
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关键词: 高光谱遥感; 考古; 考古遥感; 遥感 应用
遥感考古是通过遥感探测到的地面异常特征来发现文物遗存 [ 1] . 遗迹土壤与周围自 然土壤在色泽、结构、湿度、致密度方面存在差别, 尤其是耕土层翻犁过之后, 其中所隐含 的各种土壤差异更加明显 [ 2 3] ; 地下埋藏的考古遗迹或现象往往会产生土壤的板结与疏 松、肥沃与贫瘠、含水量多与少等差异, 导致树木与灌木丛生长与分布情况发生异常 [ 4 5] , 或者会使农作物与野草的高度、密度和色彩出现差异; 另外, 遗迹往往具有特殊的微地貌 和几何形状特征, 尤其是大规模的地面和地下工程, 如墓葬坑、陪葬坑的挖掘和填埋、地面 取土和陵墓封土的堆积、人工引水渠的开挖等, 都可能导致地表形态的变化, 与周围地形 不协调, 构成一定形状的图案 [ 6] . 这些差异会影响它们对太阳辐射能的吸收和发射及其 热发射特性 [ 7] , 能引起表面地物波谱特征的微弱变化, 从而成为考古遥感的主要探查研 究标志 [ 8] . 遥感技术能反映地面及近地表面 ( 1 2m ) 地物的光谱特征 [ 1] .
天气为晴间多云, 夜间为晴天; 2005年 3月 15日 11∀00 17∀00完成日航, 当日天气为晴 到少云, 15∀00 16∀00之间云量较多. 相对航高 1200m, 地面空间分辨率 3 6m. OM ISII扫
描仪工作状态正常, 传感器热红外波段图像信噪比达到设计要求. 飞行时地面作物主要为
总波段数
波长范围 / m 04 11 1 55 1 75 2 08 2 35
光谱分辨率 / nm 10
68 波段数
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1. 2 图像处理与结果 1 2 1 可见光 短波红外波段图像处理
( 1) MNF ( M inim um No ise F raction) 变换是 先把图像噪音部分隔离出来, 确定实际数据 量大小, 为后续处理减少工作量. 对于高光谱 数据, MNF 变换将数据空 间分为两部分: 较 大特征值对应的分量和噪音图像对应的剩余 数据分量, 其特征值在 整数 1附近. MNF 变
图 2 光谱角示意图 F ig. 2 M ap o f Spectra lA ng le
来确定未知像元类别属性. 这种方法假定像元信息已转化为反射率, 在处理过程中, 仅使 用光谱 方向 !, 不用光谱 长度 !, 对像元亮度差别不是特别敏感, 对不同坡向同类地物不
易错分. 图 2为光谱角示意图. 光谱角 计算方法见公式 ( 1), t代表未知地物光谱, r代表
文献标识码: A
V o.l 17, N o. 5 O ctober 2009
西安神禾塬地区高光谱遥感考古研究
谭克龙 1, 2, 杨 林 3, 周日平 1, 2, 万余庆 2, 曹 玮 4
( 1. 上海 大学 遥 感与 空 间信 息 科学 研究 中 心, 上海 200436; 2. 中 国煤 炭 地质 总 局航 测 遥感 局, 陕 西 西 安 710054; 3. 中国国家历史博物馆, 北京 100006; 4. 陕西省考古研究所, 陕西 西安 710054)
100% , 像元值为 0时, 表示完全不匹配, 即相应组分丰度为 0.
( 4) 光谱特征匹配
以波谱吸收特征为基础, 用最小二乘法把待分类地物光谱与参照光谱间吸收特征进
行匹配分类. 大多数光谱分析法不能对各类材料直接鉴别, 而是表明分析材料在光谱特征
上与已知材料光谱是如何相似. SFF 首先把光谱数据转换成反射率, 并利用包络线法消除
1 研究方法与结果
通过测试研究区地表光谱反射率与地表温度、湿度、土壤组分之间的对应关系, 总结 植被长势、土壤组分、土壤结构变化与高光谱遥感图像的成像特征的联系. 采取与日航、夜 航飞行同步的方式进行地面光谱、红外温度、土壤水分等野外定标测试, 对高光谱遥感图 像进行光谱定标和温度定标; 进一步从高光谱遥感图像上发现丰镐遗址区文化遗存地表 温度、湿度、土壤组分异常信息. 结合快鸟图像和老航片解析, 分析引起异常的原因, 排除 干扰, 提取可能指示文化遗存特性的信息. 1. 1 数据获取
元丰度.
( 3) 匹配滤波
在用户自定义端元基础上, 对每一个像元进行部分分离. 用匹配滤波计算图像上用户
定义端元组分丰度, 它使用局部解混算法 ( part ial unm ix ing) , 该方法不需图像上所有端
元, 使用一个已知光谱库中各类地物的光谱曲线与图像上各象素光谱曲线进行 匹配 !,
得到各端元组分丰度分布图. 当成果图像像元值为 1时, 表示完全匹配, 相应组分丰度为
30 50 8 0 12 5 瞬时视场 /m rad
总视场 扫描率 /S /s
行像元数 数据编码 / b it 最大数据传输率 /M bps
探测器
1 1 1 5 /3 可选 > 70 5、10、15、20可选 512 /1024 12 21 05 S i线列、InG aA s单元、 InSbM CT 双色
Leabharlann Baidu
图 1 研究区范围示意图 F ig. 1 Location o f the research area
尽管我国从 1931年就开始了对沣河两岸长期的考古调查研究, 但由于地质地貌条件 的制约和人类长期改造、耕作活动的影响, 传统考古手段难以施展, 使我们对沣河流域及 附近地区的总体状况至今还知之甚少. 根据国家历史博物馆朱凤瀚研究员及陕西省考古 研究所考古专家的研究, 神禾塬、细柳塬的黄土塬区, 在区内地势最高, 达 440 580m, 地 下水位较深, 为 20 50m, 具有古人营建陵墓的条件. 因此, 本次选择神禾塬区任家寨 香 积寺 贾里村区域为试验研究区, 见图 1.
高光谱遥感数据获取系统采用中国科学院上海技术物理研究所研制的 OM ISII成像
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谭 克龙等: 西安神禾塬地区高光谱遥感考古研究
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光谱仪. OM ISII具有 68个光谱波段, 是一套高性能机载可见光 近红外 短波红外 热
红外成像光谱仪, 能形成图谱合一的三维遥感图像, 其主要技术指标见表 1. 飞行平台为 运 12飞机, 飞行面积 20km2. 2005年 3月 13日 23∀00至 14日 5∀00完成夜航, 当日白天
光谱曲线背景, 突出光谱吸收特征. 通常背景物光谱特征对目标物吸收特征没有影响. 光
谱特征匹配 ( Spectra l F eature F itting, SFF )用最小二乘匹配法把参考光谱与未知地物光谱
逐个波段进行计算, 获得一幅等级图 ( scale) 和均方根误差图 ( RM S), 每个参照光谱都产
摘要: 与传统考古技术相比, 遥感技术能快速、低廉地对大范围地下文物遗存进 行探测和制图. 但从以往大量考古遥感实践来看, 遥感考古往往只是在地表残存 一定遗迹的情况下才能取得好的效果, 而对于地表没有残存痕迹的考古遗址, 其遥感分析往往会无功而返. 考古学家最需要的是在没有地表残存痕迹情况下 的考古遥感探测技术. 本文通过陕西长安县神禾塬高光谱遥感考古试验研究, 介 绍了一种新型的考古遥感技术 高光谱遥感考古, 它通过探测和识别微弱的 地物光谱异常, 实现了在没有任何地表 常规 !考古线索情况下的地下文物遗存 探测.
换是特征提取中常用方法.
在 N ( 图像波段数 ) 维空间中, 根据图像
像元光谱与参考光谱的相似性来决定像元类
别的 方 法即 是 波 谱 角 填图 ( Spectra l Angle M app ing, SAM ) . 将 N 个波 段的 光谱响 应作
为 N 维空间向量, 通过计算某一像元与最终 端元光谱间的 光谱角 !来表征其匹配程度, 夹角越小越相似. 据用户给定的相似度阈值