長城文化遺產動態監測研究

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摘要:河北長城現存規模大、分布范圍廣，加強長城保護管理，采集相鄰年份的兩期高分辨率遙感影像進行對比，通過自動化+人機交互解譯方式，提取出地物變化情況，對疑似變化圖斑進行實地復核，建立長城文物監測成果數據庫管理系統，實現對長城監測成果、違法信息數據成果的數字化管理和維護。

關鍵詞:長城文化遺產;保護;動態監測;數據庫

一、項目背景和意義

(一)豐富的資源量

河北長城現存規模大、分布范圍廣，總長度達2668．41千米，位居全國第二，其中明長城(河北段)長度達1338.625千米，是明代磚體長城中保存最好的。國家文物局確定的第一批83段/處國家級長城重要點段名單中，河北明長城有18段/處入選，占總數的22%。

(二)當前長城保護面臨的一些現實性問題

一是保護管理力量薄弱。當前基層文物管理部門普遍存在機構不健全、人員力量不足等困難。二是規模巨大，現存狀況復雜。長城不再發揮原有功能，維修加固工作處于停滯狀態，長期的自然侵蝕及災害和歷史上周邊居民生產生活的破壞，造成了許多地段出現隱患。三是人為原因。一些地區在保護范圍和建設控制地帶內存在不正確行為，還沒有從根本上得到治理。四是無序旅游形成管理壓力。隨著民眾對原生態旅游訴求的不斷提高，前往偏遠、未開發的長城點段游覽、探險的熱潮持續高漲，給保護帶來壓力。

(三)開展的意義

結合河北長城文物資源實際和工作實踐，借助高分辨率遙感衛星對長城線性文化遺產進行監測，采用北斗導航終端，配合實地現場巡察，即“天上看、地上查”的監管模式，對長城兩線范圍內保存狀況進行有效監管。推動文物資源有效保護和合理利用，推動文物安全保護與現代科技融合創新，改變傳統靠人力防范、低效巡查監管的舊模式，提升文物安全監測效能，健全文物違法預警機制，實現周期性監測數據成果積累。

二、動態監測范圍

本次遙感監測工作內容主要針對長城2448處長城本體及其兩線范圍內地物變化情況進行監測，涉及河北省秦皇島市、唐山市、承德市及張家口市四個地市中的9個區縣，共計2448個文物點，按所屬行政區劃劃分:秦皇島1209處，唐山844處，承德77處，張家口318處;按所屬類型劃分:單體建筑1785處，相關遺存70處，長城關堡104處，長城墻體489處。具體如下表所示：如圖1所示，監測涉及本體種類達20余個，包括敵臺、馬面、烽火臺、擋馬墻、其他遺址遺存、攔馬溝、采石場、石刻、營址、方城、基址、壕溝、居住址、關堡、山險、山險墻、石墻、磚墻等，其中敵臺占比較高，然后依次為馬面、烽火臺，單體建筑、墻體及文物兩線范圍為此次本體監測的重點。

三、遙感影像數據的采集

基于高分辨率衛星遙感技術，結合長城資源調查參考資料，采集選定區域的歷史、當前兩個時間段衛星遙感影像，根據文物點在影像上的顏色、色調、大小、形狀、紋理、結構、高度、陰影、組合構型等信息，實現在影像上拾取文物點，勾繪出文物外形結構，通過兩期影像上比對，提取出文物本體變化情況。(1)對于長城墻體重要史跡等線性不可移動文物，提取出建筑外形建造結構的中心線，通過矢量圖形表示;(2)對于關、堡等范圍性的不可移動文物，先確定四至范圍，然后通過變化分析，在四至范圍內除了提取范圍內登記資料的建筑文物本體變化信息外，還要提取范圍內新增、消失、改建的地物本體;(3)對于烽火臺、刻石等豎直不可移動文物，能夠提取文物本體變化信息的，在影像進行提取，不能直接提取出的，用點在影像上表示，實現點位精準落圖。

四、遙感影像數據的處理

針對前后兩期衛星遙感影像，通過數據整理與分析、空三加密、影像配準、融合、正射糾正、影像增強、勻色鑲嵌等，并做好每一環節的質量控制，消除幾何誤差和云霧覆蓋等干擾因素，改善影像的解譯環境，從而得到質量、精度都符合文物變化監測的標準遙感影像。在GIS系統支持下，以歷史影像為基底開展文物定位，結合文物對應的長城資源調查、三普信息，首先通過經緯度坐標進行模糊定位，然后分析調查登記信息描述，根據建立的地類特征解譯標志，判斷其文物類型、建筑形態以及周邊地物樣貌等信息在遙感影像圖上進行地物選取，繪制文物邊界，采用計算機自動識別和人機交互圖像解譯方法，按照規則對變化的面狀地物、線狀地物和文物本體進行解譯和屏幕數字化，繪制文物邊界，從而形成基于衛星影像的文物圖斑。通過內業變化監測工作可形成監測區域內文物消失情況、文物疑似變化情況以及文物未變化情況。按照內業對文物現狀解譯的成果，將經內業解譯后的文物分為未變化類、疑似變化類、消失類、目視無法判斷類。

(一)變化信息發現

通過計算機算法的自動識別、波段運算等方法發現變化信息，標繪變化地物大致范圍，常用閾值法、差值法、過濾法三種方法。

(二)變化信息提取

變化信息提取時，在該信息導引下，按實際像元大小逐屏幕交替閃爍兩個時相的影像，逐個地塊逐個地物目視比較。根據影像的顏色、色調、大小、形狀、紋理、結構、高度、陰影、組合構型和所處的地理位置等信息，判讀解譯變化，一方面剔除特征變異圖斑中的偽變化圖斑，另一方面發現遺漏的變化圖斑，發現變化后放大1．5～2倍勾繪圖斑邊界，變化信息圖斑如圖2所示。

(三)成果整理

變化信息提取完成后，對提取結果按變化類型進行歸類，建立內業解譯分類統計表及對應的分類圖斑統計文檔。

五、遙感影像變化圖斑的實地核查

針對內業解譯的消失、疑似變化、目視無法判讀類文物點進行實地核查。現場巡查底圖包括數字巡查底圖和紙質巡查底圖兩種產品模式。以近期影像為基底，疊加內業解譯分類長城點位、圖斑、名稱及編號形成影像+矢量數據的核查底圖，打印出紙質地圖，供現場核查人員參考，將現場修正的長城點位在圖上進行標注，作為內業修正的參考底圖，如圖3所示。

六、數據庫的建設與應用

長城文物監測成果數據庫管理系統通過對監測區域影像、文物統計資料等進行信息錄入、上傳和存檔入庫，實現對長城監測成果、違法信息數據成果的數字化管理和維護，用戶可以根據入庫元數據和目錄進行文物查詢、瀏覽、資源下載及信息共享等，系統繼續支持對現有以及對未來數據擴充承載。通過數據庫管理系統的建設，實現長城文物的瀏覽、查詢、統計分析以及直觀展示和建筑控制地帶范圍內的地物現狀查詢顯示。圖4數據庫管理系統功能組成圖七、思考與建議一是探索實現長城資源數據更新。對長城文化遺產重要點段進行動態變化監測與分析，在既有文物資源數據基礎上，形成新的數據庫資源。二是通過不斷完善長城文物監測管理系統，為文物執法部門提供科學可靠的依據，逐步探索形成一套技術方法體系推廣應用，彌補保護隊伍人員不足等現實問題。三是探索實現動態變化監測。運用高分衛星、無人機每年進行影像采集，補充數據庫信息，實現長城文化遺產的動態監測和預警，提高保護預警及科學決策能力。

作者：暴耀東 單位：河北省文物與古建筑保護研究院