CN109738369A - 一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于遥感考古技术领域，具体涉及一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法,包括：步骤一：获取精确定标参数，采集航空高光谱原始数据；步骤二：航天高光谱原始数据预处理，得到浮点型航空高光谱反射率数据；步骤三：对航空高光谱反射率数据进行光谱沙漏处理，优选目标端元光谱；步骤四：建立矿物分布筛选，对提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选；步骤五：采用图面查证和野外查证两类方法，综合验证透闪石/蛇纹石分布地段；步骤六：从光谱维和空间维建立墓葬地典型考古要素识别标志，标注航空高光谱遥感真彩色影像图上；步骤七：航空高光谱遥感真彩色影像图上进行开采痕迹和墓葬玉器出土位置信息标记。
Description
技术领域
本发明属于遥感考古技术领域，具体涉及一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法。
背景技术
我国玉石文化悠久，在考古研究中常见有古玉器，快速准确判别墓葬附近区域是否存在玉石矿产地具有重要意义。古人常用的玉器包括和田玉、昆仑玉、祁连玉、岫玉等，这些玉石的矿物成分主要为透闪石和蛇纹石。透闪石和蛇纹石矿物在400nm～2500nm电磁谱段范围内具有明显的反射光谱吸收特征，可以被具有可见光-短波红外谱段的航空高光谱传感器探测到，在数据处理后能够应用计算机自动提取出来，从而圈定出玉石矿位置。在我国西北地区，玉石矿产资源丰富，地表植被覆盖稀少，基岩裸露程度普遍较高，有利于开展航空高光谱遥感。根据航空高光谱遥感技术能够圈定玉石矿产地位置，通过与墓葬位置进行对照分析，可以服务于玉石遥感考古研究，有利于深入理解中华文明形成、发展与演化过程。
传统遥感考古更多提供的是地理位置信息以及一些空间纹理信息，较少利用光谱维信息。航空高光谱技术在遥感考古研究中应用案例极少，航空高光谱数据具有上百个波段，为应用丰富的光谱信息进行地物类型精细识别奠定了基础。
发明内容
本发明的目的在于提出一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，用于更快速、准确的圈定玉石矿产地位置，有效的开展遥感考古应用。
本发明所采用的技术方案是：
一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：航空高光谱传感器实验室定标，获取精确定标参数，采集航空高光谱原始数据；
步骤二：对航天高光谱原始数据进行预处理，包括系统辐射校正、系统几何校正、正射校正和大气校正，得到浮点型的航空高光谱反射率数据；
步骤三：对航空高光谱反射率数据进行光谱沙漏处理，获取图像端元光谱，优选出目标端元光谱；
步骤四：建立矿物分布筛选，对提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选；
步骤五：采用图面查证和野外查证两类方法，综合验证透闪石/蛇纹石分布地段；
步骤六：应用航空高光谱数据，从光谱维和空间维建立墓葬地典型考古要素识别标志，并标注在航空高光谱遥感真彩色影像图上；
步骤七：在航空高光谱遥感真彩色影像图上进行开采痕迹和墓葬玉器出土位置信息标记。
所述的步骤一：航空高光谱传感器实验室定标，获取定标参数，采集航空高光谱原始数据，还包括：在航空高光谱数据获取之前，应用积分球和标准光谱灯获取传感器各通道的精确波长位置和光谱响应函数等定标参数。
所述的步骤二：航天高光谱原始数据预处理，系统辐射校正、系统几何校正、正射校正和大气校正还包括：采集具有物理意义和地理坐标位置的DN值数据；对于高海拔地区，还要应用DEM数字高程模型进行正射校正，以消除地形的影响；设置大气辐射传输模型相应参数，开展大气校正和光谱重建；若有多组地面同步测量参考地物实测光谱，则采用经验线性回归方法开展大气校正和光谱重建；最终，得到浮点型的航空高光谱遥感反射率数据，任意波段的任一像元值在0～1.0之间。
所述的步骤三：对航空高光谱反射率数据进行光谱沙漏处理，获取图像端元光谱，优选出目标端元光谱，还包括：采用最小噪声分离法确定数据内在维度进行数据降维、纯净像元计算、在高维空间应用可视化工具圈选端元；综合应用吸收峰位置和深度组合关系、反射峰绝对位置、特定谱段反射率绝对值大小等参数，对获得图像端元光谱进行逐一分析，优选出用于矿物填图的透闪石/蛇纹石端元光谱；
应用到的标准透闪石矿物光谱特征有：在2310nm和2390nm附近具有双吸收峰特征，且以2310nm处为主吸收峰；在2345nm处具有明显反射峰，与两侧附近谱段相比为最高反射率；在2200nm处反射率绝对数值大于0.5；
标准蛇纹石矿物光谱特征包括：在2325nm附近具有单吸收峰；在2360nm处具有明显反射峰，与两侧附近谱段相比为最高反射率；在2200nm处反射率绝对数值小于0.3；
采用混合调制匹配滤波方法进行矿物填图，选择光谱得分高且不可行度低的数据区域，同时，阈值选取以正态分布曲线为参考进行正向高值端分割，设得到的某矿物分布灰度图中，图像均值为图像标准差为δ1，阈值为θ1，则有：
将得到的矿物分布图栅格文件转换为矢量文件，统计面积字段，将小于指定面积的图斑合并到临近的最大图斑中，并合并所有图斑，得到透闪石/蛇纹石矿物的分布范围。
所述步骤四：建立矿物分布筛选，对提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选，还包括：结合已有区域地质岩性-构造数据，对航空高光谱数据提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选，根据透闪石的形成与区域变质作用或中酸岩体与富镁碳酸盐岩接触变质作用关系密切，不出现在砂岩等非化学沉积岩区、大面积分布的酸性岩体内、板岩等低级变质岩区等地质环境中为筛选依据；
蛇纹石的形成与经热液蚀变的基性和超基性岩体和富镁质碳酸盐岩的接触变质作用关系密切，不出现在砂岩等非化学沉积岩区、中性和酸性岩体区、大面积出露的变质岩区等地质环境中。同时，剔除在第四系中产出的透闪石/蛇纹石矿物分布区。应用以上地质筛选准则，去掉与地质背景明显不协调的透闪石/蛇纹石分布地段，保留符合地质逻辑的地段。
所述步骤五：图面查证方法包括：制作航空高光谱遥感真彩色影像图，以地理坐标位置为链接，将圈定的透闪石/蛇纹石矿物分布地段叠合到真彩色图上，目视解译是否存在矿床开采痕迹，如房屋、采坑、探槽等；所述野外查证方法包括：对透闪石/蛇纹石矿物分布聚集区开展野外地质调查，实地验证是否存在玉石矿物和玉石矿床，同时，采集典型样品，制作岩石薄片，开展ASD光谱测量、实验室鉴定和分析测试，进一步验证透闪石/蛇纹石矿物的存在与否，在图面查证和野外查证的基础上，标明有开采痕迹的玉石矿产地。
所述步骤六：应用航空高光谱数据，从光谱维和空间维建立墓葬地典型考古要素识别标志，还包括：分析不同典型要素的空间纹理特征，建立光谱维和空间维识别标志，在ArcGIS软件中，将墓葬地要素标注在航空高光谱遥感真彩色影像图上，对比分析不同时代、不同规格墓葬地要素的类型、组合和分布特征。
所述步骤七：在航空高光谱遥感真彩色影像图上进行开采痕迹和墓葬玉器出土位置信息标记，还包括：在ArcGIS软件中，以航空高光谱遥感真彩色影像图为底图，根据地理坐标位置将有开采痕迹的玉石矿产地和墓葬玉器出土位置等信息标记，判别道路通达情况，综合研究不同矿产地之间的关系、不同墓葬地之间的关系以及矿产地与墓葬地之间的关系；根据玉石矿产地的矿床类型、矿床规模和古文献等资料，分析出玉石矿产地和玉器流通迁移路线。
本发明的有益效果是：
本发明设计的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，航天高光谱原始数据经预处理后可以得到航空高光谱反射率数据，为遥感玉器考古研究提供基础数据。航空高光谱反射率数据经矿物填图后可以得到透闪石/蛇纹石矿物分布范围，通过与已有区域地质资料相互印证，有效提高识别精度。在经图面验证和野外验证后，可以得到有开采痕迹的玉石矿产地。
附图说明
图1为本发明设计的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法流程图；
图2为实验室内实测透闪石和蛇纹石矿物光谱特征图；
图3为采用本发明方法重采样后波段间隔为15nm的航空高光谱传感器采集的透闪石和蛇纹石矿物光谱特征图。
具体实施方式
传统遥感考古更多提供的是地理位置信息以及一些空间纹理信息，较少利用光谱维信息。航空高光谱技术在遥感考古研究中应用案例极少，在玉器考古方面尚未有公开报道。航空高光谱数据具有上百个波段，为应用丰富的光谱信息进行地物类型精细识别奠定了基础。为了更加有效的开展遥感考古应用，提出了一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：航空高光谱传感器实验室定标，获取精确定标参数，采集航空高光谱原始数据；
步骤二：对航天高光谱原始数据进行预处理，包括系统辐射校正、系统几何校正、正射校正和大气校正，得到浮点型的航空高光谱反射率数据；
步骤三：对航空高光谱反射率数据进行光谱沙漏处理，获取图像端元光谱，优选出目标端元光谱；
步骤四：建立矿物分布筛选，对提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选；
步骤五：采用图面查证和野外查证两类方法，综合验证透闪石/蛇纹石分布地段；
步骤六：应用航空高光谱数据，从光谱维和空间维建立墓葬地典型考古要素识别标志，并标注在航空高光谱遥感真彩色影像图上；
步骤七：在航空高光谱遥感真彩色影像图上进行开采痕迹和墓葬玉器出土位置信息标记。
所述的步骤一：航空高光谱传感器实验室定标，获取定标参数，采集航空高光谱原始数据，还包括：在航空高光谱数据获取之前，应用积分球和标准光谱灯获取传感器各通道的精确波长位置和光谱响应函数等定标参数，制定飞行计划，在晴朗无风的中午时段开展航空飞行，以获取高质量的航空高光谱原始数据。。
所述的步骤二：航天高光谱原始数据预处理，系统辐射校正、系统几何校正、正射校正和大气校正还包括：采集具有物理意义和地理坐标位置的DN值数据；对于高海拔地区，还要应用DEM数字高程模型进行正射校正，以消除地形的影响；设置大气辐射传输模型相应参数，开展大气校正和光谱重建；若有多组地面同步测量参考地物实测光谱，则采用经验线性回归方法开展大气校正和光谱重建；最终，得到浮点型的航空高光谱遥感反射率数据，任意波段的任一像元值在0～1.0之间。
所述的步骤三：对航空高光谱反射率数据进行光谱沙漏处理，获取图像端元光谱，优选出目标端元光谱，还包括：采用最小噪声分离法确定数据内在维度进行数据降维、纯净像元计算、在高维空间应用可视化工具圈选端元；综合应用吸收峰位置和深度组合关系、反射峰绝对位置、特定谱段反射率绝对值大小等参数，对获得图像端元光谱进行逐一分析，优选出用于矿物填图的透闪石/蛇纹石端元光谱；如图2、图3所示，其中，图2为实验室内实测光谱特征图，图3为重采样到波段间隔为15nm的航空高光谱传感器后的光谱特征图。向上的箭头符号表示光谱吸收特征位置，向下的箭头符号表示光谱反射峰位置，向左的箭头符号表示竖线所在波长位置的反射率绝对值满足某一条件。
应用到的标准透闪石矿物光谱特征有：在2310nm和2390nm附近具有双吸收峰特征，且以2310nm处为主吸收峰；在2345nm处具有明显反射峰，与两侧附近谱段相比为最高反射率；在2200nm处反射率绝对数值大于0.5；
标准蛇纹石矿物光谱特征包括：在2325nm附近具有单吸收峰；在2360nm处具有明显反射峰，与两侧附近谱段相比为最高反射率；在2200nm处反射率绝对数值小于0.3；
采用混合调制匹配滤波方法进行矿物填图，选择光谱得分高且不可行度低的数据区域，同时，阈值选取以正态分布曲线为参考进行正向高值端分割，设得到的某矿物分布灰度图中，图像均值为图像标准差为δ1，阈值为θ1，则有：
将得到的矿物分布图栅格文件转换为矢量文件，统计面积字段，将小于指定面积的图斑合并到临近的最大图斑中，并合并所有图斑，得到透闪石/蛇纹石矿物的分布范围。
所述步骤四：建立矿物分布筛选，对提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选，还包括：结合已有区域地质岩性-构造数据，对航空高光谱数据提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选，根据透闪石的形成与区域变质作用或中酸岩体与富镁碳酸盐岩接触变质作用关系密切，不出现在砂岩等非化学沉积岩区、大面积分布的酸性岩体内、板岩等低级变质岩区等地质环境中为筛选依据；
蛇纹石的形成与经热液蚀变的基性和超基性岩体和富镁质碳酸盐岩的接触变质作用关系密切，不出现在砂岩等非化学沉积岩区、中性和酸性岩体区、大面积出露的变质岩区等地质环境中。同时，剔除在第四系中产出的透闪石/蛇纹石矿物分布区。应用以上地质筛选准则，去掉与地质背景明显不协调的透闪石/蛇纹石分布地段，保留符合地质逻辑的地段。
所述步骤五：图面查证方法包括：制作航空高光谱遥感真彩色影像图，以地理坐标位置为链接，将圈定的透闪石/蛇纹石矿物分布地段叠合到真彩色图上，目视解译是否存在矿床开采痕迹，如房屋、采坑、探槽等；所述野外查证方法包括：对透闪石/蛇纹石矿物分布聚集区开展野外地质调查，实地验证是否存在玉石矿物和玉石矿床，同时，采集典型样品，制作岩石薄片，开展ASD光谱测量、实验室鉴定和分析测试，进一步验证透闪石/蛇纹石矿物的存在与否，在图面查证和野外查证的基础上，标明有开采痕迹的玉石矿产地。
所述步骤六：应用航空高光谱数据，从光谱维和空间维建立墓葬地典型考古要素识别标志，还包括：分析不同典型要素的空间纹理特征，建立光谱维和空间维识别标志，在ArcGIS软件中，将墓葬地要素标注在航空高光谱遥感真彩色影像图上，对比分析不同时代、不同规格墓葬地要素的类型、组合和分布特征，，为古玉器文化研究提供信息支撑。
所述步骤七：在航空高光谱遥感真彩色影像图上进行开采痕迹和墓葬玉器出土位置信息标记，还包括：在ArcGIS软件中，以航空高光谱遥感真彩色影像图为底图，根据地理坐标位置将有开采痕迹的玉石矿产地和墓葬玉器出土位置等信息标记，判别道路通达情况，综合研究不同矿产地之间的关系、不同墓葬地之间的关系以及矿产地与墓葬地之间的关系；根据玉石矿产地的矿床类型、矿床规模和古文献等资料，分析出可能的玉石矿产地和玉器流通迁移路线，为玉器考古研究提供遥感判据。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，上述实施例是本发明的一个优选技术方案，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。
Claims (8)
1.一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：航空高光谱传感器实验室定标，获取精确定标参数，采集航空高光谱原始数据；
步骤二：对航天高光谱原始数据进行预处理，包括系统辐射校正、系统几何校正、正射校正和大气校正，得到浮点型的航空高光谱反射率数据；
步骤三：对航空高光谱反射率数据进行光谱沙漏处理，获取图像端元光谱，优选出目标端元光谱；
步骤四：建立矿物分布筛选，对提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选；
步骤五：采用图面查证和野外查证两类方法，综合验证透闪石/蛇纹石分布地段；
步骤六：应用航空高光谱数据，从光谱维和空间维建立墓葬地典型考古要素识别标志，并标注在航空高光谱遥感真彩色影像图上；
步骤七：在航空高光谱遥感真彩色影像图上进行开采痕迹和墓葬玉器出土位置信息标记。
2.根据权利要求1所述的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，其特征在于：所述的步骤一：航空高光谱传感器实验室定标，获取定标参数，采集航空高光谱原始数据，还包括：在航空高光谱数据获取之前，应用积分球和标准光谱灯获取传感器各通道的精确波长位置和光谱响应函数等定标参数。
3.根据权利要求2所述的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，其特征在于：所述的步骤二：航天高光谱原始数据预处理，系统辐射校正、系统几何校正、正射校正和大气校正还包括：采集具有物理意义和地理坐标位置的DN值数据；对于高海拔地区，还要应用DEM数字高程模型进行正射校正，以消除地形的影响；设置大气辐射传输模型相应参数，开展大气校正和光谱重建；若有多组地面同步测量参考地物实测光谱，则采用经验线性回归方法开展大气校正和光谱重建；最终，得到浮点型的航空高光谱遥感反射率数据，任意波段的任一像元值在0～1.0之间。
4.根据权利要求3所述的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，其特征在于：所述的步骤三：对航空高光谱反射率数据进行光谱沙漏处理，获取图像端元光谱，优选出目标端元光谱，还包括：采用最小噪声分离法确定数据内在维度进行数据降维、纯净像元计算、在高维空间应用可视化工具圈选端元；综合应用吸收峰位置和深度组合关系、反射峰绝对位置、特定谱段反射率绝对值大小等参数，对获得图像端元光谱进行逐一分析，优选出用于矿物填图的透闪石/蛇纹石端元光谱；
应用到的标准透闪石矿物光谱特征有：在2310nm和2390nm附近具有双吸收峰特征，且以2310nm处为主吸收峰；在2345nm处具有明显反射峰，与两侧附近谱段相比为最高反射率；在2200nm处反射率绝对数值大于0.5；
标准蛇纹石矿物光谱特征包括：在2325nm附近具有单吸收峰；在2360nm处具有明显反射峰，与两侧附近谱段相比为最高反射率；在2200nm处反射率绝对数值小于0.3；
采用混合调制匹配滤波方法进行矿物填图，选择光谱得分高且不可行度低的数据区域，同时，阈值选取以正态分布曲线为参考进行正向高值端分割，设得到的某矿物分布灰度图中，图像均值为图像标准差为δ1，阈值为θ1，则有：α≥3.0
将得到的矿物分布图栅格文件转换为矢量文件，统计面积字段，将小于指定面积的图斑合并到临近的最大图斑中，并合并所有图斑，得到透闪石/蛇纹石矿物的分布范围。
5.根据权利要求4所述的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，其特征在于：所述步骤四：建立矿物分布筛选，对提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选，还包括：结合已有区域地质岩性-构造数据，对航空高光谱数据提取的透闪石/蛇纹石矿物分布范围进行筛选，根据透闪石的形成与区域变质作用或中酸岩体与富镁碳酸盐岩接触变质作用关系密切，不出现在砂岩等非化学沉积岩区、大面积分布的酸性岩体内、板岩等低级变质岩区等地质环境中为筛选依据；
蛇纹石的形成与经热液蚀变的基性和超基性岩体和富镁质碳酸盐岩的接触变质作用关系密切，不出现在砂岩等非化学沉积岩区、中性和酸性岩体区、大面积出露的变质岩区等地质环境中。同时，剔除在第四系中产出的透闪石/蛇纹石矿物分布区。应用以上地质筛选准则，去掉与地质背景明显不协调的透闪石/蛇纹石分布地段，保留符合地质逻辑的地段。
6.根据权利要求5所述的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，其特征在于：所述步骤五：图面查证方法包括：制作航空高光谱遥感真彩色影像图，以地理坐标位置为链接，将圈定的透闪石/蛇纹石矿物分布地段叠合到真彩色图上，目视解译是否存在矿床开采痕迹，如房屋、采坑、探槽等；所述野外查证方法包括：对透闪石/蛇纹石矿物分布聚集区开展野外地质调查，实地验证是否存在玉石矿物和玉石矿床，同时，采集典型样品，制作岩石薄片，开展ASD光谱测量、实验室鉴定和分析测试，进一步验证透闪石/蛇纹石矿物的存在与否，在图面查证和野外查证的基础上，标明有开采痕迹的玉石矿产地。
7.根据权利要求6所述的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，其特征在于：所述步骤六：应用航空高光谱数据，从光谱维和空间维建立墓葬地典型考古要素识别标志，还包括：分析不同典型要素的空间纹理特征，建立光谱维和空间维识别标志，在ArcGIS软件中，将墓葬地要素标注在航空高光谱遥感真彩色影像图上，对比分析不同时代、不同规格墓葬地要素的类型、组合和分布特征。
8.根据权利要求7所述的一种采用航空高光谱遥感玉器的考古探测方法，其特征在于：所述步骤七：在航空高光谱遥感真彩色影像图上进行开采痕迹和墓葬玉器出土位置信息标记，还包括：在ArcGIS软件中，以航空高光谱遥感真彩色影像图为底图，根据地理坐标位置将有开采痕迹的玉石矿产地和墓葬玉器出土位置等信息标记，判别道路通达情况，综合研究不同矿产地之间的关系、不同墓葬地之间的关系以及矿产地与墓葬地之间的关系；根据玉石矿产地的矿床类型、矿床规模和古文献等资料，分析出玉石矿产地和玉器流通迁移路线。
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