Nature：通过无人机激光雷达技术探寻中亚高原大规模中世纪城市风貌
英文题目：Large-scale medieval urbanism traced by UAV–lidar in highland Central Asia
作者：Michael D. Frachetti, Jack Berner, Xiaoyi Liu, Edward R. Henry, Farhod Maksudov, Tao Ju
发表日期：2024年10月23日
摘 要
机载激光雷达（LiDAR）已成为绘制城市考古景观的强大工具，特别是在植被茂密、遗址可见度受限的区域。近年来，无人机激光雷达扫描技术显著提升了三维点云的分辨率，能够以前所未有的厘米级精度捕捉到大型考古遗址上结构特征的细微痕迹，这一技术在山地等复杂地形中尤为有效，因为那里的快速沉积与侵蚀作用常导致考古遗迹被不规则地掩埋或显露。本文介绍了在中亚乌兹别克斯坦东南部两处新近发现的考古遗址Tashbulak和Tugunbulak的无人机LiDAR调查结果。这两处遗址海拔约2000至2200米，它们坐落于亚洲中世纪丝绸之路（公元6至11世纪）的山区交汇地带。尽管这些遗址被数百年的地表变迁所掩盖，但通过结合超高分辨率（VHR）地表建模与半自动化特征检测技术，成功绘制了Tugunbulak遗址内120公顷范围内宏伟防御工事与建筑的详细平面图，展现了前现代中亚最大的高原城市群落之一。这一发现为理解中亚山区中世纪广泛的城市基础设施和技术生产能力——作为丝绸之路贸易网络的关键节点——提供了基础信息，进而为探究高原人口如何参与中世纪欧亚大陆的经济、政治和社会形态提供了新的视角。
研究背景
一个多世纪以来，城市主义一直是考古学研究的热点，为全球社会的政治、经济、技术和意识形态的组织转型提供了诸多深刻观点。大多数前现代城市遗址都是在沿海和低海拔河岸地带被发掘的。相比之下，世界高山地区的大规模史前都市化现象仍较为罕见。目前，全球仅有不足3%的人口生活在海拔2000米以上，而生活在海拔2500米以上的人口更是仅占约1%，且大多分布在安第斯山脉和青藏高原地区。高海拔地区的考古城市遗址常被视为特例，因为人们普遍认为，“高海拔”对大型聚居地而言，在社会、环境和技术层面都构成了挑战，如农业生产力受限、季节条件严苛、地形崎岖以及地貌建设能耗高等。在崎岖的山区，高速侵蚀与快速沉积的周期性交替往往会使这些遗址深埋于地下，或在视觉上与自然地形融为一体，难以分辨。然而，过去数十年间，机载激光雷达（LiDAR）技术的兴起彻底改变了城市中心的发现与测绘工作，特别是在那些被茂密植被遮挡或因研究后勤难度巨大而未被探索的区域。LiDAR越来越多地被应用于各种环境下的离散考古遗址进行详细表面测绘，其生成的复合点云数据能够构建出平均点间距为0.05-0.10米的广泛且超高分辨率（VHR）表面模型。位于海拔约2000-2200米的Tashbulak和Tugunbulak遗址，分别于2011年和2015年首次被发现，它们坐落在亚洲中世纪丝绸之路（公元6-11世纪）的山区地带。从肉眼观察来看，这些城市遗址的表面似乎只是草地和起伏的田野，仅有大型金字塔形土丘和稀疏的陶瓷碎片作为考古特征的标志。尽管历经数个世纪的侵蚀与沉积，但借助VHR表面建模与半自动特征检测技术的结合，仍然能够详细描绘出分布在Tashbulak约12公顷和Tugunbulak约120公顷范围内的建筑和防御工事。
图1研究区地点位置
扩展数据图1：研究地点的全景照片
研究结果
结果1：无人机激光雷达制图
针对Tashbulak遗址，研究人员实施了22次低空无人机激光雷达扫描作业。每次扫描均成功捕获了面积介于10至60公顷之间的点云数据，这些数据以0.05至0.09米的平均点间距被收集，并经过空间配准处理，最终融合各个站点生成了复合超高分辨率点云。而对于Tugunbulak遗址，其VHR表面模型则是由17个经过共同配准的点云数据组合而成，总面积达到了158公顷。表面重建的结果以每像素2.5厘米的高分辨率被可视化为数字地形模型（DTM），该模型清晰地展示了整个分析范围内的四个主要区域，包括坚固的土丘、绵延的城墙、密集的建筑群、道路网络、结构梯田以及各类工程设施。在Tashbulak遗址，VHR激光雷达模型覆盖了24.4公顷的区域，平均每平方米包含176个点，这一高精度的数据揭示了该遗址中心区域的密集建筑群（约7公顷），以及防御工事和墓地等区域，总面积约为12公顷。
图2：Tugunbulak的激光雷达制图
图3：Tashbulak的激光雷达制图
结果2：高原城市遗址分析
VHR表面模型凭借其精细的地形分辨率，使得半自动表面分析技术得以有效运用，从而精确描绘出潜在的考古特征。通过应用各种算法，可以从三角形网格中提取出离散的山脊线。当山脊线技术被应用于Tugunbulak和Tashbulak的点云表面时，它有力地揭示了遗址复杂的建筑规划和基础设施布局。Tugunbulak的总体分布和布局展现出了广泛且宏伟的建筑规模。其中，最大的连续建筑区域沿着场地西北部分（A区）的高地山脊而建。A区涵盖了约21公顷的连续建筑区，这里汇聚了多结构建筑群、梯田结构以及长条形的护堤或墙壁。此外，A区还矗立着三个大型的建筑土墩，它们分别位于突出的高地之上，并以固定的间隔俯瞰着中间的结构。在A区东部的山顶上，还清晰地显现出三个较小的土丘特征，这些土丘由低矮的护堤特征相连，可能代表了一系列的瞭望塔。许多较小的结构则以一组低洼的形式呈现，它们形成了具有共享墙壁的相邻建筑物集群，这些集群被狭窄的走廊或道路所分隔。A区的主要防御工事和建筑充分表明了Tugunbulak在建筑和工程方面进行了巨大且持久的投资。
图4：Tugunbulak A区的激光雷达和山脊线地图
Tashbulak遗址的VHR表面模型，展现了该地区中世纪城镇典型的城市布局：一个高耸的“城堡”土丘被周围密集的连续建筑区域所环绕，而这些建筑又被有围墙的防御工事所包围。护堤被视作墙壁特征和土墩防御工事的一部分，它们划定了场地的南部边界。连同主要建筑在内，整个场地的总面积估计在12至15公顷之间。值得注意的是，该遗址的南部区域在以往并未通过传统考古方法得到确认。
扩展图2：Tashbulak激光雷达和山脊线地图
结果3：山脊线与 GPR 的相关性
在Tashbulak遗址的研究中，研究人员采用了探地雷达（GPR）与VHR表面模型相结合的方法，以验证遗址中建筑结构的准确性。为了验证脊线提取的精确性，选定了一个包含Tashbulak中心建筑群的测试区域。该区域已部分发掘，并实施了探地雷达地球物理测绘，提供了地下建筑的清晰图像，作为独立的考古数据集，用于校验从VHR表面模型中提取的脊线特征的准确性和可靠性。研究结果表明，GPR追踪的地下建筑中心线与VHR表面模型半自动检测的脊线之间存在显著的空间对应关系，这有力地证明了脊线特征检测在精确识别考古结构方面的有效性。
图5：Tashbulak的GPR与激光雷达山脊线对比
研究意义
研究人员利用无人机激光雷达技术与半自动化特征分析相结合，对位于“丝绸之路”中亚高原地区的Tugunbulak和Tashbulak两处城市遗址进行了详尽的三维地表建模。这一方法充分展示了其在揭示中亚高原大规模城市规划和基础设施考古调查方面的巨大潜力。通过对Tugunbulak和Tashbulak等遗址的深入研究，能够获得对中世纪中亚高原城市独特的政治、经济和社会环境的新认识。
研究创新之处
结合无人机激光雷达技术与半自动特征分析，成功揭示了公元6至10世纪Tugunbulak和Tashbulak两处城市遗址复杂的高地城市规划和基础设施布局。这一发现打破了传统观念，即中世纪丝绸之路的高原地区被视为东西方连通性的障碍，或仅仅是“游牧”世界的边缘地带。它促使研究人员重新审视城市主义在这些所谓“边缘”地区的作用，并为研究高原人口如何参与中世纪欧亚大陆的经济、政治和社会形态提供了新的视角。
对我们开展工作启示
结合考古学、地理学和信息科学进行跨学科高山地区城市遗址研究，探索高海拔地区城市的特点，以及这些城市的基础设施如何在复杂的地形和气候条件下进行建造和维持，进一步分析不同的城市规划与发展模式。结合实地考古资料，深入了解这些高海拔城市遗址人类技术生产情况，研究人类如何适应高海拔地区的独特气候环境条件。研究这些高海拔城市在丝绸之路贸易的作用，高山城市与低地城市是如何开展贸易和文化交流的。
文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08086-5
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿人：姜德阳
审核：杜军
终审：鲁鹏