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遥感技术与应用, 2020, 35(1): 255-266 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2020.1.0255

遥感应用

新疆轮台奎玉克协海尔古城空间考古综合研究

于丽君,1, 聂跃平1, 杨林2, 朱建峰,1, 孙雨3, 刘芳1, 高华光2

1. 中国科学院遥感与数字地球研究所遥感考古联合实验室,北京 100101

2. 中国国家博物馆综合考古部,北京 100006

3. 海南大学信息与通信工程学院,海南 海口 570228

A Comprehensive Spatial Archaeological Study of the Koyuk Shahri Ancient City in Xinjiang

Yu Lijun,1, Nie Yueping1, Yang Lin2, Zhu Jianfeng,1, Sun Yu3, Liu Fang1, Gao Huaguang2

1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China

2. National Museum of China, Beijing 100006, China

3. Hainan University, Haikou 570228, China

通讯作者: 朱建峰(1983-),男,黑龙江哈尔滨人,助理研究员,主要从事遥感考古研究。zhjf@radi.ac.cn

收稿日期: 2018-09-20   修回日期: 2019-11-15   网络出版日期: 2020-03-31

基金资助: “十二·五”国家科技支撑计划课题“我国典型遗址遥感与地球物理综合考古研究”.  2015BAK01B01
“遥感技术在中华文明探源中的应用研究”.  2013BAK08B01

Received: 2018-09-20   Revised: 2019-11-15   Online: 2020-03-31

作者简介 About authors

于丽君(1982-),女,山东威海人,副研究员,主要从事遥感考古研究yulj@radi.ac.cn , E-mail:yulj@radi.ac.cn

摘要

西域都护府是西汉政府在西域设置的管理机构,位于丝绸之路的战略要地,地处新疆轮台县境内,但城址具体的地理位置目前尚无定论。根据西部干旱区的环境特点,整合了遥感、地球物理、田野调查及空间分析方法,选取了可见光、雷达影像、历史航片,分析不同时相、不同尺度影像上的形状和光谱特征,提取了奎玉克协海尔古城的考古异常区域,发现了疑似壕沟、城墙和城门等遗迹;根据遥感异常区域采用地球物理和考古钻探进行了验证,确认考古目标,初步探明了遗址的内部结构。基于该遗址的地望、距西域各国城址的距离、城 址形制、规格、绝对年代测定等综合考证,提出了奎玉克协海尔古城就是西域都护府的治所所在地的假设。

关键词: 奎玉克协海尔古城 ; 遥感 ; 地球物理 ; 14C测年 ; 无损探测 ; 西域都护府

Abstract

The Protectorate of the Western Regions was the administrative agency established by the Western Han government in the Western Region. It was located in the area of strategic importance along the Silk Road in Luntai county of Xinjiang Uygur Autonomous Region. However, its accurate location is still inconclusive. From 2015 to 2017, according to the environmental characteristics of the western arid zone, we identified archaeological features such as moat, city wall and city gate based on the analysis of the shape and spectral characteristics in remotely sensed data (visible light images, radar images and historic aerial photo), using a method integrating remote sensing, geophysics, fieldwork and spatial analysis. These archaeological features were verified via geophysics and archaeological drilling, and the internal structure of the ancient city has been preliminarily explored. Finally, it was concluded that the ancient city of Koyuk Shahri was the Protectorate of the Western Regions, based on the comprehensive textual research of the site location, distances to cities in the Western Region according to the Book of Han, the shape and structure of the cities, the specifications, and the absolute dating of the sites.

Keywords: Koyuk Shahri ; Remote sensing ; Geophysics ; Radiocarbon dating ; Non-destructive detection ; Protectorate of the western regions

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本文引用格式

于丽君, 聂跃平, 杨林, 朱建峰, 孙雨, 刘芳, 高华光. 新疆轮台奎玉克协海尔古城空间考古综合研究. 遥感技术与应用[J], 2020, 35(1): 255-266 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2020.1.0255

Yu Lijun, Nie Yueping, Yang Lin, Zhu Jianfeng, Sun Yu, Liu Fang, Gao Huaguang. A Comprehensive Spatial Archaeological Study of the Koyuk Shahri Ancient City in Xinjiang. Remote Sensing Technology and Application[J], 2020, 35(1): 255-266 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2020.1.0255

1 引 言

两汉西域都护府是治理西域“三十六国”的管理机构[1],张骞通西域,正式开辟了丝绸之路。随着国力强盛,中央王朝在新疆设官置守,建立军政机构,实行屯田。西域都护府的建立不仅守护西域各城免受匈奴所扰、督察西域各国以防叛乱,也使得丝绸之路得以畅通无阻,增进了中西交通要道上的友谊[2]。《汉书·西域传》记载:“都护治乌垒城,去阳关二千七百三十八里,与渠梨田官相近,土地肥饶,与西域为中,故都护治焉”[3]。《汉书》中记载了西域各国都城同西域都护府的相对位置,但记载中存在不少自相矛盾之处。

对于西域都护府的位置,学界有着不同的看法,清代学者徐松在《罗布淖尔所受水下》中认为乌垒城位于策大雅乡和库尔楚乡之间的山前平地上[4]。瑞典考古学者贝格曼[5]认为是在车尔楚(今库尔楚),黄文弼认为在野云沟[6],林梅村则认为在如今的奎玉克协海尔古城[7]。现代学者围绕轮台县境内的多处古城遗址开展了调查工作,但对西域都护府的位置尚无定论,但可基本确认位于轮台境内。本文根据当地文物部门提供的考古资料、已发表的文献以及地望情况分析,对轮台的奎玉克协海尔古城开展了遥感与地球物理探测综合探测研究,借助空间分析和数据挖掘,初步得出了奎玉克协海尔古城就是西域都护府的治所乌垒城,研究结果得到了考古钻探和14C测年结果的验证。

文化衰落或者遗址功能改变之后,遗址被废弃,随着时间的推移,这些遗迹受到风化、侵蚀等破坏,同时与周围的土壤发生着物理和化学的作用,导致遗迹与周围土壤的成土过程存在差异,形成特殊的堆积。通常情况下考古目标具有较规则的几何形状,如壕沟、城墙、宫殿等,通过分析多源影像的光谱、纹理和结构特征可以提取到目标信息,确定疑似区域。目前遥感技术被广泛应用于文化遗产调查、考古特征识别、遗址环境监测等方面[8],随着传感器技术的发展和应用研究的不断深入,遥感考古将具有很大的发展潜力与实用价值[9,10,11,12,13]。在现有的遥感卫星数据中,Corona等历史影像因具有较早的成像时间,能够复原早期的遗址面貌,可以有效排除近几十年来的人为损毁或自然侵蚀等破坏作用的影响,是重要的考古研究数据[14,15,16]。QuickBird、WorldView、IKONOS、GeoEye等一系列高分辨率的卫星影像在考古研究中发挥着越来越重要的作用[17],亚米级的空间分辨率能够提供遗址的高精度多光谱信息,如Rosa[18]等应用QuickBird数据对意大利南部地区遗址的植被标志进行提取,Thomas等[19]应用IKONOS影像对玛雅聚落遗址进行考古分析。此外,由于微波信号在线性地物形成二面角反射,产生很强的后向散射,在雷达图像上表现为高亮度值,能够增强城墙部分,可以很好地提取城墙边界,在地表及浅层遗址探测中发挥了重要作用[20,21],目前 Google Earth也已经成为一种重要、便捷的遥感考古工具[22]。近年来,无人机技术的迅速发展极大地提高了对遗址的观测能力,空间分辨率显著提升,可用于发现地面调查难以观察到的细微特征[23,24],是当前考古调查不可或缺的技术手段[25,26]

地球物理勘测技术作为另外一种考古无损探测手段,能够探测地表以下含水量、电阻率、导电率、磁化率等物性参数,反映出遗址区地下的异常特征。20世纪80年代地球物理开始广泛用于考古研究[27,28],如刘士毅等[29]较早地利用地球物理技术开展秦始皇陵的地球物理勘探,探测出了地宫、墓室、墓道等的位置。林金鑫等[30]运用探地雷达、磁法、电磁法对西夏陵地下陪葬墓进行了综合勘测并发现了陪葬墓。沈鸿雁等[31]综合高密度电法与探地雷达方法对晋阳古城中城墙、护城河以及采空区进行物性分析。国外很多学者也应用地球物理技术在考古探测方面取得了进展[32,33,34]

目前,越来越多遥感与物探方法应用于考古调查与遗址探测[35,36,37],但如何能够有效利用各种方法的优势,对不同赋存环境的不同类型考古特征进行多角度、全方位的综合分析,仍需要全面深入的研究。尤其是我国在新石器时代已有夯筑技术,考古发现的早期大型建筑又多为夯土遗迹,遗迹本体与周围环境差异不大,本文以新疆奎玉克协海尔古城遗址作为研究对象,采用综合空间考古方法进行探测研究。

2 研究区概况

轮台县位于新疆维吾尔自治区的中心地带,也是丝绸之路的中心,北临天山,南靠塔里木盆地,自古以来就是西域重要的交通要道。县境内地势起伏较大,根据县志记载,该县属于暖温带大陆性干旱气候,降水稀少,蒸发旺盛,全年盛行东北风。

迪那河是轮台最大的河流,春秋战国时期流域内就活跃着古代的民族群落。具有丰富的文化底蕴。奎玉克协海尔(Koyuk Shahri,维语意为“灰烬之城”)古城位于轮台县轮台镇赛维尔牧业村的西北,地处迪那河的支流喀拉塔勒河下游荒漠,远远望去就是一片白茫茫的盐碱地,坐标为84°20' E, 41°36' N,海拔约883 m。古城位于洪积—冲积扇缘,地表植被主要是红柳等灌木,土地沙化明显,由于长年风沙侵蚀和人为破坏,城墙大面积坍塌,再加上盐碱化导致剥落现象普遍,城墙遭到不同程度的损毁。

根据三普资料记载,城垣为夯土建筑,大致呈圆角方形,城墙坍塌仅存墙基,周长约940 m,墙基宽约5~8 m不等,残高不足1 m。城中偏西有一座70 m×40 m的高台,残高约10 m,高台中心凹陷严重,城西北角和南侧有缺口,疑似城门。1957年公布为自治区级文物保护单位,名称为“轮台古城”。古城调查时曾在城中发现红衣黑胎的陶片和红底黑花的彩陶片、手制的罐、石镰、石磨盘等遗物及一些较大的畜骨[38]。高台曾经出土过陶器和石器,但如今只能看到部分散落的陶片。

3 研究方法

整合了遥感和地球物理技术对地表/浅地表/地下遗迹的无损探测、田野考古钻探的优势,对奎玉克协海尔古城进行综合研究,基于考古调查的初步成果,利用遥感技术从空中视角观测古城遗址,判定古城的布局和结构,进一步采用地球物理技术对遥感探测的结果进行补充与验证,并根据汉书西域传的记载借助空间信息技术强大的空间分析功能定量评估古城的区位优势、估算遗址的空间相对位置,并提出了合理的假设。

研究首先对采用的多源影像进行辐射校正、几何校正等预处理,为便于信息辨识和特征提取,进一步采用空间、光谱和辐射增强方法,开展多尺度、多时相的考古目标特征提取与解译分析。

改革开放以来,轮台县土地利用结构发生了很大变化,县城面积扩大了十几倍,为了解遗址早期的地表景观,对Corona影像(拍摄时间:1964年6月23日)进行处理分析。Corona为全色影像,因传感器成像技术的局限,空间分辨率与成像质量有限,为了增强考古弱信息,通常需要进行考古特征的增强处理,如直方图变换、空间滤波、彩色合成等方法。这里采用影像的最大最小值、平均值、熵、分类、滤波、空间自相关等多种方法来提取考古特征,并进行不同的波段组合,丰富地物的信息。高分辨率遥感影像对于偏远地区考古调查具有重要的意义。现场调研前先通过谷歌地球和高分辨率卫星数据对研究区进行初步分析,选取3月份拍摄的3期影像进行对比分析。并对快鸟和无人机航拍影像分别采用直方图均衡化、波段组合、主成分分析、高通滤波、拉普拉斯算子、中值滤波等一系列方法增强考古目标的可解译度。

微波的穿透能力能够展现特定的考古特征,提高考古解译的效率和能力。由于SAR单视复数图像存在很多斑点噪声,需要经过多视处理,通过距离向与方位向的平均来抑制斑点噪声。另外,SAR图像是斜距投影的方式成像,需要进行地理编码,将其转化为地理坐标投影,再进行考古目标的解译分析。对SAR影像的处理在ENVI软件的SARScape模块来实现。

数字高程模型(DEM)也是空间考古的重要基础数据,LiDAR获取的高精度DEM能够反映遗址细微的高程变化特征,探测作物标志,可直观显示残存在地表的城墙、壕沟和建筑等遗迹现象,对研究遗址的微地貌、发现异常考古信息具有重要指导意义[39,40,41,42,43]

表1   本研究使用的遥感数据

Table1  Remote sensing data employed in this study

数据获取时间分辨率/m
Corona数据1964.6.232.7
无人机航拍数据2016.7.200.03
QuickBird卫星数据2008.3.310.4
Radarsat-2卫星数据2017.10.290.4~2.4

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通过以上观测手段的综合应用,进一步丰富遗址探测方法,从多个角度进行考古目标信息的提取,可以提高地表及浅地表的考古特征的识别精度。

遥感手段获取的异常信息可用于推测考古目标的类型,但对于地下目标及其埋藏深度的探测仍有较大难度。而地球物理勘探能够探测到地下一定深度内的考古目标,可以作为遥感考古的有效辅助手段,因此进一步采用该方法对考古感兴趣区进行探测与验证。古城遗址内大部较为平坦,可以采用电磁仪、探地雷达、电法等进行测量。在实际探测中,采用了GEM-2宽频带电磁勘探仪对遥感探测到的考古感兴趣区进行验证,该设备简单易用,工作效率高,便于携带。试验采用5个电磁频率探测了土壤的电导率,测线间距为1~3 m。通过宽频带的电磁探测反演方法,能够有效降低探地雷达等电磁波在介质传播过程中的频散现象,提高探测精度,准确反映电导率值与土壤含水量之间的关系,提高地下遗址识别的准确性。该方法可获取地下异常信息,相对于探地雷达、电法的测线剖面数据,更易解读与应用,从而提高野外考古的工作效率。

为验证遥感与地球物理探测结果的有效性,研究采用考古学方法来进一步检验其准确性,判断异常区域是否为考古遗迹,进而对遗迹性质做出判断。采用十字布设探孔,对城墙的3处缺口进行重点的考古钻探,了解遗迹的纵横剖面和堆积情况。首先以高台为中心进行布设十字探孔,进行考古钻探。通过钻探得到异常区域的地层序列,判断是否有遗迹现象存在;如有遗迹存在则在遗迹所在地层取样进行14C测年,获得绝对年代信息,并结合考古发现和历史文献,判断遗迹的性质。

本文采用天—空—地联合考古方法,综合卫星、无人机、地球物理探测、考古钻探验证,从地表异常信息的遥感探测到地下异常目标的地球物理无损探测,从考古钻探到14C测年,从考古资料的统计分析到地理信息系统的空间分析,对奎玉克协海尔古城进行了综合研究。通过不同时相的航空影像、可见光、雷达影像的综合应用,提取遗址区的异常信息;进一步采用电磁法、探地雷达、高密度电法等地球物理方法来进行不同物性参数的局部重点探测,分析遗存的埋藏深度、形态、范围,推测遗址的形制、规模与等级。通过考古钻探对遥感和地球物理探测发现的异常区开展取样验证,有助于提高遥感无损探测的准确性,形成可供推广的技术应用体系,可用于其他考古遗址的研究。

4 遥感探测分析

4.1 高分辨率卫星影像

通过卫星影像进行判读,图3(a)和图3(c)为谷歌影像,图3(b)为快鸟多光谱和全色波段的融合影像,了解古城的基本情况:古城遗址位于两河支流之间,地势平坦,影像上泛白区域是因为土壤盐渍化;城址约为圆角方型,城墙走向大致清晰,部分城墙有缺口,无法识别;城中靠西有一座高台,已坍塌,可能是建筑基址。按照汉代度量衡1丈约为2.31 m计算,奎玉克协海尔古城东南西北城墙的边长约为百丈。

图1

图1   遗址位置示意图

审图号:GS(2016)2556

左上角缩略图审图号:GS(2019)3333

Fig.1   Location of the study area


图2

图2   古城遗址遥感考古探测流程图

Fig.2   Flow chart of archaeological detection of ancient city using remote sensing


图3

图3   多源遥感影像综合分析

注:图(e)为非监督分类、高通滤波(15×15)和标准差的假彩色合成影像能够有效突出考古疑似区域的纹理特征; 图(f)为方向滤波(9×9)、标准差增强影像、平均值的组合能够较好地突出城墙结构(HH极化Spotlight聚束模式)

Fig.3   Multisource remote sensing images analysis


3(a)~(c)中的时间序列影像直观反映了古城墙从2006~2010年间的变化不是很大,最显著的变化是城墙的西南段界限变得越来越模糊,坍塌的痕迹明显。根据轮台气象站的历史资料统计,该县盛行东北风,城墙的东北段和西南段受风沙侵蚀明显,这可能也是古城向西北有一定偏角的原因(偏角约18°)。

4.2 历史影像

经直方图增强后的Corona影像(如3(d)所示)可以观测到城墙的大致形状及部分城墙坍塌的痕迹,可见古城城墙的破坏是千百年来长期、缓慢的风化和侵蚀作用导致的,在20世纪60年代之前已经遭到了不可逆转的破坏。高台周围隐约可见一圈环形结构亮度值较低,但从影像上无法直接判断遗迹类型,初步判读为考古疑似区域。

试验结果表明非监督分类、高通滤波(15×15)和标准差的假彩色合成影像能够有效突出环绕高台的疑似区域的纹理特征及其范围。如3(e)所示,而方向滤波(9×9)、标准差增强影像、平均值的波段组合则能够较好地突出城墙的走向与结构,如3(d)、(f)所示。经过增强后环形异常区颜色加深,结构更为清晰。

4.3 航空摄影

2016年7月20日对古城遗址进行无人机航拍,获取到超高分辨率的正射影像和地形数据。从无人机正射影像(3(g))上可以更清晰地观察高台建筑及顶部的坍塌状况。DEM影像(3(h))上城墙表现得最为清晰,古城西墙北侧、南墙西侧与北墙东侧存在缺口。其中,北墙东侧的缺口,可见地形起伏形成的线性结构,根据影像特征推测应该是引水的沟渠。西墙北侧的缺口在地形上显示非常清晰。高台南北两侧均呈现不同程度的缺失,这一特征在DEM影像上尤为明显,LiDAR能够准确地描绘出地形、河道、夯土建筑和城墙。

4.4 雷达影像

在Radarsat-2影像上(3(i)),除南墙、西墙和北墙上各有一处缺口,其他位置处城墙连续性较好,可以很好地识别考古特征的结构。内城西侧区域地表粗糙度较低,纹理特征复杂,在Radarsat-2影像中,表现为较弱的回波强度,这种光谱与纹理上的异常可能与遗迹分布有关。

通过对比1964年的Corona影像、2006和2010年谷歌影像、2008年快鸟数据,以及2016年航拍影像、2017年的Radarsat-2,发现近几十年来古城遗址的城墙和高台发生了一些变化。夯土城墙不断风化坍塌,高台受到破坏较为严重,可发现高台建筑之上有明显的人为扰动痕迹,现场还发现羊群留下的诸多现代痕迹。高台北侧可能是严重坍塌或者后期人为取土造成,在Corona历史影像上也有迹象。高台南侧的沟状凹陷,其沟口正对南墙的缺口位置,这种空间的联系并非巧合,应是城址修建时设计好的建筑布局方式,不完全是由自然风化、风蚀或塌陷造成的。综合多源遥感数据我们获取到了研究区的考古感兴趣区(考古疑似区域和异常区),下面采用地球物理方法和考古钻探对上述区域进行探测与验证。

5 地球物理探测验证

电磁仪探测范围如图4(a)所示。古城内部土壤含水量大,电导率值较高,夯土城墙电导率较最低,高台的外围有一环状电导率高值区域,与遥感影像上的异常区域对应,这个高值异常区往南延伸到城墙的西南缺口,可能是壕沟之类的遗迹。

图4

图4   地球物理考古探测分析

Fig.4   Geophysical archaeology survey and analysis


由于地球物理的不确定性和多解性,进一步使用探地雷达和电法对城墙、壕沟和城门等疑似区域进行探测,如图4(c)所示。南城墙西侧缺口处电法测线显示20~38 m段为低阻值异常,深约1~4 m,探地雷达结果也反映了21~39 m处存在异常,结果与电磁仪测量结果一致,此处地下遗迹宽度约为18 m。西城墙至壕沟部分的电法勘测反演的电阻率值剖面中(图4(d)),在测线9~14 m处有高的电阻率反映,对应为实际的城墙位置,推测地下埋藏最深可达4 m左右;在测线29~33 m与33~39 m段均有高电阻率异常,推测可能是人工建筑遗迹。在该处的探地雷达反演结果中,位于测线11~18 m之间存在松散沉积现象,深度在1~4 m,对应为城墙的位置所在;在测线40~50 m范围内,也有明显的松散沉积,深度0.5~4 m之间,推测可能为建筑遗迹。

6 钻探验证与测年结果

从夯土高台至西城墙的钻探结果发现,高台西侧存在南北走向的壕沟,宽25 m,深6 m。该处地层顺序从上到下分为风沙覆盖层、深灰褐土、浅灰褐土、灰渣土和沙土层(图5(a)所示)。在钻探的灰渣土层中,发现混有木炭,应为早期的建筑材料,经过焚烧后在地层中保存下来。此外,该层中还混有红烧土、白石灰以及兽骨等,证实了早期人类已经在古城区域开展活动。综合高台周围东、南、北的钻探结果,证明高台周围存在壕沟,壕沟内的包含物基本相同,可能是建筑火烧后坍塌堆积到壕沟里,在水流作用下均匀分布,从而明确了壕沟的走向及宽度,钻探结果与遥感和地球物理方法探测到的异常区域位置及宽度一致。

图5

图5   考古钻探验证结果

Fig.5   The archaeological drilling result


夯土台处钻探表明,现地表高台遗存为实体夯台,且有高低之分,最高处距现地表(以最低地平面)约6 m左右,夯台有平面,平面以上有4~5 m堆积,堆积土中含倒塌夯土(夯土较乱),灰褐渣土(含烧土、灰烬、白灰点、淤土等)。从图4(a) 中标注为17号到19号钻孔的地层中普遍存在红烧土,最厚的地方达30 cm。高台局部围城有破坏,或为台体结构形式所致,推断该夯土台(高台)遗址可能为“多级高台建筑”,曾遭受严重火烧破坏。

对夯土城墙3处缺口的进一步钻探表明,南城墙缺口处的地层(如图5(b)所示)由上到下分别为:黄褐沙土、灰褐沙土、灰渣土、夯土和沙土层。地下存在3层路土,是不同时期的道路。该处钻探结果验证了遥感考古探测发现的考古感兴趣区,确定此处为城门所在位置。而通过对西墙和北墙缺口的钻探发现地下1 m深位置有夯土痕迹,地层中未发现路面,根据多源遥感影像和地形分析,这两处是引水沟渠的可能性较大。

7 历史考古资料分析

根据新疆第三次文物普查资料、新疆文物地图集的资料以及《汉书·西域传》,统计新疆地区汉代古城的规模形制,掌握其空间分布规律,预测西域都护府治所位置。

7.1 城址规制空间分析

作为汉朝中央政府设置的管理机构,西域都护府的规模应符合其等级。根据新疆维吾尔自治区第三次全国文物普查成果数据库,汉代古城共有127个,其中能从遥感影像上辨识出形制的城址约占68%。方形城址、长方形城址及梯形城址约占所有可辨识出形状的城址的67%,与圆形城址的数目比约为2∶1。从有关汉代城址的考古资料来看[41],方城是带有中原特色的城址形制,明显是由汉人修建的驻地。这已能够说明汉代时中央对西域地区实行了一定的管控,这一点是毋庸置疑的。

根据于志勇对甘肃、内蒙、新疆的古城统计结果,通常情况下都尉城遗址边长55~60丈见方;侯官治所边长10~20丈见方。汉代一丈约合现在的2.31 m,55丈约为130 m,在我们统计的影像上可辨识出的33座方城之中,边长在130 m以上的古城有12个,其中边长在200~230 m之间的城址数量较少,只有6座,边长为230 m的奎玉克协海尔规格大于所统计方城中90%的城址,可以说在当时的西域地区已经算是规格非常高的。

7.2 汉书古城距离统计分析

《汉书·西域传》中详细记载了西域诸国同都护治所乌垒城间的距离及相对方位,为推测乌垒城位置提供了原始资料[3],但是其中存在不少矛盾之处,这可能是由于距离测量的误差太大。根据陈世良[44,45,46]的研究,书中记载西域道里采用的是一种特殊的方法,即分区域以某一西域国到长安或到乌垒城的距离为基础,按照不同的行进路线进行距离的叠加,里程的个位数不代表实际距离,而是分类系统的标记符号,以此记载诸国道里。

为了探索西域都护府治所乌垒城的位置,选取几个经科学的考古调查发掘和多方考证后,已经确定位置的12个汉代西域古国作为参考[4,6,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58],行进方向是根据陈世良的路线图来进行计算,将西域传记载的里程转换为时间成本,汉书的距离按照汉时1里≈今0.415 km换算,借助GRASS GIS的r.walk模块逆向反推乌垒城的位置。移动的平均速度是根据路程所经过的地表起伏度和土地利用类型推算的,其中地表起伏度是基于90 m SRTM数据生成的,土地利用类型是根据2000年的土地覆盖产品而来。以汉书记载的该国距乌垒城里程数的15%作为误差范围,对生成的缓冲区进行叠加分析,理论上相交区域即为乌垒城所在位置。学界公认都护府治所乌垒城位于今轮台县,因此根据陈世良对《汉书·西域传》的路线分析,这里选取3个距轮台较近的可直达乌垒城的尉犁、龟兹和焉耆3国的都城。将上述计算结果叠加如图6(a)所示,红色为可能性最高的区域,其覆盖范围内的三普古城共有5个,分别是奎玉克协海尔古城、卓尔库特古城、阔纳协海尔古城、塞维尔古城和喀塔墩遗址。其中塞维尔古城和喀塔墩古城规格很小,均为几十米见方,而卓尔库特古城和阔纳协海尔古城均为不规则的近椭圆形城,与现在发现的汉代其他城址的规制不符。奎玉克协海尔古城最有可能是西域都护府治所乌垒城。

图6

图6   乌垒城位置推测与遗址三维复原

Fig.6   The location speculation of Wulei City and reconstruction drawing of Koyuk Shahri


奎玉克协海尔古城正好位于可能性最高的区域内,进一步计算各古国古城到奎玉克协海尔古城的最小成本距离,并与西域传里记载的到乌垒城的距离进行比较。两组数据的平均值和标准偏差之间的差值分别为0.459%和5.596%,根据配对样本T检验,sig值为0.918,说明两组数据不具有显著差异。Pearson相关系数为0.983,表明两组数据之间具有非常显著的相关性(如图6 (c)所示)。这充分说明了按西域传记载,奎玉克协海尔古城极有可能是都护府治所(其复原图如图6 (b)所示)。

8 讨 论

本研究对奎玉克协海尔古城进行了综合空间考古探测,采用了多源卫星遥感、无人机航空遥感等遥感手段,通过电磁法、高密度电法和探地雷达等物探方法及传统考古钻探与14C测年进行对比验证。通过遥感综合探测发现了古城内部的基本格局,对其形制有了初步了解,为后期的考古发掘提供了重要的参考数据。综合应用多源遥感数据与地球物理无损探测手段,可以在考古发掘之前,预先掌握地下疑似目标的分布、形制等重要信息。

从应用范围来讲,卫星与航空遥感数据能够提供宏观的观察视角,同时又能提供遗址的纹理与光谱信息,通过一系列的图像处理技术提取出遗址相关的影像特征。微波能够反映遗址覆盖下的土壤介电常数、含水量的高低以及地表粗糙度的差异,卫星雷达数据可以提高对地下考古目标的探测能力,对地表的城墙等线状物、建筑的角点尤其有效。通过对不同时相的高分辨率影像数据、DEM、卫星雷达数据,能够最大可能地探测遗址的异常区域,锁定考古目标区,再通过地球物理技术探测物性的显著差异,进一步验证地下考古目标的埋藏与分布。利用综合方法在奎玉克协海尔古城发现了城墙、高台建筑、壕沟和城门等遗迹。多种遥感物探手段能够反映不同的几何特征和物性参数,通过有效的组织,能够最大程度地发挥其考古应用价值。

经过遥感、地球物理、考古钻探、测年和地理信息系统方法的综合应用,发现了奎玉克协海尔古城具有典型的中原汉文化传统特征,古城边长约为230 m,为汉制的百丈。该城地理位置优越,取水便利,非常适宜小规模驻兵;古城规格很高,城内有高台建筑,四周有25 m宽壕沟,并在西北、东北两角与城外水系相连。城中有建筑痕迹,城门位于南墙西侧位置。古城距各西域城邦的距离与汉书记载基本一致,经14C测定其年代距今约2200 a,与文献记载较吻合。经过考古钻探发现有火烧土层的存在,与其“灰烬之城”的名称完全符合。综上所述,在大量实地勘探资料的基础上,提出了奎玉克协海尔古城就是西汉时期西域都护府治所所在地的设想,这对于探讨奎玉克协海尔古城的性质具有重要意义。

9 结 语

通过多源遥感数据能够有效提取出遗址的考古异常区域,对新疆轮台县奎玉克协海尔古城进行综合考古分析,结合多种物探方法进行验证,探测到城内的壕沟、城门以及建筑基址,为遗址的建筑格局、等级和形制研究提供了重要的空间信息;进一步借助考古钻探对探测结果进行了有效的补充和验证。在此基础上,应用空间分析和统计预测了乌垒城的位置。研究表明遥感、地球物理、考古钻探的综合应用能够快速、有效地探测地下考古目标,空间分析和14C测年分析为古城的功能、年代和规制研究提供了重要的证据。综合上述的多重证据,研究认为奎玉克协海尔古城很可能就是西汉时西域都护府治所乌垒城,该发现有待后续考古发掘工作的验证。

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