楼兰遗址
工作人员在遗址区工作的场景
工作人员在遗址区开展无人机作业准备
1900年，瑞典探险家斯文·赫定在罗布泊探险时，首次发现楼兰遗址并将其公之于众，掀起了长达一个多世纪的“楼兰考古热”。这座曾经盛极一时后又神秘消失的西域古城，长期吸引着国内外学者、探险家的目光。2020年10月至2021年年底，中国科学院西北生态环境资源研究院高分辨率对地观测系统甘肃数据与应用中心（简称中国科学院西北研究院高分甘肃中心）与中铁文保科创有限公司（简称中铁文保，原中国中铁科研院西北院文保中心）历时一年，联合设计开发了一套面向楼兰遗址数字化保护与利用的“天空地”一体化空间信息系统平台——“数字楼兰”，可在万里之外“守望”千年楼兰，为楼兰古城遗址的保护、管理、监控提供科技支撑，已于近日通过验收。
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“数字楼兰”的缘起
“始返楼兰国，还向朔方城”“黄沙百战穿金甲，不破楼兰终不还”……有多少人是从古诗名句中，对罗布泊荒漠腹地的楼兰有了最初印象，不过也仅限于此。楼兰因陷入沙漠、雅丹劣地和坚硬盐壳的重重包围，荒凉而凶险，成为普通人望而却步的“生命禁区”。
然而，当打开由中国科学院西北研究院高分甘肃中心主任祁元研究员团队和中铁文保联合开发的“数字楼兰”，古城气息扑面而来，令人仿佛置身其中，佛塔、三间房……楼兰遗址及其附近标志性景观跃然眼前，720度全景展示，可实时观测当地气温、降水、风速和大气压等环境气象状况的变化。
楼兰遗址位于新疆若羌县大漠深处的罗布泊，与若羌县城直线距离220千米，是一处沉睡千年的神秘古老文明。这里曾是水草丰美的绿洲、丝绸之路的重要枢纽，承载着古楼兰王国的繁荣与辉煌。遗址基本呈正方形，边长约330米，有孔雀河为主的若干古河道穿城而过。故城东北区有残高约10.4米的佛塔遗址，不远处是被考古人员称作“三间房”的一处疑似官署遗存。楼兰遗址在魏晋时期是中原王朝驻西域的最高官员西域长史的驻地，著名的“前凉西域长史李柏”书信草稿即出土于此。该遗址对研究中西交通、东西方文化交流和中国古代边疆与内地的联系等，均有着重要价值。
“2019年11月，若羌县文物部门发现楼兰古城主要遗址区‘三间房’和佛塔遗址所在的台地出现不同程度坍塌，而且两座建筑物本体存在裂隙、孔洞等。楼兰遗址属于不可移动文物中的土遗址，需要对其进行修复保护。”祁元向记者介绍了“数字楼兰”的建设背景：新疆维吾尔自治区文旅厅牵头督办实施此古城保护工作，当即联系中铁文保，沟通古城抢险事宜。2020年6月，中铁文保开始对楼兰古城“三间房”和佛塔遗址进行抢救性修复，这项修复于当年11月30日完工。2020年10月初，中铁文保委托中国科学院西北研究院高分甘肃中心开展实地测绘与空间数据采集，并计划联合研建信息化平台。
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“数字楼兰”的建设
已故的中国科学院新疆生物土壤沙漠研究所所长、中国科学院兰州沙漠研究所所长夏训诚先生，曾经17次在被称为“死亡之海”的罗布泊考察，揭开了罗布泊神秘的面纱。此次中铁文保和中国科学院西北研究院的合作，可以看作是楼兰与中国科学院系统再次续缘……
时间紧，任务重，在2020年10月中旬，中国科学院西北研究院高分甘肃中心由祁元带队，随中铁文保公司工作人员进入项目施工地，开展野外综合调研，以及遗址及周边地形地貌空间信息数据的采集工作，为信息化平台建设提供相关数据。
祁元说，由于是雅丹地形，大家必须乘坐加高改装的越野车才能进入腹地，采集时采用的主要设备包括机载激光雷达、机载五镜头倾斜摄影设备、地基雷达、测绘无人机、地面全景相机等，“330米见方的区域很快就能‘扫’完”。
为了人们能直观了解到“罗布泊究竟是什么样的地方”，祁元和团队工作人员设计了从若羌县城到楼兰遗址的“空—地”720度全景式漫游，起点在若羌县楼兰广场，通过“空—地”720度全景三维技术对沿线景观拍摄。这正是建设“数字楼兰”的初衷，通过卫星、无人机遥感技术，结合地面测绘等相关设备，获取楼兰遗址空间信息数据，并围绕数据综合展示与应用，开发信息化平台，建立楼兰遗址数字化档案，为后续遗址变化研究提供本底数据支撑，为将来在线游览查看楼兰文化遗址现状提供平台支撑，增强楼兰遗址保护、研究力度。
“数字楼兰”的建设历时一年，内容围绕楼兰遗址核心区“三间房”和佛塔地区展开，包括建设该地区不同空间尺度、不同分辨率的卫星遥感影像数据库；激光雷达扫描数据，无人机倾斜摄影、正射影像、空中720全景数据，以及核心区和周边地区地面全景数据的获取；数字楼兰信息系统集成开发（景区漫游、遥感数据展示）等。它可以实现“天—空—地”一体化监测与分析遗址周围的气象环境、地表景观、本体情况和人类活动。建成的数据库中还集纳了从1961年至2020年楼兰地区的卫星遥感数据，以及自西汉至清代的历史地图数据，提供了一套研究楼兰古迹时空演变的空间数据库。该系统建成后，有效强化了对楼兰遗址工程加固项目的专家查看和验收效果。
国家文物局有关专家认为，这套系统为楼兰古城遗址的保护、管理、监控提供了科技支撑，可在万里之外守望千年楼兰，是极端环境下遗址预防性保护监控、相关历史资源挖掘和文化遗产要素多元化展示的一种有益探索。
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未来大有可为
我国自《国家中长期科学和技术发展规划（2006—2020年）》中确定实施高分辨率对地观测系统重大专项之后，空间信息应用体系建设得以加快，推动了卫星遥感及应用技术的发展。高分甘肃中心于2014年8月经国家国防科技工业局批准应运而生，由中国科学院西北研究院和中国航天科技集团五院510所建设实施。
“‘数字楼兰’2013年以前的卫星遥感数据采用了国外公开数据，2013年之后是我们自己的高分辨率数据。”祁元说，如何通过时间序列的卫星遥感数据反映一个地方的变迁，是科研上的难题，受限于空间信息技术的发展。“历史数据太‘粗’，分辨率通常在几十米，现在能够达到0.5米甚至是0.3米，为更加宏观地监测提供了条件。”与此同时，“地面监测中，如何在一个无人区、没有任何空间信号的情况下，监测腹地的气象环境变化，特别是风蚀对遗址的影响，有较大难度。目前采取的是放置存储卡，定期将环境数据‘采’回。”
祁元表示，今后随着卫星遥感技术不断进步，对偏远而重要的不可移动文物进行常态化监测成为可能。这种对土遗址的预防性保护比抢救性保护更为重要，可以高效及时地预防诸如山洪泥石流、风沙掩埋等自然侵害，以及修建道路、铁路、输电线等活动对文物的人为破坏。通过卫星遥感技术空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率不断提高，可为文物保护提供更加精细的数据，“是最为经济、有效进行数据获取的手段，远比地面人工采集数据高效。”
未来，在“一带一路”共建国家文物遗址的保护方面，“数字楼兰”中应用的技术手段也将大有可为。
（本文系由市科技局支持、《兰州晚报》开设的“创新领航”专栏第71期）
兰州日报社全媒体记者 何燕/文
中国科学院西北研究院供图
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