《Remote Sensing》：When Geophysics Meets Geomatics and Archeology: Revealing the Connection Between Surface and Buried Structures at Iuvanum Archeological Site
Donato Palumbo,
Samuel Bignardi,
Oliva Menozzi,
Patrizia Staffilani and
Massimiliano Pepe
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为探究意大利Iuvanum考古遗址地表遗迹与埋藏结构的关系，研究人员开展了一项融合探地雷达(GPR)、无人机(UAV)摄影测量、数字高程模型(DEM)与虚拟建筑模型(VAM)的多学科研究。该研究在复杂地形条件下集成非网格GPR剖面，提取了描述埋藏墙体、路面及复杂特征（如楼梯）的兴趣体积(VOI)，并将其与虚拟建筑模型比对。此项工作创建了一个可共享的3D可视化环境，显著提升了非侵入性考古勘探的可解释性与可靠性，为挖掘规划提供了明确、优先的目标，所建立的方法流程可在复杂地形上重现，并易于在同一集成3D框架内扩展至其他地球物理数据集。
在意大利中部的阿布鲁佐地区，坐落着名为Iuvanum的古罗马遗址。这里曾是萨姆尼特人（Samnites）的聚居地，后来在罗马时期发展成为重要的城镇中心，拥有广场（forum）、长方形会堂（basilica）等典型公共建筑。对于考古学家而言，深入了解这类遗址的完整布局和结构，是复原古代社会、经济与文化生活图景的关键。然而，一个巨大的挑战横亘在研究者面前：时间与自然力量掩埋了大部分建筑遗迹，只有零星墙基裸露地表。传统的考古发掘虽然精准，但成本高昂、耗时费力，且具有破坏性。如何在不动土或进行最小干预的前提下，就能“看见”地下埋藏的秘密，并理解地表残迹与地下结构之间的关联，是当代考古学亟需解决的难题。
正是在这样的背景下，一项发表于《Remote Sensing》期刊的研究，为我们展示了一条创新的解决路径。这项研究不再局限于单一的考古学或地球物理学方法，而是将地球物理学（探地雷达，GPR）、测绘学（Geomatics，包括无人机摄影测量）、建筑学分析与考古学深度融合，旨在为Iuvanum遗址，特别是其广场和长方形会堂区域，绘制一幅连接“地上”与“地下”的三维全景图。研究人员希望通过这种多学科协作，不仅发现未知的埋藏结构，更能提高探测结果的可靠性和解释深度，从而为后续科学、高效的发掘计划提供坚实的依据。
为了回答上述问题，研究团队采用了几个关键的技术方法组合。首先，利用搭载高分辨率相机的无人机（UAV）进行手动与倾斜摄影，通过运动恢复结构（SfM）和多视图立体（MVS）技术，生成了遗址高精度的数字表面模型（DSM）、正射影像和密集三维点云，为整个研究提供了精确的空间框架。其次，在遗址的广场和长方形会堂区域，使用IDS GeoRadar Hi-Mod双频（400-900 MHz）探地雷达系统进行了勘探。由于地形崎岖、地表有石块和残墙，实际勘测线（B-scan）是非平行、不等距的，形成了不规则的网格。每条测线的端点均用GNSS接收器记录坐标。接着，对采集的GPR原始剖面进行了一系列处理（如时间零校正、去直流、带通滤波、背景去除、振幅补偿等），并将双程走时转换为深度。最关键的一步是三维集成：利用Matlab编写脚本，将每条处理后的GPR测线的每一列像素，根据其GNSS坐标和从DSM中获取的高程信息，精准地放置到三维空间中，从而构建起“组装的GPR三维视图”，避免了不规则数据直接插值成C-scan（水平切片）可能带来的伪影。最后，在这个三维视图中，通过交叉比对相邻和相交的雷达剖面，识别出具有横向连续性、几何一致性的反射异常，并将其提取为“兴趣体积”（VOI），以三维实体的形式标出可能埋藏结构（如墙体、路面）的位置和范围。这些VOI随后被导入Paraview软件，与同样基于测绘数据建立的遗址虚拟建筑模型（VAM）、DSM和正射影像整合在同一个三维可视化环境中，进行综合比对与考古学解释。
研究结果
1. 多学科工作流程的建立
研究构建了一个迭代的、多学科协作的方法框架。地球物理学家负责获取和解释地下异常，测绘专家提供精确的空间数据采集与集成平台，考古学家则从历史背景和建筑类型学角度进行 contextualize（情境化解读）和假设验证。三方的反馈循环（如图1所示）实现了数据的持续交叉验证，逐步细化假设，降低了单一学科解释的模糊性。整个工作流程概括为：基于既有考古信息和测绘数据初步建立遗址整体虚拟建筑模型（VAM）→ 在未勘探区域进行无偏见的GPR调查 → 处理GPR数据并提取VOI → 将VOI与VAM在集成3D环境中对比与解释 → 指导未来的发掘计划并进一步优化模型。
2. 测绘与三维建模成果
通过无人机摄影测量，获得了遗址分辨率约1.5厘米的密集点云、DSM和正射影像。基于这些数据，结合历史文献、早期发掘图纸和建筑对称性假设（以长方形会堂中轴线为基准），在CAD和Rhinoceros软件中重建了广场和长方形会堂部分区域的虚拟建筑模型（VAM）。该模型不仅呈现了建筑几何形态，还通过Twinmotion软件进行了材质贴图和场景渲染，生成了具有视觉冲击力的复原效果图（如图9所示），服务于科学验证与公众传播。
3. 地球物理（GPR）探测与VOI提取
在复杂地形上获取的24条非网格GPR测线，经过处理和三维组装后，形成了可直接浏览和交叉分析的“组装GPR视图”。通过视觉分析，研究人员从中提取了7个主要的兴趣体积（VOI），并根据反射信号的强度、空间连续性和多剖面支持度，用红（确信）、黄（可能）、绿（试探性）三色标注了置信度。这些VOI被解释为对应不同的考古特征：
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VOI 1 & 2：解释为不同高度的古代步行路面。
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VOI 3：解释为一组内部墙体，反射信号强且有序。
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VOI 4 & 5：与长方形会堂外墙及可能的墙体残留对齐。
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VOI 6：解释为更深的、可能更早期的步行路面。
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VOI 7：呈现出复杂的多重反射模式，被初步假设为一段楼梯。
4. 多源数据集成与解释验证
将GPR提取的VOI与虚拟建筑模型（VAM）、正射影像在统一的三维环境中叠加显示，取得了显著成效：
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多个VOI（如3, 4, 5）与地表可见的墙基残余部分自然衔接，或恰好位于其延长线上，验证了GPR探测的准确性。
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模型假设的墙体位置和路面高度与GPR异常位置高度吻合（如VOI 1, 2的高度与模型假设相差在20厘米内），支持了VAM重建的合理性。
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最有趣的是对“试探性”VOI 7（楼梯）的解读。在研究人员完成基于GPR的初步解释后，获得的1988年部分区域发掘图纸证实，该位置确实存在一个曾被发掘后又回填的楼梯结构。这一事后验证极大地增强了对整个GPR解释结果的信心。
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研究也发现了一些与严格对称模型不符的异常（如图13a中红色箭头所指），这揭示了建筑在历史上可能经历过非对称的改建或增建，展现了GPR揭示遗址复杂演变历程的能力。
研究结论与意义
本研究成功地将地球物理学（GPR）、测绘学与考古学方法相结合，应用于Iuvanum考古遗址的调查。在地球物理层面，研究发展了一种针对非规则网格、复杂地形GPR数据的三维可视化与解释方法，通过创建“组装的GPR三维视图”和提取“兴趣体积”（VOI），有效克服了传统C-san（水平切片）方法对规则网格的依赖，清晰地识别出埋藏的墙体、路面和楼梯等结构。
在方法论层面，研究的核心贡献是构建了一个可共享、可交互的多学科三维集成环境。这个环境将地形校正后的GPR数据、高分辨率测绘产品（DSM、正射影像）以及基于考古知识的虚拟建筑模型无缝融合，极大地促进了不同领域专家对空间数据的共同理解和解释。它不仅提高了非侵入性考古勘探的可靠性和解释深度，还将探测结果直接转化为可用于指导发掘规划的、带有置信度分级的立体化“目标清单”。
此项工作证明，多学科深度融合能够有效连接地表遗迹与地下结构，还原遗址更完整的空间叙事。所提出的工作流程具有可重复性和可扩展性，适用于其他地形复杂的考古遗址，并能方便地纳入更多类型的地球物理数据。最终，这项研究为文化遗产的非破坏性记录、研究与保护，提供了一种强有力的创新工具和范式。
