深度學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)古人類遺址，AI 考古比胡八一更高效

以下文章來源于HyperAI超神經(jīng) ，作者神經(jīng)星星

作者 |神經(jīng)星星

來源 |HyperAI超神經(jīng)

By 超神經(jīng)

內(nèi)容一覽：伊利諾伊州立大學(xué)人類學(xué)專業(yè)考古方向的研究人員，將空間遙感技術(shù)和深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于古人類遺址的發(fā)掘和研究。

關(guān)鍵詞：考古 遙感 機(jī)器視覺

考古，一直是個(gè)神秘又充滿吸引力的話題。

盜墓系列小說《鬼吹燈》中主人公胡八一，就是靠半部《十六字陰陽風(fēng)水秘術(shù)》掌握了尋龍?jiān)E

「盜墓文學(xué)」將探險(xiǎn)、玄學(xué)、靈異等元素加入了考古學(xué)，

使盜墓主題紅極一時(shí)

胡八一的那套口訣：尋龍分金看纏山，一重纏是一重關(guān)，關(guān)門如有八重險(xiǎn)，不出陰陽八卦形。幫助他用八卦星象確定墓穴位置、找到逃生出口，順利完成任務(wù)，解決難題。

近年考古事件也頻頻登上熱搜，新聞中常見的標(biāo)題：愛琴海農(nóng)民挖出古希臘雕塑、西安地鐵為戰(zhàn)國古墓停工等等，讓考古工作看起來很像開盲盒，仿佛要靠碰運(yùn)氣才能發(fā)現(xiàn)遺跡。

 AI 考古：深度學(xué)習(xí)大有可為

伊利諾伊大學(xué)人類學(xué)專業(yè)的博士 Dylan Davis 就致力于將遙感和深度學(xué)習(xí)加入到考古中，帶來更多的發(fā)現(xiàn)。

他基于南卡羅來納州幾個(gè)地區(qū)的 LiDAR 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，結(jié)合了當(dāng)?shù)氐?SAR 合成孔徑雷達(dá)、多光譜數(shù)據(jù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的方法，發(fā)現(xiàn)了多處 3000-5000年前的美洲原住民生存遺跡。

古人類的居住地附近常用食用過的貝類、動(dòng)物遺骨、食物殘?jiān)逊e圍繞，久而久之就形成了環(huán)形的圍體，在考古學(xué)中將這類人類遺址成為貝丘遺址或貝環(huán)遺址。

環(huán)狀地形、貝丘遺存是古人類生活、構(gòu)建家園的主要特征

這類遺址往往出現(xiàn)在沿海地區(qū)，在我國、日本、英國、北非等世界各地都有發(fā)現(xiàn)，這些遺址通常屬于新石器時(shí)期，或者晚至青銅時(shí)期。

對古人類貝丘遺址的考察、遺址沉積物的分析，可以為北美洲原住民的發(fā)展年表、社會(huì)形成、氣候環(huán)境變化提供豐富的研究資料。

這些古人類在建設(shè)住地時(shí)，會(huì)對土壤空隙和地形產(chǎn)生輕微的改變，但經(jīng)過千百年來的更迭，這些變化很難在地面通過肉眼觀察出來，所以也讓這些遺址的發(fā)現(xiàn)增加困難。

殼環(huán)形態(tài)在遙感影像上形態(tài)不一

有圓環(huán)、相互連接的圓環(huán)，也有半圓環(huán)

在利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)進(jìn)行圖像處理環(huán)節(jié)時(shí)，Dylan 首先下載了實(shí)驗(yàn)區(qū)域的 LiDAR 數(shù)據(jù)，將其提取數(shù)字高程模型（DEM）分析得到丘陵陰影（Hillshade）和坡度（Slope），旋轉(zhuǎn) 45° 來增強(qiáng)訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

最終得到了 776 個(gè)環(huán)狀地形、720個(gè)貝丘地形和 1316 個(gè)無關(guān)地形，導(dǎo)出為 200*200 的圖像，保留了 10% 作為驗(yàn)證集。

Dylan 和團(tuán)隊(duì)基于 ResNet 50 設(shè)計(jì)了一個(gè) Mask-R-CNN 模型，為了對模型基于 LiDAR 訓(xùn)練數(shù)據(jù)得出的深度學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)還基于Sentinel-1的多時(shí)相 SAR 數(shù)據(jù)和 Sentinel-2 的多光譜數(shù)據(jù)，對研究區(qū)域的環(huán)形地形進(jìn)行了隨機(jī)森林（RF）概率分析。

經(jīng)測試，模型獲得了讓團(tuán)隊(duì)滿意的結(jié)果

Dylan 和團(tuán)隊(duì)在一臺(tái) NVIDIA Quadro p4000 GPU、Intel? Core? i7-7700 K CPU @ 4.20 GHz、4200 Mhz、4 個(gè)核心、8 個(gè)邏輯處理器和 64 GB 內(nèi)存配置的工作站中，訓(xùn)練了 40 多個(gè)小時(shí)，共運(yùn)行了 20 個(gè) epochs，獲得了最佳模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證損失分別為 0.252 和 0.554。

在 Dylan 和團(tuán)隊(duì)的該項(xiàng)研究之前，美國的五大湖區(qū)已知的的古人類遺址大約有五十多個(gè)，在這些古人類遺址中發(fā)現(xiàn)了石器和陶器等人類生存痕跡。在 Dlyan 的研究結(jié)果顯示，這些區(qū)域仍有近百個(gè)疑似古人類遺址等待被驗(yàn)證。

Dylan 在近期的研究中提到，下一步即是根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果在實(shí)地進(jìn)行考察。

 空間考古：非破壞性考古研究

真正的考古沒有分金定穴這么玄妙，沒有傳說中的藏寶圖和神秘鑰匙，當(dāng)代考古工作大多是非主動(dòng)性的發(fā)掘。

受到目前發(fā)掘保護(hù)方法的局限，很多文物可能會(huì)因?yàn)槿狈τ行У谋Ｗo(hù)手段，一經(jīng)發(fā)掘出土，就會(huì)永久性地?fù)p壞。比如我國就以「如無必要，不進(jìn)行主動(dòng)發(fā)掘」的標(biāo)準(zhǔn)，來保護(hù)遺跡和考古發(fā)現(xiàn)，所以空間考古越來越受到重視。

在二戰(zhàn)后，全球的考古學(xué)界都開始使用空間技術(shù)，尤其是結(jié)合遙感來進(jìn)行考古研究。遙感考古主要是通過分析遙感圖像，再結(jié)合考古成果、歷史和文獻(xiàn)資料進(jìn)行的。不僅能避免野外工作花費(fèi)大量時(shí)間，經(jīng)費(fèi)和精力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

在上世紀(jì)60年代修建三門峽水庫時(shí)，

我國開始用航空照片對庫區(qū)古代遺址、墓葬分布探測

在不觸及文化遺跡的情況下精確確定遺跡的位置、形狀、大小等。對現(xiàn)已埋沒于地表下的古溝渠、古河道或大型建筑物等，在信息豐富的遙感資料上有時(shí)能很清楚地反映出來。

2014 年，我國遙感地球所的研究團(tuán)隊(duì)在新疆地區(qū)，歷時(shí)三年對新疆古代長城進(jìn)行考古工作。 

利用遙感技術(shù)工作人員將

200 多座古烽燧、戍堡線路復(fù)原和精確劃分

靠著遙感手段獲取的古遺址的微弱信息， 科研人員「還原」了新疆古代長城，改變了長期以來「新疆沒有長城」的認(rèn)識(shí)，令考古界為之振奮。 

利用遙感技術(shù)，能夠更直觀形象地了解遺存，深化人類文化遺存時(shí)空分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)，了解不同環(huán)境和社會(huì)發(fā)展階段的人地關(guān)系模式及其演變過程，為解讀遺址與文化提供科學(xué)依據(jù)。 

再結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等 AI 技術(shù)手段，可以讓高效地提高對空間遙感數(shù)據(jù)的處理，進(jìn)一步加快對文化遺存的探索與保護(hù)。

總之，技術(shù)「倒斗」，又好又快。

參考文獻(xiàn)：

-《Deep learning reveals extent of Archaic Native American shell-ring building practices》Dylan S.Davis

-《遙感考古“上天入地”空間考古大有可為》中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院

-《遙感技術(shù)在考古方面的應(yīng)用》（http://blog.sina.com.cn/s/blog_5554ecf401000e45.html）