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探地雷达在水下考古中的机缘与挑战

2022-01-10 01:33

本文摘要:点击上方“溪流之海洋人生”即可订阅哦一、引言我国拥有近300 万平方公里的辽阔海域、1.8万公里的大陆海岸线和富厚的内陆水域,蕴藏着种类多样、数量庞大的水下文化遗产,具有深厚的文化秘闻。这些文物承载着中华民族的辉煌光耀文明。 水下考古,已经不再只是单纯的水下探宝,更多的是通过对文物遗迹的整理,将时间碎片准确地关联起来,窥探古代精巧武艺和繁荣的商贸往来,重现真实的历史面目。

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点击上方“溪流之海洋人生”即可订阅哦一、引言我国拥有近300 万平方公里的辽阔海域、1.8万公里的大陆海岸线和富厚的内陆水域,蕴藏着种类多样、数量庞大的水下文化遗产,具有深厚的文化秘闻。这些文物承载着中华民族的辉煌光耀文明。

水下考古,已经不再只是单纯的水下探宝,更多的是通过对文物遗迹的整理,将时间碎片准确地关联起来,窥探古代精巧武艺和繁荣的商贸往来,重现真实的历史面目。上世纪八十年月中叶,英国人迈克·哈彻在南海发现并盗捞了“哥德瓦尔森”号沉船的文物,正是这桩“海洋盗宝案”将水下考古带入了公共的视野。

1987年,南宋古沉船“南海Ⅰ号”的发现与打捞,也见证了中国水下考古从无到有、迅速生长的历程恒久以来,在人们的认知中,水下文物难于发现、标定难题,相对于陆上考古而言水下考古难度更大。但也正因水下特殊情况使得诸多水下文物免遭于盗掘者的破坏。更有研究讲明,黑暗低温低氧的水下情况对遗迹遗址的生存效果要远远好于陆上。

例如,淹没在水底的船只往往可以生存数百年之久。然而,深水拖网打鱼作业等人类运动的生长,以及装备日渐高科技的盗掘团伙,使得这些文物现如今正处于危险边缘,二者对水下文化遗产所造成的破坏令人痛心疾首;除却人为因素,自然情况变化也加速了水下文物的消亡,好比恶劣的天气也可能会造成浅水区域的沉船发生差别水平的损毁,水的物理、化学侵蚀作用以及生物运动则使得遗迹的外表逐步地变得难以识别。为了能够资助考古学家发现、掩护和重建那些淹没在水下的文化遗迹,很是有须要开展水下情况观察,圈定遗迹的漫衍规模并相识其结构特征。现在,我国水下考古事情模式仍以渔民提供线索、潜水核实为主,主动性和主导性欠缺,所受限制较大。

本文从水下考古探测方法的生长与现状入手,以宁波上林湖后司岙水域水下考古为切入点,引入使用探地雷达开展水下考古目的探测的思想,联合实际应用情况,深入剖析了探地雷达方法在水下考古领域中的机缘与挑战。二、水下考古探测方法概述水下考古可追溯到二十世纪中叶,法国水师军官库斯托发现了自携式水下呼吸器即今世通例轻潜技术,为包罗考古学在内的海底科学探索提供了最基本的保证。1960年,美国宾西法尼亚大学考古学教授乔治·巴斯对土耳其格里多亚角海域的古代沉船遗址举行观察、掘客,这一水下考古事件被视为现代水下考古学降生的标志。

水下考古探测中所接纳的任何方法技术必须能够适应种种庞大因素水域情况,在相关设备的水密性、弱信号提取、水下探测数据的成像方法等方面也具有较高的技术要求。现在,水下考古观察方法可以归为以下两大类:光学和声学方法。光学方法中,潜水观察是最为直接的一种方式,潜水员使用标线、网格和条带等工具对水下文物举行丈量。可以肯定的是,因为可以对文物举行视觉识别,潜水观察是也将继续是水下探测中一个很是重要的手段。

然而,这种人工的观察方式在庞大的水下情况中将会是一个十分耗时及高风险的作业历程,其给出的结论也带有潜水员的主观判断身分。水下摄影丈量法为寻找越发客观真实的结论提供了一个不错的解决方案,通过对同一探测区域从差别角度拍摄一系列照片,事情人员可以对水底三维场景建模。然而,在希腊南艾维亚岛海湾的一艘希腊古沉船探测中,40~47米的水深严重制约了潜水员的可作业时间,所收罗到的图像质量也因此受损。

Drap等在意大利皮亚诺萨岛四周海域使用该技术开展过探测,他们摒弃了通例潜水人员手持摄像机的操作方式,而是将摄像机安装在水下机械人的“胳膊”上,这使得潜水人员所不能到达的高压深水区域的文物信息也能被收集到。无论是人工还是机械人操作,上述基于视觉图像的水下考古观察方法都具有一个配合的缺陷,那就是在深水、植被笼罩、天气影响强烈等条件下体现不佳。一方面,水下介质会改变光谱,摄像机所收罗到信号会发生畸变;另一方面,糟糕的水下视觉情况将直接导致摄像机没措施靠近一些小规模的遗迹区域举行记载,信息的缺失使得这一区域无法被完整重建。声学方法是基于反射声波成像原理,在水下目的探测中应用最为广泛。

其中,多波束声纳、侧扫声纳是识别和在舆图上标定出露于水底的目的体的强有力工具。诸多实验和考古观察显示侧扫声纳可以对有机物和无机物、人造和天然质料举行成像。只管如此,侧扫声纳出现的图像经常是变形的,所包罗目的体的真实三维信息较少;多波束声纳可以对水底地形地貌举行高精度实时三维成像,Plets等和 Westley等就曾使用高精度的多波束声纳识别出了海底的沉船和重建水底原始地形;通过对比分析前人对某处历史沉船的多波束海洋测深数据,Stieglitz等预计了热带气旋对该遗迹的损毁水平。近年来,我国水下考古喜报频传,声学探测方法(包罗侧扫声纳及多波束)在浙江宁波上林湖越窑遗址、湖北丹江口水库均州古城、福建沿海东山县冬古湾明末清初沉船观察、安徽太平湖底城址观察、福建泉州水下考古重点观察、四川彭山江口沉银遗址水下考古及江西洪门水库摩崖造像水下考古等事情中获得了全面的应用,为水下考古目的的探查提供了有效的证据。

可是,不行回避的事实是,上述的光学和声学(侧扫和多波束等)方法也都具有一个共有的缺陷,即它们只能探测到水下遗迹的外貌部门。这也就意味着,如果目的体是埋在水底并被沉积物完全笼罩的,从水底表层无法区分文物与自然情况,这样一来上述方法往往难以发挥出其优势。虽然浅地层剖面仪所发射的声波可以穿过水底进入到地层内部几米到几十米深的位置,但它的分辨率却无法满足小尺度文物(如陶瓷)的识别。同时,另一大的问题——浅水域的多次波现象则严重制约了浅剖技术在水下考古探测中的应用,因为来自于水底的多次反射波所造成的假象将会对水底以下地层界面和遗址界限的划分发生较大滋扰。

另外,近年来水域考古正在逐步引进的海洋磁力仪,依靠其对水下文物遗迹磁异常的高敏感度,可以寻找海底、湖底之下铁磁性目的物或其它类似瓷器这样的具有显着磁性的物品。但磁法勘探的体积效应显着,探测分辨率有很大的局限,往往只能分辨大尺度磁性异常体。因此,除了现在水下考古中常用的光学、声学类探测方法和磁法之外,仍需要探索一种操作利便、抗滋扰能力强和高分辨率的探测方法,来作为通例水下考古探测方法的有效辅助手段。

三、水域雷达探测应用现状探地雷达(GPR)是陆上考古中使用很是广泛的一种勘探方法,它所发射的宽频带电磁信号可以穿透地表进入地层而对文物不会造成任何影响,这种无损探测技术可以在水平和深度偏向上对目的体举行高分辨率成像。随着探测准确率的增加和探测成本的降低,探地雷达越来越被广泛地应用于考古掘客事情之前的前期观察。然而,停止现在,险些没有发现任何有关探地雷达应用于水下考古观察的正式研究,这可能是因为探地雷达存在电磁波信号一遇到水就会迅速衰减掉的臆想造成的。

值得庆幸的是,研究学者从未停止过对电磁波在水中流传的理论探索。Gourr等指出如果水的电导率不太高的话(< 0.02S/m),探地雷达其实是可以用于水下冲积物观察的;Aziz等在德克萨斯州休斯敦的某处历史公墓的掩埋物定位和特征分析的结果显示,纵然是土壤层的电导率高达0.38S/m,探地雷达依然体现良好。

Jr等的研究显示,如果有大量的波长巨细的不匀称体存在,其所造成的散射将会是电磁波在水中传导损耗和介电驰豫主要原因。这也就解释了为什么用10MHz~200MHz 频带的雷达天线可以在电导率约为4S/m 的海水区域吸收到15 米深的反射回波。总的来看,介质的电导率和不匀称性、天线中心频率和水深都是电磁波衰减的影响因素。

实际上,相对于庞大的地表介质(如粘土层),水是一种匀称介质,电磁波在淡水中流传的损耗要小得多。将探地雷达方法应用在水域观察项目中已有乐成的案例。

Kovacs 在阿拉斯加使用探地雷达探测冰层厚度的时候,他惊讶地发现无论是使用在冰层外貌拖动还是用直升飞机悬空拖曳的方式,冰层下面的水深都可以一并被探测到;随后,Smith在原子湖用300MHz天线发现了较强的双曲线反射,后面证实这是湖底以下2.5米深处的金属物体所引起的;在Mellett的研究中,电磁脉冲信号可以穿透淡水层进入到湖底沉积物中,反射信号提供了沉积物分层、障碍物和基岩深度等信息;Abramov等使用自主设计的LOZA GPR对海底开展了一系列地质观察,通过一个巨细为1000的赔偿因子增强信号,使得电磁波可以到达1~2 米深的水底沉积物层;Lin 等联合浅剖和探地雷达两种方法对浅水情况举行地形成像和剖面解释,对比分析获得效果显示,在砂层和植被笼罩的区域,探地雷达可以提供相比于浅剖更多的沉积物详细信息。探地雷达不仅可以像浅剖一样获得湖、河另有浅海区域的垂直切片图,也能像多波束声呐一样获得传神的水底三维地形图。

蔡辉等和郭秀军等使用探地雷达对水底淤泥厚度举行了高分辨率探测研究;Shields等通过解释探地雷达剖面图的水深信息最终画出了两处河水聚集带的水底舆图,绘制了松软沉积物的厚度图。Sambuelli等使用探地雷达对波河举行了观察并凭据反射波振幅估算了水底沉积物变化趋势。

丁凯等和王国群等所开展的水下抛石层探测中,探地雷达剖面上可以识别水深快要5 米的河底界面。肖国庆等和谢磊磊平分别通过实测和正演模拟实现了对水下砂层厚度和漫衍规模的圈定。Lachhab等凭据十八张探地雷达剖面图整合生成了三维的湖底地貌图,对比1971年水库制作之前绘制的水底地形图,沉积物这些年的聚集情况一目了然。

这些都是潜水丈量、摄影丈量法、多波束声呐、侧扫和浅地表剖面仪等方法难以实现的。上述水域雷达应用案例,从差别角度反映出探地雷达在水下地形成像和寻找水底掩埋物方面具有庞大潜力。如果能够将其引进到水下考古观察中,克服水下数据收罗的难题,并充实发挥其便捷、高效、高分辨率的优势,探地雷达有望成为水下考古方法技术体系中的一个重要辅助利器。

四、水下考古雷达应用案例宁波慈溪上林湖后司岙水域水下考古观察,是一次水下考古技术的综合运用,而探地雷达作为一次新方法新思路的斗胆实验,对已发现的水下文化遗存举行剖面探测,不光乐成弥补了浅地层剖面仪无法探测浅水区的缺陷,而且其在水深凌驾3.5米的探测效果也可与浅地层剖面仪探测效果相互支持、印证,取得了良好成效,开端相识了水下文化遗存的淤埋深度、聚集厚度、剖面形状等埋藏信息。⒈雷达探测的思路及设计水下考古中的雷达探测必须要确保电磁波能够穿过水体,并入射进入水底地层,流传至掩埋在水下地层中的文物遗迹,并发生反(散)射,再经水体流传后被雷达吸收天线吸收。因此,在实际水域探测作业之前,需完成现场水体电性参数测试,从理论上盘算出在这样的水体情况下雷达波的流传衰减,从而凭据差别的水深实现差别中心频率天线的优选。

同时,水体介电常数的获取,可为水体深度的盘算和水底地形绘制提供准确的速度信息,也可为深部信号的衰减赔偿盘算提供参数。本次探测历程中接纳美国POGO 介电参数测试仪,对水体举行了电性参数测试。丈量效果讲明,测区内湖水平均相对介电常数为83,平均电导率为0.0036 S/m。由此,盘算获得中心频率为100MHz的电磁波在湖水中的平均衰减因子为0.0745,雷达平均测距规模为13.42m。

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上林湖年平均水位不凌驾10m,因此100MHz 雷达天线可以在该水域举行有效勘探,更高频率的雷达天线勘探规模则受限于浅水区域。①水上探测区域圈定,白色方框为探测区域,红色实线为雷达测线图1 水域雷达数据收罗本次水域雷达探测仅在侧扫声纳及多波束圈定的重点水域开展(如图1a)。为降低船只对雷达信号的影响,选用木船(尾部加装柴油发念头)作为水上载体,船底木板厚度为5cm,保证雷达波的绝大部门能量入射到水下(如图1b)。同时,为保证测距及定位的准确性,加装高精度差分GPS定位设备,以实时记载雷达测点坐标,并接纳手持GPS对船只行进偏向举行导航。

⒉典型雷达探测剖面结果 ⑴湖底地形三维展示图雷达波穿透水体到达湖底时,由于水与湖底土层之间的介电特性差异,会发生显着的反射;雷达波从高介电常数介质(水)入射到相对较低的介质(湖底地层或淤泥)中,反射系数为正,反射波的相位与发射子波同相。从雷达反射剖面上可以准确地拾取湖底反射波的初至,即获得雷达波从水面入射到湖底的双程旅行时间,由于前面已准确测得水体介电常数而盘算出的电磁波流传速度,因此,可以准确地获得探测点的水深。一条雷达探测剖面,即可以获得一段准确的水深剖面,如图2、图3 划分给出了浅水区(水深小于4m)、深水区(水深大于4m)的一段雷达探测波形图(已举行配景去除及滤波等处置惩罚)。

当将测区内所有测线的水深数据通过线性插值(本次接纳的是Kriging 算法)并网格化,便可以绘制出探测水域的水下地形图(图4)。图2 浅水区(小于4m)的雷达探测剖面图图3 深水区(大于4m)的雷达探测剖面图由图4 可以清楚相识探测水域的水底地形起伏,探测区域为西南浅东北深的斜坡结构,最洪流深差达5m,东北偏向水深过渡带显着,水深大于6m的深部水域为原湖底,水深小于4m 的为原地表。原地表大部门区域较为平坦,个体区域存在局部凸起(图4中用A、B、C 标注),联合其它水下考古方法的探测效果,推测该凸起为水下圆形窑炉,可作为重点目的体举行进一步验证核实。图4 探测区域湖底地形成像效果 ⑵湖底聚集物的雷达反射剖面在湖水深小于3m的规模内,匣钵或瓷片聚集、窑具遗物等各种窑业遗存的上覆淤泥层可能较薄,甚至有部门或全部袒露在湖水中。

雷达波入射到匣钵聚集体或窑具遗物外貌时,这些点块状的目的会引起雷达波的散射,在雷达剖面上将看到湖底反射波同相轴泛起错断,同时出现出双曲型反射波的聚集带,由此可以圈定出陶器匣钵聚集体或窑具遗物的规模,我们称之为袒露型窑炉遗址(如图5所示)。图5 湖底匣钵聚集体或窑具遗物的雷达反射波剖面 ⑶湖底之下的掩埋物雷达反射剖面由于湖水对雷达波的衰减较小(相对于粘土介质而言),因此水域雷达探测不仅仅能够圈定湖底聚集物(匣钵或窑具遗物等文物遗存)的位置,在雷达波流传至湖底界面时仍有足够的能量穿透湖底地层,入射至湖底地层之中,从而实现对湖底之下遗存物的探测。

图6展示了三种差别类型的湖底地层之下的目的体雷达探测剖面。图6a中在可以清楚的地看到伶仃目的体的双曲型绕射波,目的体上部淤泥笼罩层厚度约0.45m,其横向尺寸约为1.0m,思量到探测区域为侧扫声纳重点关注的窑业遗址区,推测该目的体可能为伶仃的窑具遗物;图6b中横向40.0~60.0m规模内,在湖底淤泥层(厚度约0.3m)之下,可以视察到杂乱而麋集漫衍的双曲型反射波群,推测此处为碎瓷片聚集区;图6c中横向35.0~60.0m规模内,湖底淤泥之下存在强振幅弧形反射,与窑炉遗址外形有相似之处,推测可能为隐伏型窑炉遗址。图6 湖底淤泥层内的文物遗存雷达反射波剖面五、结语思量到水下考古事情情况、事情方法、事情时间的特殊性,以及传统水下探测技术的诸多局限,迫切要求有新的探测方法技术来为考古学者提供精准的水下文物空间漫衍相息。

探地雷达方法以其高分辨率、高效率的优势在陆上浅地表探测领域广泛开展,而恒久以来受限于“谈水色变”的误解,导致其在水下目的探测方面远未发挥出其特有的优势。在上林湖后司岙水域水下考古中,首次引入了探地雷达方法举行剖面探测,可以获得水下文化遗存的淤埋深度、聚集厚度、剖面形状等埋藏信息。与此同时,由于雷达剖面图中湖底反射界面清晰,可以整合测区内所有剖面很是准确地绘制出水底三维地形,正好配合侧扫声纳、多波束声呐等其它方法的探测结果,为水下文化遗存的后期掘客及掩护提供越发准确的依据。探地雷达方法所体现的数据收罗快速简朴、剖面结果的高分辨率特点,也预示着探地雷达在水下考古运动中大有可为。

为了让探地雷达方法更好地应用并服务于水下考古运动,仍有许多的难题需要克服:硬件方面可以针对深水域作业,更改天线外观及水密性设计,使天线(甚至可以设计天线阵列)像声呐系统一样可以直接入水,在探测时尽可能地靠近水底,从而获得更富厚、更高分辨率的水下地层内的反射波数据,实现对掩埋在水下地层的文物目的的准确定位;其次在数据处置惩罚方面,凭据电磁波在水体及差别地层内的流传特性,探索更合适的电磁波流传的衰减赔偿方法,从而增加探地雷达的有效探测规模。随着我国水下文化遗产专项资源观察的全面开展,水下考古正面临着一个重要的生长契机,如果可以加入探地雷达这一有效的生力军,克服所面临的难题,相信会有越来越多的水下秘密逐渐出现在民众眼前。

■文/赵永辉 毕文达 安聪 覃谭 胡书凡,同济大学海洋与地球科学学院,来自《中国口岸》(2019年S1期),参考文献略,用于学习与交流,版权归作者及出书社配合拥有,转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信民众平台整理。用专业精神缔造价值用人文眷注引发共识您的关注就是我们前行的动力 投稿邮箱▏452218808@qq.com。


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