一、引言

      我國擁有近300 萬平方公里的遼闊海域、1.8萬公里的大陸海岸線和豐富的內(nèi)陸水域，蘊藏著種類多樣、數(shù)量巨大的水下文化遺產(chǎn)，具有深厚的文化底蘊。這些文物承載著中華民族的燦爛文明。水下考古，已經(jīng)不再只是單純的水下探寶，更多的是對文物遺跡的整理，將時間碎片準確地關(guān)聯(lián)起來，窺探古代精巧技藝和繁榮的商貿(mào)往來，重現(xiàn)真實的歷史面貌。

上世紀八十年代中葉，英國人邁克·哈徹在南海發(fā)現(xiàn)并盜撈了“哥德瓦爾森”號沉船的文物，正是這樁“海洋盜寶案”將水下考古帶入了大眾的視野。1987年，南宋古沉船“南海Ⅰ號”的發(fā)現(xiàn)與打撈，也見證了中國水下考古從無到有、迅速發(fā)展的歷程長期以來，在人們的認知中，水下文物難于發(fā)現(xiàn)、標定困難，相對于陸上考古而言水下考古難度更大。但也正因水下特殊環(huán)境使得諸多水下文物免遭于盜掘者的破壞。更有研究表明，黑暗低溫低氧的水下環(huán)境對遺跡遺址的保存效果要遠遠好于陸上。例如，沉沒在水底的船只往往可以保存數(shù)百年之久。

      然而，深水拖網(wǎng)捕魚作業(yè)等人類活動的發(fā)展，以及裝備日漸高科技的盜掘團伙，使得這些文物現(xiàn)如今正處于危險邊緣，二者對水下文化遺產(chǎn)所造成的破壞令人痛心疾首；除卻人為因素，自然環(huán)境變化也加速了水下文物的消亡，比如惡劣的天氣也可能會造成淺水區(qū)域的沉船發(fā)生不同程度的損毀，水的物理、化學(xué)侵蝕作用以及生物活動則使得遺跡的外表慢慢地變得難以識別。為了能夠幫助考古學(xué)家發(fā)現(xiàn)、保護和重建那些淹沒在水下的文化遺跡，非常有必要開展水下情況調(diào)查，圈定遺跡的分布范圍并了解其結(jié)構(gòu)特征。

      目前，我國水下考古工作模式仍以漁民提供線索、潛水核實為主，主動性和主導(dǎo)性欠缺，所受限制較大。本文從水下考古探測方法的發(fā)展與現(xiàn)狀入手，以寧波上林湖后司岙水域水下考古為切入點，引入利用探地雷達開展水下考古目標探測的思想，結(jié)合實際應(yīng)用情況，深入剖析了探地雷達方法在水下考古領(lǐng)域中的機遇與挑戰(zhàn)。

      二、水下考古探測方法概述

      水下考古可追溯到二十世紀中葉，法國海軍軍官庫斯托發(fā)明了自攜式水下呼吸器即當(dāng)代常規(guī)輕潛技術(shù)，為包括考古學(xué)在內(nèi)的海底科學(xué)探索提供了最基本的保證。1960年，美國賓西法尼亞大學(xué)考古學(xué)教授喬治·巴斯對土耳其格里多亞角海域的古代沉船遺址進行調(diào)查、發(fā)掘，這一水下考古事件被視為現(xiàn)代水下考古學(xué)誕生的標志。水下考古探測中所采用的任何方法技術(shù)必須能夠適應(yīng)各種復(fù)雜因素水域環(huán)境，在相關(guān)設(shè)備的水密性、弱信號提取、水下探測數(shù)據(jù)的成像方法等方面也具有較高的技術(shù)要求。

目前，水下考古調(diào)查方法可以歸為以下兩大類：光學(xué)和聲學(xué)方法。

      光學(xué)方法中，潛水調(diào)查是最為直接的一種方式，潛水員使用標線、網(wǎng)格和條帶等工具對水下文物進行測量。可以肯定的是，因為可以對文物進行視覺識別，潛水調(diào)查是也將繼續(xù)是水下探測中一個非常重要的手段。然而，這種人工的調(diào)查方式在復(fù)雜的水下環(huán)境中將會是一個十分耗時及高風(fēng)險的作業(yè)過程，其給出的結(jié)論也帶有潛水員的主觀判斷成分。水下攝影測量法為尋找更加客觀真實的結(jié)論提供了一個不錯的解決方案，通過對同一探測區(qū)域從不同角度拍攝一系列照片，工作人員可以對水底三維場景建模。然而，在希臘南艾維亞島海灣的一艘希臘古沉船探測中，40～47米的水深嚴重制約了潛水員的可作業(yè)時間，所采集到的圖像質(zhì)量也因此受損。Drap等在意大利皮亞諾薩島附近海域使用該技術(shù)開展過探測，他們摒棄了常規(guī)潛水人員手持攝像機的操作方式，而是將攝像機安裝在水下機器人的“胳膊”上，這使得潛水人員所不能到達的高壓深水區(qū)域的文物信息也能被收集到。無論是人工還是機器人操作，上述基于視覺圖像的水下考古調(diào)查方法都具有一個共同的缺陷，那就是在深水、植被覆蓋、天氣影響強烈等條件下表現(xiàn)不佳。一方面，水下介質(zhì)會改變光譜，攝像機所采集到信號會產(chǎn)生畸變；另一方面，糟糕的水下視覺環(huán)境將直接導(dǎo)致攝像機沒辦法接近一些小范圍的遺跡區(qū)域進行記錄，信息的缺失使得這一區(qū)域無法被完整重建。

      聲學(xué)方法是基于反射聲波成像原理，在水下目標探測中應(yīng)用最為廣泛。其中，多波束聲納、側(cè)掃聲納是識別和在地圖上標定出露于水底的目標體的強有力工具。諸多實驗和考古調(diào)查顯示側(cè)掃聲納可以對有機物和無機物、人造和天然材料進行成像。盡管如此，側(cè)掃聲納呈現(xiàn)的圖像常常是變形的，所包含目標體的真實三維信息較少；多波束聲納可以對水底地形地貌進行高精度實時三維成像，Plets等和 Westley等就曾使用高精度的多波束聲納識別出了海底的沉船和重建水底原始地形；通過對比分析前人對某處歷史沉船的多波束海洋測深數(shù)據(jù)，Stieglitz等估計了熱帶氣旋對該遺跡的損毀程度。近年來，我國水下考古捷報頻傳，聲學(xué)探測方法（包括側(cè)掃聲納及多波束）在浙江寧波上林湖越窯遺址、湖北丹江口水庫均州古城、福建沿海東山縣冬古灣明末清初沉船調(diào)查、安徽太平湖底城址調(diào)查、福建泉州水下考古重點調(diào)查、四川彭山江口沉銀遺址水下考古及江西洪門水庫摩崖造像水下考古等工作中得到了全面的應(yīng)用，為水下考古目標的探查提供了有效的證據(jù)。

      但是，不可回避的事實是，上述的光學(xué)和聲學(xué)（側(cè)掃和多波束等）方法也都具有一個共有的缺陷，即它們只能探測到水下遺跡的表面部分。這也就意味著，如果目標體是埋在水底并被沉積物完全覆蓋的，從水底表層無法區(qū)分文物與自然環(huán)境，這樣一來上述方法往往難以發(fā)揮出其優(yōu)勢。雖然淺地層剖面儀所發(fā)射的聲波可以穿過水底進入到地層內(nèi)部幾米到幾十米深的位置，但它的分辨率卻無法滿足小尺度文物（如陶瓷）的識別。

      同時，另一大的問題——淺水域的多次波現(xiàn)象則嚴重制約了淺剖技術(shù)在水下考古探測中的應(yīng)用，因為來自于水底的多次反射波所造成的假象將會對水底以下地層界面和遺址邊界的劃分產(chǎn)生較大干擾。

      另外，近年來水域考古正在逐步引進的海洋磁力儀，依靠其對水下文物遺跡磁異常的高敏感度，可以尋找海底、湖底之下鐵磁性目標物或其它類似瓷器這樣的具有明顯磁性的物品。但磁法勘探的體積效應(yīng)明顯，探測分辨率有很大的局限，往往只能分辨大尺度磁性異常體。因此，除了目前水下考古中常用的光學(xué)、聲學(xué)類探測方法和磁法之外，仍需要探索一種操作方便、抗干擾能力強和高分辨率的探測方法，來作為常規(guī)水下考古探測方法的有效輔助手段。

      三、水域雷達探測應(yīng)用現(xiàn)狀

      探地雷達（GPR）是陸上考古中使用非常廣泛的一種勘探方法，它所發(fā)射的寬頻帶電磁信號可以穿透地表進入地層而對文物不會造成任何影響，這種無損探測技術(shù)可以在水平和深度方向上對目標體進行高分辨率成像。隨著探測準確率的增加和探測成本的降低，探地雷達越來越被廣泛地應(yīng)用于考古發(fā)掘工作之前的前期調(diào)查。

      然而，截至目前，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)任何有關(guān)探地雷達應(yīng)用于水下考古調(diào)查的正式研究，這可能是因為探地雷達存在電磁波信號一遇到水就會迅速衰減掉的臆想造成的。值得慶幸的是，研究學(xué)者從未停止過對電磁波在水中傳播的理論探索。Gourr等指出如果水的電導(dǎo)率不太高的話（< 0.02S/m），探地雷達其實是可以用于水下沖積物調(diào)查的；Aziz等在德克薩斯州休斯敦的某處歷史公墓的掩埋物定位和特征分析的成果顯示，即使是土壤層的電導(dǎo)率高達0.38S/m，探地雷達依然表現(xiàn)良好。Jr等的研究顯示，如果有大量的波長大小的不均勻體存在，其所造成的散射將會是電磁波在水中傳導(dǎo)損耗和介電馳豫主要原因。這也就解釋了為什么用10MHz～200MHz 頻帶的雷達天線可以在電導(dǎo)率約為4S/m 的海水區(qū)域接收到15 米深的反射回波?？偟膩砜?，介質(zhì)的電導(dǎo)率和不均勻性、天線中心頻率和水深都是電磁波衰減的影響因素。

      實際上，相對于復(fù)雜的地表介質(zhì)（如粘土層），水是一種均勻介質(zhì)，電磁波在淡水中傳播的損耗要小得多。將探地雷達方法應(yīng)用在水域調(diào)查項目中已有成功的案例。Kovacs 在阿拉斯加使用探地雷達探測冰層厚度的時候，他驚奇地發(fā)現(xiàn)無論是使用在冰層表面拖動還是用直升飛機懸空拖曳的方式，冰層下面的水深都可以一并被探測到；隨后，Smith在原子湖用300MHz天線發(fā)現(xiàn)了較強的雙曲線反射，后面證實這是湖底以下2.5米深處的金屬物體所引起的；在Mellett的研究中，電磁脈沖信號可以穿透淡水層進入到湖底沉積物中，反射信號提供了沉積物分層、障礙物和基巖深度等信息；Abramov等使用自主設(shè)計的LOZA GPR對海底開展了一系列地質(zhì)調(diào)查，通過一個大小為1000的補償因子增強信號，使得電磁波可以到達1～2 米深的水底沉積物層；Lin 等結(jié)合淺剖和探地雷達兩種方法對淺水環(huán)境進行地形成像和剖面解釋，對比分析得到結(jié)果顯示，在砂層和植被覆蓋的區(qū)域，探地雷達可以提供相比于淺剖更多的沉積物詳細信息。

      探地雷達不僅可以像淺剖一樣得到湖、河還有淺海區(qū)域的垂直切片圖，也能像多波束聲吶一樣得到逼真的水底三維地形圖。蔡輝等和郭秀軍等使用探地雷達對水底淤泥厚度進行了高分辨率探測研究；Shields等通過解釋探地雷達剖面圖的水深信息最終畫出了兩處河水聚集帶的水底地圖，繪制了松軟沉積物的厚度圖。Sambuelli等使用探地雷達對波河進行了調(diào)查并根據(jù)反射波振幅估算了水底沉積物變化趨勢。丁凱等和王國群等所開展的水下拋石層探測中，探地雷達剖面上可以識別水深將近5 米的河底界面。肖國慶等和謝磊磊等分別通過實測和正演模擬實現(xiàn)了對水下砂層厚度和分布范圍的圈定。Lachhab等根據(jù)十八張?zhí)降乩走_剖面圖整合生成了三維的湖底地貌圖，對比1971年水庫建造之前繪制的水底地形圖，沉積物這些年的堆積情況一目了然。這些都是潛水測量、攝影測量法、多波束聲吶、側(cè)掃和淺地表剖面儀等方法難以實現(xiàn)的。

      上述水域雷達應(yīng)用案例，從不同角度反映出探地雷達在水下地形成像和尋找水底掩埋物方面具有巨大潛力。如果能夠?qū)⑵湟M到水下考古調(diào)查中，克服水下數(shù)據(jù)采集的困難，并充分發(fā)揮其便捷、高效、高分辨率的優(yōu)勢，探地雷達有望成為水下考古方法技術(shù)體系中的一個重要輔助利器。

      四、水下考古雷達應(yīng)用案例

      寧波慈溪上林湖后司岙水域水下考古調(diào)查，是一次水下考古技術(shù)的綜合運用，而探地雷達作為一次新方法新思路的大膽嘗試，對已發(fā)現(xiàn)的水下文化遺存進行剖面探測，不但成功彌補了淺地層剖面儀無法探測淺水區(qū)的缺陷，而且其在水深超過3.5米的探測結(jié)果也可與淺地層剖面儀探測結(jié)果相互支持、印證，取得了良好成效，初步了解了水下文化遺存的淤埋深度、堆積厚度、剖面形狀等埋藏信息。

      ⒈雷達探測的思路及設(shè)計

      水下考古中的雷達探測必須要確保電磁波能夠穿過水體，并入射進入水底地層，傳播至掩埋在水下地層中的文物遺跡，并產(chǎn)生反（散）射，再經(jīng)水體傳播后被雷達接收天線接收。因此，在實際水域探測作業(yè)之前，需完成現(xiàn)場水體電性參數(shù)測試，從理論上計算出在這樣的水體環(huán)境下雷達波的傳播衰減，從而根據(jù)不同的水深實現(xiàn)不同中心頻率天線的優(yōu)選。同時，水體介電常數(shù)的獲取，可為水體深度的計算和水底地形繪制提供精確的速度信息，也可為深部信號的衰減補償計算提供參數(shù)。本次探測過程中采用美國POGO 介電參數(shù)測試儀，對水體進行了電性參數(shù)測試。

      測量結(jié)果表明，測區(qū)內(nèi)湖水平均相對介電常數(shù)為83，平均電導(dǎo)率為0.0036 S/m。由此，計算得到中心頻率為100MHz的電磁波在湖水中的平均衰減因子為0.0745，雷達平均測距范圍為13.42m。上林湖年平均水位不超過10m，因此100MHz 雷達天線可以在該水域進行有效勘探，更高頻率的雷達天線勘探范圍則受限于淺水區(qū)域。

      本次水域雷達探測僅在側(cè)掃聲納及多波束圈定的重點水域開展（如圖1a）。為降低船只對雷達信號的影響，選用木船（尾部加裝柴油發(fā)動機）作為水上載體，船底木板厚度為5cm，保證雷達波的絕大部分能量入射到水下（如圖1b）。同時，為保證測距及定位的準確性，加裝高精度差分GPS定位設(shè)備，以實時記錄雷達測點坐標，并采用手持GPS對船只行進方向進行導(dǎo)航。

      ⒉典型雷達探測剖面成果

      ⑴湖底地形三維展示圖

      雷達波穿透水體到達湖底時，由于水與湖底土層之間的介電特性差異，會產(chǎn)生明顯的反射；雷達波從高介電常數(shù)介質(zhì)（水）入射到相對較低的介質(zhì)（湖底地層或淤泥）中，反射系數(shù)為正，反射波的相位與發(fā)射子波同相。從雷達反射剖面上可以準確地拾取湖底反射波的初至，即獲得雷達波從水面入射到湖底的雙程旅行時間，由于前面已精確測得水體介電常數(shù)而計算出的電磁波傳播速度，因此，可以精確地得到探測點的水深。一條雷達探測剖面，即可以獲得一段精確的水深剖面，如圖2、圖3 分別給出了淺水區(qū)（水深小于4m）、深水區(qū)（水深大于4m）的一段雷達探測波形圖（已進行背景去除及濾波等處理）。當(dāng)將測區(qū)內(nèi)所有測線的水深數(shù)據(jù)通過線性插值（本次采用的是Kriging 算法）并網(wǎng)格化，便可以繪制出探測水域的水下地形圖（圖4）。

      由圖4 可以清楚了解探測水域的水底地形起伏，探測區(qū)域為西南淺東北深的斜坡構(gòu)造，最大水深差達5m，東北方向水深過渡帶明顯，水深大于6m的深部水域為原湖底，水深小于4m 的為原地表。原地表大部分區(qū)域較為平坦，個別區(qū)域存在局部凸起（圖4中用A、B、C 標注），結(jié)合其它水下考古方法的探測結(jié)果，推測該凸起為水下圓形窯爐，可作為重點目標體進行進一步核實。

      ⑵湖底堆積物的雷達反射剖面

      在湖水深小于3m的范圍內(nèi)，匣缽或瓷片堆積、窯具遺物等各類窯業(yè)遺存的上覆淤泥層可能較薄，甚至有部分或全部暴露在湖水中。雷達波入射到匣缽堆積體或窯具遺物表面時，這些點塊狀的目標會引起雷達波的散射，在雷達剖面上將看到湖底反射波同相軸出現(xiàn)錯斷，同時呈現(xiàn)出雙曲型反射波的聚集帶，由此可以圈定出陶器匣缽堆積體或窯具遺物的范圍，我們稱之為暴露型窯爐遺址（如圖5所示）。

      ⑶湖底之下的掩埋物雷達反射剖面

      由于湖水對雷達波的衰減較?。ㄏ鄬τ谡惩两橘|(zhì)而言），因此水域雷達探測不僅僅能夠圈定湖底堆積物（匣缽或窯具遺物等文物遺存）的位置，在雷達波傳播至湖底界面時仍有足夠的能量穿透湖底地層，入射至湖底地層之中，從而實現(xiàn)對湖底之下遺存物的探測。圖6展示了三種不同類型的湖底地層之下的目標體雷達探測剖面。圖6a中在可以清楚的地看到孤立目標體的雙曲型繞射波，目標體上部淤泥覆蓋層厚度約0.45m，其橫向尺寸約為1.0m，考慮到探測區(qū)域為側(cè)掃聲納重點關(guān)注的窯業(yè)遺址區(qū)，推測該目標體可能為孤立的窯具遺物；圖6b中橫向40.0～60.0m范圍內(nèi)，在湖底淤泥層（厚度約0.3m）之下，可以觀察到雜亂而密集分布的雙曲型反射波群，推測此處為碎瓷片堆積區(qū)；圖6c中橫向35.0～60.0m范圍內(nèi)，湖底淤泥之下存在強振幅弧形反射，與窯爐遺址外形有相似之處，推測可能為隱伏型窯爐遺址。

      五、結(jié)語

      考慮到水下考古工作環(huán)境、工作方法、工作時間的特殊性，以及傳統(tǒng)水下探測技術(shù)的諸多局限，迫切要求有新的探測方法技術(shù)來為考古學(xué)者提供精準的水下文物空間分布相息。探地雷達方法以其高分辨率、高效率的優(yōu)勢在陸上淺地表探測領(lǐng)域廣泛開展，而長期以來受限于“談水色變”的誤解，導(dǎo)致其在水下目標探測方面遠未發(fā)揮出其特有的優(yōu)勢。在上林湖后司岙水域水下考古中，首次引入了探地雷達方法進行剖面探測，可以獲得水下文化遺存的淤埋深度、堆積厚度、剖面形狀等埋藏信息。與此同時，由于雷達剖面圖中湖底反射界面清晰，可以整合測區(qū)內(nèi)所有剖面非常精確地繪制出水底三維地形，正好配合側(cè)掃聲納、多波束聲吶等其它方法的探測成果，為水下文化遺存的后期發(fā)掘及保護提供更加準確的依據(jù)。

      探地雷達方法所表現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集快速簡單、剖面成果的高分辨率特點，也預(yù)示著探地雷達在水下考古活動中大有可為。為了讓探地雷達方法更好地應(yīng)用并服務(wù)于水下考古活動，仍有許多的困難需要克服：硬件方面可以針對深水域作業(yè)，更改天線外觀及水密性設(shè)計，使天線（甚至可以設(shè)計天線陣列）像聲吶系統(tǒng)一樣可以直接入水，在探測時盡可能地靠近水底，從而獲得更豐富、更高分辨率的水下地層內(nèi)的反射波數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對掩埋在水下地層的文物目標的精確定位；其次在數(shù)據(jù)處理方面，根據(jù)電磁波在水體及不同地層內(nèi)的傳播特性，探索更合適的電磁波傳播的衰減補償方法，從而增加探地雷達的有效探測范圍。

      隨著我國水下文化遺產(chǎn)專項資源調(diào)查的全面開展，水下考古正面臨著一個重要的發(fā)展契機，如果可以加入探地雷達這一有效的生力軍，克服所面對的困難，相信會有越來越多的水下秘密逐漸呈現(xiàn)在公眾面前。

注：本文由“溪流之海洋人生”微信公眾平臺整理。