探地雷达在古墓遗址探测中的应用——以北京市通州区古墓群探测为例
朱楠男1,2,3, 李家存1,3, 叶培盛2
1.首都师范大学 资环学院与旅游学院,北京 100048
2.中国地质科学院 地质力学研究所,北京 100081
3. 首都师范大学资环学院与地理信息系统北京市重点实验室,北京 100048
通讯作者: 李家存(1974-),男,博士,副教授,从事遥感技术应用与研究工作。Email:lijiacun@163.com

作者简介: 朱楠男(1990-),男,硕士研究生,主要研究方向为遥感技术与地学应用。Email:zhunan54@126.com

摘要

探地雷达是一种无损探测技术,数据采集速度快,图像直观,在地下考古探测中的作用越来越大。本文以北京市通州区古墓群为目标,利用探地雷达首先在已发现但未开挖的古墓上进行探测,分析探地雷达图像中古墓的的典型异常特征;在未知区域进行探测,找出图像中有古墓反射特征的异常区域,并用洛阳铲进行验证。通过验证,探地雷达探测结果与实际开挖验证的结果比较一致。实践表明,探地雷达技术对探测古墓遗址具有很好的效果。

关键词: 通州古墓群; 探地雷达; 无损探测; 古墓遗址探测
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2017)03-0577-06
The application of the ground penetrating radar (GPR) to the detection f ruins of ancient tombs
ZHU Nan-Nan1,2,3, LI Jia-Cun1,3, YE Pei-Sheng2
1.Resources and Tourism College, Capital Normal University, Beijing 100048, China
2. Institute of Geomechanics, CAGS, Beijing 100081, China
3. Beijing Key Laboratory of Resources and Environment College and GIS, Capital Normal University,Beijing 100048, China
Abstract

Ground penetrating radar is a non-destructive detection technology characterized by rapid data acquisition and image visualization, and hence it has been used more and more in the exploration of underground archaeological remains. With the tomb group in Tongzhou District as the study object, the authors first did work on tomb which had been discovered but remained to be excavated, analyzed the characteristics of typical abnormal GPR images in the tomb, studied abnormal characteristics so as to analyze other unknown area of the tomb in the working district and find out the characteristic tomb reflection anomaly area in the image. Verification was did with Luoyang shovel. The results of the ground penetrating radar detection are consistent with the results of the actual excavation. The practice shows that the ground penetrating radar technology is effective in the detection of the site of the ancient tomb.

Keyword: Tongzhou tomb group; ground penetrating radar (GPR); nondestructive detection; tomb site detection
0 引言

随着社会经济发展, 科学技术的进步, 考古学也发生了巨大改变, 遥感、GPS、GIS等越来越多的科学技术应用于考古勘探中, 为考古学的发展带来了巨大影响[1, 2]。探地雷达(ground penetrating radar, 简称GPR)是一种利用高频电磁波确定浅层地下介质电性异常分布的无损探测技术[4, 5], 自从1975年Vicker等[6]首次用GPR技术进行考古勘探以来, GPR在考古应用中探测成功的案例在世界各地不断涌现出来。GPR在国内最早的考古应用是对古矿坑遗址的探测[7]。近年来, 国内关于用GPR进行考古探测的研究越来越多, 取得了较多的应用成果和经验[8, 9]。物探的成果解释往往具有多解性[10], 探地雷达的图像异常可能是地下考古遗存造成的, 也可能是地下介质不均匀造成的, 这些因素会给图像的解释带来一定困难。因此, 确定不同原因引起的异常, 需要密切结合相关的考古信息和钻探资料, 才能给出更加合理的结果[10, 11]

与传统的探测方法相比, GPR在考古探测方面有以下优势:

1)GPR具有快速、简便、无损、高效等特点, 可以根据探测目标的不同现场调整测量的参数, 以达到最佳的效果。

2)GPR不仅可以探测大型的夯土遗迹, 如城墙, 夯土台基等, 还对集合尺度较小的瓷碗、钱币等有很好的探测效果。

3)GPR可以较准确地为考古人员提供地下考古遗迹的位置、形态、分布等特征。

笔者应用探地雷达技术对北京通州某工地进行古墓探测, 并结合洛阳铲进行取样验证, 取得了较好的效果。

1 古墓遗存特征

在传统田园考古发掘工作中, 考古学家根据土质、土色、土壤致密以及包含物来描述考古堆积物和划分文化层, 如从自然沉积层中识别夯土、回填土、路土等考古遗存, 因此, 考古学家的经验至关重要[12]。但由于古墓遗存经过长时间的物理化学作用, 探测的目标与周围环境的差异很难用肉眼分辨。GPR主要反映的是地下介质的介电常数、电阻率、磁导率等的差异[13], 这主要取决于物质的组成成分、渗透性和含水饱和度。为了明确探测区域的物理信息与地下考古遗存的对应信息, 在探测开始前, 应尽可能多的进行野外试验[14], 对考古目标的物理性质、分布范围及周围沉积环境的物理性质差异、土质的特点等了解越多, 越能减少探测成果的多解性, 从而能更准确地探测出地下考古遗存。

GPR在古墓勘探方面具有独特的优势:一般古墓的埋藏深度不超过10 m, 多数在2~5 m; 古墓多为竖穴结构, 平面大多是长方形, 多以木、砖、石构成, 墓室空洞、墓室内的器物都有不同的介质分界面, 容易形成强烈的反射波。

2 研究区简介

通州区地处永定河、潮白河冲积洪积平原, 地势比较平坦, 土质多为潮黄土、沙壤土、两合土。通州前身可追寻至汉代的通州, 其地下文化资源丰富, 此前曾多次发现古墓。研究区域位于通州区的胡各庄工地, 周围有很多民房, 至今已发现百余墓葬窑址, 年代从战国到清明, 墓葬均为中小型砖室墓和土炕等平民墓葬, 已开挖的墓葬中发现了钱币、陶器等文物。

在研究区域内一个已发现但尚未开挖的古墓地址, 用探地雷达进行了探测实验, 通过雷达图像来分析古墓的典型异常形态、分布范围以及深度。其后, 在一处空旷平整的待施工工地, 应用探地雷达对未知区域进行了探测。

3 在已知古墓上的探测实验
3.1 数据采集方法

GPR天线中心频率的选择需要根据最大探测目标的深度和最小分辨率以及考虑天线的尺寸是否满足测试区域的需要[15]。天线的频率越高, 分辨率越高, 但探测的深度会下降, 反之亦然。天线的中心频率与探测深度的关系基本上符合表1[16]。通常考古所用的GPR天线中心频率范围为100~500 MHz。

表1 天线中心频率与探测深度对应关系

通过实地探查, 在已知古墓的上方有很多电线, 且周围有很多植被, 对无屏蔽天线的干扰较多, 故本次探测区域使用的仪器是瑞典MALA公司的RAMAC系列探地雷地, 采用250 MHz屏蔽天线进行探测, 数据采集方式为“ Wheel” , 表示用测距轮触发的方式采集。天线的采样间隔设为0.05 m, 天线的采样频率为2 840 MHz, 调整每道脉冲的信号叠加值为8次叠加。2条测线(测线1, 测线2)布置在古墓正上方, 互相垂直。

现场采集数据, 在野外做好详细记录并查看数据的完整性。数据后处理采用MALA雷达配套的REFLEX分析软件进行处理。在选择处理方法和处理参数时, 结合以前的处理经验, 反复尝试对比, 以争取达到最好的处理效果。处理流程如图1。

图1 GPR数据处理流程

3.2 数据解释和分析

探地雷达图像的相应特征主要从波形和异常形态这两个方面来解释[17]。地下古墓的GPR图像主要有以下特征:①GPR图像上层的波形同相轴有序排列, 随地形起伏变化; ②在中部区域, 波形同相轴排列出现混乱, 显示明显的多层结构且波形同相轴倾斜, 明显与上层同相轴波形相交; ③在垂直方向上出现波形同相轴错断位移的不连续、倾斜的现象[18]

图2是测线1经过处理后的雷达图像, 图中红色竖线表示古墓边界, 绿色曲线标出古墓双曲线特征。测线1的长度为17.4 m。在测线方向上, 在7~8.1 m和11.7~12.5 m之间, 深度 0.4~5 m之间, 水平层状反射同向轴成水平, 成层分布, 这部位为古墓外围区域, 由于外围土没有经过人工挖掘, 比较致密, 所以保持了原来的层状分布。相反, 在8.1~11.7 m处, 深度在1.8~5.6 m处的区域范围, 水平方向上波形不连续, 走势混乱, 出现异常情况, 垂直方向上也出现同相轴错断、位移不连续的现象, 这部分区域的图像纹理混乱, 没有明显的水平层状反射同向轴。在测线8.1~11 m之间, 深度2~4.5 m左右存在强烈的双曲线异常, 推断此处应为古墓。

图2 已知古墓上测线1的GPR探测结果

图3是经过处理的测线2的探地雷达探测图像, 测线长17.4 m, 古墓的方向是坐南朝北, 测线的方向是从南向北探测, 与古墓方向一致。由图3可知, 在测线方向0.8 m和5.3 m处为较明显的古墓边界; 在测线1.2~4.8 m之间, 深度1.2~4.6 m左右存在强烈的双曲线异常, 推断此处为古墓。

图3 已知古墓上测线2的GPR探测结果

通过对已知古墓雷达图像的分析, 可以总结出古墓在雷达图像上表现出的异常形态为:图像的纹理混乱, 水平层状结构发生变化, 呈现出水平层状异常形态(水平层状波形突然增多或减少), 同时出现波形同相轴错段位移不连续的现象, 伴有强烈的双曲线特征, 在异常区域外, 反射同相轴呈水平、成层分布。

4 应用实例
4.1 数据采集方法

在探测前做了大量实验, 主要包括探测深度、天线分辨率和测区相对介电常数, 通过大量的实验研究和统计, 得出古墓遗址测试区的土壤相对介电常数值约为11, 电磁波传播速度在0.078~0.114 m/ns, 平均值在0.1 m/ns左右。测试区是一片已经过清理的平整空地。探测所采用的是瑞典MALA公司的RAMAC系列的探地雷地, 选用100 MHz非屏蔽天线, 数据采集方式为“ Keyboard” , 即用点击电脑的回车键触发采集数据, 天线采样间隔为0.2 m, 采样频率为1 075 MHz, 调整每道脉冲的信号叠加值为128次。共布置14条测线, 测线间距为1 m, 测线布置见图4。

图4 未知区古墓探测测线布置

每条测线的两端用木桩固定, 用纤维尺测量测线的长度, 在测线的10整数倍处白石粉做标记并用记号笔编号, 以方便圈出异常区域(图5为现场工作照)。数据处理流程见图1, 只是处理参数做了相应的改变, 其中带通滤波的上下截止频率为30~120 MHz。

图5 现场工作照

4.2 数据解译

在处理数据时需要去除不必要的数据。根据多次实验踏勘, 此处古墓的深度一般在2~5 m左右, 据此对数据进行时间切除处理。图6是探测区域测线10的雷达探测处理结果, 在测线方向上26~35 m、深度1.1~5.2 m处, 出现明显的异常情况, 水平方向层状信息断裂, 不连续, 出现分叉; 垂直方向上出现同相轴错位, 向右上方倾斜, 同时可以看到有明显的双曲线反射(见绿色画线)。

图6 10测线的波形

图7是第11测线的波形图, 可以看出, 水平方向26~35 m、垂直方向1~5.5 m, 异常区域的反射特征与测线10反射特征大致相似, 尤其是都出现了向右倾斜的波形和双曲线反射特征。根据前期大量的探测实验, 再结合这些异常情况, 推测这部分异常区域可能存在古墓。

图7 11测线的波形

依据测线10和测线11的探测结果, 在水平方向26~35 m之间确定了异常区域。用白石粉画出这些异常区域, 使用洛阳铲在异常区域打钻, 进行取样验证(图8)。最后, 在这些异常区域发现了2座古墓(图9), 进一步验证了探地雷达探测的结果。

图8 洛阳铲验证

图9 在异常区域确定的古墓位置

5 展望和讨论

古墓的埋葬深度不一, 差别很大, 且多以木、砖、石等物质构成, 其介电常数与周围土壤介电常数存在差别, 但对埋深较深的地下遗址目标, 反射信号相对较弱。目前探地雷达在未知区域探测的应用较少, 可以确定地下未知的目标, 还无法进一步区分地下目标的结构, 需要结合相关的考古资料以及钻探资料, 才能给出准确的信息。实践表明, 探地雷达具有较高的分辨率, 在采集数据时可以显示图像, 处理方法简单高效, 可以随时调整探测设备的参数和采样方式, 以获得最好的探测效果; 探地雷达进行考古勘探时, 能够解决洛阳铲费时、费力的不足, 可以提高探测效率。

探测遇到的问题是:①古墓埋藏的深度不同, 时间比较久远, 与周围物体的物理差异不大; ②探地雷达天线容易受到外界的干扰; ③雷达图像主要是通过波形和异常形态这两个方面来解释的, 但雷达图像具有多解性, 其异常形态可能是自然沉降不均匀引起的, 也可能是考古遗迹引起的。这些都对探测技术提出了挑战, 因此解译者的经验至关重要, 还需要与传统方法相结合, 提高目标探测的准确性。

在进行考古探测时, 因不同地方的地质条件不同, 地下考古目标不同, 对探地雷达工作的参数设置选择非常重要, 对探地雷达图像处理的方法需要进行大量的实验总结。探地雷达作为高效、经济、操作简单、无损探测的技术手段, 在探测地下文物遗址方面有很好的应用前景。

The authors have declared that no competing interests exist.

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