水下考古地球物理技術進展、挑戰及建議

李勇航，溫明明，陳宗恒，姚會強，萬芃，李斌，林海，陳志堅

1.中國地質調查局廣州海洋地質調查局，自然資源部海底礦產資源重點實驗室，廣州 511458

2.天然氣水合物勘查開發國家工程研究中心，廣州 511458

3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣州 511458

水下考古是陸地田野考古向水域的延伸，它既有陸地田野考古的普遍性，亦有水下環境的特殊性[1]。從史前時代到現今，從海岸帶、大陸架到深海環境，水下考古涵蓋時空跨度大。隨著地質歷史時期的海進和海退，水下空間不斷變遷，考古遺存在海底可能處于裸露、半掩埋或埋藏狀態。利用海洋地球物理技術進行多尺度的海底調查測繪，對于國家“一帶一路”建設、重建水下古地貌環境、尋找保護文化遺產以及研究早期海洋文化至關重要[1]。海洋調查技術最初是為地質、生物、化學、物理海洋等海洋科學研究或軍事目的發展而來。與傳統海洋地球物理探測相比，水下考古更側重于查明水下遺跡遺存的方位、保存狀態、埋藏狀況，因而對探測技術的解譯精度及可靠性提出了更高要求。我國海域遼闊、海岸線漫長，開發利用海洋的歷史悠久，雖然近年我國水下考古有“南海一號”“長江口二號”等里程碑式的古沉船發現，但相對其它海洋行業而言，水下考古仍屬于小眾領域。據粗略統計，我國目前專門從事水下考古的專業人員只有百余人，支撐開發全新的水下考古技術經費也不夠充足，針對水下考古需求對現有海洋調查技術進行升級和改進可能是最優選擇。由于水下考古人員對目前海洋地球物理及相關潛水器技術進展缺乏深入了解，導致通常不能以最有效率和效果的方式進行水下考古。本文系統分析了水下考古的現狀需求和地球物理相關技術進展，指出地球物理水下考古未來的挑戰并提出解決建議，可為水下考古和地球物理探測人員提供借鑒參考，也可為水下目標探測分類、水下打撈等調查研究提供思路。

1 水下考古調查現狀

水下考古的目標主要包括海底沉船及船貨、海洋沉物、因海陸變遷而沉入海底的海港遺跡和海洋性聚落以及內陸江河湖泊中埋藏的大陸性文化遺存（圖1）。古地理學研究表明，距今2 萬年前的末次盛冰期最低海平面比現今低約120 m，距今6 500年前大致達到現在的水平[2]。歐洲北海、波羅的海以及我國黃海、東海大陸架在距今2 萬年前后絕大部分是陸地，曾是古代人類生活繁衍、遷徙交流的空間和通道[1]。大陸架在史前時代（晚更新世和早全新世）經歷過多次海陸交替變遷，史前遺址大多為石器時代的遺存，多深埋于地表以下。人類文明歷史以來留下更為豐富多樣的歷史遺跡，其中古沉船是水下文化遺址中最明顯的特征之一。

圖1 水下考古遺址海平面重建 [3]Fig.1 Sea level reconstruction of underwater archaeological sites [3]

迄今為止，查明的水下遺址和古地貌絕大多數位于較淺的海域（水深＜10 m），其水下環境能見度通常較好，考古難度較小[4]（圖2）。實際上，在10～50 m 的水深也存在大量保存完好遺址[5]。目前我國的水下考古遺址主要集中在淺水區域（圖2），大多依靠人員潛水探摸探查[6]。位于深水區的遺址發現難度和考古所用技術難度都非常大，有必要加快開發相關技術。

圖2 水下史前考古遺址及中國主要水下考古遺址的水深信息灰色柱狀顯示史前遺址發現數量隨水深增加而迅速減少。紅色曲線表示人口密度和調查技術方法隨水深增加而減少；藍線表示發現遺址的成本和技術難度隨水深增大而不斷增加；黑色星號表示中國主要水下考古遺址水深信息 [4]。Fig.2 Distribution in the depth of all submerged prehistoric sites and major ancient shipwreck site in China The number of known sites decreases rapidly with depth.The red curve uses arbitrary units to indicate that the population density and tool technology decreases as we go back in time and depth, and the blue line indicates the increasing cos twith depth and technical difficulty of working.Black stars indicate depth of major underwater archaeological sites in China[4].

基于區域系統調查（Systematic Regional Survey）的考古調查作業方式自1940 年代由美國提出并逐步應用于聚落考古研究后，已經形成系統的理論、方法，并取得豐富成果[7]。通常水下考古調查在充分搜集和分析史料依據后，分為區域預查、潛力區普查、重點區詳查、遺址勘探、遺址發掘/恢復/保存等階段。最后兩個階段是水下考古最為關鍵的環節，需對遺址區域進行全方位、多方法的勘探，初步確定遺址的位置和范圍；再派遣潛水員進行水下探摸，確定遺存的位置、分布和保存現狀；最后組織進行發掘、恢復或保存等詳細考古。在不同調查階段，調查的范圍、水下環境、調查目標尺寸可能存在很大差異（表1），決定所需應用的技術方法。海洋地球物理技術由于其高效率、安全、非直接的特點，在水下考古的不同階段都起重要作用，特別是在水質混濁和低溫等不利環境中優勢明顯。

表1 水下考古調查的不同階段及其規模、水下環境及相應分辨率Table 1 Different stages, scale, underwater environment, and corresponding resolution of underwater archaeological survey

2 水下考古地球物理技術進展

除海洋地球物理探測技術外，水下考古調查技術還主要包括二維/三維攝影測量技術、直接取樣、鉆探和發掘等（圖3）。不同技術方法具有不同的空間分辨率及考古學意義。海洋地球物理技術在水下考古中扮演著越來越重要的角色，其可獲取數據信息見表2。

表2 水下考古主要地球物理技術及其數據信息類型Table 2 Main geophysical techniques and data information types of underwater archaeology

圖3 典型的水下考古調查方法示意圖a: 淺地層剖面儀，b: 多波束測深儀，c: 地震系統，d.側掃聲吶系統，e: AUV，f: 沉積物取樣器，g: 無人機激光雷達，h: 人工潛水挖掘。Fig.3 Typical setup for underwater archaeological survey a: sub-bottom profiler; b: multibeam echosounder; c: Reflection seismic system; d: side scan sonar; e: autonomous underwater vehicle; f: sediment sampling gravity corer; g: UAV-airborne LiDAR bathymetry; h: Divercontrolled excavation.

近幾十年來，以聲、光、電、磁等地球物理方法為主的水下考古地球物理技術取得了巨大的進步，可獲取高精度的海底地形、水下目標體及高分辨率的地層結構信息。多波束、側掃聲吶、淺地層剖面、磁力儀等常規的海洋地球物理技術方法已經在近海沉船考古探測中得到實際應用并取得良好效果[6,8-11]（圖4），但針對一些水下洞穴、海岸帶、深海等復雜環境的考古調查還缺乏普遍性。目前基于地球物理數據識別小尺寸水下遺存仍然是一個巨大的挑戰，當遺存被埋藏在海底時更是如此[12]。

圖4 近海島礁古沉船遺址探測a: 側掃聲吶和淺地層剖面系統的基本工作原理示意圖；b: 拖曳于調查船尾的側掃聲吶換能器發射垂直寬扇形高頻聲脈沖掃描海底，海床反射脈沖（背向散射）被記錄并處理，生成海床和沉船高精度側掃聲吶地貌圖像；c: 船載淺地層剖面系統沿垂直方向發射垂直窄波束高頻脈沖，海底和更深層的反射聲脈沖被記錄和處理，生成海底和沉船淺地層剖面圖像[11]。Fig.4 Exploration of the ancient shipwreck site off the coast of Island a: schematic presentation showing basic operation principles of the side scan sonar (SSS) and sub-bottom profiler (SBP); b: the SSS transmits high-frequency sound pulses in a vertically wide fan shape from a moving vessel, which scans the seafloor.The reflected pulses from the seafloor (backscatter) are recorded and processed to produce a perspective image of the seafloor; c: the SBP emits a narrow acoustic beam, which penetrates the layers beneath the seafloor.The reflected acoustic pulses from the seabed and the deeper layers are recorded and processed to produce a vertical plane seismic section of the seabed along the vessel’s trajectory[11].

2.1 海床形貌聲學測量

海床形貌聲學測量技術主要包括側掃聲吶、合成孔徑聲吶、掃描聲吶、多波束測深等。多波束（multi-beam）、多脈沖（multi-pulse 或multi-ping）、動態聚焦、合成孔徑聲吶（SAS，synthetic aperture sonar）等新一代聲吶技術的出現，使得海床聲學測繪技術可快速獲取高分辨率的海床形貌特征，揭示海底沉船等裸露或半掩埋的考古遺存。材料和工藝的不斷進步，使得緊湊型聲學測繪系統可安裝在小型調查船、水面無人艇[13]、深海拖曳系統、潛水器等不同調查平臺，以適應更淺或更深水域的考古調查。目前側掃聲吶分辨率已可達厘米級，使得海底形貌、結構和水下遺存的成像更加精細。高分辨率三維掃描聲吶已被廣泛用于管道檢測、橋墩監測等工程，可在低或零能見度條件下獲取海床三維圖像。通過多波束背散射和水深數據，對水下沉船識別也有了很大改進[14]，但要區分人工遺存和自然地物仍非常困難。此外，常規的多波束系統雖具有較寬的條帶，但對水下洞穴遺址的探測能力不足，新型多波束系統通過調節發射波束角度，可獲取傾斜面的精確圖像，從而為水下洞穴遺址的研究提供巨大潛力[15]。

2.2 海底淺部地層測量

探測埋藏的沉船、古村落和古河道等遺跡，需要使用淺地層剖面儀、單道地震、小多道地震等高分辨率地層剖面成像技術。淺地層聲學剖面技術目前常用的有Chirp、參量兩類，通過換能器陣列組合和成像算法改進，已開發出三維參量、三維合成孔徑等超高分辨率的淺剖系統；地震探測震源主要有Boomer、電火花、氣槍等類型，檢波器電纜常用的有單道和多道兩種類型?？臻g分辨率通常與地層穿透深度成反比，不同聲學或地震探測技術的分辨率和穿透深度見圖5。相比于氣槍震源，基于電火花和boomer 震源的單道地震和小多道地震，具有較為理想的分辨率和穿透深度，更適合于大陸架水下史前考古。通過震源和檢波器的排列組合以及高級數據處理方法，可顯著提高海底淺部地層考古探測的準確性和效率[16]。

圖5 不同聲學或地震探測技術分辨率和穿透深度Fig.5 Relationship between resolution and penetration depth of different acoustic/seismic detection techniques

水下地學考古中，高分辨淺地層剖面可揭示埋藏古河道、貝殼堆積體等特殊結構特征，以及木質遺跡和有機質沉積地層信息，后者具有很好的保存潛力，是古海岸線和考古遺跡的良好指示物[17-19]?？脊拍繕宋矬w尺寸小，過于靠近海底或靠近地層邊界的不利位置，和周圍沉積物的聲學特性相似，沉積物聲波衰減導致回聲強度較弱等不利因素，使目前埋藏遺存考古非常困難。如富含有機質的沉積物通常會產生生物氣，致使聲學圖像完全模糊[20]；砂質底質廣泛發育區域，高頻聲波在沉積物中迅速被吸收，有效穿透深度很低。

常規淺地層剖面探測的主要缺點是分辨率不夠高，很難直接識別小尺寸目標和埋藏遺存。實際上如果測線間距足夠小，通過插值可構建地層空間準三維圖像，從而可對尺寸為數十至數百米的埋藏遺存進行成像和識別，但對米級、亞米級的小尺寸埋藏遺存，需要真三維成像技術。由于聲波波束和定位精度受物理空間限制，高分辨率淺地層三維成像技術十分復雜[21-22]。近年來，英國、德國、中國分別開發出3D Chirp、SES-2000 Quattro（圖6）、“海底鷹”等三維淺地層剖面系統，能以分米級的水平和垂直分辨率對小型埋藏遺存、考古文化層等進行三維成像。SES-2000 Quattro 參量型三維淺地層剖面系統，換能器陣列由4 個換能器單元組成，換能器間距可根據調查目標而改變（圖6a）[23]。三維淺地層剖面技術使得有效探測小尺寸的人工遺物、沉積層和埋藏物成為可能（圖6b、c）。

圖6 三維淺地層剖面系統探測考古遺址a.安裝在小型調查船上的SES-2000 quattro 參量三維淺剖； b.水下攝影顯示的居民樁基遺跡； c.三維淺剖數據揭示民居樁基遺跡（b）、沉積層、埋藏物、考古文化層[23]。Fig.6 Exploration of archaeological sites by 3D sub-bottom profiler a: SES-2000 quattro parametric sub-bottom profiler mounted on a small survey vessel; b: remains of resident pilings as shown by underwater photography;c: 3D data of SES-2000 quattro reveals the remains of resident pilings, sedimentary layer, buried objects, and archaeological culture layer in b[23].

2.3 磁力和電磁測量

海洋磁力和海洋電磁（MEM，Marine Electromagnetic）測量技術雖然不如聲學測量方法使用頻率高，但當考古遺存物有磁性且無法用聲學方法探測時（如小型含鐵物體）顯得特別有用。磁力儀對磁異常體的探測能力隨探測距離增加而迅速降低，且易受鐵殼質調查船干擾，因此須遠離船尾、近海底進行布放觀測或使用低磁性船只。海上磁力測量通常使用多分量傳感器（梯度儀）來提高分辨率和靈敏度。目前高性能的磁力儀和智能數據處理技術可提供越來越高的分辨率，為水下考古開辟了新前景[24]。海洋電磁系統通常體積較龐大，需使用較大噸位的調查船，與聲學測量技術相比，所獲得數據的分辨率通常要低得多。近年通過使用高靈敏度、更小體積的發射源和接收機，海洋電磁技術有了很大的發展[25-26]，主要用于沉船和海洋礦產資源探測[27]。海洋電阻率成像法（ERI，Electric Resistivity Imaging）主要應用于地下水、基巖/沉積物界面、電性異常體的探測識別[28-29]。Passaro 等將該方法應用于水下沉船探測，但測量結果并不十分令人信服[30]。2017 年電子科技大學應用大規模漂纜式直流電阻率三維探測成像法，為四川“江口沉銀”遺址古河道的準確定位提供了依據，但并未見用于海洋考古的報道。

2.4 機載激光雷達探測

海岸帶通常被認為存在豐富的人類遺跡，但其“人下不去、船上不來”的復雜地形特點，一直是測量調查的難點和數據空白區。雖然近年來利用無人艇進行海岸帶測繪變得越來越普遍，但其實際測繪效率仍有較大提升空間。有人/無人機載激光雷達測深技術（ALB，Airborne LiDAR Bathymetry）近年在海岸帶地形測繪得到迅速發展[31-32]，其數據質量已可與船載測深相媲美，且調查效率要高得多（圖7a）[33-34]，但對水質清晰度要求高。該技術最主要優勢是可在復雜、危險、淺水等調查困難區域快速獲取高精度、全覆蓋的海陸地形數據（圖7b）。目前ALB 最大探測深度普遍可達50 m，垂直精度高于0.25 m，水平精度高于 2.5 m，是對淺水區常規聲學測深不足的有效補充。

圖7 機載激光雷達測深a.機載激光雷達測深效率是調查船聲學測深的數倍， b.海南東鑼島多波束測深和LiDAR 測深數據融合一體成圖。Fig.7 Airborne LiDAR bathymetry a: the ALB efficiency is several times that of the acoustic sounding by survey ship: b: integrated map of multi-beam sounding and Lidar sounding data of the Dongluo Island, Hainan, China.

2.5 潛水器探查

基于潛水器的深海探查變得越來越普遍，潛水器通過擴展搭載不同的傳感器和機械構件，可實現各種海洋探查目的，目前已遠遠超出了常規的地球物理應用范疇，在深?？脊胖芯哂兄匾饔?。載人潛水器（HOV，Human Operated Vehicle）、無人遙控潛水器（ROV，Remote Operated Vehicle）和自治式潛水器（AUV，Autonomous Underwater Vehicle）已廣泛應用于海洋科考、海洋工程和軍事領域。近年利用潛水器技術進行深?？脊抛兊迷絹碓娇尚泻徒洕?，突破了探查深度、作業時長等人工潛水考古的限制。HOV 調查具有水下作業時長較短（平均5～6 h）、移動速度較慢和有人駕駛等特點，因而最適合用于深海海底小范圍直接觀察和實物取樣。ROV 調查不受海底作業時長的限制，但通常需要母船具備動力定位能力[35]。ROV 與母船之間的有纜連接，導致ROV 和母船必須協調運動，特別是在海底底流較強時，限制了調查效率和靈活性，但其續航能力強的特點使得其在目標物探查和打撈方面具有突出優勢。AUV 被驗證可作為穩定可靠的近海底測量平臺，能夠定高、定速巡線調查，搭載各類高分辨率傳感器獲取精細海底圖像。AUV 可以在不返回水面的情況下，對大片海底進行24～72 h 的連續測繪[36]。

HOV、ROV 和AUV 根據自身結構，可安裝的任務載荷通常包括導航定位傳感器、光學傳感器（攝影、立體靜態相機）、聲吶傳感器（多波束、側掃聲吶、淺地層剖面儀）、化學/環境傳感器以及機械作業工具等，實現海底環境構建、地形地貌測繪、實物采集等。目前巨量的海底數字攝影圖像結合高精度定位技術，可很好地構建海底光學全景圖像[16,37]。但到目前為止，潛水器在水下考古研究中的應用還非常有限。Mccann 和Oleson 利用ROV 對微小尺度的海底表層人工遺物進行聲學和光學聯合識別（圖8）[38]。2018 年，中國國家文物局水下文化遺產保護中心聯合中科院深海所，利用“深海勇士”號HOV 在西沙海域進行了我國首次深?？脊耪{查，通過7 個潛次獲取了大批珍貴資料，實現了中國深?？脊拧傲愕耐黄啤盵39]。2018 年至2022 年，廣州海洋地質調查局聯合利用“海馬”號ROV、合成孔徑聲吶深拖和船載多波束測深系統在中國南海發現并打撈多個考古遺存目標。如何更貼合考古學需求，基于潛水器的深?？脊胚€有待進一步深入研究。

圖8 利用ROV 對水下遺址進行高精度水深和攝影測量[38]Fig.8 Bathymetric and photogrammetry of underwater sites by ROV[38].

3 水下考古對地球物理技術的挑戰

地球物理水下考古存在的挑戰主要是如何提高發現考古遺址的準確率以及降低經濟成本[40]，以及如何對海岸帶、洞穴、深海等特殊環境遺址進行有效的調查。

（1）海床數據圖像中遺存的自動識別

盡管目前聲學和光學攝影技術取得了進步，但尚無軟件或人工智能算法可以有效自動識別海床上的遺存。由于海洋環境的復雜性，以及地球物理聲學方法本身具有的多解性，使得辨別海洋中各種各樣的水下文物遺址的聲學特征非常困難[12]。隨著深度學習技術的發展，卷積神經網絡（CNN，Convolutional Neural Network）越來越多地應用于海洋測量圖像識別和水下目標分類。利用CNN 對側掃聲吶圖像上的目標進行自動識別，可以提高識別精度和效率[41]。將半合成數據生成與深度遷移學習相結合是提高水下目標分類精度的有效途徑[42]。未來的研究需要利用深度學習方法將背向散射、高精度水深和光學攝影數據高效融合起來，進一步提升遺存自動識別的準確率和考古效率。

（2）埋藏的小尺寸人工遺物探測

探尋埋藏海底的小尺寸人工遺物（骨骼、器具等）仍然是一項重大挑戰。目前水下聲學成像系統的空間分辨率最高為幾十厘米，且由于淺層氣、砂層等沉積環境影響，文物遺存與周圍沉積物之間的聲學差異不足，難以探測識別。雖然利用差分共振聲譜法測量巖石聲學特性取得較大進展[43]，但利用該方法識別埋藏的小尺寸人工遺物仍不夠可靠。針對淺埋沉船探測，未來在聲學可控實驗模擬、數據精細處理和學科交叉綜合研究等方面進一步加強[44]。

（3）洞穴遺址探測和發掘

常規的海底測繪方法是基于平面視圖投影，不適用于勘探垂向的洞穴遺址。ROV 通過慣性導航系統和水下定位系統輔助，搭載多波束聲吶系統、三維聲吶掃描系統或激光掃描系統對水下洞穴測繪是一種可行方法[45]，目前的數字影像處理軟件也支持對多波束測深和側掃聲吶數據進行三維渲染顯示，但做到高精度的三維場景構建仍需要在高精度定位、洞穴內部特殊探測技術等方面努力。

（4）潮間帶遺址調查

潮間帶通常被認為存在豐富的人類遺跡，但潮間帶水深極淺、潮汐效應明顯、波浪擾動以及淺層氣的普遍存在，導致潮間帶考古非常困難。綜合利用聲學和激光雷達技術至關重要，特別是將高潮期間的海洋數據和低潮期間的陸地數據融合，能起到很好的互補作用[46-47]。如融合無人機激光雷達地形數據和無人艇多波束測深數據，實現海陸地形成圖，有助于重建古地貌環境，發現人類遺跡。此外，Kruiver 等研究評估了利用地震橫波和面波對潮間帶和近岸地區進行地學考古的潛力[48]。

（5）深?？脊藕桶l掘

近年使用潛水器進行水下探測取得了驚人的發現，特別是在深海沉船考古方面。目前HOV、ROV 和AUV 的用途主要是測量、錄像和采樣，需要從傳統的海底聲學和光學調查、工程打撈，進一步拓展提升到海底考古搜尋、精細觀測、精準發掘或打撈。這需要高度精密的潛水器、可搭載的各類高空間分辨率的地球物理探測系統、配套的發掘工具和精準定位的遠程操控，這將帶來很大的工程挑戰。

4 地球物理水下考古建議

（1）升級改進現有調查技術，開發適用于水下考古的新技術

由于水下考古調查范圍和環境條件差異較大，研究涉聲學、電磁、激光雷達、潛水器平臺、攝影測量、水下取樣和發掘等技術。其中許多技術最初是為陸地測繪、軍事研究等目的開發，為使這些技術適合水下考古，需要和科研院所、技術廠家合作，對現有技術進行改進。如多來源數據融合軟件的開發，使得水下考古更加立體，水下文化遺址場景得以深度還原；通過潛水器、深拖系統等近海底探查方法，進一步提升現有聲學、地震、電磁等海洋地球物理技術對海底探測的空間分辨率，滿足考古需求；改造提升各類潛水器，替代人員潛水考古，以適應深?？脊判枨?。

（2）加強海洋各行業合作，增加考古遺址發現數量和降低考古成本

相對于海洋調查而言，現有的水下考古力量非常弱小，且海洋基礎資料也十分缺乏。海洋石油公司、海洋科研院所等機構的海洋工程、海洋科考項目通常會進行聲學/地震調查、海底鉆探、沉積物取樣，這些資料對水下考古工作前期評估具有重大意義。雖然陸架三維地震測線間距通常為幾百米，空間分辨率較低，但三維地震數據結合最新數據分析技術可有效繪制晚更新世和全新世古地貌[49]，鉆孔巖芯可獲取海底地層和基底信息。通過加強機構合作，利用地質地球物理等基礎資料可大幅降低成本。此外，海洋開發建設還可能造成考古遺跡破壞甚至完全消失。特別是近岸海砂開采，因為海砂富集區通常與考古潛力區相重疊。因此，應加強行業合作，增加考古遺址發現數量，降低考古成本，同時避免不必要的破壞流失。

（3）建立跨學科、國際性的水下考古裝備技術共享機制

水下考古調查技術包括資料采集、處理、解釋和評價等多個環節，單個海洋研究機構或考古機構難以全部完成，且并非每個機構都擁有多門類的調查設備和專業技術，特別是深?？脊耪{查技術裝備需要大量人力和物力的投入。因此，應建立機構之間的合作機制，共享專業技術和知識，而且這種合作應是跨學科的、具國際性的。