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我国水下考古技术的新探索——2016年度浙江宁波慈溪上林湖后司岙水域水下考古调查

来源:中国文物报    发布日期:2017-02-27

  2016年11月中旬至12月下旬,为配合浙江宁波慈溪“上林湖越窑遗址2014~2018年考古工作计划”之后司岙窑址考古发掘,经国家文物局批准,宁波市文物考古研究所(国家水下文化遗产保护宁波基地)、国家文物局水下文化遗产保护中心、浙江省文物考古研究所、慈溪市文物管理委员会办公室联合对上林湖后司岙水域开展了为期一个多月的水下考古调查。调查过程中,秉承“水陆空结合”“多学科介入”“多团队合作”理念,精心设计、精细实施,积极探索现代科技在内水平静水域水下考古中的创新应用与有机融合,多项技术突破国内水平,保持与国际接轨,为我国内水平静水域水下考古从“粗放式”走向“精细化”提供了可资借鉴的宝贵案例。

       

  一次水下考古技术的综合运用

 

  1、水域探测与陆域探测相结合,科学获取水陆一体的基础地理信息

 

  完整的上林湖越窑遗存体系不仅包括作坊遗址、窑炉遗址、废品堆积等窑业生产遗存以及瓷土分布区、薪柴分布区、窑床分布坡地等自然环境要素,还应包括湖泊水系、运输水道以及周边聚落等。由于20世纪五十年代上林湖水库的拦坝蓄水以及历史上的多次水位变迁,原本位于山林坡地上的部分越窑遗存、村落民居、码头堤岸、道路桥梁等遗存现已不同程度地淹没于水下。为此,本次后司岙水域水下考古调查特别注重水陆考古结合,综合运用多种水陆技术方法,以期科学获取调查区域内水陆一体的基础地理信息,为后司岙窑址的田野发掘和后司岙水域的调查探测提供地理依据与技术支撑。

 

  本次水陆综合探测主要由四个部分组成:基准控制、水域探测、陆域探测以及水陆数据融合。基准控制方面,调查时事先按照测绘行业技术规范,建立调查区域内与国家基准一致的测量控制网,确保多种探测技术在同一系统下获取准确数据。水域探测方面,采用英国L-3 Klein System 3900型侧扫声呐,快速获取上林湖湖底表面细微地貌形态的高精度声学影像;运用丹麦Reson公司SeaBat7125型多波束测深系统,精确建立上林湖湖底地形地貌的三维数字模型。经水下探测发现:现存上林湖三面环山,北部建有大坝,大坝口连接东横河,呈桃叶状,岸线曲折长达20公里,南北长约3000米,东西宽约1600米,面积约160万平方米,库容量约800万立方,北浅南深,北部最深7米,南部最深8.3米,平均水深5米;在水深约3米处分布有多个较为平坦的水下台地,后司岙水下台地是其面积最大、最为开阔的台地,东北西南走向,方向64度,东西长约300米,南北宽约180米,水深约0-3.5米,东高西低,坡度0.5度,高出西侧湖底1.5-2米。陆域探测方面,采用无人机低空拍摄的方式,获取上林湖的数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)、数字线划地图(DLG)、360度全景图、鸟瞰图等多种成果,调查范围达12平方公里;运用移动三维激光雷达探测,建立后司岙陆域的三维模型,探测面积约0.6平方公里,岸线长约3.3公里。藉此,精准、高效地获取了后司岙陆域的地形地貌与空间格局等基础地理信息。水陆数据融合方面,联合浙江省河海测绘院专业技术团队攻关克难,有机融合各类水陆影像与点云数据,从而生成了上林湖后司岙区域水陆一体的基础地理信息。

 

  2、仪器探测与潜水探摸相结合,基本搞清水下文化遗存的平面分布

   

  综合运用多种探测技术获取的上林湖后司岙区域水陆一体的基础地理信息,具有高密度、高分辨率、数字化、立体性等显著特点,兼具几何精度和影像特征的高精度三维模型,不仅能够科学、精准、直观地反映后司岙及周边区域水下三维地形地貌的宏观概貌和细微特征,为下一步的水下考古潜水探摸提供了水下安全行动指南。同时,根据水陆三维地形地貌识别出凸露于湖底表面的异常物,结合上林湖越窑遗存已有考古成果、相关历史文献、古旧地图、口碑资料等,经综合分析、比对,初步发现了疑似古水坝、古水道和船形凸起物、圆形凸起物、方形凸起物等十余处水下文化遗存线索,为下一步的水下考古潜水探摸明确了调查目标与工作重点。此外,上林湖地区古代瓷窑遗存分布密集,这些瓷窑遗存普遍具有被火烧过的特性,与周围地磁相比,磁异常明显,而磁力仪能够探测水陆表面及一定深度范围内的地磁场强度,故本次调查时还与中船重工715研究所合作,通过磁力仪在空中、地面、水下多种途径获取上林湖后司岙区域的地磁场数据、磁异常等值线,据此发现、验证调查区域内的各类水下遗存。

 

  在通过现代技术手段得到各种形式的间接影像、数字模型和点云数据的基础上,再通过水下考古专业人员的潜水探摸,并借助超短基线定位系统、潜水员导航探测系统、潜水全面罩无线对讲系统、MS1000成像声呐和DIDSON高清声呐等探测装备,辅助开展水下定位、通讯、测绘、拍照、录像等工作,最终确认了1处古水坝、1条古水道、1条古湖堤道路以及6艘近现代沉船、6座圆形窑炉、4个片区建筑基址等类型丰富的水下文化遗存及其在湖床的平面分布情况。

上林湖与后司岙水陆镶嵌地理信息截图

 

位于后司岙湖底的圆形凸起物

 

上林湖湖底古水坝与古水道

                 

  3、无损探测与钻探采样相结合,初步掌握水下文化遗产的埋藏情况

 

  通过仪器探测和潜水探摸,基本搞清了上林湖后司岙及其周边水域凸露于湖底表面的各类水下文化遗存,但其掩埋于湖床之下的情况尚不清楚。由于本次水下考古属于调查性质,显然不适宜全面发掘清理,在不动土、不破坏遗址本体的情况下,唯有借助无损探测技术,才能快速了解埋藏在湖床之下的水下文化遗存的剖面构造。

 

  浅地层剖面仪是水声学中应用最广泛、最重要的方法之一,但在浅水区域回声干扰大,成像效果差。本次调查采用了美国Benthos Chirp Ⅲ 型浅地层声呐剖面仪,其分辨率高,穿透力强,在水深约3.5米以下的上林湖水域,成功获取了成像清晰、纹理明确的地层剖面;但在0-3.5米浅水区域内,回声干扰极大、无法适用。鉴于这一情况,同时根据上林湖为淡水水域、低含盐率、低导电率的水文特性,在调查中我们与同济大学合作,尝试运用探地雷达对已发现的水下文化遗存进行剖面探测,不但成功弥补了浅地层剖面仪无法探测的浅水区缺环,而且其在水深3.5米以下的探测结果也可与浅地层剖面仪探测结果相互支持、印证,取得了良好成效,初步了解了水下文化遗存的淤埋深度、堆积厚度、剖面形状等埋藏信息。

 

  通过以上无损探测手段得到的图像反映的是上林湖湖底地下介质的声波特性与电性分布,并通过识别异常的声波特性与电性分布发现可疑的目标物体,但要对地下可疑目标物体给予合理、正确的考古学解释,还需与地质钻探取样有机结合、相互印证。因此,下一步我们将继续与有关科研机构合作,对2016年在上林湖后司岙水域发现的部分重要遗迹进行钻探取样、分析,以期得到更为准确、科学的水下考古调查资料,为本次调查项目划上一个圆满的句号。

 


 

  一次水下考古技术的深化运用

 

  信息资料的系统采集与科学记录既是水下考古工作的基本要求,也是重点内容之一。要在有限的潜水时间内、能见度较差的上林湖水底,系统、科学而又精确、快速地获取水下遗存的资料,既要立足于传统考古手段,又要借助高新科技,更要深化运用。

 

  在水下测绘方面,本次调查除了传统的手工测绘外,还利用多波束测深系统获取的水下基础点云数据与三维数字模型,转换输出为CAD格式线图,获取精度高达5厘米的等深线图以及各类水下遗存平剖面图,极大提高了测绘精度与工作效率。在水下拍照方面,除了在能见度较好的浅水区域采用佳能EOS 5D Mark Ⅲ高清相机拍摄光学照片外,在能见度较差、悬浮物较多的深水区,根据前期获取的水下三维地理信息,精确投放MS1000成像声呐,通过360度定点旋转扫测,精准、快速获取水下遗存及周边湖床环境的二维声呐图像。在水下录像方面,除了传统的光学摄像机外,针对上林湖深水区能见度较差、悬浮物较多的水文环境,运用了有“浑水摄像机”之美誉的Didson高清双频识别声呐,获取了几乎等同影像质量的声呐图像

 

  上林湖后司岙水域水下考古调查技术的深化运用,不仅体现在水下资料的测绘、拍照、录像等基础性、关键性技术上,也体现在水下考古辅助技术的运用上。譬如,一般情况下,由于水下环境的特殊性与潜水装备的局限性,水下考古队员之间的语言交流存在困难,本次调查为此专门配备了Ocean Reef 潜水全面罩水下无线对讲系统,保障了水下人员可以用语言进行顺畅交流,并与水面人员互相对话沟通;采用了超短基线水下定位系统,并结合实时定点旋转扫测的MS1000二维成像声呐,即使在昏暗的湖底,也能让水面人员实时掌握水下队员的精确位置、运动轨迹、工作动态等情况。同时,本次调查还将这些各自独立运行的技术设备组合在一起使用,形成了一套完整的“水面-水下动态监测指挥系统”,从而极大地提高了工作效率,又很好地保障了潜水安全。

水下相机拍摄的湖底建筑基址照片

 



DIDSON摄录的水下沉船局部高清声呐截图          

水下圆形窑炉的声呐图像

 

  一次水下考古技术的创新运用

 

  水下考古,技术是关键,创新是灵魂。本次针对上林湖后司岙水域的水下考古调查,除综合运用声吶、地磁、电磁、激光以及航空摄影测量等物探方法外,在其具体的应用中也有诸多创举,如超短基线定位系统、潜水员导航探测系统、DIDSON高清声呐、探地雷达的运用以及水陆一体的基础地理信息的生成,这些在我国的水下考古中均属首次。其中,探地雷达的首次成功运用意义尤为重要。

 

  探地雷达一般用于干燥的陆上探测,其原理是根据电磁波传播分析推断被掩埋介质的形态和性质,并通过识别异常发现被掩埋的目标体,从而寻找到被掩埋的各类迹象。本次调查中探地雷达在水下的成功运用表明,淡水水层的低电导率且近似为均匀介质的特性,十分有利于雷达波穿透水体、入射至湖底地层中,从而实现对凸露于湖底表面及被掩埋的水下遗存的剖面探测,纠正了以往关于探地雷达不适用于水下考古的认知。同时,在数据采集方面,本次调查根据需要为探地雷达加装了高精度差分GPS定位设备,实时记录雷达测点坐标,保障了数据采集的可控、可靠;在数据处理方面,本次调查除进行常规的技术处理之外,还对原始数据作了增强处理,对雷达信号在湖底迅速被淤泥吸收进行保真补偿与恢复。以上这些技术手段的创新运用,确保了本次调查的顺利开展和工作目标的最终实现。

   

  上林湖是唐宋时期越窑青瓷最为重要的的生产中心之一,后司岙窑址则是上林湖窑场目前已知最为重要的一处青瓷窑址。在本次考古过程中,以浙江省文物考古研究所为主组织实施的田野考古发掘(图十五),初步理清了以后司岙窑址为代表的晚唐五代时期秘色瓷的基本面貌与生产工艺、秘色瓷窑场基本格局、唐代法门寺地宫与五代吴越国钱氏家族墓出土秘色瓷的产地等问题(沈岳明、郑建明:《浙江上林湖发现后司岙唐五代秘色瓷窑址》,载《中国文物报》2017年1月27日);由宁波市文物考古研究所牵头组织实施的水下考古调查,则发现了沉埋在上林湖之下的古水道、古水坝等诸多的水下文化遗存,为研究古上林湖的地形地貌、水位变迁、产品运输、聚落分布等提供了弥足珍贵的材料。水陆考古的紧密结合,不仅开辟了上林湖越窑考古的新的格局,也为我国内水平静水域水下考古作出了一次新的探索 (执笔:林国聪、鄂杰   宁波市文物考古研究所 国家文物局水下文化遗产保护中心 浙江省文物考古研究所 慈溪市文物管理委员会办公室)

 

(原文刊于:《中国文物报》2017年2月24日5版)

编辑:王可荣
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