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探地雷达和遥感联合的地下考古目标探测方法研究

宗鑫  
【摘要】:近年来,随着空间信息技术的发展,空间考古学逐渐建立发展起来,文化遗址的无损探测是其重要的研究内容。地球物理勘探、遥感(RS)、激光雷达(LiDAR)等无损探测技术被越来越多地应用到文化遗址探测当中,为考古探查提供了强有力的技术支持。由于能对地下考古目标进行连续、高分辨率的精细成像,探地雷达(Ground Penetrating Radar)可以很好地弥补遥感考古探测深度有限和空间分辨率不足的缺点;反过来,遥感的广阔视野可以为探地雷达考古探测提供靶区。因此将遥感和探地雷达相结合是文化遗址无损探测领域的重要发展趋势。但是,遥感和探地雷达都无法提供地下土层、考古目标体的直接信息,因此需要考古钻探等直接探测方式提供最后验证。本文针对探地雷达地下考古目标探测及其与遥感的联合考古探测中的若干问题开展研究,主要研究内容与结论包括:1.不同几何特征的考古目标体在探地雷达图像上的响应特征研究在模拟探测实验及实地考古探测中,选取了不同几何特征的考古目标作为探测对象,分析总结了不同几何特征的考古目标体在探地雷达图像上的响应规律,并从理论上给出了解释。根据地下考古目标体的几何尺寸相对于探地雷达天线波束宽度的大小,可以将其分别看作点状、线状、面状目标体。如果考古目标体的几何尺寸远小于雷达天线波束宽度,则可将其看作点状体,其典型异常反应为双曲线形;如果目标体的几何尺度远大于天线的波束宽度,则可以将其视为面状体,其在雷达图上经常表现为层状纹理,而面状体两侧边缘的异常则会表现为双曲线的半支;如果相对于天线的波束宽度,目标体的长轴尺度很大而短轴尺度较小或相当,则可将其看作线状目标体,线状目标体在雷达图像上有时表现为双曲线异常,有时则表现为一种整体性的层状异常,其响应模式是介于点状体和面状体的过渡形态。2.探索介质含水量与考古目标体埋深和材质对探地雷达探测效果的影响。本文设计实施了考古目标体模拟探测实验,并选取了不同环境背景下的考古遗存作为探测研究区,以此来检验不同的考古目标体埋深、材质与介质水含量对探地雷达探测效果的影响。结果表明:土壤水含量的增高会导致探地雷达探测深度的降低,同时会导致考古目标体引起的双曲线异常的离心率越小,即双曲线的开口变小,尖峰更明显;考古目标体埋深越大,则其双曲线异常的实轴越长,双曲线的开口越大,尖峰越不明显,极端情况下会是双曲线异常趋于直线;雷达反射波的能量与考古目标体和周围介质的相对介电常数的大小有关,二者的相对介电常数差异越大,雷达反射波的能量就越强,尤其是金属考古目标体,它通常会在探地雷达图像上引起强烈的异常信号。3.遥感、探地雷达和传统侵入性考古勘探联合的考古调查模式采用了遥感、探地雷达和考古钻探的联合探测模式对龙城遗址进行考古调查。实践初步表明这种联合探测模式能取得优势互补的效果,在大型城址的考古探测效果和效率上取得了很好的平衡。其工作模式如下:1)考古目标体的遥感解译、提取遥感的主要任务是探测出地下考古遗存的潜在区域,得到疑似考古遗存的空间分布图,从而为探地雷达探测指定靶区。2)探地雷达探测根据疑似考古目标体的空间展布、现场环境等设计探测方案,从探地雷达图像中获取地下目标体的形状、埋深、方位等信息,为考古钻探的方案设计提供基础。3)用探孔、探槽、探方等手段进行最终验证针对探地雷达图像上出现异常的地方进行探孔、探槽、探方探测,获取地下土样,分析土样的颜色、致密程度、包含物等特征,从而对遥感和探地雷达的探测结果进行验证。


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