海南東寨港海底村莊遺址遙感觀測與分析*

李志新，王心源，劉傳勝，駱 磊

(1 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所， 北京 100094； 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049； 3 聯(lián)合國教科文組織國際自然與文化遺產(chǎn)空間技術(shù)中心， 北京 100094)(2018年8月22日收稿； 2018年10月11日收修改稿)

海南東寨港海底村莊遺址作為中國唯一的因地震導(dǎo)致陸地陷落成海的古聚落遺址具有重要的歷史文化價值。很多學(xué)者從20世紀(jì)80年代開始，對瓊北大地震開展多項研究，積累了豐富的成果，包括震害特征、發(fā)震構(gòu)造、沉陷機(jī)理、地震海嘯、地震沉積記錄以及災(zāi)害史等[1-5]。但目前缺乏對東寨港海底村莊遺址系統(tǒng)的空間考古研究。早期對海底村莊遺址的考察方法主要是以水下考古為主，由于受到設(shè)備、技術(shù)、方法的限制，調(diào)查的主動性較差[6]；且海底村莊遺址所處的環(huán)境較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的水下考古不能進(jìn)行無損探測，部分遺址遺跡會遭到破壞。除此之外，水下考古不能從區(qū)域尺度對遺址的整體概況及周邊環(huán)境進(jìn)行分析。遙感即利用傳感器采集目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)的分析來獲取有關(guān)地物目標(biāo)、或地區(qū)、或現(xiàn)象的信息的一門科學(xué)和技術(shù)。因此利用遙感技術(shù)，可以從空間角度，獲取目標(biāo)地物信息，運(yùn)用計算機(jī)圖像處理技術(shù)，實現(xiàn)遺址全方位的探測與分析[7-9]，如王心源等[10]利用Quick bird高分辨率影像和文物考古成果揭示巢湖凌家灘遺址古人類活動的地理環(huán)境特征；Luo等[11]利用RS、GIS、GPS相結(jié)合的方法探尋發(fā)現(xiàn)多處唐代驛站遺址并重建敦煌地區(qū)古絲綢之路的驛道系統(tǒng)；公雪霜等[12]利用地理空間數(shù)據(jù)對遼寧西部地區(qū)先秦時期聚落遺址進(jìn)行空間格局分析。

空間考古學(xué)是新考古學(xué)的一個分支，在有效繼承遙感技術(shù)以及多元技術(shù)集成與綜合分析的基礎(chǔ)上，形成空間信息技術(shù)在考古應(yīng)用中有關(guān)遺存信息獲取、解釋與重構(gòu)的一個創(chuàng)新性過程[13]，空間考古方法是關(guān)于信息技術(shù)應(yīng)用于考古學(xué)的一整套技術(shù)與方法?？臻g考古決不是僅僅“發(fā)現(xiàn)”遺存，其任務(wù)是通過認(rèn)知古代人類活動遺存所蘊(yùn)涵的有關(guān)于人文與自然的豐富信息，揭示過去人類活動的歷史、特征、模式，以及人與環(huán)境關(guān)系的演變過程。

瓊北大地震后，東寨港地理環(huán)境發(fā)生巨變，依賴地震后形成的港灣，幸存的東寨港林市村村民乘船下南洋，開啟了“去番謀生”的先河，這是古代海上絲綢之路重要的歷史。DBAR國際科學(xué)計劃構(gòu)建數(shù)字絲路，保護(hù)一帶一路的自然和文化遺產(chǎn)[14]，因此，開展東寨港海底村莊遺址遙感觀測研究，既是推進(jìn)海南國際旅游島建設(shè)的需要，也是實施21世紀(jì)海上絲綢之路的文化先導(dǎo)。本文以東寨港海底村莊遺址為研究對象，利用多源遙感數(shù)據(jù)，以空間考古方法為主要手段，研究遺址的空間分布，現(xiàn)存狀態(tài)及其演變規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

東寨港位于海南省海口市東北部，1986年批準(zhǔn)成立國家級自然保護(hù)區(qū)，1992年被列入國際重要濕地名錄，1996年被列入世界自然遺產(chǎn)預(yù)備名單[15]。東寨港呈不規(guī)則的長條形，近南北方向分布，長軸最大長度16 km，短軸最大長度8 km，其地理坐標(biāo)為N19°51′～20°1′，E110°32′～110°37′，如圖1所示。東寨港是全島最大的港灣，也是最年輕的港灣，港灣內(nèi)大部分為淤泥質(zhì)淺灘和紅樹林沼澤區(qū)，東面為河海沖積平原區(qū)，地勢稍低；西南面為低丘陵緩坡，地勢稍高。形成漲潮時，海水自北注入東寨港灣，退潮時，海水自東、南、西方向北通過北港島兩旁潮汐通道流入瓊州海峽。

1.2 海底村莊形成過程

明朝萬歷年間(公元1605年7月13日)，瓊北地區(qū)發(fā)生7.5級地震，導(dǎo)致東寨港發(fā)生相當(dāng)大的面積沉陷。原陸地上72個村莊，沉陷海底，形成舉世聞名的海底村莊遺址。對于當(dāng)時的地震，清康熙瓊山縣志記載：“五月二十八日亥時地大震自東北起，聲響如雷，公署民房崩倒殆盡，城中壓死者數(shù)千，地裂，水沙涌出，南湖水深三尺，田地陷沒者不可勝記，調(diào)塘等都田沉成海計若干傾”[16]。盡管瓊北地震造成的破壞巨大，但東寨港海底村莊絕非是一次地震就形成的。徐啟浩[17]認(rèn)為東寨港是由1605年瓊北大地震在鋪前港一帶海邊造成大面積陸陷成海和震后400余年來緩慢下沉而形成的。在瓊北大地震發(fā)生前，東寨港又為東寨河，東寨河由大地震前較窄的河流成為大地震后較寬的河流，其后東寨河又名東溪，同治年間始名東寨港。據(jù)東寨港林市村黃宏遠(yuǎn)老人告知，祖輩傳說大地震前，東寨河沿岸有很多村民定居，當(dāng)時河沿岸就已經(jīng)發(fā)生緩慢下沉，海水逐漸浸淹沿岸的耕地、房屋、祖墳等，人們逐漸把河邊的房屋和祖墳往內(nèi)陸遷移，不久，就發(fā)生了瓊北大地震。發(fā)生大地震后，東寨港繼續(xù)下沉，陸地上的村莊逐漸被高潮水淹沒，經(jīng)海水沖刷，部分已經(jīng)沉陷到海面以下或已被沖刷殆盡，部分只有在退潮后才會露出。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 General survey map of the study area

2 海底村莊遺址空間分布

2.1 東寨河古河道遙感解譯

前文提到的東寨河在明朝、清朝的史料中均有記載，但其河道已被海水覆蓋，不能進(jìn)行直接觀測，而遙感技術(shù)可用于古河道特征提取，因此可結(jié)合前人的研究資料和衛(wèi)星遙感影像[16-17]，來還原東寨河的形態(tài)特征。本文中所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用WGS84 坐標(biāo)系，首先，從中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn)下載Landsat8遙感影像，分辨率為30 m，成像時間為2016年8月8日；其次，對Landsat8數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)，通過ENVI5.1軟件，將傳感器記錄的DN值轉(zhuǎn)換成反射率；然后進(jìn)行FLAASH大氣校正消除遙感圖像中由大氣散射和吸收所引起的輻射誤差；最終，經(jīng)裁剪得到預(yù)處理后的研究區(qū)遙感影像。

從理論上講，在純凈的海洋水體環(huán)境中，波段的波長越短，則其在水體中的穿透深度越深，電磁波穿透過海表面后僅僅保留了藍(lán)、綠波段能量，在水深20 m處，水體在藍(lán)綠波段，散射最弱，衰減系數(shù)最小，穿透能力最強(qiáng)，所以藍(lán)綠波段對研究水底特征是有效的[18-19]。東寨港水深數(shù)米至數(shù)十米，因此在Arcgis10.2軟件中，分別提取預(yù)處理后的藍(lán)色波段和綠色波段的遙感影像。

目標(biāo)地物在遙感影像上的色調(diào)(或顏色)、形狀、大小、紋理結(jié)構(gòu)、位置和組合等特征可以作為識別目標(biāo)的標(biāo)志，直接或間接供人們判別目標(biāo)和解釋某種現(xiàn)象，因此，通常將這些特征稱為解譯標(biāo)志。古河道在遙感影像上反映的形狀與其自身形狀一致，為蜿蜒曲折線狀特征，故作為直接解譯標(biāo)志；因與周圍地物輻射特征的差異，古河道的間接解譯標(biāo)志主要以色調(diào)或色彩來反映[20]。

直方圖均衡化是廣泛應(yīng)用的圖像增強(qiáng)方法，它可以增強(qiáng)亮度值集中部分的對比度，而減弱圖像中亮度值很低或很高部分的對比度，因此直方圖均衡可以提高圖像中細(xì)節(jié)部分的分辨度[18]，故可用來增強(qiáng)古河道的影像特征，提高判讀的準(zhǔn)確度。據(jù)此，對藍(lán)色波段和綠色波段的遙感影像分別進(jìn)行直方圖均衡化，選擇黑白色帶，經(jīng)目視解譯對比發(fā)現(xiàn)，藍(lán)色波段遙感影像經(jīng)直方圖均衡化后，在港灣內(nèi)可見深黑色蜿蜒曲折條狀特征，如圖2 (a)所示，符合古河道的直接解譯標(biāo)志；且色調(diào)與周圍影像差異較大，亦符合古河道的間接解譯標(biāo)志。將解譯得到的結(jié)果與歷史地圖和已有的考古資料進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)經(jīng)遙感解譯得到的東寨河古河道與歷史所記載的東寨河大體相似，據(jù)此，可初步認(rèn)為本文遙感解譯的結(jié)果為東寨河的形態(tài)特征。在Arcgis10.2軟件中對遙感解譯的東寨河河道和東寨港海岸進(jìn)行數(shù)字化，如圖2 (b)所示，經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)原東寨河岸線與現(xiàn)東寨港岸線相距甚遠(yuǎn)，變化較大，它們之間有的區(qū)域已陸陷成海，有的區(qū)域已變成紅樹林。瓊北大地震后，由于地面下沉及波浪對海岸的沖蝕，導(dǎo)致東寨港逐年變寬，最終演變成今天的狀態(tài)。

2.2 海底村莊遺址分布特征

2016年11月、2017年1月、5月，在東寨港國家級自然保護(hù)區(qū)管理局工作人員和黃宏遠(yuǎn)老人的支持下，作者開展了3次海南東寨港海底村莊遺址的野外實地考察，在林市村西北側(cè)附近(即圖2 (b)中古尾溝村)發(fā)現(xiàn)大片的墳?zāi)箯U墟址、水井遺址、村民房屋廢墟遺址以及各種人類活動的廢墟遺址。調(diào)查發(fā)現(xiàn)部分海底村莊遺址在退潮后可見，部分則被海浪沖刷殆盡，還有一部分已經(jīng)被淤泥所覆蓋沉陷到海底以下。結(jié)合歷史地圖資料及野外實測數(shù)據(jù)，對已知的遺址點(北港村、古尾溝村、曲口村、羅亭坡、古蘆石山村)在Arcgis10.2軟件中進(jìn)行數(shù)字化，如圖2 (b)所示，從解譯圖中可以看出東寨港海底村莊遺址如村莊房屋廢墟遺址、墳?zāi)箯U墟遺址、水井遺址從南到北沿東寨河沿岸均勻分布，遺址到岸邊的距離大都100 m以內(nèi)，這間接證實了黃宏遠(yuǎn)老人的口述記載，大地震前很多村民在東寨河沿岸定居，由于地震及震后下沉，這些原在東寨河岸邊的村子受到地震下陷及海浪沖刷，逐漸演變成今天的海底村莊遺跡格局。

圖2 海底村莊遺址空間分布圖Fig.2 Spatial distribution map of the seabed villages ruins

3 林市村海底村莊遺址無人機(jī)精細(xì)觀測與分析

對于前文提到的東寨港林市村海底村莊遺址所處的區(qū)域，利用無人機(jī)進(jìn)行航測，航測區(qū)域如圖1中黑色方框所示。本次航測資料的拍攝航向重疊度和旁向重疊度均為80%，并根據(jù)研究區(qū)的地貌特征對部分重點區(qū)域進(jìn)行航線加密，飛行高度為206 m，圖3為無人機(jī)航測區(qū)域位置和航測相片重疊度，圖中不同的顏色表明每個點重復(fù)觀測的次數(shù)，絕大部分區(qū)域重復(fù)觀測9次以上，最終獲取航測相片1 665張。經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后得到的正射影像地面分辨率達(dá)到每像素6.12 cm，DEM分辨率達(dá)到每像素24.5 cm，覆蓋面積為3.73 km2，如圖4所示。

圖3 無人機(jī)航測照片位置和照片重疊度Fig.3 Location and overlap of UAV aerial survey photo

圖4 林市村—下廠村無人機(jī)航測DEM與正射影像Fig.4 The DEM and orthophoto images of Linshi-Xiacang village obtained from UAV aerial survey

3.1 地震遺跡野外考察

一般7級以上地震都伴有明顯的地震斷層，沿地震斷層帶分布的明顯的地質(zhì)地貌標(biāo)志有地震斷層陡坎、堰塞湖、滑坡等[21]。在野外實地考察過程中，我們在林市村—下廠村附近發(fā)現(xiàn)明顯的地震斷裂遺跡。丁瑩瑩等[22]認(rèn)為東寨港沉降區(qū)晚新生代一直持續(xù)下陷, 且晚更新世以來東寨港地塹快速加積。實地考察發(fā)現(xiàn)，由于斷裂的活動，致使林市村及其附近區(qū)域正在下沉，主要表現(xiàn)在海岸線不斷后退，平均隔數(shù)年就要對海堤進(jìn)行加高；另外是井水變咸，林市村距岸數(shù)百米處有一口具有100多年歷史的水井，近幾十年來逐漸變咸而成為廢井。從無人機(jī)正射影像中發(fā)現(xiàn)，該遺址處于海陸交互作用的地帶，這間接證實林市村附近的海底村莊遺址處于不穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造活動區(qū)域，這使該處遺址將繼續(xù)下沉，若干年后可能和附近其他海底村莊一樣，沉陷到海面以下。

3.2 海底村莊無人機(jī)觀測

對于圖4中出現(xiàn)的海底村莊遺址，又進(jìn)行了專門的航測飛行，獲得了更高精度的數(shù)據(jù)，其航測高分辨率正射影像的地面分辨率達(dá)到每像素1.82 cm。如圖5所示，無人機(jī)航測正射影像顯示大量的遺址遺跡，其中1、2、3和4方框分別顯示石梁、石條、水井以及石凳等遺址。此處海底村莊遺址原名古尾溝村，距林市村西北側(cè)海岸約200 m。據(jù)記載，該古遺址出土的古錢幣均為宋朝、明朝，由此可見該遺址是因明朝萬歷年間瓊北大地震沉陷而形成的海底村莊遺址。

圖5 海底村莊遺址無人機(jī)航測解譯圖Fig.5 Interpretation map of UAV aerial survey for the seabed villages ruins

實地考察發(fā)現(xiàn)，東寨港林市村附近的海底村莊遺址除受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響致其下陷，還受潮汐影響較為嚴(yán)重。如圖6所示，當(dāng)漲潮時，水流方向為西南向，如圖中黑色箭頭所示；當(dāng)退潮時，水流方向為東北向，如圖中白色箭頭所示。隨著潮水漲落，海浪對海底村莊遺址來回沖刷，導(dǎo)致部分遺址已被沖刷殆盡，已經(jīng)被沖掉的區(qū)域如圖6黑色網(wǎng)狀區(qū)域所示。經(jīng)計算，該處海底村莊遺址總面積約為5 936.6 m2，已被沖刷的區(qū)域面積約為1 871.5 m2，占該區(qū)域遺址總面積的31.5%。盡管目前退潮后能有部分遺址高出海平面，但是隨著海浪的來回沖刷，將會造成遺址面積變小，最終被沖刷殆盡。

圖6 海浪沖刷海底村莊遺址解譯圖Fig.6 Interpretation map of the fact that the seabed villages ruins were washed away by waves

4 結(jié)論

通過衛(wèi)星遙感影像解譯東寨河古河道的形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)原東寨河岸線與現(xiàn)東寨港岸線相距甚遠(yuǎn)，變化較大，客觀地展現(xiàn)了東寨港由古至今的變化。結(jié)合歷史地圖資料及野外實測數(shù)據(jù)，對遺址信息數(shù)字化后，從空間角度展現(xiàn)古遺址均勻分布在東寨河古河道兩側(cè)的特征。

東寨港海底村莊遺址處于陸海相互作用的前沿地帶，不穩(wěn)定的地質(zhì)構(gòu)造作為基礎(chǔ)條件，遺址受潮汐、波浪、地表下沉及人類影響較為嚴(yán)重。以林市村附近的海底村莊遺址作為精細(xì)分析對象，研究海底村莊的現(xiàn)狀及變化規(guī)律，結(jié)合無人機(jī)航測數(shù)據(jù)和野外實地考察發(fā)現(xiàn)，林市村附近的海底村莊遺址受地震斷裂影響將繼續(xù)下沉，且隨著潮水漲落的沖刷，遺址中間部分已被沖刷殆盡，被沖刷掉的面積約為1 871.5 m2，占該處遺址總面積31.5%。

目前東寨港海底村莊遺址部分已經(jīng)沉陷到海面以下或被沖刷殆盡，部分只有在退潮后才會露出，此項研究成果為如何保護(hù)海底村莊遺址提供了科學(xué)參考依據(jù)。建議將海底村莊遺址保護(hù)和科普教育觀光旅游結(jié)合起來，建立考古遺址公園實現(xiàn)文物保護(hù)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的統(tǒng)一，為挖掘和發(fā)揚(yáng)海上絲路的歷史和文化提供范例。

基于衛(wèi)星遙感和無人機(jī)航測的空間考古研究目前無法對每一處海底遺址進(jìn)行全方位探測與分析，側(cè)掃聲納是利用回聲測深原理探測海底地貌和水下物體的設(shè)備，因此，作為以后的研究方向，側(cè)掃聲納可能會被用于海底村莊遺址的研究。

感謝海南東寨港國家級自然保護(hù)區(qū)管理局在資料和人員方面提供的幫助；感謝東寨港林市村黃宏遠(yuǎn)先生提供的現(xiàn)場指導(dǎo)；感謝中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所付碧宏、時丕龍老師的野外考察指導(dǎo)。