李志新^1,2, 王心源^1,3, 刘传胜^1,3, 骆磊^1,3
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100094;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 联合国教科文组织国际自然与文化遗产空间技术中心, 北京 100094
2018年8月22日 收稿; 2018年10月11日 收修改稿
基金项目: 海南省重大科技计划项目（ZDKJ2016021-02）资助
通信作者: 王心源，E-mail:wangxy@radi.ac.cn

摘要: 利用高精度的无人机遥感正射影像、数字高程模型、Landsat8卫星遥感影像以及野外实地观测数据，以空间考古学方法为主要手段，研究海南东寨港海底村庄遗址的空间分布、现存状态及其演变规律。研究结果如下：1）海底村庄遗址均匀分布在东寨河古河道两侧。2）海底村庄遗址处于陆海相互作用的前沿地带，地质构造条件不稳定，遗址受潮汐、波浪、地面下沉和人类影响较为严重，部分已经沉陷到海面以下，部分只有在退潮后才会露出。3）林市村附近的海底村庄遗址受地震断裂影响将继续下沉。遗址中间部分已被潮水涨落冲刷殆尽，被冲刷面积约为1 871.5 m²，占遗址总面积的31.5%。
关键词: 海底村庄空间考古无人机海上丝绸之路
Remote sensing observation and analysis of seabed villages ruins in Dongzhai Port in Hainan Island
LI Zhixin^1,2, WANG Xinyuan^1,3, LIU Chuansheng^1,3, LUO Lei^1,3
1. Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. International Centre on Space Technologies for Natural and Cultural Heritage under the Auspices of UNESCO, Beijing 100094, China


Abstract: The spatial distribution, present status, and evolution rules of seabed villages ruins in Hainan Dongzhai Port were studied based on space archaeology by using high-precision UAV (unmanned aerial vehicles) orthophoto images, digital elevation model (DEM), Landsat8 images, and field surveys. The results are showed as follows. Firstly, the seabed villages ruins are evenly distributed on both sides of the ancient channel of Dongzhai River. Secondly, some of the seabed villages ruins sink below the sea surface, and some of them are partially exposed after the tide ebbs because these ruins are located in the forefront area of the land-sea interaction, where the geological conditions are unstable. Thirdly, the seabed villages ruins near Linshi Village will continue to sink due to the influence of the earthquake events. The middle part of the ruins have been washed away by the tidal fluctuations, and that part covers an area of about 1 871.5 m² which accounts for 31.5% of the total area of the ruins. Overall, this study is important for the seabed villages ruins protection in Dongzhai Port and also has significance for the development of the Maritime Silk Road.
Keywords: seabed villages ruinsspace archaeologyUAV(unmanned aerial vehicles)Maritime Silk Road
海南东寨港海底村庄遗址作为中国唯一的因地震导致陆地陷落成海的古聚落遗址具有重要的历史文化价值。很多****从20世纪80年代开始，对琼北大地震开展多项研究，积累了丰富的成果，包括震害特征、发震构造、沉陷机理、地震海啸、地震沉积记录以及灾害史等^[1-5]。但目前缺乏对东寨港海底村庄遗址系统的空间考古研究。早期对海底村庄遗址的考察方法主要是以水下考古为主，由于受到设备、技术、方法的限制，调查的主动性较差^[6]；且海底村庄遗址所处的环境较为复杂，传统的水下考古不能进行无损探测，部分遗址遗迹会遭到破坏。除此之外，水下考古不能从区域尺度对遗址的整体概况及周边环境进行分析。遥感即利用传感器采集目标对象的数据，并通过对数据的分析来获取有关地物目标、或地区、或现象的信息的一门科学和技术。因此利用遥感技术，可以从空间角度，获取目标地物信息，运用计算机图像处理技术，实现遗址全方位的探测与分析^[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滩遗址古人类活动的地理环境特征；Luo等^[11]利用RS、GIS、GPS相结合的方法探寻发现多处唐代驿站遗址并重建敦煌地区古丝绸之路的驿道系统；公雪霜等^[12]利用地理空间数据对辽宁西部地区先秦时期聚落遗址进行空间格局分析。
空间考古学是新考古学的一个分支，在有效继承遥感技术以及多元技术集成与综合分析的基础上，形成空间信息技术在考古应用中有关遗存信息获取、解释与重构的一个创新性过程^[13]，空间考古方法是关于信息技术应用于考古学的一整套技术与方法。空间考古决不是仅仅“发现”遗存，其任务是通过认知古代人类活动遗存所蕴涵的有关于人文与自然的丰富信息，揭示过去人类活动的历史、特征、模式，以及人与环境关系的演变过程。
琼北大地震后，东寨港地理环境发生巨变，依赖地震后形成的港湾，幸存的东寨港林市村村民乘船下南洋，开启了“去番谋生”的先河，这是古代海上丝绸之路重要的历史。DBAR国际科学计划构建数字丝路，保护一带一路的自然和文化遗产^[14]，因此，开展东寨港海底村庄遗址遥感观测研究，既是推进海南国际旅游岛建设的需要，也是实施21世纪海上丝绸之路的文化先导。本文以东寨港海底村庄遗址为研究对象，利用多源遥感数据，以空间考古方法为主要手段，研究遗址的空间分布，现存状态及其演变规律。
1 研究区概况1.1 自然地理概况东寨港位于海南省海口市东北部，1986年批准成立国家级自然保护区，1992年被列入国际重要湿地名录，1996年被列入世界自然遗产预备名单^[15]。东寨港呈不规则的长条形，近南北方向分布，长轴最大长度16 km，短轴最大长度8 km，其地理坐标为N19°51′~20°1′，E110°32′~110°37′，如图 1所示。东寨港是全岛最大的港湾，也是最年轻的港湾，港湾内大部分为淤泥质浅滩和红树林沼泽区，东面为河海冲积平原区，地势稍低；西南面为低丘陵缓坡，地势稍高。形成涨潮时，海水自北注入东寨港湾，退潮时，海水自东、南、西方向北通过北港岛两旁潮汐通道流入琼州海峡。
Fig. 1

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图 1 研究区概况图 Fig. 1 General survey map of the study area 图 1 研究区概况图 Fig. 1 General survey map of the study area -->

1.2 海底村庄形成过程明朝万历年间(公元1605年7月13日)，琼北地区发生7.5级地震，导致东寨港发生相当大的面积沉陷。原陆地上72个村庄，沉陷海底，形成举世闻名的海底村庄遗址。对于当时的地震，清康熙琼山县志记载：“五月二十八日亥时地大震自东北起，声响如雷，公署民房崩倒殆尽，城中压死者数千，地裂，水沙涌出，南湖水深三尺，田地陷没者不可胜记，调塘等都田沉成海计若干倾”^[16]。尽管琼北地震造成的破坏巨大，但东寨港海底村庄绝非是一次地震就形成的。徐启浩^[17]认为东寨港是由1605年琼北大地震在铺前港一带海边造成大面积陆陷成海和震后400余年来缓慢下沉而形成的。在琼北大地震发生前，东寨港又为东寨河，东寨河由大地震前较窄的河流成为大地震后较宽的河流，其后东寨河又名东溪，同治年间始名东寨港。据东寨港林市村黄宏远老人告知，祖辈传说大地震前，东寨河沿岸有很多村民定居，当时河沿岸就已经发生缓慢下沉，海水逐渐浸淹沿岸的耕地、房屋、祖坟等，人们逐渐把河边的房屋和祖坟往内陆迁移，不久，就发生了琼北大地震。发生大地震后，东寨港继续下沉，陆地上的村庄逐渐被高潮水淹没，经海水冲刷，部分已经沉陷到海面以下或已被冲刷殆尽，部分只有在退潮后才会露出。
2 海底村庄遗址空间分布2.1 东寨河古河道遥感解译前文提到的东寨河在明朝、清朝的史料中均有记载，但其河道已被海水覆盖，不能进行直接观测，而遥感技术可用于古河道特征提取，因此可结合前人的研究资料和卫星遥感影像^[16-17]，来还原东寨河的形态特征。本文中所有数据统一采用WGS84坐标系，首先，从中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云(http://www.gscloud.cn)下载Landsat8遥感影像，分辨率为30 m，成像时间为2016年8月8日；其次，对Landsat8数据进行辐射定标，通过ENVI5.1软件，将传感器记录的DN值转换成反射率；然后进行FLAASH大气校正消除遥感图像中由大气散射和吸收所引起的辐射误差；最终，经裁剪得到预处理后的研究区遥感影像。
从理论上讲，在纯净的海洋水体环境中，波段的波长越短，则其在水体中的穿透深度越深，电磁波穿透过海表面后仅仅保留了蓝、绿波段能量，在水深20 m处，水体在蓝绿波段，散射最弱，衰减系数最小，穿透能力最强，所以蓝绿波段对研究水底特征是有效的^[18-19]。东寨港水深数米至数十米，因此在Arcgis10.2软件中，分别提取预处理后的蓝色波段和绿色波段的遥感影像。
目标地物在遥感影像上的色调(或颜色)、形状、大小、纹理结构、位置和组合等特征可以作为识别目标的标志，直接或间接供人们判别目标和解释某种现象，因此，通常将这些特征称为解译标志。古河道在遥感影像上反映的形状与其自身形状一致，为蜿蜒曲折线状特征，故作为直接解译标志；因与周围地物辐射特征的差异，古河道的间接解译标志主要以色调或色彩来反映^[20]。
直方图均衡化是广泛应用的图像增强方法，它可以增强亮度值集中部分的对比度，而减弱图像中亮度值很低或很高部分的对比度，因此直方图均衡可以提高图像中细节部分的分辨度^[18]，故可用来增强古河道的影像特征，提高判读的准确度。据此，对蓝色波段和绿色波段的遥感影像分别进行直方图均衡化，选择黑白色带，经目视解译对比发现，蓝色波段遥感影像经直方图均衡化后，在港湾内可见深黑色蜿蜒曲折条状特征，如图 2 (a)所示，符合古河道的直接解译标志；且色调与周围影像差异较大，亦符合古河道的间接解译标志。将解译得到的结果与历史地图和已有的考古资料进行比对，发现经遥感解译得到的东寨河古河道与历史所记载的东寨河大体相似，据此，可初步认为本文遥感解译的结果为东寨河的形态特征。在Arcgis10.2软件中对遥感解译的东寨河河道和东寨港海岸进行数字化，如图 2 (b)所示，经对比后发现原东寨河岸线与现东寨港岸线相距甚远，变化较大，它们之间有的区域已陆陷成海，有的区域已变成红树林。琼北大地震后，由于地面下沉及波浪对海岸的冲蚀，导致东寨港逐年变宽，最终演变成今天的状态。
Fig. 2

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图 2 海底村庄遗址空间分布图 Fig. 2 Spatial distribution map of the seabed villages ruins 图 2 海底村庄遗址空间分布图 Fig. 2 Spatial distribution map of the seabed villages ruins -->

2.2 海底村庄遗址分布特征2016年11月、2017年1月、5月，在东寨港国家级自然保护区管理局工作人员和黄宏远老人的支持下，作者开展了3次海南东寨港海底村庄遗址的野外实地考察，在林市村西北侧附近(即图 2 (b)中古尾沟村)发现大片的坟墓废墟址、水井遗址、村民房屋废墟遗址以及各种人类活动的废墟遗址。调查发现部分海底村庄遗址在退潮后可见，部分则被海浪冲刷殆尽，还有一部分已经被淤泥所覆盖沉陷到海底以下。结合历史地图资料及野外实测数据，对已知的遗址点(北港村、古尾沟村、曲口村、罗亭坡、古芦石山村)在Arcgis10.2软件中进行数字化，如图 2 (b)所示，从解译图中可以看出东寨港海底村庄遗址如村庄房屋废墟遗址、坟墓废墟遗址、水井遗址从南到北沿东寨河沿岸均匀分布，遗址到岸边的距离大都100 m以内，这间接证实了黄宏远老人的口述记载，大地震前很多村民在东寨河沿岸定居，由于地震及震后下沉，这些原在东寨河岸边的村子受到地震下陷及海浪冲刷，逐渐演变成今天的海底村庄遗迹格局。
3 林市村海底村庄遗址无人机精细观测与分析对于前文提到的东寨港林市村海底村庄遗址所处的区域，利用无人机进行航测，航测区域如图 1中黑色方框所示。本次航测资料的拍摄航向重叠度和旁向重叠度均为80%，并根据研究区的地貌特征对部分重点区域进行航线加密，飞行高度为206 m，图 3为无人机航测区域位置和航测相片重叠度，图中不同的颜色表明每个点重复观测的次数，绝大部分区域重复观测9次以上，最终获取航测相片1 665张。经内业处理后得到的正射影像地面分辨率达到每像素6.12 cm，DEM分辨率达到每像素24.5 cm，覆盖面积为3.73 km²，如图 4所示。
Fig. 3

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图 3 无人机航测照片位置和照片重叠度 Fig. 3 Location and overlap of UAV aerial survey photo 图 3 无人机航测照片位置和照片重叠度 Fig. 3 Location and overlap of UAV aerial survey photo -->

Fig. 4

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图 4 林市村—下厂村无人机航测DEM与正射影像 Fig. 4 The DEM and orthophoto images of Linshi-Xiacang village obtained from UAV aerial survey 图 4 林市村—下厂村无人机航测DEM与正射影像 Fig. 4 The DEM and orthophoto images of Linshi-Xiacang village obtained from UAV aerial survey -->

3.1 地震遗迹野外考察一般7级以上地震都伴有明显的地震断层，沿地震断层带分布的明显的地质地貌标志有地震断层陡坎、堰塞湖、滑坡等^[21]。在野外实地考察过程中，我们在林市村—下厂村附近发现明显的地震断裂遗迹。丁莹莹等^[22]认为东寨港沉降区晚新生代一直持续下陷, 且晚更新世以来东寨港地堑快速加积。实地考察发现，由于断裂的活动，致使林市村及其附近区域正在下沉，主要表现在海岸线不断后退，平均隔数年就要对海堤进行加高；另外是井水变咸，林市村距岸数百米处有一口具有100多年历史的水井，近几十年来逐渐变咸而成为废井。从无人机正射影像中发现，该遗址处于海陆交互作用的地带，这间接证实林市村附近的海底村庄遗址处于不稳定的地质构造活动区域，这使该处遗址将继续下沉，若干年后可能和附近其他海底村庄一样，沉陷到海面以下。
3.2 海底村庄无人机观测对于图 4中出现的海底村庄遗址，又进行了专门的航测飞行，获得了更高精度的数据，其航测高分辨率正射影像的地面分辨率达到每像素1.82 cm。如图 5所示，无人机航测正射影像显示大量的遗址遗迹，其中1、2、3和4方框分别显示石梁、石条、水井以及石凳等遗址。此处海底村庄遗址原名古尾沟村，距林市村西北侧海岸约200 m。据记载，该古遗址出土的古钱币均为宋朝、明朝，由此可见该遗址是因明朝万历年间琼北大地震沉陷而形成的海底村庄遗址。
Fig. 5

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图 5 海底村庄遗址无人机航测解译图 Fig. 5 Interpretation map of UAV aerial survey for the seabed villages ruins 图 5 海底村庄遗址无人机航测解译图 Fig. 5 Interpretation map of UAV aerial survey for the seabed villages ruins -->

实地考察发现，东寨港林市村附近的海底村庄遗址除受地质构造运动影响致其下陷，还受潮汐影响较为严重。如图 6所示，当涨潮时，水流方向为西南向，如图中黑色箭头所示；当退潮时，水流方向为东北向，如图中白色箭头所示。随着潮水涨落，海浪对海底村庄遗址来回冲刷，导致部分遗址已被冲刷殆尽，已经被冲掉的区域如图 6黑色网状区域所示。经计算，该处海底村庄遗址总面积约为5 936.6 m²，已被冲刷的区域面积约为1 871.5 m²，占该区域遗址总面积的31.5%。尽管目前退潮后能有部分遗址高出海平面，但是随着海浪的来回冲刷，将会造成遗址面积变小，最终被冲刷殆尽。
Fig. 6

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图 6 海浪冲刷海底村庄遗址解译图 Fig. 6 Interpretation map of the fact that the seabed villages ruins were washed away by waves 图 6 海浪冲刷海底村庄遗址解译图 Fig. 6 Interpretation map of the fact that the seabed villages ruins were washed away by waves -->

4 结论通过卫星遥感影像解译东寨河古河道的形态特征，发现原东寨河岸线与现东寨港岸线相距甚远，变化较大，客观地展现了东寨港由古至今的变化。结合历史地图资料及野外实测数据，对遗址信息数字化后，从空间角度展现古遗址均匀分布在东寨河古河道两侧的特征。
东寨港海底村庄遗址处于陆海相互作用的前沿地带，不稳定的地质构造作为基础条件，遗址受潮汐、波浪、地表下沉及人类影响较为严重。以林市村附近的海底村庄遗址作为精细分析对象，研究海底村庄的现状及变化规律，结合无人机航测数据和野外实地考察发现，林市村附近的海底村庄遗址受地震断裂影响将继续下沉，且随着潮水涨落的冲刷，遗址中间部分已被冲刷殆尽，被冲刷掉的面积约为1 871.5 m²，占该处遗址总面积31.5%。
目前东寨港海底村庄遗址部分已经沉陷到海面以下或被冲刷殆尽，部分只有在退潮后才会露出，此项研究成果为如何保护海底村庄遗址提供了科学参考依据。建议将海底村庄遗址保护和科普教育观光旅游结合起来，建立考古遗址公园实现文物保护和生态环境保护的统一，为挖掘和发扬海上丝路的历史和文化提供范例。
基于卫星遥感和无人机航测的空间考古研究目前无法对每一处海底遗址进行全方位探测与分析，侧扫声纳是利用回声测深原理探测海底地貌和水下物体的设备，因此，作为以后的研究方向，侧扫声纳可能会被用于海底村庄遗址的研究。
感谢海南东寨港国家级自然保护区管理局在资料和人员方面提供的帮助；感谢东寨港林市村黄宏远先生提供的现场指导；感谢中国科学院遥感与数字地球研究所付碧宏、时丕龙老师的野外考察指导。
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