科技考古丨利用高频探地雷达技术对大同得胜堡土城墙进行无损检测，为土遗址保护修复效果评估提供科学依据

得胜堡位于山西省大同市新荣区堡子湾乡，是明代长城大同镇重要关隘。得胜堡修筑于嘉靖二十八年（1548年），先为土筑万历二年（1574年）包砖。经历长期环境作用和人为破坏，部分墙面和墙体已出现裂缝、分层、空鼓及墙皮脱落等病害。当地文旅局分别使用土坯砖垒砌法和传统的逐层夯筑法对典型区域试点进行了修缮。对文物的修复首先要满足干预最小化、修复可逆性、修复材料兼容性和修复可辨识性等基本原则，此外，材料的选择与应用将直接影响到修复效果。因此，寻求一种操作简单、结果可靠、且对得胜堡遗址无损伤的修复性能检测，即墙体内部密实程度和稳定性评估的技术显得尤为重要。

探地雷达（ground penetrating radar，GPR）作为一种常规的无损检测方法，具有快速、无损、操作简便、在深度方向上分辨率较高、不易受外部环境干扰等优点，已在考古发掘、矿产资源勘查、公路质量检测、管线探测等领域得到了广泛应用。

1904年，Christian Hülsmeyer基于无线电波回声探测原理发明了电动镜（telemobiloscope），对能见度较差的水域进行交通监控，进而可实现海上船舶相撞预防等潜在商业应用。1975年，Vicker研究组首次将探地雷达应用于考古探测，分别对墨西哥州查科峡谷的三个测区进行了探测。其他文物研究科学家陆续使用探地雷达进行考古勘察，如Sternberg等对美国亚利桑那州南部进行了考古研究，Whiting等对巴巴多斯岛史前遗址进行了勘察，Poreba等对波兰Karmanowice地区新石器时代区域进行了调查，Thomas等对以色列下加利利的铜石时代遗址Marj Rabba进行了探地雷达调查。国内探地雷达的研究始于19世纪70年代初，自19世纪80年代开始引进国外探地雷达技术及设备，19世纪90年代以来，探地雷达得到了广泛的应用和研究。2000年后，探地雷达也被用于文物领域的无损检测研究，如姚萌等对古墓遗址的探地雷达探测，祝炜平等对杭州雷峰塔遗址地下遥感考古研究，梅宝等利用探地雷达技术在云冈石窟修复中的监控应用，王亮等将探地雷达用于金沙遗址的考古探测，林金鑫等对邺城遗址探地雷达考古调查研究，赵文柯等应用探地雷达对北庭故城古建筑基址、良渚古遗址和南诏城墙古遗址分别进行了探测并得到了较好的结果。方云等对北庭故城古建筑基址和奉先寺进行了勘查。

由于探地雷达探测速度快、探测过程连续、分辨率高、操作方便灵活，因此也可被应用于古城墙墙体内部病害的检测。本研究利用高频探地雷达探测了不同材料和方法修缮后城墙的内部结构，并与未修缮的古城墙进行对比，分析了三个测区的探地雷达图像差异，进而对其修缮效果进行客观评价，为古城墙的修缮工作提供资料和技术参考。

探地雷达是利用天线发射和接收高频电磁波来探测介质内部物质特性和分布规律的一种地球物理方法。探地雷达通过发射天线向被测目标体发射高频脉冲电磁波，接收天线接收反射电磁波，电磁波在墙内介质中传播，遇到存在电磁差异的界面时发生反射，脉冲波行程时间，可根据接收到的电磁波波形、振幅强度和时间的变化特征，推断出墙内介质的空间位置，结构形态以及深度。（见图1）

对墙体采用高频电磁波进行测量。根据电磁波传播理论，高频电磁波在介质中的传播服从麦克斯韦方程组，即

式中：ρ为电荷密度，C/m³；J为电流密度，A/m²；E为电场强度，V/m；D为电位移，C/m²；B为磁感应强度，T；H为磁场强度，A/m。

式（1）为微分形式的法拉第电磁感应定律，式（2）为安培电流环路定律，其中由麦克斯韦引入的一项为位移电流密度J_d，即

探地雷达所发射的脉冲电磁波，传播中遇到存在电磁差异界面时发生反射，其脉冲波行程时间为：

式中：t为电磁波的双程行程时间；z为目的体的埋深；x为天线距；v为电磁波在介质中的传播速度。

墙体内的介质不同，对应的电阻率、介电常数、磁导率等有较大的差异。对于城墙而言，岩石、土是主要组成部分，相对介电常数在4～7的范围内。土的成分、结构等更加复杂，土的含水量与介电常数关系很大，其表达式见式（7）。

式中：下标m、w和a分别为土骨质、水和空气；S_w为含水饱和度；∅为除土壤固体以外的成分含量。

探地雷达中的天线的基本功能是能量转换和辐射。其中，天线的效率由式（8）确定。

式中：P_d为损耗功率；P_Σ为天线辐射的功率；P_in为进入天线的功率。

天线输入阻抗是指天线馈电点呈现的阻抗值，它直接决定了和馈电系统之间的匹配状态，从而影响反馈到天线上的功率及馈电系统效率。输入阻抗Z_in与输入电压U_in和电流I_in的关系为

式中：R_in为输入电阻；X_in为输入电抗。注意，输入阻抗应等于输入电流I_in=I₀的辐射阻抗，其实部为R_in=R_Σ。

所以，通过探地雷达数据中的振幅类异常反映地下介质横向变化特征，而频率衰减变化来确定目标体与周围介质的物性差异，相位差异可确定介质分层以及异常体的接触边缘变化。基于探地雷达这些优良的特性，本研究利用较高分辨率为10ps，探测天线频率为1600MHz的探地雷达，采用剖面法对得胜堡古城墙进行测量，获得城墙体内部的异常情况，进而对修复效果进行表征。其他主要技术参数见表1。

得胜堡长城的城墙体主要由黄土夯筑而成，由于夯土城墙的坚固程度较差，很容易受到风、雨等自然侵害。为了更好地评估对古城墙的修复效果，选择了具有代表性的三段城墙体进行探地雷达检测，测线大致沿古城墙的走向东西方向布设。具体测线布置情况如下：

第一测区如图2（a）所示，选定宽1.7m、长5m的长方形区域，自下而上横向布置十条测线，各测线间距均为17cm。该测区的修缮方法是土坯砖垒砌法，即利用当地精土制作土坯砖，对表面进行夯土填补后用，再使用当地的精土泥进行粘接。第二测区如图2（b）所示，选定宽1.36m、长4.5m的长方形区域，自下而上横向布置八条测线，各测线间距均为17cm。该测区的修缮方法是仿照传统工艺的逐层夯筑法。即在原夯土层上，采用灰土进行逐层补夯，其中补夯所用灰土是由当地的块状生石灰磨细得到的白灰与精泥土以2:8的比例拌和而成。第三测区如图2（c）所示，选定宽1.36m，长2.5m的长方形区域，自下而上横向布置八条测线，各测线间距均为17cm；该测区为未经修缮但保存良好的一段古城墙墙体。

进行城墙体雷达无损检测过程为：利用小滑轮将收发一体的高频天线沿城墙体所布测线往返多次缓慢移动，覆盖测区的所有测点，以获得城墙体内部分布的高分辨率雷达图像。

图3为得胜堡古城墙第一测区其中4条测线的探地雷达图像，图3（a）−3（d）分别对应第1、第4、第7和第10条测线的探地雷达图像。总体看第一测区各测线对应浅层部分都有三层清晰的强反射雷达异常，且与周围土存在明显的性质差异，这对应土坯砖垒砌法中精土制作的三层土坯砖。每一层是表面夯土填补后的土坯砖，由于压制密实多块土坯砖逐层排列垒砌的修复工艺，在雷达图像上表现为紧密的近乎各向同性介质，振幅几乎无变化，出现明显的分层现象。各层振幅较强的异常间多组连续的反射同向轴，则对应精土泥进行粘接土坯砖的修复工艺。但随着深度的加深，土坯砖的连续性越来越差，且界面也变得越来越模糊。表现为雷达图像剖面中出现的由湿砂土和水饱和砂土介电常数差异引起的纵向连续强反射轴，研判为主要由毛细水引起的裂隙、酥碱等病害。

如图3（a）所示，为该测区离地面最高的第1条测线雷达图像。在深度较浅范围反射层整体波形连续性都比较好，表明了土坯砖垒砌层的完整性，即使在振幅特征不明显的地方，依然有着一致的波形连续性，这一连续性位置可表征砖层之间的间隔，即说明虽然这一测区的土坯砖完整，但波阻抗界面在前后两层砖之间存在差异，这对应于层层垒砌前对土坯砖表面进行夯土填补工艺的界面，而且可清晰看到每层砖的间隔。可由雷达电磁波信号得到在0.02m、0.06m、0.09m、0.12m、0.16m、0.18m、0.21m、0.24m、0.27m处产生分界，据此可划分0~0.02m、0.02~0.09m、0.09~0.12m、0.12~0.16m、0.16~0.18m、0.18~0.21m、0.21~0.24m和0.24~0.27m共8个土坯砖垒砌层，土坯砖厚度约为0.03m。但随着深度的加深，土坯砖的连续性变差，界面也变得越来越模糊。表现为雷达图像剖面中0.09~0.27m处出现的由湿砂土和水饱和砂土介电常数差异所引起的纵向连续强反射轴，研判为主要由毛细水引起的裂隙、酥碱等病害。

由图3（b）−3（d）还可见，与第1测线的图3（a）雷达剖面图像类似，均可看到浅层较清晰的土坯砖层及净土泥层，但较深部分，由于毛细水等的作用使得城墙体内的土坯砖砖体松散，电导率发生变化，与精土泥间的界面变得越来越模糊，且随着高度的降低，即由图3（a）到图3（d）劣化情况越来越严重，特别是接近地面的第7和第10条测线的雷达图像在深度0.09~0.27m范围间已无法辨别出土坯砖层。

为了更好地分析城墙浅层随着古城墙体高度变化的修复效果，选取从低到高所测10条测线的探地雷达图像中分别截取了深度范围为0~0.4m的图像进行对比分析，如图4所示。随着高度的降低，雷达图像上对应表面夯土层下0.09~0.27m范围内呈现强弱相间、不连续、平行的条带状反射轴逐渐增多，这是由毛细水、自然降水渗入所引起的细小裂隙、土坯砖裂缝等所致。而且，相比浅层的三层连续土坯砖层，可识别的较深部位的第四、五、六层土坯砖层间每块土坯砖间已变得不连续，出现了间隙，清晰可见变松散的各块土坯砖。

图5为得胜堡古城墙第二测区其中4条测线的探地雷达图像，图5（a）−5（d）分别对应第2、第4、第6和第8条测线的探地雷达图像。由四幅图像清晰可见分层界面，且层与层之间大部分表现均匀，偶尔出现双曲线特征。这些特点对应逐层夯筑法中，在原夯土层上逐层补夯压制密实的良好性能表现为雷达图像的均匀性，夯筑结束后，对外侧的拍土表现为间隔基本相同的夯筑层厚度。可由雷达反射波信号读出0.02m、0.04m、0.06m、0.08m、0.10m等分界值，进而推断出约0.02m的夯筑层厚度。此外，夯土原材料中可能混入的小石子表现为雷达图像中的双曲线特征。

同样，为了更好地分析城墙浅层夯筑随城墙体高度变化的修复效果，选取从低到高所测8条测线的探地雷达图像，并从中分别截取了深度范围为0~0.4m的图像进行对比分析，如图6所示。随着高度的降低，雷达图像的变化趋势基本相同，小石子引起的尖锐异常并无规律可循，且无明显的雨水侵入而产生裂隙的异常现象，说明该密实的夯筑修补方法可有效加固城墙体，对于城墙的长久保存具有明显的作用。

图7为得胜堡古城墙第三测区随机选取4条测线的探地雷达图像，图7（a）-7（d）分别对应第2、第4、第6和第8条测线的探地雷达图像。比较四幅图像，发现这段古城墙体内部保持得非常好，逐层夯筑的界面清晰，且内部基本无明显异常，清晰可见分层夯筑技术所对应的分层界面，整个剖面基本无明显异常。而且由分界面深度数值0.02m、0.04m、0.06m、0.08m等可断定当时夯筑层的厚度为0.02m。此外，由图8所示的深度范围0~0.4m间第三测区不同高度的浅层雷达图像对比图可见，深度为0.08m~0.28m间出现了夯层的不连续，但基本无明显其他异常现象。

总体比较城墙体三个测区的雷达图像可见，第一测区土坯砖垒砌法相较第二测区和第三测区的逐层夯筑工艺更容易产生病害，如雷达图像上所呈现的强弱相间、不连续、平行的条带状反射轴所对应的每块土坯砖间的间隙为裂隙、空鼓、动植物病害等提供场所；雷达图像剖面中纵向连续强反射轴所对应的与地面较近的低层墙体所受毛细水等的侵袭及酥碱等病害。而逐层夯筑压制密实的工艺确保每层夯筑层连续性很好，无明显病害，对应雷达图像均匀，基本无异常现象，该方法可有效防治裂隙、空鼓、毛细现象及动植物等病害。所以，传统逐层夯筑工艺更适宜于古城墙的修复。

利用探地雷达无损检测技术分别对得胜堡长城中使用不同修复方式的墙体及未修复墙体进行了检测，获得以下结论：

（1）由雷达剖面图可有效识别修复工艺，获得土坯砖厚度、夯筑层厚度等主要参数。两种修复方式对成墙体的致密性、完整性等均有明显的改善，其中传统工艺逐层夯筑城墙方式较好，在防治病害方面表现更为突出。

（2）采用土坯砖垒砌法修缮的城墙虽然在一定程度上起到了保护的作用，但由于土坯砖间连接的不密实而埋下隐患，容易为毛细水、自然降水、植物和动物等提供产生裂隙、空鼓、生物等病害的条件，对城墙的长久保存效果不是最好。

（3）探地雷达方法对城墙的病害检测和修复性能评估是可行和高效的。探地雷达这一快速、无损、高精度、操作简便的技术在古城墙检测方面的应用将会得到进一步发展，成为古城墙无损探测的重要手段，为古城墙的修复和养护工程提供科学依据。