水下考古調查工具與調查策略

聯合國教育、科學與文化組織於水下文化遺產保護公約(UNESCO, 2001)附件 規則第4 條中，明確規範應以非侵入性、非破壞性方法執行水下文化遺產相關調 查，此一規定使地球物理探測技術成為現今全球水下考古調查的主流使用工具。

我國於2016 年發布水域開發利用前水下文化資產調查及處理辦法時，也比照 UNESCO 將此規定納入（參考前述辦法第 7 條）。

目前常見的地球物理調查工具有側掃聲納、多音束測深、磁力儀與地層剖面 儀等。由於不同儀器具有不同特性，調查中通常是以數種儀器相互配合施做，以 便後續資料分析成果可以交互比對。施做的概略順序或流程可參考圖1- 1，但仍 需依調查環境及目標物需求調整。

圖1- 1：水下考古調查現場作業流程。(臧振華 and 劉金源, 2009) 此流程僅供參考，實務上應依照需求斟酌增減調查項目。

因側掃聲納可以提供海床地貌的高解析測繪影像，非特殊情況下為調查的必 備項目。除了前述常見工具外，也可視情況增加調查項目，或以其他功能性相似

doi:10.6342/NTU202100344 Single beam echo sounder

多音束聲納測深儀 Multi-beam echo sounder

地層剖面儀 Sub-bottom profiler

側掃聲納 Sidescan sonar 合成孔徑聲納 Synthetic Aperture Sonar

(Ø degård et al., 2018) 磁力儀

Magnetometer 地電阻測勘法

Electrical Resistivity Tomography (Passaro, 2010) 空載光達

Airborne Light Detection And Ranging (LiDAR)

地質採樣

岩心採樣 Coring 海床沉積物採樣

水下驗證 水下攝錄影機

人力潛水

水下載具

水下無人載具

Remotely Operated Vehicles (ROVs) 水下自走式載具

Autonomous Unmanned Vehicles (AUVs) 載人潛艇

Human Operated Vehicles (HOVs)

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1.3.1 側掃聲納

側掃聲納是目前水下考古調查主要仰賴的調查工具。如同多數聲納系統的運 作原理，側掃聲納透過接收聲波的反射訊號進行探測。反射訊號的強弱會使影像 呈現亮部與暗部，接收回波的時間則代表反射位置與聲納的距離，藉此可以繪製 出如同黑白照片的影像。由於能夠清楚映照出水下地貌景觀，側掃聲納影像成為 尋找各種水下目標物的重要依據，在水下考古調查中能運用於搜索各類型裸露於 海（河）床上的物件。由於與目標物距離越近，接收到的回波也越強，側掃聲納 通常架設於拖魚上（圖1- 2 左），經由繫纜以後拖或底拖方式盡量貼近水底作 業。聲波發射器通常裝置於拖魚兩側，因此拖魚正下方為無訊號區域。側掃聲納 測繪原理及影像判釋說明可參考圖1- 3。

圖1- 2：側掃聲納拖魚及控制器。

左為EdgeTech 4200，右為 EdgeTech 701-DL 聲納控制器。

雖然側掃聲納可以獲得高解析地貌影像，使用上仍有其限制。因回波為被物 體反射的訊號，當反射面過小或過窄，就難以成像，亦即若聲波前進方向與長形 或條狀物體方向平行，通常無法形成可被辨識的影像。克服此問題的方法是對同 一目標物以不同方向測線重複施測，藉此獲得目標物較完整的外觀資訊。

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圖1- 3：側掃聲納測繪原理與影像判釋說明。(Plets et al., 2013)

側掃聲納的聲源裝置於拖魚兩側，因此影像會朝兩側延伸，而正下方則無訊號，如圖中11 標示位 置。聲源發出訊號後，接收器會先收到水層回波（圖中7），接著才是海底反射的第一筆訊號（圖

中10）。

1.3.2 聲納測距系統

聲納測距是水文調查技術的一種，以發出聲波並接收回波的方式測量水深。

在不考慮其他因素的情況下，深度（距離）＝水中聲速×聲波走時÷2，即是聲納 測距的基本原理。最早的測深聲納為單音束測深儀，利用單一音鼓做為聲源，發 出聲波再以接收器接收回波並紀錄。測量時當船行經單一位置，可以獲得的數值

（深度值）數量為1。現在若有高解析水下地形的需求，則較常使用多音束測深 系統（圖1- 5）。多音束測深系統的聲源為音鼓陣列，發出的聲波成扇形，其中包 含許多波束，於單一位置可以獲得的數值數量大於1。簡而言之，船行一段時間 後，單音束測深獲得的資料為一條線上的深度分布（圖1- 4），多音束測深則可以 獲得一個面的地形起伏資料。多音束測深系統除了多音束測深儀之外，還需配備 船身姿態感應單元、電羅經、水中聲速計或聲速剖面儀，並需架設潮位站紀錄潮

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位變化。由於測量的是水面到水底的距離，音鼓與接收器通常裝置於船的兩側或 船底，搭配船上的GPS 衛星定位系統，可以獲得包含精確位置資訊的地形資料，

也能彌補後拖或底拖式儀器定位不精確的問題。在水下考古調查中，多音束測深 系統也可以為規模夠大的目標提供3D 建模資料。

圖1- 4：單音束測深儀及測繪範例。

此為Simrad EA 400SP 單音束測深儀。

圖1- 5：多音束測深系統。

左為Reson Seabat 8125 音鼓，右為同型號主機。

雖然多音束測深系統能獲得解析度較佳的資料，但並非在所有情況下皆適 用。由於發射的聲波束寬與距離成正比，在近岸或深度較淺的區域，多音束測深 系統能獲得的資料與單音束測深儀差異不大。多音束測深系統的解析度越高，通 常也代表儀器的體積越大，因此在近岸或深度較淺區域觸底損壞的風險越高。另 外，雖然船速越慢可以獲得越精細的資料，但在開放水域作業時，須考量風浪、

海流等許多環境影響因素，船速過慢會導致船身姿態不穩定，進而造成嚴重的資

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料誤差。由於解析度受前述因素限制，公分級以下的目標物幾乎無法於測深資料 上被辨識。

1.3.3 地層剖面儀

震波測勘是地層探測常用的方法之一。由於震波傳遞速度或路徑會受地層岩 石性質影響，部分震波可繼續穿透地層前進，另一部分則經反射或折射後回到地 表，震波測勘便利用此特性，透過接收震波回波並分析波中夾帶的屬性資訊（振 幅、相位、頻率、走時、速度等）來建構地表下的地質構造樣態，並繪製成地層 剖面影像。震波測勘依接收的回波形式，分為折射震測與反射震測，其中反射震 測較常被用於調查地下構造。使用反射震測法的技術種類相當多，主要差異在於 發出的震波頻率不同，被稱為地層剖面儀的測勘技術屬於其中較高頻的種類，具 有穿透力較低但解析度較高的特性，適合淺層至近地表深度的地下構造探測。地 層剖面儀依聲源形式及震波頻率不同，又可分為回聲探測儀(Pinger)、單響爆炸器 (Boomer)（圖 1- 7）及變頻聲納(Chirp)（圖 1- 6）。Pinger 的聲源為音鼓，放出的 震波頻率較高、頻寬窄，對小於100 公尺深度地層具有極佳的解析能力。Boomer 的聲源為感應線圈與金屬板，其頻率相對較低，但由於波長較長，可穿透深度也 較深。Chirp 的聲源為音鼓，由於放出的震波為一串線性調頻訊號，可探測深度 範圍較廣，是目前水下考古調查較常採用的探測技術。地層剖面儀通常以繫纜後 拖於船尾，並以助沉器限制於某一深度範圍施測。在水下考古調查中，地層剖面 儀多用於搜索可能被淺埋的目標物。

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圖1- 6：變頻聲納主機及拖魚。

此為EdgeTech 3100 變頻式震測儀，搭配 SB-216S、SB424 拖魚。

圖1- 7：單響爆炸器。

上左為震源，上右為Octopus 360+震測收集系統，下為受波電纜。

雖然地層剖面儀可以輔助調查被掩埋物件（圖1- 8），但其限制相較其他探測 技術更為嚴苛。由於原本設計用途是探測地下構造，為了具備一定程度的穿透能 力，即使是Pinger 的頻率也非常低，對相比地質構造小上許多的人造物件，辨識 能力通常不佳。再者，構成人造物件的材質，其反射訊號通常難以和周遭環境的

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反射訊號有所區隔，因此很難單獨利用地層剖面儀成功進行人造目標物探測。地 層剖面儀在水下考古調查中，通常配合磁力儀同時或以相同測線作業，一旦磁力 調查中出現異常訊號，便可與地層剖面調查結果交叉比對。

圖1- 8：德國 The Haithabu Wreck 的地層剖面影像。(Gregory and Manders, 2015) 此為相當清楚的地層剖面影像特例。Haithabu 為德文寫法，丹麥文寫為 Hedeby，當地由於擁有豐

富的維京文化遺跡，被UNESCO 列為世界文化遺產。

1.3.4 海洋磁力儀

磁力調查的前提是被探測對象的磁性與周遭環境有差異，具備能造成磁場變 化的特性，且變化程度能被磁力儀探知，亦即只有具備鐵磁性的物件才能透過磁 力調查搜索。磁力儀的種類很多，其中常用於水域調查的是歐氏效應磁力儀 (Overhauser magnetometer)（圖 1- 9），透過使質子強烈磁化並繞磁場旋進運動，

進而測量其旋進頻率來測量磁場強度。藉由磁力儀獲得的資料為全磁場強度，全 磁場強度值除了目標造成的磁力異常，也包含國際地磁參考場(International Geomagnetic Reference Field, IGRF)、高度與緯度造成的影響、日變化影響等，需 經過修正才能獲得真正的磁力異常值。在水下考古調查中，磁力調查的目標物通 常是近代沉船或其他載具、設備殘骸、未爆彈等。

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圖1- 9：海洋磁力儀拖魚。

此為Geometric G882 Cesium 型海洋磁力儀。

由於磁力調查僅能搜索具鐵磁性材質物件，而鐵器或含鐵物件出現在海上的 歷史並不長，因此能被磁力儀找到的物件通常不具備歷史或考古價值，甚至經常 出現海洋廢棄物。另一方面，磁場變異量會受儀器與磁體距離、磁體本身的重量 等因素影響，在不確定目標物物理特徵的狀況下，磁力調查的成果相當有限。

1.3.5 其他種類探測技術

除了前述幾種目前在水下考古調查中普遍使用的搜索工具，為了彌補現行調 查方法的不足，一些尚未普及的探測技術也在逐步發展中。

空載光達(Airborne Light Detection And Ranging, LiDAR)是利用雷射測距探測 水下物體的技術，在水體濁度低的環境下也能用於測量水深。由於光達是從空中 施測，具有不受海流與潮汐影響的優點，在近岸或淺水區也沒有觸底風險，可以

空載光達(Airborne Light Detection And Ranging, LiDAR)是利用雷射測距探測 水下物體的技術，在水體濁度低的環境下也能用於測量水深。由於光達是從空中 施測，具有不受海流與潮汐影響的優點，在近岸或淺水區也沒有觸底風險，可以