法医人类学家在现场调查时曾借助寻尸犬来寻找掩埋的尸体遗骸, 考古学家也通过使用探铲来探测地下遗址或墓葬的位置, 这些方法在了解地下埋藏的过程中都发挥着重要的作用。本文在这里要介绍一种更为科学可靠的方法— — 地球物理探测, 它可以通过探测地下土壤或沉积物中物理或化学性质的变化来确定地下遗骸或墓葬的位置^[1]。

GPR是物探技术中用于搜寻和定位地下埋藏物的最有力的工具, 它的工作原理为通过可移动的雷达天线向地下不断地发射电磁波, 电磁波在地下介质中传播时由于接触到存在电性差异的分界面而发生反射。GPR能够根据接收到的反射波振幅的大小、波形的变化以及反射回的时间差来推断地下物体的形态、埋藏深度和空间位置, 绘制出地下埋藏情况的三维立体图, 为进一步地发掘和研究提供了详实的数据参考。

电磁波的传播路径很容易受到介质不连续性的影响, 包括土壤致密度的变化、所含矿物的不同、沉积物大小的差异、缝隙空间以及相关人工制品的类型和集中程度等。在地下, 相邻两种介质间的电磁性差异越大, 反射回地面的电磁波就会越强。GPR探测的成功与否很大程度上也取决于土壤和沉积物的矿物质成分、黏粒含量、埋藏深度、地面湿度、地形地貌和表土类型等客观因素。一般来说, 干燥、均匀、低导电性的土壤沉积层更容易传递电磁波, 比如干燥的沙土便是极佳的传递介质。

电磁波在地下的传播深度主要是由频率的高低决定, GPR能够发射的电磁波频率从10 MHz到1000 MHz不等。低频率（10~120 MHz）电磁波在土壤或沉积物中的传播深度能达到50 m, 可以用来探测埋藏较深、体积较大的物体; 高频率电磁波的情况相反, 比如900 MHz电磁波的最大传播深度不超过1 m, 但是能够探测到最大直径只有十几厘米的小型物体。而雷达数据成像的分辨率和清晰度与电磁波的频率高低呈正比, 电磁波的频率越高成像效果越好, 反之则越差。在现场应用中, 对GPR发射频率的选择必须综合考虑探测深度和成像效果, 尽可能用较高的电磁波频率以获得最佳的成像效果, 但同时还要确保电磁波传递的深度足够探测到埋藏物。在法医现场调查中, 采用的频率范围最适宜在400~500 MHz之间^[2]。

GPR数据的采集是通过地面上的雷达天线向地下发射无线电磁波后, 收集经由地下埋藏物反射回的电磁波信息而实现的。最有效的GPR数据采集方法是在调查区域内划分单元网格, 再基于探测区域范围的大小、地下的土壤条件以及预计的探测时间等, 把各个单元网格内的探测区域再分为宽度在0.25~1 m不等的数条试验带, 在每条试验带上探测和记录地下埋藏物体的反射情况。通常GPR记录系统会被设置固定的信息收集频率, 比如沿着试验带每移动5 cm收集一次。当收集到的反射信息沿着一条切线堆砌整合以后, 一个反射剖面就产生了, 而将一个探测网格内所有试验带上的反射剖面数据信息整合在一起的时候就能够建造三维立体反射图像, 直观地显示地下埋藏物的具体位置, 具有人工探测所不可比拟的优越性。

GPR探测技术在国外的研发和投入使用工作开展较早, 有着一条清晰的发展轨迹, 广泛应用于军事调查、考古发掘、法医实践以及公共服务等方面, 其发展历史大致可以分为以下三个阶段：

第一阶段：GPR探测技术应用的萌芽和起步阶段。

十九世纪二十年代, 雷达被首次用来探测冰川的厚度, 这是雷达探地功能的最早使用^[3]。然而在随后的很长一段时间里, 雷达的探地功能几乎被遗忘了。直到五十年代末, 当美国空军飞机在飞越格陵兰岛时, 飞机发射的用来探测飞行高度的雷达电磁波穿透了冰盖, 把探测到的冰层覆盖下的基岩表面当做了地面, 从而导致许多起飞机撞击冰盖事故的发生, 这极大地刺激了美国当局对探地雷达的研发。1967年, 在发射载人装置之前, 美国国家航空航天局（NASA）制造出第一个GPR系统的原型, 并将它发射到月球上, 用于探测地表情况。当时探测设备的研发和投入使用主要是在政府的主导下进行。1976年, 在美国新墨西哥查科峡谷（Chaco Canyon）, GPR第一次被用于定位墓葬。紧接着在七八十年代, GPR被成功地运用于探测掩埋的墙体、房基以及其他的考古遗存^[4]。这是GPR探测技术被运用于科学研究的开始, 也为以后的推广使用奠定了基础。

GPR在早期的成功应用主要是因为探测对象的埋藏环境比较利于雷达能量的传播, 使得电磁波的渗透更加充分彻底, 获得的反射数据也更易解读。

第二阶段：GPR探测技术的推广使用阶段。

早在1992年, GPR就被某些国家和地区的军队和执法部门所使用, 同时也开始被应用到真实的法医案件调查之中^[5]。Reynolds阐释了GPR的工作原理, 并且描述了美军在越战中如何使用GPR定位越共地下隧道的位置^[6]。Strongman用5岁大的熊的尸体做研究对象, 进行了一系列控制埋藏环境的研究[7]。Miller沿用Strongman的方法, 他除了对个案开展研究外, 还对整个大的埋藏环境进行了评估测试, 并且对1996年以来GPR的应用发展做了总结综述^[8]。这一时期, 考古学家还用GPR技术成功定位了日本古坟时代的墓葬, 完成了对埃及金字塔内部结构的探测以及对南美洲泥墙居址的探查^[9]。这些尝试都从实践上证明了GPR技术在现场调查研究中的重要性和必要性。

此时的GPR探测技术开始服务于军队和执法部门, 在真实的法医现场调查中也有不俗的表现, 有学者开始对这项技术进行专门的研究探讨, GPR技术应用更趋于系统化和规范化, 也越来越多地被大众和学术界所认可和接受。

第三阶段：GPR探测技术的发展和完善阶段。

2000年以来, 由于其他物探技术的进步, 比如电阻法和磁力测定等, 引发了GPR和其他探测设备性能优劣的探讨^[10]。研发者被迫不断地改良GPR的探测性能, 使得早期GPR自身存在的一些问题得到了解决。如为了确保在嘈杂的城市环境中GPR探测的顺利进行, 研发者设计出了防干扰雷达天线; GPR发射电磁波的频率范围也从25 MHz扩大到了2000 MHz, 使得调查对象的范围得到了极大的拓展, 大到墙体、路基、壕沟、隧道以及乱葬岗, 小到尺寸以厘米计量的物体, 比如树胶炸弹、墙体裂缝甚至婴儿遗骸等。

由于探测技术和方法的革新、便携式计算机的投入使用以及数据记录器性能的改进, 使得GPR的探测能力得到了大幅提升。与此同时, 随着后期二维模拟和三维重建技术的应用, 计算机处理雷达反射信息的能力取得了极大的延伸, 促使埋藏物体的三维可视化得以现实^[11]。

GPR在法医环境下的应用最早是从埋藏学实验开始的, 研究者们将猪的尸体埋藏于地下, 模拟不同的埋藏环境进行监测, 确定最佳的电磁波发射频率, 以解决GPR探测在不同现场环境下的适用性问题（图1）。

图1

Fig.1

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	图1 赤裸猪尸、空穴和被包裹猪尸在沙质土壤中的探测成像[12]Fig.1 Imaging by detection of the cadaver of a naked pig, empty grave and the cadaver of one wrapped pig[12]

在埋藏学实验中, 之所以用猪的尸体来代替人, 是因为猪尸在埋藏环境中的腐烂分解过程与人的最接近^[13]。美国法医人类学家Schultz在弗罗里达用GPR来监测12具猪尸, 其中6具被埋藏于0.5~0.6 m深的沙质土壤中, 其余6具被埋藏于1.0~1.1 m深的黏性土壤里。1~2年之后发掘出来, 将尸体的实际腐烂程度与GPR探测成像的结果作对比。结果证明, 埋藏在沙质土壤中的尸体在21.5个月之后也能够被很容易地探测到, 即使已经只剩下骨骼; 相反, 对埋藏在黏性土壤中仅1年的尸体进行探测成像就比较困难, 尽管尸体上仍然保留着大量的软组织^[14]。

埋藏学实验使得在复杂多变的埋藏环境中选择最佳的探测方案成为可能, 对于推进真实的法医现场调查工作具有重要意义。Schultz在他的另一项研究中对8个墓穴进行了监测, 其中2个是一深一浅的空穴, 其余6个埋有猪尸, 为了代表不同的法医埋藏环境, 它们分别被浅埋在土壤中、深埋在土壤中、深埋在岩石下、深埋在石灰岩下、捆在油布里深埋、捆在棉毯中深埋。在为期12个月的探测期内, 多频率的GPR探测数据每隔1个月被搜集一次, 通过比较不同埋藏环境下探测成像的差异, 来确定最佳的电磁波发射频率^[15]。Jervis和Pringle分别对有衣物包裹的猪尸和赤裸的猪尸进行为了期五年的监测, 注意到地下土壤或沉积物中电阻率的季节性波动能够使与地下埋藏有关的异常反射不易被察觉, 尤其是在夏季^[16]。

在刑事调查中效率至关重要, 很早以前法医学专家就开始尝试使用GPR辅助刑事探测, 以节省调查时间, 其间自然也经历了很多次失败。1983年, Gregg在维罗海滩附近运用GPR探测寻找一个6岁男孩的尸体, 但以失败告终; Collins在媒体和受害者家人的现场关注下也未能找到被谋杀掩埋的12岁男孩的尸体^[17]。但随着探测经验的积累和技术的改进, GPR在法医现场调查中的成功率越来越高, 优势也越来越突显。Calkin在受害者被报失踪的13个月后, 用GPR在其居住房子的地下室下面0.75m深的位置探测到了受害者的遗骸^[18]; Mellett记述了GPR在0.5m深的位置成功地定位到8年前一起谋杀案中受害者的遗骸^[19]; 此外, 在2001年北欧的两次雪崩事故中, GPR还成功搜寻出了5名遇难者的遗骸^[20]。

GPR在法医现场调查中的优势表现在多个方面, 其非侵入性、无损的探测性能使其能够在不破坏地面原貌的前提下进行探测, 最大限度地保护了现场, 同时也避免了地面重修带来的额外工作量; 多元化和适应性强的工作特点使其能够在水面、山地等许多非传统环境下进行探测, 拓展了法医现场调查的工作范围; 实时显示数据资料的性能使其能够在埋藏现场就对埋藏物的深度位置进行判断, 而无需进行过多的后续处理, 极大地方便了野外调查工作的快速开展; 装配运输简单、便于操作的优势, 提高了野外工作的效率, 能够节省更多的时间和劳动力。近年来, GPR凭借其独特的优势, 已经成为国外法医现场调查中必不可少的探测工具, 在寻找掩埋的遗骸或其他法医证据的过程中发挥着越来越突出的作用, 对我国法医现场调查工作有着重要的参考价值和借鉴意义。