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- 傳感器等技術(shù)成功應(yīng)用于文物出土現(xiàn)場保護移動實驗室研發(fā)
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2010/12/1
主要完成單位：敦煌研究院 國家博物館 中國社會科學(xué)院考古研究所 清華大學(xué)
主要完成人：蘇伯民 鐵付德 范宇權(quán) 王學(xué)榮 劉建國 武 顥 王旭東 張文元 胥 谞
“文物出土現(xiàn)場保護移動實驗室”， 結(jié)合考古現(xiàn)場的實際需求，提出了科學(xué)試驗室前移現(xiàn)場并服務(wù)于考古發(fā)掘、信息提取和應(yīng)急保護的理念，通過設(shè)備集成、裝備研制、軟件開發(fā)和標準研制，研制完成了我國首個文物出土現(xiàn)場具有綜合功能的技術(shù)支撐平臺；集成現(xiàn)代智能控制、傳感器和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，研制出我國首臺考古發(fā)掘現(xiàn)場智能預(yù)探測系統(tǒng)；解決了不擾動情況下探測系統(tǒng)進入墓葬的難點，首次實現(xiàn)了發(fā)掘前對墓葬內(nèi)部結(jié)構(gòu)、溫濕度、氣體等數(shù)據(jù)的采集和傳輸，使科學(xué)考古發(fā)掘預(yù)案制定、通過對古代墓葬環(huán)境規(guī)律的探測研究館藏文物保存最佳環(huán)境成為可能；首次提出了文物出土現(xiàn)場的技術(shù)標準，研發(fā)、集成現(xiàn)場應(yīng)急、保護系列工具包。該項目不斷拓展，取得了多項創(chuàng)新成果，標志我國考古現(xiàn)場保護科技水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，促進了社會科學(xué)和自然科學(xué)的結(jié)合。
新的保護理念 科學(xué)實驗室前移至考古現(xiàn)場
文物出土現(xiàn)場記錄、信息提取以及脆弱文物的保護長期以來一直是影響考古發(fā)掘工作質(zhì)量的重要技術(shù)內(nèi)容，也直接關(guān)系到考古工作研究和文物后續(xù)保護工作的科學(xué)性和質(zhì)量。在我國，由于文物出土現(xiàn)場保護裝備缺乏、技術(shù)介入程度不足，造成考古發(fā)掘和現(xiàn)場保護的脫節(jié)，考古現(xiàn)場記錄方式不規(guī)范、導(dǎo)致珍貴考古信息丟失和有價值的文物信息提取不全。尤為嚴重的是，由于一些珍貴脆弱的文物在現(xiàn)場得不到及時的保護，常常導(dǎo)致現(xiàn)場文物一經(jīng)發(fā)掘出土即遭毀損的現(xiàn)象發(fā)生，或者是現(xiàn)場雖然可進行一定的處理，然而由于方法簡單、程序不全，反而對發(fā)掘出土文物的后續(xù)保護造成更大的困難。
考古發(fā)掘具有發(fā)現(xiàn)文物和保護文物同時并行的特點，加大科學(xué)技術(shù)和裝備的運用，是保證考古發(fā)掘工作水平和文物保護的重要前提�！笆晃濉蔽幕z產(chǎn)保護國家科技支撐計劃“文物出土現(xiàn)場移動實驗室研發(fā)”項目組基于此提出了將實驗室建到文物出土現(xiàn)場的想法，以便將有綜合效能的快速的專業(yè)化技術(shù)裝備和專業(yè)人員派向現(xiàn)場，不僅為制定考古發(fā)掘預(yù)案、考古現(xiàn)場信息的全方位記錄提供技術(shù)設(shè)備保障，更重要的是使出土文物在第一時間能得到及時有效的保護。美好的想法需要科學(xué)的研究作支撐。由考古、保護、高校等單位組成的項目組經(jīng)過多次思想的交流和碰撞，針對文物出土現(xiàn)場保護信息采集、現(xiàn)場脆弱文物保護、現(xiàn)場文物分析與環(huán)境監(jiān)測等亟須解決的問題，制定了切實可行的目標和技術(shù)路線：通過對調(diào)查技術(shù)和信息提取、分析檢測、保護等專用設(shè)備的適用性研究，研發(fā)考古智能化預(yù)探測設(shè)備，開展出土文物的應(yīng)急處理技術(shù)研究，完成具備現(xiàn)場勘查、測繪、記錄、環(huán)境快速分析、現(xiàn)場信息實時傳輸以及對出土脆弱文物的現(xiàn)場保護等功能的技術(shù)集成，制定文物出土現(xiàn)場保護規(guī)范與技術(shù)標準，完成移動實驗室的設(shè)計，形成完整的文物出土現(xiàn)場技術(shù)保護體系。為制定考古發(fā)掘預(yù)案、應(yīng)急突發(fā)事件、環(huán)境惡劣地區(qū)的文物保護提供一個便捷快速的集成系統(tǒng)，全面提升大遺址現(xiàn)場保護的整體水平。
新的技術(shù)與裝備 構(gòu)成實驗室完整的系統(tǒng)工程
文物出土現(xiàn)場保護移動實驗室的研發(fā)是一個系統(tǒng)工程，通過3年的時間，項目組完成了文物出土現(xiàn)場空間信息采集，智能預(yù)探測系統(tǒng)，應(yīng)急處置與保護，環(huán)境設(shè)備集成與分析設(shè)備集成，運載平臺選型、空間設(shè)計以及裝配制造等專題的研究，對文物出土現(xiàn)場所需技術(shù)和技術(shù)包的準確定位和試制、適宜現(xiàn)場分析的儀器的選型和配套、儀器裝備性能發(fā)揮與長距離作業(yè)的關(guān)系、儀器的技術(shù)指標和改進、交通、通訊、分析、保護和數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍O(shè)備的集成和整合等。
空間信息采集 是以3S集成技術(shù)為前提而實現(xiàn)的。GPS全球衛(wèi)星移動定位技術(shù)導(dǎo)航，對移動實驗室進行全天候、不間斷、高精度定位，對手持設(shè)備進行定位跟蹤和半雙工語音通訊。GIS地理信息系統(tǒng)作為對被跟蹤對象位置軌跡的顯示和監(jiān)測手段。采用航空攝影（模型飛機搭載小型攝影設(shè)備）和常規(guī)測量方式（如全站儀）等測量設(shè)備對考古工作區(qū)域空間信息進行采集，通過地理信息系統(tǒng)（GIS）對信息進行處理，將信息存儲到空間數(shù)據(jù)庫中。通過考古現(xiàn)場地理信息系統(tǒng)將GPS、RS和GIS技術(shù)集成，實現(xiàn)考古工作的信息化。建立考古現(xiàn)場三維模擬環(huán)境，實現(xiàn)考古現(xiàn)場的三維模擬。在計算機上實現(xiàn)全方位的考古現(xiàn)場情況察看，再現(xiàn)考古現(xiàn)場環(huán)境。在3S系統(tǒng)中，GIS技術(shù)是本專題研究的核心，是實現(xiàn)空間信息技術(shù)集成的關(guān)鍵組成部分，由于現(xiàn)有的GIS軟件并不適合田野考古發(fā)掘現(xiàn)場GIS建設(shè)的需要，所以本專題又專門開發(fā)了一套田野考古GIS數(shù)據(jù)采集的軟件。項目組選擇山東壽光鹽業(yè)遺址、遼寧小珠山遺址、洛陽盆地聚落考古資料等對象，完成了考古現(xiàn)場空間信息采集系統(tǒng)的全部研究內(nèi)容，并以遼寧小珠山遺址為例對所開發(fā)的軟件予以說明。
智能化預(yù)探測系統(tǒng) 由遠程監(jiān)控端、機器人、視頻探測、環(huán)境傳感器和傳輸線纜組成。機器人以ATmega128微控制器為核心，包括多傳感器數(shù)據(jù)采集電路、串口擴展電路、步進電機控制電路、LED亮度控制電路電源等硬件功能模塊，并輔以傳感器數(shù)據(jù)采集、控制信號采集等軟件，實現(xiàn)了考古發(fā)掘現(xiàn)場智能預(yù)探測系統(tǒng)的機器人設(shè)計研究。依據(jù)對考古發(fā)掘現(xiàn)場的實地調(diào)查，充分采納考古發(fā)掘和文物保護專業(yè)人員的建議，提出并實現(xiàn)了分體模塊化小尺寸機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其可簡便拆裝成直筒式或組裝成整體式兩種結(jié)構(gòu)模式，可以利用小直徑探洞或大直徑盜洞進入下空墓葬。通過遠程監(jiān)控端人機交互界面對系統(tǒng)各單元的遙控操作，實現(xiàn)對古代墓葬內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀況和溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷等環(huán)境指標（依據(jù)現(xiàn)場情況可通過更換傳感器擴展探測氣體的種類）預(yù)探測。
為評價該系統(tǒng)在現(xiàn)場的應(yīng)用性能，先后對安陽、鄭州、洛陽和西安等地的考古發(fā)掘現(xiàn)場工地調(diào)研基礎(chǔ)上，選定陜西省西安地區(qū)三個古代墓葬遺址，在陜西省考古研究院配合下進行了現(xiàn)場應(yīng)用試驗�，F(xiàn)場應(yīng)用試驗研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集迅速、準確，視頻采集圖像清晰、可靠，整體系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可操作性強，滿足考古發(fā)掘現(xiàn)場對下空墓葬預(yù)探測的實際需要。
應(yīng)急處置與保護 針對目前考古現(xiàn)場出土遺跡遺物保護處理方面急需解決的諸問題，項目組整理制訂了一整套應(yīng)急處置的操作辦法，包括：田野考古發(fā)掘中普通遺跡遺物的應(yīng)急清理、處置方法；瀕危遺跡遺物的現(xiàn)場加固、封護方法；重要遺跡遺物的起取、遷移方法。通過起草《考古發(fā)掘現(xiàn)場出土文物應(yīng)急保護處理手冊》，就田野考古中常見的遺跡遺物之處置方式——包括檢測項目、加固封護（包括常用設(shè)備、工具、材料和方法等）、起取保存（包括常用設(shè)備、工具、材料和方法等）和記錄方式等一系列工作過程，制定簡便易行的規(guī)范化的操作指南。同時，完成考古現(xiàn)場遺跡遺物保護處理所需設(shè)備工具集成。
現(xiàn)場環(huán)境與分析設(shè)備集成 文物分析設(shè)備和文物現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)測分析設(shè)備，構(gòu)成對現(xiàn)場文物提取和保護的兩大技術(shù)基礎(chǔ)支撐。為實時快速地獲得考古現(xiàn)場特別是在遺物出土?xí)r的環(huán)境狀況，為遺物保護提供必要的環(huán)境數(shù)據(jù)參考，項目組充分考慮了移動考古的需要，研制了能夠在考古現(xiàn)場使用的移動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括10個數(shù)據(jù)傳感器和2個無線匯集器、1個數(shù)據(jù)路由器和1臺數(shù)據(jù)服務(wù)器。該套系統(tǒng)在在山東壽光考古工地試驗后，性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸快捷，與同時在現(xiàn)場測試的美國迪克森公司的產(chǎn)品相比較，具有更加優(yōu)良的耐低溫性能，且探頭布置靈活機動，探頭與車載的服務(wù)器傳輸順暢，實現(xiàn)了預(yù)期的功能。
考古現(xiàn)場出土的文物種類和材質(zhì)繁多，有壁畫、陶瓷器、紡織品、玉石器、金屬、玻璃、植物纖維、生物體等，為了滿足考古現(xiàn)場開展文物保護工作的實際需要，又要兼顧測定儀器的便攜性、可移動性及其穩(wěn)定性，在有限的空間內(nèi)形成考古現(xiàn)場出土文物埋藏土壤和分析檢測的系統(tǒng)，達到查明文物出土現(xiàn)狀的材質(zhì)和病害基本信息的目標，項目組對考古現(xiàn)場的檢測需求進行了進一步的細化和分類，在劃分兩個部分的基礎(chǔ)上，選出了為研究和監(jiān)測這些指標所必須的儀器和設(shè)備。建立了分析體系框架，完成了X射線熒光光譜儀、拉曼光譜儀和離子色譜以及近紅外光譜在文物保護和現(xiàn)場檢測應(yīng)用的分析報告，并結(jié)合莫高窟遺址對各種儀器可獲得的信息進行了試驗，試驗初步證明，以文物出土現(xiàn)場移動實驗室所具備的基本條件，如實驗室空間，實驗室必要的水、電、氣供給以及通風設(shè)備等，能夠?qū)Ω鞣N文物進行相應(yīng)的檢測，在第一時間，了解文物出土?xí)r的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、元素成分、光譜特征等，建立珍貴文物的出土?xí)r的科學(xué)檔案，為文物的妥善處理和下一步的保護提供重要的試驗數(shù)據(jù)。此外，車載各種對文物賦存環(huán)境的快速監(jiān)測儀器，能夠準確獲知文物出土?xí)r埋藏土壤的含水量、含鹽量以及酸堿度等重要參數(shù)，為實現(xiàn)考古現(xiàn)場保護的科學(xué)化奠定了基礎(chǔ)。同時，通過研究比較國內(nèi)外各種同類儀器的性能測試指標，并對各類儀器的使用方法和各種指標測試分析手段進行了試驗，制定了各種儀器的操作手冊和各項指標的操作方法，建立了基于無損和快速兩個特點的文物出土現(xiàn)場檢測體系，在山東壽光考古現(xiàn)場的應(yīng)用證明，在遺跡辨識、文物出土情況分析等方面對大多數(shù)考古現(xiàn)場提供有效幫助。山東考古現(xiàn)場對古代制鹽工藝各種遺跡現(xiàn)象的檢測數(shù)據(jù)表明，所取得的分析數(shù)據(jù)為考古學(xué)家解釋和說明古代的制鹽工具提供了重要的科學(xué)依據(jù)，充分體現(xiàn)了文物出土現(xiàn)場移動實驗室的作用，預(yù)示著文物出土現(xiàn)場移動實驗室必將為未來的考古工作提供重要幫助。
運載平臺選型、空間設(shè)計以及裝配制造 本研究完成主要研究工作為結(jié)合我國各種道路狀況和移動實驗室的空間需要選擇了適合的搭載底盤，并根據(jù)野外工作條件和移動實驗室個單元功能進行室內(nèi)空間功能劃分，各功能區(qū)細節(jié)設(shè)計，加工材質(zhì)選擇，固定設(shè)備設(shè)計加工和安裝，實驗室水路、氣路、電路的設(shè)計和安裝，車內(nèi)工作站的安裝，實驗室內(nèi)照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、暖風系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計和安裝，實驗室特殊通風柜和文物充氮保存柜的設(shè)計、制作和安裝，實驗室儲物空間的合理設(shè)計和制作安裝，實驗室整體VI設(shè)計、車模和動畫演示制作等。本單元由清華大學(xué)、敦煌研究院、上海博物館、浙江大學(xué)、上海格瀾實驗室設(shè)備有限公司等單位的研究人員通力合作完成，最后由鎮(zhèn)江捷城車載無線電廠制作出我國第一臺文物出土現(xiàn)場移動實驗室。
新的成果 服務(wù)于考古現(xiàn)場
本項目針對我國文物出土現(xiàn)場調(diào)查、探測技術(shù)缺乏、裝備落后、現(xiàn)場應(yīng)急保護基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀，緊密結(jié)合我國目前考古現(xiàn)場的突出技術(shù)和裝備需求，遵循將文物保護科學(xué)實驗室前移現(xiàn)場并服務(wù)于考古發(fā)掘和現(xiàn)場保護的理念，開展文物出土現(xiàn)場信息采集、智能探測、環(huán)境監(jiān)控、快速分析、應(yīng)急保護等項目技術(shù)研究和裝備研發(fā)，制定了系列的文物出土現(xiàn)場保護規(guī)范與技術(shù)標準，系統(tǒng)集成我國首臺功能全面、技術(shù)先進、設(shè)備齊全、機動靈活的文物出土現(xiàn)場保護移動實驗室，形成了考古發(fā)掘現(xiàn)場調(diào)查、探測、保護等系列技術(shù)和裝備支撐平臺。
（1）結(jié)合考古現(xiàn)場的實際需求，提出了科學(xué)試驗室前移現(xiàn)場并服務(wù)于考古發(fā)掘、信息提取和應(yīng)急保護的理念，通過設(shè)備集成、裝備研制、軟件開發(fā)和標準研制，打造出我國首個考古發(fā)掘現(xiàn)場具有綜合功能的技術(shù)支撐平臺。
（2）以GIS為核心，整合現(xiàn)代測繪和數(shù)字化記錄技術(shù)，首次實現(xiàn)了遺跡、遺址、發(fā)掘現(xiàn)場的圖像采集、數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、三維建模與數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嗍侄尾⒂�、相互補充的系統(tǒng)集成和軟件開發(fā)。
（3）集成現(xiàn)代智能控制、傳感器和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，研制出我國首臺考古發(fā)掘現(xiàn)場智能預(yù)探測系統(tǒng)�？脊虐l(fā)掘現(xiàn)場智能預(yù)探測系統(tǒng)，采用視頻探頭、傳感器和控制單元小型化、模塊化分體組裝式設(shè)計，滿足了探測系統(tǒng)沿發(fā)掘探孔進入的實際需求。解決了不產(chǎn)生擾動情況下，探測系統(tǒng)進入墓葬探測空間的進入方式之難點。
（4）陜西三座古代墓葬的實地探測，考古發(fā)掘現(xiàn)場智能預(yù)探測系統(tǒng)首次實現(xiàn)了發(fā)掘前對墓葬內(nèi)部結(jié)構(gòu)視頻、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷氣體數(shù)據(jù)的采集和傳輸。使科學(xué)考古發(fā)掘預(yù)案制定、通過對古代墓葬環(huán)境規(guī)律的探測研究館藏文物保存最佳環(huán)境成為可能。
（5）依據(jù)考古發(fā)掘現(xiàn)場遺跡遺物的種類和特點，總結(jié)提煉現(xiàn)有技術(shù)，研制缺環(huán)技術(shù)，首次研發(fā)、集成現(xiàn)場應(yīng)急保護系列工具包和使用手冊。現(xiàn)場應(yīng)急保護系列工具包，具有配套齊全、應(yīng)用靈活、針對性強、專業(yè)性高、便于攜帶等特點，充分滿足現(xiàn)場應(yīng)急保護需求，不僅能夠提高現(xiàn)場保護工作效率，同時能夠保證現(xiàn)場文物的完整提取和科學(xué)保護。
（6）研發(fā)出文物出土現(xiàn)場溫濕度監(jiān)測和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)依據(jù)考古發(fā)掘現(xiàn)場的特點，具有組合靈活、便于布點、數(shù)據(jù)準確、傳輸穩(wěn)定、工作范圍環(huán)境臨界區(qū)間較寬的特點。
（7）通過文物出土現(xiàn)場應(yīng)用需求和國內(nèi)外小型便攜儀器設(shè)備的調(diào)研，篩選出一套適合考古發(fā)掘現(xiàn)場環(huán)境檢測、材質(zhì)分析、功能配套、便于攜帶的組合式分析監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)了對現(xiàn)場出土文物在第一時間的檢測分析和文物出土環(huán)境數(shù)據(jù)采集記錄。
（8）整合現(xiàn)場保護、智能控制、傳感器、現(xiàn)代分析、計算機、通訊、傳輸、數(shù)據(jù)處理和空間技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)和裝備，完成了文物出土現(xiàn)場保護移動試驗室的外觀設(shè)計、功能劃分、空間布局、設(shè)備搭載和車輛選型，首次實現(xiàn)了國際上第一個具有綜合功能的文物出土現(xiàn)場保護移動試驗室的系統(tǒng)集成和研發(fā)。文物出土現(xiàn)場移動實驗室已被列入國家特種新型車輛。
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