王 萌，全定可，趙皓琪，趙西晨，董文強(qiáng)*，夏琦興

（1.西北工業(yè)大學(xué)文化遺產(chǎn)研究院，陜西 西安 710072；2.館藏壁畫(huà)保護(hù)修復(fù)與材料科學(xué)研究國(guó)家文物局重點(diǎn)科研基地，陜西西安 710072；3.西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710076；4.陜西省考古研究院，陜西 西安 710054）

針對(duì)長(zhǎng)期處于封閉狀態(tài)的地下墓穴或遺址，貿(mào)然進(jìn)行考古發(fā)掘作業(yè)會(huì)給操作人員帶來(lái)一定的危險(xiǎn)，且容易對(duì)文物，特別是環(huán)境敏感的文物產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的劣化、變質(zhì)乃至損毀[1-2]。因此，為保障考古過(guò)程中的人員安全和文物應(yīng)急保護(hù)，亟須通過(guò)多種技術(shù)手段對(duì)復(fù)雜埋藏環(huán)境進(jìn)行考古預(yù)探測(cè)。

1 多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)的研究背景

為了在不破壞墓葬的情況下對(duì)墓葬內(nèi)部信息進(jìn)行勘察和提取，Carlo Lerci于20世紀(jì)50年代利用內(nèi)窺鏡及照明拍照設(shè)備對(duì)3 500座伊特魯里亞人的墓葬進(jìn)行了預(yù)探測(cè)[3]。隨著柔性光纖技術(shù)的進(jìn)步，內(nèi)窺鏡被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)墓葬的勘探研究中，例如通過(guò)醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡分析木乃伊內(nèi)部病理[4-5]；采用工業(yè)內(nèi)窺鏡探測(cè)意大利、埃及等地墓葬、古跡[6]。2011—2013年，陜西省考古研究院先后在西安南郊漢代張安世家族墓地和寶雞石鼓山商周墓地M4壁龕，利用內(nèi)窺鏡進(jìn)行了墓葬發(fā)掘前的預(yù)判和文物信息的提取[7-9]。2022年3月，法國(guó)考古學(xué)家通過(guò)微型內(nèi)窺鏡對(duì)巴黎圣母院出土石棺進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)部的布料殘骸、頭發(fā)和植物殘骸等。內(nèi)窺鏡的應(yīng)用降低了墓葬發(fā)掘?qū)ξ奈锏膿p傷，但由于其長(zhǎng)度有限，僅適用于較小型的墓葬或壁龕，對(duì)形制復(fù)雜的大型墓葬難以有效探測(cè)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和成熟，世界上許多國(guó)家開(kāi)始研發(fā)機(jī)器人裝備進(jìn)行考古研究[10-12]，充分發(fā)揮機(jī)器人的技術(shù)集成特點(diǎn)，運(yùn)用多種技術(shù)對(duì)考古現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)。自1991年開(kāi)始，德國(guó)、美國(guó)和埃及政府聯(lián)合，先后采用機(jī)器人設(shè)備對(duì)胡夫金字塔進(jìn)行了多次實(shí)地探索，其中“金字塔漫游者”考古機(jī)器人最為有名[13]。2006年，由哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國(guó)家博物館合作研發(fā)的考古機(jī)器人誕生，標(biāo)志著我國(guó)第一次使用科技代替人工的方式對(duì)墓葬進(jìn)行探索[14-16]。

為了獲取更完成的探測(cè)信息，考古機(jī)器人逐漸向多功能方向發(fā)展。但當(dāng)考古機(jī)器人集成功能過(guò)多時(shí)，必然會(huì)對(duì)其運(yùn)動(dòng)能力造成影響。為了同時(shí)兼顧多功能探測(cè)需求和運(yùn)動(dòng)能力，常用策略是將考古機(jī)器人設(shè)計(jì)為履帶式/輪式結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)增大體積。由于大型墓室內(nèi)意味著墓主人身份尊貴、隨葬等級(jí)高，往往會(huì)出土眾多珍貴的陪葬遺物，履帶式/輪式機(jī)器人容易對(duì)周?chē)呐?，?duì)遺存遺跡造成干擾和破壞，這也是考古學(xué)家對(duì)機(jī)器人考古應(yīng)用慎之又慎的重要原因。為了克服履帶式/輪式機(jī)器人對(duì)探測(cè)環(huán)境的負(fù)面影響，斯坦福大學(xué)Allison M. Okamura設(shè)計(jì)了一種柔性仿生機(jī)器人，其徑向尺寸較小，而縱向可通過(guò)氣壓延伸驅(qū)動(dòng)，從而將對(duì)周?chē)h(huán)境的干擾降到最低，但該機(jī)器人的負(fù)載能力十分有限，開(kāi)發(fā)難度極高[17]，距真正實(shí)用化探測(cè)還有一定的距離。以上問(wèn)題是現(xiàn)階段機(jī)器人考古面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，同時(shí)也為未來(lái)研發(fā)真正具有實(shí)用價(jià)值的機(jī)器人指明了方向。

為了合理協(xié)調(diào)機(jī)器人探測(cè)能力與運(yùn)動(dòng)能力的矛盾，解決部分考古學(xué)家對(duì)機(jī)器人探測(cè)的關(guān)切和顧慮，筆者團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的機(jī)器人考古應(yīng)用策略：將考古預(yù)探測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)分為考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)和單體機(jī)器人，一方面將眾多非接觸式探測(cè)技術(shù)集成于預(yù)探測(cè)平臺(tái)，盡可能降低單體機(jī)器人的配重；另一方面在預(yù)探測(cè)平臺(tái)上預(yù)留機(jī)器人釋放回收艙，通過(guò)后續(xù)搭載單體機(jī)器人的方式進(jìn)一步提升探測(cè)距離。需要特別指出的是：這種機(jī)器人考古預(yù)探測(cè)策略的研發(fā)重點(diǎn)不再是單體機(jī)器人，而是多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)，其既充分運(yùn)用現(xiàn)有探測(cè)手段，又為未來(lái)新技術(shù)集成留有空間，被認(rèn)為是現(xiàn)階段較為理想的解決辦法。該探測(cè)策略有望解決現(xiàn)階段考古機(jī)器人多功能集成和運(yùn)動(dòng)能力難以兼顧的難題，能更好地適應(yīng)于我國(guó)文化遺產(chǎn)事業(yè)的蓬勃發(fā)展。

在2020年“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與防范”中的重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)（文化遺產(chǎn)保護(hù)和利用專(zhuān)題任務(wù)）“文物出土現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急保護(hù)技術(shù)體系研究”的支持下，團(tuán)隊(duì)聚焦地下埋藏環(huán)境考古預(yù)探測(cè)的實(shí)際需求，獨(dú)辟蹊徑設(shè)計(jì)了一款多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)集成了攝像云臺(tái)和照明模塊、激光測(cè)距模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、機(jī)器人釋放回收艙等多種技術(shù)，可在正式發(fā)掘前對(duì)墓葬等狹小空間進(jìn)行預(yù)探測(cè)，并能搭載任意符合尺寸的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)單體機(jī)器人設(shè)備，拓展整體的探測(cè)能力。該考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)可為考古發(fā)掘工作和出土文物的應(yīng)急保護(hù)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

2 多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)

地下埋藏環(huán)境空間狹小、未知因素較多，存在安全隱患。針對(duì)上述情況，多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)以設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、功能多元為特點(diǎn)，通過(guò)人工探洞進(jìn)入地下墓葬，完成對(duì)地下環(huán)境的圖像采集和環(huán)境參數(shù)檢測(cè)，使考古人員在進(jìn)入墓室之前就能對(duì)內(nèi)部環(huán)境有一定了解和判斷，以便采取有力措施來(lái)減少發(fā)掘作業(yè)對(duì)遺跡遺物的非必要損害。圖1為多功能考古預(yù)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖與實(shí)物照片，主要應(yīng)用于含墓室的大型墓葬遺址。平臺(tái)的物理結(jié)構(gòu)由固定外支撐結(jié)構(gòu)、探測(cè)功能模塊群、控制輔助模塊群組成。其中，攝像及照明模塊、激光測(cè)距模塊、環(huán)境參數(shù)監(jiān)控模塊和機(jī)器人釋放回收艙屬于探測(cè)功能模塊群，其余元器件屬于控制輔助模塊群。探測(cè)平臺(tái)的外支撐結(jié)構(gòu)由1515鋁型材制作，整體設(shè)計(jì)為圓筒狀，直徑9.5 cm，能夠通過(guò)墓葬盜洞或探洞進(jìn)入地下作業(yè)。平臺(tái)投放時(shí)通過(guò)電機(jī)或手工控制鋼纜絞盤(pán)操作，同時(shí)可使用投放桿輔助。投放桿為碳纖維材質(zhì)圓桿，單根長(zhǎng)度1 m，對(duì)于地下情況復(fù)雜、距地表較深的墓葬，適當(dāng)增加投放桿拼接數(shù)量，即可增大預(yù)探測(cè)深度。

圖1 多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)（來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)）

古墓內(nèi)部環(huán)境昏暗復(fù)雜，為此平臺(tái)集成了攝像及照明模塊。其中，照明可選2種模式，即LED點(diǎn)陣均勻光源和紅外光源，安裝在攝像頭兩側(cè)的主體支架上。LED光源照明的光譜如圖2所示，光照能量主要集中在500～650 nm波段（約占70%）和430～470 nm（約占20%），幾乎不存在紫外輻射；紅外光源主要采用940 nm紅外光進(jìn)行照明，該波長(zhǎng)紅外光具有無(wú)紅爆、輻射低、能量適中等優(yōu)點(diǎn)。LED光源對(duì)整個(gè)地下環(huán)境進(jìn)行良好的可見(jiàn)光照明，攝像頭可對(duì)20 m內(nèi)的景物的形狀、外觀、顏色等特征進(jìn)行視頻錄制和文物智能識(shí)別；當(dāng)墓室內(nèi)存在光敏易損遺存時(shí)，平臺(tái)將LED光源切換紅外光源輔助攝像模塊作業(yè)，所錄制視頻從彩色界面變?yōu)楹诎捉缑?，獲取遺存除顏色之外的其他外觀形狀等信息。平臺(tái)的空間測(cè)距模塊選型為單點(diǎn)TOF高速激光測(cè)距模組，具體尺寸為45 mm×37 mm×13 mm，質(zhì)量為32 g，工作電壓9～12 V，工作電流60 mA，可方便地裝配至考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)。該激光測(cè)距模塊可用于室內(nèi)和室外全天候的距離測(cè)量，測(cè)距量程為0.05～40 m，精度達(dá)1 mm。依托攝像及照明模塊和激光測(cè)距模組，能夠?qū)δ故颐娣e進(jìn)行初步測(cè)量，第一時(shí)間向地面反饋墓室空間布局和遺存分布信息，以利于后續(xù)單體機(jī)器人的釋放與行進(jìn)策略制定。

圖2 LED點(diǎn)陣光源的光譜圖（來(lái)源：原始數(shù)據(jù)來(lái)源為庫(kù)力昂照明科技公司，作者改繪）

預(yù)探測(cè)平臺(tái)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)部件主要有2部分：第一部分用于攝像及照明模塊、測(cè)距模塊的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向控制；第二部分用于機(jī)器人釋放回收艙的控制。根據(jù)搭載負(fù)荷的質(zhì)量計(jì)算，平臺(tái)選擇25 kg舵機(jī)，配備32位MCU處理器，可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，尺寸為40 mm×20 mm×40 mm。各平臺(tái)關(guān)節(jié)通過(guò)舵機(jī)在控制軟件中進(jìn)行控制，一次轉(zhuǎn)動(dòng)角度為15°，轉(zhuǎn)速為30°/s。預(yù)探測(cè)平臺(tái)預(yù)留有視頻接收模塊、遙控信號(hào)發(fā)射模塊和有線(xiàn)控制線(xiàn)纜模塊等接口，可根據(jù)不同型號(hào)的機(jī)器人進(jìn)行定制集成，極大地提升了平臺(tái)的可拓展性。實(shí)踐中，所有能放置進(jìn)入釋放回收艙的遙操控機(jī)器人均可與探測(cè)平臺(tái)聯(lián)合作業(yè)，而機(jī)器人的遙操控信號(hào)通過(guò)平臺(tái)上預(yù)留的433 MHz的LoRa透?jìng)髂K進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸可選用單獨(dú)的5.8 GHz圖傳模塊，避免了二者的沖突。此外，預(yù)探測(cè)平臺(tái)集成了各種環(huán)境參數(shù)采集模塊，如溫度、濕度、二氧化碳（CO2）等，采集頻率10次/min，具有較高的靈敏度。環(huán)境參數(shù)采集模塊會(huì)實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)，記錄當(dāng)前文物埋藏的環(huán)境信息，判斷后續(xù)是否適用于人工作業(yè)和出土文物的應(yīng)急保護(hù)。

預(yù)探測(cè)平臺(tái)的控制軟件是利用Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)（C/S架構(gòu)）的，并通過(guò)PyQt模組設(shè)計(jì)了考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)的軟件交互界面（圖3）。軟件的窗口界面包含視頻顯示及錄制、環(huán)境參數(shù)、測(cè)距結(jié)果實(shí)時(shí)顯示及存儲(chǔ)、多舵機(jī)控制界面（操控?cái)z像、測(cè)距和機(jī)器人釋放回收艙的轉(zhuǎn)向動(dòng)作）。其中，視頻信息利用USB接口獲取攝像頭的實(shí)時(shí)視頻流，環(huán)境信息通過(guò)調(diào)用API接口，從環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取至本控制軟件，并能夠同步存儲(chǔ)于本地；舵機(jī)的控制以USB為接口，通過(guò)調(diào)用API進(jìn)行串口通信；攝像、照明、測(cè)距等模塊通過(guò)舵機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)，每次運(yùn)動(dòng)角度10°～30°，轉(zhuǎn)速可調(diào)，上下擺動(dòng)角范圍為130°，左右擺動(dòng)最大范圍為130°；機(jī)器人釋放回放艙通過(guò)舵機(jī)控制按鈕實(shí)現(xiàn)投放和回收，相對(duì)于初始狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)角為90°，可實(shí)現(xiàn)從豎直狀態(tài)到水平狀態(tài)的下放操作。

圖3 多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)的軟件控制界面（來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)）

通過(guò)軟件控制系統(tǒng)，工作人員可在地面計(jì)算機(jī)上方便地實(shí)現(xiàn)預(yù)探測(cè)平臺(tái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、攝像頭控制、空間測(cè)距、環(huán)境信息獲取、單體機(jī)器人釋放等功能，提升考古預(yù)探測(cè)作業(yè)的智能化和自動(dòng)化，保障了人員安全。另外，本軟件還可實(shí)時(shí)預(yù)覽周?chē)h(huán)境視頻畫(huà)面，輔助單體機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中主動(dòng)避開(kāi)障礙物，避免對(duì)現(xiàn)場(chǎng)脆弱遺存的干擾和破壞。

3 實(shí)地試驗(yàn)

3.1 西安機(jī)場(chǎng)工地墓葬試驗(yàn)

出于對(duì)文物安全、實(shí)施難度、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)等因素的考慮，多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)首先于2021年7月在西安機(jī)場(chǎng)3期工地的1處墓葬進(jìn)行驗(yàn)證性測(cè)試。該墓葬是1處典型的十六國(guó)貴族墓葬，地面距目標(biāo)洞穴4～5 m，現(xiàn)場(chǎng)由于大開(kāi)挖形成的墓道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，需要現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)（圖4 （a））。為保障人員安全，操作人員在地面采用多功能預(yù)探測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)洞穴進(jìn)行探測(cè)作業(yè)（圖4 （b））。

圖4 機(jī)場(chǎng)工地墓葬的考古現(xiàn)場(chǎng)（來(lái)源：作者自攝）

首先，通過(guò)碳纖維投放桿相接的方式，將探測(cè)平臺(tái)下放至目標(biāo)洞穴位置，并在地面上利用計(jì)算機(jī)控制軟件啟動(dòng)探測(cè)平臺(tái)的照明模塊，為周?chē)h(huán)境提供光源；然后，云臺(tái)等攝像模塊開(kāi)始拍攝周?chē)?huà)面，并通過(guò)USB串口將視頻流上載至軟件界面，實(shí)現(xiàn)周?chē)h(huán)境的實(shí)時(shí)預(yù)覽與采集；轉(zhuǎn)動(dòng)攝像模塊選擇合適方向，利用舵機(jī)對(duì)機(jī)器人艙體進(jìn)行平放操作，以利于機(jī)器人爬出作業(yè)（圖5）。同時(shí)，環(huán)境監(jiān)控模塊對(duì)目標(biāo)洞穴的溫度、濕度、CO2等全程監(jiān)控（圖6），發(fā)現(xiàn)墓葬溫度為25℃～27℃，相對(duì)濕度為56%～59.5%，CO2濃度為680×10-6～720×10-6。雖然本次試驗(yàn)場(chǎng)地處于開(kāi)放狀態(tài)，但在探測(cè)作業(yè)過(guò)程中，平臺(tái)的傳感器仍能全程對(duì)各種外界擾動(dòng)實(shí)時(shí)反饋，具有極高的靈敏性，相關(guān)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)以10次/min的頻率存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)，以供地面的考古人員監(jiān)測(cè)分析。該試驗(yàn)成功地驗(yàn)證了搭載平臺(tái)的圖像采集、機(jī)器人艙平放作業(yè)、環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。另外，探測(cè)平臺(tái)并未檢測(cè)到明顯的O2、NO2、SO2含量波動(dòng)（故未提供數(shù)據(jù)），這意味著大開(kāi)挖后墓穴環(huán)境O2組分已與周?chē)髿獍l(fā)生充分交換，且O2總量較大（約占大氣的21%），微小的擾動(dòng)導(dǎo)致整體數(shù)值變化不大；而由于試驗(yàn)時(shí)大氣質(zhì)量較佳，傳感器也未檢測(cè)到NO2和SO2等典型酸性污染物存在。

圖5 機(jī)器人艙平放動(dòng)作及圖像拍攝（來(lái)源：作者自攝）

圖6 機(jī)場(chǎng)工地墓葬環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)（來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)、西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司）

3.2 銅川壁畫(huà)墓葬試驗(yàn)

2021年11月，陜西省考古研究院在銅川市配合基建項(xiàng)目考古勘察時(shí)，發(fā)現(xiàn)1座下空的壁畫(huà)墓葬，墓室內(nèi)環(huán)境未知。以此為契機(jī)，考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)在該壁畫(huà)墓葬中開(kāi)展實(shí)地測(cè)試。該墓位于1處2 m深的市政管道基坑內(nèi)，整體尚未開(kāi)挖，僅在基坑底部有直徑約10 cm的探洞與墓葬頂部相通。試驗(yàn)時(shí)，操作人員在地面利用基坑地形搭建三腳架滑軌系統(tǒng)，通過(guò)懸臂控制將考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)移至墓葬口上方，通過(guò)懸臂緩慢下放平臺(tái)，由探洞進(jìn)入至墓室內(nèi)部（圖7）。

圖7 銅川壁畫(huà)墓葬的考古現(xiàn)場(chǎng)（來(lái)源：作者自攝）

待平臺(tái)下放至墓室底部后，地面人員通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)平臺(tái)各功能模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。平臺(tái)的照明和攝像模塊開(kāi)始工作，發(fā)現(xiàn)墓室的四面墻壁繪制了顏色鮮艷的壁畫(huà)（圖8（a）），考古專(zhuān)家根據(jù)繪制風(fēng)格和內(nèi)容題材初步判斷為北魏時(shí)期壁畫(huà)墓，具有極高的考古及藝術(shù)價(jià)值。壁畫(huà)的部分區(qū)域出現(xiàn)了坍塌，說(shuō)明壁畫(huà)墻壁的穩(wěn)定性已遭破壞，直接開(kāi)發(fā)可能會(huì)造成墓室結(jié)構(gòu)坍塌，需在正式發(fā)掘時(shí)采取必要措施，以保障人員安全和保護(hù)壁畫(huà)完整。通過(guò)實(shí)時(shí)預(yù)覽畫(huà)面，選擇1處較為平坦的區(qū)域進(jìn)行機(jī)器人艙體的平放動(dòng)作，隨后單體機(jī)器人從艙內(nèi)爬出進(jìn)一步探測(cè)（圖8（b））。預(yù)探測(cè)平臺(tái)對(duì)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示，可知CO2濃度700×10-6～850×10-6，溫度15℃～17℃，濕度36%～46%。試驗(yàn)過(guò)程中，CO2濃度逐漸下降，溫度和濕度均波動(dòng)上升，這表明墓室環(huán)境被擾動(dòng)，外界氣流與墓室內(nèi)部氣流發(fā)生了交換[18]75。最后，探測(cè)平臺(tái)的測(cè)距模塊分別在墓室頂部、中部和底部進(jìn)行了水平測(cè)距（圖10），探測(cè)到墓室頂部平面較小，而中部平面和底部平面相對(duì)較大，表明該墓葬可能為穹頂式空間結(jié)構(gòu)，這為判斷墓葬形制提供了重要依據(jù)。

圖8 探測(cè)平臺(tái)墓室內(nèi)拍攝及機(jī)器人釋放作業(yè)（來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)）

圖9 銅川壁畫(huà)墓葬環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)（來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)、西安元智系統(tǒng)技術(shù)有限責(zé)任公司）

圖10 銅川壁畫(huà)墓葬水平面測(cè)距結(jié)果（單位/m）（來(lái)源：西北工業(yè)大學(xué)）

2處墓葬環(huán)境實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證了多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)的功能性、有效性和適應(yīng)性，總體測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期。作業(yè)人員通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)全程在地面操縱，保障了人員安全；攝像云臺(tái)模塊搭配照明設(shè)備，能夠?qū)δ故噎h(huán)境實(shí)時(shí)環(huán)拍，視頻清晰度良好，預(yù)覽畫(huà)面流暢；測(cè)距模塊可對(duì)墓室整體布局進(jìn)行測(cè)量，給出墓室面積和文物分布情況；機(jī)器人艙動(dòng)作準(zhǔn)確，能夠搭載機(jī)器人進(jìn)一步拓展探測(cè)范圍；環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊能夠全程監(jiān)控考古環(huán)境的溫濕度、CO2等環(huán)境參數(shù)，靈敏度高。通過(guò)調(diào)查和了解地下埋藏文物遺存狀況和墓室空間布局，不僅有助于判斷墓葬年代，也為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)文物的保護(hù)提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

4 預(yù)探測(cè)平臺(tái)對(duì)文化遺產(chǎn)保護(hù)的貢獻(xiàn)機(jī)制

本文所介紹的多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景多為地下結(jié)構(gòu)為內(nèi)含空間的土洞墓和磚、石結(jié)構(gòu)墓葬，可延伸應(yīng)用場(chǎng)景至一些人工難以企及的崖墓、石窟等，該類(lèi)遺址有較大的空間且內(nèi)部文物遺存豐富亟須勘察保護(hù)。本平臺(tái)從實(shí)際需求出發(fā)，創(chuàng)造性地集成了多個(gè)探測(cè)功能模塊，旨在正式發(fā)掘之前實(shí)現(xiàn)對(duì)墓葬遺址內(nèi)部的有效探測(cè)，以更加主動(dòng)的姿態(tài)為文物保護(hù)作出貢獻(xiàn)。預(yù)探測(cè)平臺(tái)在文化遺產(chǎn)保護(hù)的貢獻(xiàn)機(jī)制主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

4.1 墓葬內(nèi)文物遺存識(shí)別與價(jià)值發(fā)現(xiàn)

在搶救性發(fā)掘時(shí)，預(yù)探測(cè)平臺(tái)的緊湊型筒狀結(jié)構(gòu)（＜10 cm）可代替人工通過(guò)狹窄通道進(jìn)入墓室，平臺(tái)上所集成的照明和攝像模塊可對(duì)墓室環(huán)境進(jìn)行拍照和錄制視頻，輔助考古現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)墓葬內(nèi)文物遺存進(jìn)行摸查，更好地為下一步的墓葬發(fā)掘和保護(hù)做鋪墊。預(yù)探測(cè)平臺(tái)擁有LED點(diǎn)陣光源和紅外光源，前者可滿(mǎn)足普通情況下的可見(jiàn)光照明需求，而當(dāng)墓室內(nèi)可能存在對(duì)光敏感的文物遺存時(shí)，如長(zhǎng)期埋藏在陰暗潮濕地下的脆弱有機(jī)文物突然受到紫外線(xiàn)的強(qiáng)輻射會(huì)使其產(chǎn)生物理性質(zhì)的改變進(jìn)而引發(fā)劣化，平臺(tái)可切換紅外照明模式，最大限度地減少光線(xiàn)對(duì)于文物的破壞[19-21]。通過(guò)考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)，在墓葬探測(cè)階段實(shí)現(xiàn)對(duì)地下文物的形態(tài)、數(shù)量、位置等基本數(shù)據(jù)的可視化分析和識(shí)別，為判斷墓室形制布局以及隨葬文物規(guī)格等級(jí)提供了有價(jià)值的第一手資料。

4.2 墓葬結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判斷與文物安全提取

墓葬發(fā)掘過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)系著考古隊(duì)員的生命安全和地下文物遺存的安全賦存，一旦發(fā)生坍塌將會(huì)帶來(lái)極其嚴(yán)重的后果。預(yù)探測(cè)平臺(tái)在銅川壁畫(huà)墓葬實(shí)地試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)下空墓室的四周墻壁繪制有精美壁畫(huà)，根據(jù)壁畫(huà)內(nèi)容初步判斷為魏晉時(shí)期墓葬，此時(shí)期壁畫(huà)墓在陜西省內(nèi)較為罕見(jiàn)。為了能夠完整揭取壁畫(huà)，發(fā)掘隊(duì)員曾計(jì)劃直接進(jìn)入墓室進(jìn)行作業(yè)，但通過(guò)預(yù)探測(cè)的攝像發(fā)現(xiàn)壁畫(huà)一側(cè)壁面出現(xiàn)坍塌情況，測(cè)距模塊探測(cè)到墓室底部脫落壁畫(huà)的地仗層形成堆積，并通過(guò)釋放單體機(jī)器人進(jìn)一步證實(shí)了墓室結(jié)構(gòu)有失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)預(yù)探測(cè)結(jié)果分析，發(fā)掘隊(duì)員制訂了細(xì)致、周密、穩(wěn)妥的揭取方案，在保障人員安全的同時(shí)，對(duì)壁畫(huà)盡可能完整的揭取和保存。

4.3 墓葬內(nèi)微氣候監(jiān)測(cè)與文物病害預(yù)防

在考古發(fā)掘過(guò)程中，由于埋藏環(huán)境驟變引起的文物損害十分嚴(yán)重。文物保存的微環(huán)境條件中，影響最為顯著的是溫度與相對(duì)濕度的變化，溫度和濕度能夠加速侵蝕化學(xué)反應(yīng)的速度，溫、濕度的頻繁波動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致文物材質(zhì)的物理形變，甚至不同的材質(zhì)在接觸面發(fā)生卷曲、剝離或崩裂，如漆木竹器類(lèi)文物出土后，若不采取保濕措施，則會(huì)快速脫水、皺縮、變形[19,22-23]。對(duì)于部分無(wú)機(jī)質(zhì)文物，溫、濕度的劇烈變化還會(huì)導(dǎo)致鹽蝕危害。相較于保存階段，文物在出土階段本體劣化和病害發(fā)展尤為嚴(yán)重，給文化遺產(chǎn)的保護(hù)和延續(xù)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而此階段施加文物保護(hù)手段的效果也更明顯。預(yù)探測(cè)平臺(tái)集成的溫度、濕度等模塊，能夠監(jiān)測(cè)墓葬內(nèi)微氣候信息，預(yù)判出土文物劣化風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)受微氣候條件波動(dòng)影響較大的文物遺存，在考古發(fā)掘過(guò)程中同步介入有針對(duì)性的文物現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)措施，有效預(yù)防文物病害誘發(fā)與惡化，最大限度地保留出土文物資料的完整性，不僅為后續(xù)的考古研究保留更多信息[20,23]，還對(duì)文化遺產(chǎn)的安全保存和價(jià)值延續(xù)意義重大。

4.4 墓葬內(nèi)大氣環(huán)境調(diào)查與文物應(yīng)急保護(hù)

2013年曹軍驥等人對(duì)西漢張安世家族墓葬M1墓室內(nèi)的大氣環(huán)境調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在待發(fā)掘墓葬內(nèi)的O2含量低于大氣中平均含量，而CO、CO2、CH4等含量遠(yuǎn)高出全球本底值[18]73-75，據(jù)此判斷墓葬內(nèi)存在有機(jī)質(zhì)文物遺存，其腐敗分解和微生物活動(dòng)消耗了墓室內(nèi)O2和釋放出CO2等氣體。墓室的低含氧氣氛有利于文物原始狀態(tài)的保存，而當(dāng)墓室內(nèi)外發(fā)生氣體交換后，會(huì)加速纖維類(lèi)文物的氧化、尸體類(lèi)文物的腐爛、陶制彩繪的脫落及金屬制文物的腐蝕等，且外界的酸性氣體如NO2、SO2等也會(huì)侵蝕文物本體而導(dǎo)致更嚴(yán)重的病害。特別指出的是，由于NO2、SO2等酸性氣體主要來(lái)自外界大氣污染，通過(guò)對(duì)比墓室內(nèi)部和墓葬洞口附近地表的酸性氣體含量差異，有助于判斷墓室內(nèi)外大氣交換程度，更全面反映賦存環(huán)境擾動(dòng)對(duì)遺存安全的影響。探測(cè)作業(yè)時(shí)，平臺(tái)通過(guò)攝像模塊與CO2、O2、NO2、SO2等多種氣體傳感器關(guān)聯(lián)應(yīng)用，可同步獲得墓室內(nèi)視頻信息和大氣成分信息，進(jìn)而綜合判斷文物遺存狀態(tài)。對(duì)已觀察到的脆弱文物遺存采取及時(shí)搶救性的應(yīng)急保護(hù)措施干預(yù)，盡量杜絕外界氣體對(duì)文物遺存的不利影響。如若出土現(xiàn)場(chǎng)不具備保護(hù)條件或大氣中酸性氣體濃度較大，可將探孔暫時(shí)封堵或注入惰性氣體，以避免內(nèi)外氣體流通引起的文物劣化。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)地下墓葬空間狹窄、存在未知危險(xiǎn)等問(wèn)題，提出了一種具有實(shí)用化價(jià)值的多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)，并通過(guò)實(shí)地測(cè)試驗(yàn)證了其功能性、有效性和適用性，為出土文物的應(yīng)急保護(hù)和價(jià)值存續(xù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。其具有以下優(yōu)勢(shì)：①平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)緊湊，能夠通過(guò)直徑小于10 cm的探洞進(jìn)入大型墓葬環(huán)境進(jìn)行預(yù)探測(cè)，空間適用性強(qiáng)；②平臺(tái)集成了照明攝像、高速激光測(cè)距、環(huán)境參數(shù)采集、機(jī)器人艙等多種探測(cè)技術(shù)，大大提高了探測(cè)效率；③人員可在地面通過(guò)軟件控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)墓葬環(huán)境的考古探測(cè)，保障了人員安全，自動(dòng)化和智能化程度高。綜上所述，依托多功能考古預(yù)探測(cè)平臺(tái)，能夠?qū)Φ叵颅h(huán)境尤其是搶救性發(fā)掘的墓室遺址進(jìn)行有效探測(cè)，發(fā)揮現(xiàn)代科技在遺址勘察和文物保護(hù)的積極作用，實(shí)現(xiàn)遺存綜合判別、文物劣化因素監(jiān)控等目標(biāo)，對(duì)于我國(guó)文化遺產(chǎn)事業(yè)具有重要意義。