傳統文物保護與現代傳感器技術相結合

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系統體系結構設計

考古發掘現場（以下簡稱發掘現場）動態監測系統由發掘現場動態環境監測系統和發掘現場無線實時監測平臺兩部分組成。

發掘現場無線實時監測平臺發掘現場無線實時監測平臺的作用是為發掘現場監測子系統提供實時的數據支持，由發掘現場硬件平臺和發掘現場軟件平臺兩個部分組成。發掘現場無線實時監測硬件平臺由傳感器節點、中繼節點和網關三個部分組成：布置在現場的數據采集節點負責采集實時環境數據（如大氣溫濕度、光照強度、降塵和有害氣體等），按照一定的路由規則將數據發送至通信范圍內的父節點，然后通過中繼節點的相互中繼，將數據不斷轉發直至到達網關節點。網關節點通過遠程通信方式，如衛星通信、Internet、GPRS等手段，將數據傳送至遠程客戶終端。其中各個數據采集節點和中繼節點根據RSSI（接收信號強度指示）和跳數來選擇合適的中繼節點作為父節點，并以此在數據采集節點和中繼節點間建立簇內星狀網絡拓撲結構，中繼節點之間則根據RSSI值建立樹狀網絡拓撲結構。每個傳感器節點和中繼節點在上電后自動加入網絡，并定期將采集到的數據沿最優路由方向傳送至網關。發掘現場實時監測軟件平臺則由中間件、數據庫和數據采集接口三個部分組成。數據采集接口將接收到的實時監測數據存入數據庫中，中間件的作用則是將數據庫中保存的監測數據取出，并提供給用戶和子系統。

發掘現場環境監測系統由于監測系統需要對發掘現場的內外環境同時進行監測，因此發掘現場監測子系統由環境監測子系統和氣象監測子系統組成。環境系統檢測子系統主要是針對文物所處環境參數，如大氣溫度、大氣相對濕度、土壤溫度、土壤水分含量、文物表面溫度、文物表面濕度、大氣二氧化碳濃度、有機揮發物總量等參數進行監測。氣象監測子系統主要是針對發掘現場所處小環境的氣象參數，如光照度、紫外線強度、風速、風向、降雨量等參數的實時監測。監測系統的目的在于對文物所處環境的各種參數進行數據挖掘整理，精確掌握文物埋藏的環境參數，實現對出土文物在第一時間的檢測分析以及文物出土環境參數的采集，建立環境參數歷史數據庫，為文物預防性保護提供技術支撐，并為文物保護措施的制訂提供科學依據。

案例研究

鳳棲原文物保存環境監測數據分析鳳棲原張安世墓葬遺址屬于西漢宣帝時期的重臣、被封富平侯的大司馬將軍張安世。張安世在西漢的地位舉足輕重，其墓葬的出土文物進一步證實了這一點，出土的很多隨葬品都屬于西漢皇帝御賜物件。根據發掘現場實際狀況及需要，目前已部署七個監測點，監測時段大約在八個月左右，監測點部署圖如下（圖4）。數據記錄及分析3月份期間，鳳棲原張安世墓葬遺址氣象站監測數據存在較大波動（圖5）。其中3月19日-3月21日期間，環境溫度基本保持在4℃左右，環境濕度基本保持在100%，波動均不大，光照變化范圍也縮減至0-2000lx之間。結合當時的天氣變化，3月天氣剛剛由寒轉暖，氣候變化較頻繁，3月19日-3月21日是降雨天氣，持續陰天，光照度較低，導致空氣中水分蒸發較少。3月22日停止降水后，光照開始恢復，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升（因水分揮發緩慢，恢復的較為遲緩）。總體來看，3月份氣象站的大氣溫度變化為0℃到23℃之間，大氣濕度在16%到75%之間，每天的照度變化最大范圍0lx到8500lx內，氣象站數據與環境數值較一致，溫度、濕度、光照度也保持合理的變化趨勢。環境變化正常，期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的。查看這一段時間82號監測點的土壤溫度和含水量的變化，遺址坑內的土壤溫度和土壤水分含量變化波動較大（圖6），其中3月19日-3月21日土壤水分含量逐漸升高（由4.34%上升至4.65%），土壤溫度也隨之逐漸降低（由10.5℃下降至5℃）。結合氣象站的監測結果看，3月天氣變化頻繁，3月19日-3月21日為降雨天氣，室內土壤雖然不直接受到降雨給監測數據帶來的驟然變化，但由于受到外界土壤水分的滲透作用，土壤溫度和水分含量也隨之以相同的趨勢逐漸變化。3月22日停止降水后，土壤水分含量逐漸下降，土壤溫度也逐漸回升。總體來看，土壤溫度在5.2℃到13℃范圍之間、土壤含水在4.3%到4.65%范圍之間保持著較為穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。查看這一段時間90號監測點的大氣溫濕度變化，3月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖7）。其中3月19日-3月21日，大氣溫度由10℃驟降至1℃，大氣濕度由41%驟升至98%，變圖4監測點部署圖化顯著。結合氣象站的監測結果看，3月19日-3月21日為降雨天氣，大氣溫濕度受到直接影響帶來的突然變化。3月22日停止降水后，大氣溫度逐漸回升，大氣濕度也逐漸回落，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化。總體來看，大氣環境溫度在1℃到22℃范圍內、大氣環境濕度在20%-98%范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。查看這一段時間92號監測點的大氣溫濕度變化，3月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖8）。其中3月19日-3月21日，大氣溫度由10℃驟降至0℃，大氣濕度由50%驟升至100%，變化顯著。結合氣象站的監測結果看，3月19日-3月21日為降雨天氣，大氣溫濕度受到直接影響導致突然變化。3月22日停止降水后，大氣溫度逐漸回升，大氣濕度也逐漸回落，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化。總體來看，大氣環境溫度在0℃到22.5℃范圍內、大氣環境濕度在20%-100%范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。總結對比4個監測點的數據變化，監測點的傳感量數據變化和環境變化保持一致，并且與當時的天氣環境較一致，說明數據正確反映了監測區域的環境變化。

高陵張棟家族墓文物保存環境監測數據分析2011年陜西考古研究院專家在高陵縣涇河工業園發現一處罕見的完整明代家族墓園。據墓志記載，墓主人張棟生前為秦藩王府知印。這一發現對研究明代墓葬制度、風俗文化具有重要作用。根據發掘現場實際狀況及需要，目前已部署十一個監測點，監測點部署圖如下（圖9）。說明：100號監測點:自動氣象站--監測外界環境。52、53、54、55號監測點：大氣溫濕度傳感器--其中53號監測點監測墓室底部到地表中間部位的環境，其他監測點監測墓室中的環境。61、62、63、64、65號監測點：土壤溫度、土壤水分含量傳感器--其中65號監測點監測墓室底部到地表中間部位的環境，其他監測點監測墓室中的環境。71號監測點：二氧化碳傳感器--監測墓室中二氧化碳含量。數據記錄及圖形分析查看這一段時間52號監測點的大氣溫濕度變化，5月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖10）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在82%-93%之間，溫度在17.5℃-22.5℃之間，基本保持在高濕、低溫的水平，晝夜溫差和濕度差較小；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由62%升至88%，溫度由25℃降至最低17℃。結合氣象站的監測結果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并偶爾伴隨降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，濕度很大，氣溫較低。無降水期間，光照逐漸充裕，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升并呈上升趨勢。總體來看，當月大氣環境溫度在16℃到35℃范圍內、大氣環境濕度在20%到98%范圍內保持著穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。監測點數據準確反映了監測區域的環境變化。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據進行對比）。查看這一段時間71號監測點的二氧化碳含量變化，5月期間遺址環境的二氧化碳含量波動較大（圖11）。以5月9日為分界，5月1-9日二氧化碳含量在200-450ppm之間波動較大且均值偏高，5月9-20日二氧化碳含量在200-330ppm之間波動較小且均值偏低。經調查，5月1-9日，71號監測點放置于M4考古發掘現場，現場白天有大量工作人員活動，白天由人體排放的二氧化碳使得空氣中二氧化碳濃度較高，夜晚則恢復至正常水平；5月9日之后，為防止因挖掘工作破壞監測設備，工作人員將其挪至無人活動的M5內，并以不透氣薄膜覆蓋，給71號監測設備營造出密閉的微環境，故而二氧化碳含量偏低且波動較小。其中5月1日-5月3日期間，二氧化碳含量在300-430ppm之間變化幅度相對較小，基本保持在高濕、低溫、高濃度二氧化碳的水平。經分析，因期間有降雨，空氣流通不暢，故而空氣中二氧化碳含量一直保持在較高水平且波動較小。結合氣象站的監測結果看，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化，并且三者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化進行對比）。查看這一段時間53號監測點的大氣溫濕度變化，5月期間遺址環境的大氣溫濕度波動較大（圖12）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在60%-100%之間，溫度在16-28℃之間，基本保持在高濕、低溫的水平，晝夜溫差和濕度差相對較小；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由62%升至100%，溫度由25℃降至最低17℃，之后的3天內，濕度的最高值均能達到100%。結合氣象站的監測結果看，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并伴隨偶爾降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，濕度很大，氣溫較低。無降水期間，氣溫呈緩慢上升趨勢。結合監測點的布設位置（53號節點布設在墓底部和地表中間位置），且通風不暢導致濕度在降雨之后的3天內并沒有立即回落，而是逐漸降低且較其他監測點數據高。總體來看，監測點數據準確反映了監測區域的環境變化，環境變化正常。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。查看這一段時間65號監測點的土壤溫度和含水量的變化，坑內的土壤溫度和土壤水分含量變化波動較大（圖13），5月1-11日土壤水分含量保持在20-43%之間，土壤溫度變化范圍維持在18-21℃之間；5月12日土壤水分含量由15%突升至42%，土壤溫度峰值也由29℃大幅降至23.5℃，之后逐漸恢復至平均水平。經調查，5月1-11日監測設備放置于墓室內，故而受外界降雨等影響較小且緩慢，5月12日之后設備被挪至墓室外環境，由于當日有降雨，室外濕度較大，所以監測數據突增。總體來看，土壤溫度在19.5℃到29.5℃之間、土壤含水率在15%到43%之間保持著較為穩定的變化，并且二者保持相符的變化趨勢。期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的（可查看氣象站數據變化）。5月份期間，高陵張棟家族墓遺址內氣象站監測數據存在較大波動（圖14）。其中5月1日-5月3日期間，濕度維持在82-100%之間，溫度在15-23℃之間，照度在0-5000lx之間，基本保持在高濕、低溫、弱光照的水平，晝夜溫差和濕度差較小；5月11日-5月12日溫度濕度和光照度驟變，濕度由60%升至100%，溫度由22℃降至最低12℃，光照度變化范圍也縮減至0-4200lx。結合當時的天氣變化，5月為春季末尾，氣溫總體呈緩慢上升趨勢，并偶爾伴隨降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天氣，持續陰天，光照度較低，氣溫降低。無降水期間，光照逐漸充裕，環境濕度逐漸下降，氣溫也逐漸回升并呈上升趨勢。總體來看，氣象站的大氣溫度在12-32.5℃之間，大氣濕度在18%-100%之間，照度變化最大范圍為0-9000lx，氣象站數據與環境數值較一致，溫度、濕度、光照度也保持合理的變化趨勢。環境變化正常，期間出現的特殊變化，多是天氣變化引起的。總結對比4個監測點的數據變化，監測點的傳感量數據變化和環境變化保持一致，并且與當時的氣候環境較一致，說明數據正確反映了監測區域的環境變化。

結語

本文針對目前考古發掘現場的環境狀況，采用高集成度的傳感器節點作為數據采集源，利用無線傳感器網絡的特點以及優勢，將傳統文物保護與現代傳感器技術相結合，設計了考古發掘現場動態環境監測系統。監測系統向文物保護工作者提供相關的采集數據，為其研究文物發掘及文物保護技術提供了重要依據。

作者：祁浩鄧宏余珊珊單位：西北工業大學電子信息學院西安元智系統技術有限責任公司