传统文物保护与现代传感器技术相结合

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系统体系结构设计

考古发掘现场（以下简称发掘现场）动态监测系统由发掘现场动态环境监测系统和发掘现场无线实时监测平台两部分组成。

发掘现场无线实时监测平台发掘现场无线实时监测平台的作用是为发掘现场监测子系统提供实时的数据支持，由发掘现场硬件平台和发掘现场软件平台两个部分组成。发掘现场无线实时监测硬件平台由传感器节点、中继节点和网关三个部分组成：布置在现场的数据采集节点负责采集实时环境数据（如大气温湿度、光照强度、降尘和有害气体等），按照一定的路由规则将数据发送至通信范围内的父节点，然后通过中继节点的相互中继，将数据不断转发直至到达网关节点。网关节点通过远程通信方式，如卫星通信、Internet、GPRS等手段，将数据传送至远程客户终端。其中各个数据采集节点和中继节点根据RSSI（接收信号强度指示）和跳数来选择合适的中继节点作为父节点，并以此在数据采集节点和中继节点间建立簇内星状网络拓扑结构，中继节点之间则根据RSSI值建立树状网络拓扑结构。每个传感器节点和中继节点在上电后自动加入网络，并定期将采集到的数据沿最优路由方向传送至网关。发掘现场实时监测软件平台则由中间件、数据库和数据采集接口三个部分组成。数据采集接口将接收到的实时监测数据存入数据库中，中间件的作用则是将数据库中保存的监测数据取出，并提供给用户和子系统。

发掘现场环境监测系统由于监测系统需要对发掘现场的内外环境同时进行监测，因此发掘现场监测子系统由环境监测子系统和气象监测子系统组成。环境系统检测子系统主要是针对文物所处环境参数，如大气温度、大气相对湿度、土壤温度、土壤水分含量、文物表面温度、文物表面湿度、大气二氧化碳浓度、有机挥发物总量等参数进行监测。气象监测子系统主要是针对发掘现场所处小环境的气象参数，如光照度、紫外线强度、风速、风向、降雨量等参数的实时监测。监测系统的目的在于对文物所处环境的各种参数进行数据挖掘整理，精确掌握文物埋藏的环境参数，实现对出土文物在第一时间的检测分析以及文物出土环境参数的采集，建立环境参数历史数据库，为文物预防性保护提供技术支撑，并为文物保护措施的制订提供科学依据。

案例研究

凤栖原文物保存环境监测数据分析凤栖原张安世墓葬遗址属于西汉宣帝时期的重臣、被封富平侯的大司马将军张安世。张安世在西汉的地位举足轻重，其墓葬的出土文物进一步证实了这一点，出土的很多随葬品都属于西汉皇帝御赐物件。根据发掘现场实际状况及需要，目前已部署七个监测点，监测时段大约在八个月左右，监测点部署图如下（图4）。数据记录及分析3月份期间，凤栖原张安世墓葬遗址气象站监测数据存在较大波动（图5）。其中3月19日-3月21日期间，环境温度基本保持在4℃左右，环境湿度基本保持在100%，波动均不大，光照变化范围也缩减至0-2000lx之间。结合当时的天气变化，3月天气刚刚由寒转暖，气候变化较频繁，3月19日-3月21日是降雨天气，持续阴天，光照度较低，导致空气中水分蒸发较少。3月22日停止降水后，光照开始恢复，环境湿度逐渐下降，气温也逐渐回升（因水分挥发缓慢，恢复的较为迟缓）。总体来看，3月份气象站的大气温度变化为0℃到23℃之间，大气湿度在16%到75%之间，每天的照度变化最大范围0lx到8500lx内，气象站数据与环境数值较一致，温度、湿度、光照度也保持合理的变化趋势。环境变化正常，期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的。查看这一段时间82号监测点的土壤温度和含水量的变化，遗址坑内的土壤温度和土壤水分含量变化波动较大（图6），其中3月19日-3月21日土壤水分含量逐渐升高（由4.34%上升至4.65%），土壤温度也随之逐渐降低（由10.5℃下降至5℃）。结合气象站的监测结果看，3月天气变化频繁，3月19日-3月21日为降雨天气，室内土壤虽然不直接受到降雨给监测数据带来的骤然变化，但由于受到外界土壤水分的渗透作用，土壤温度和水分含量也随之以相同的趋势逐渐变化。3月22日停止降水后，土壤水分含量逐渐下降，土壤温度也逐渐回升。总体来看，土壤温度在5.2℃到13℃范围之间、土壤含水在4.3%到4.65%范围之间保持着较为稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。查看这一段时间90号监测点的大气温湿度变化，3月期间遗址环境的大气温湿度波动较大（图7）。其中3月19日-3月21日，大气温度由10℃骤降至1℃，大气湿度由41%骤升至98%，变图4监测点部署图化显著。结合气象站的监测结果看，3月19日-3月21日为降雨天气，大气温湿度受到直接影响带来的突然变化。3月22日停止降水后，大气温度逐渐回升，大气湿度也逐渐回落，监测点数据准确反映了监测区域的环境变化。总体来看，大气环境温度在1℃到22℃范围内、大气环境湿度在20%-98%范围内保持着稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。查看这一段时间92号监测点的大气温湿度变化，3月期间遗址环境的大气温湿度波动较大（图8）。其中3月19日-3月21日，大气温度由10℃骤降至0℃，大气湿度由50%骤升至100%，变化显著。结合气象站的监测结果看，3月19日-3月21日为降雨天气，大气温湿度受到直接影响导致突然变化。3月22日停止降水后，大气温度逐渐回升，大气湿度也逐渐回落，监测点数据准确反映了监测区域的环境变化。总体来看，大气环境温度在0℃到22.5℃范围内、大气环境湿度在20%-100%范围内保持着稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。总结对比4个监测点的数据变化，监测点的传感量数据变化和环境变化保持一致，并且与当时的天气环境较一致，说明数据正确反映了监测区域的环境变化。

高陵张栋家族墓文物保存环境监测数据分析2011年陕西考古研究院专家在高陵县泾河工业园发现一处罕见的完整明代家族墓园。据墓志记载，墓主人张栋生前为秦藩王府知印。这一发现对研究明代墓葬制度、风俗文化具有重要作用。根据发掘现场实际状况及需要，目前已部署十一个监测点，监测点部署图如下（图9）。说明：100号监测点:自动气象站--监测外界环境。52、53、54、55号监测点：大气温湿度传感器--其中53号监测点监测墓室底部到地表中间部位的环境，其他监测点监测墓室中的环境。61、62、63、64、65号监测点：土壤温度、土壤水分含量传感器--其中65号监测点监测墓室底部到地表中间部位的环境，其他监测点监测墓室中的环境。71号监测点：二氧化碳传感器--监测墓室中二氧化碳含量。数据记录及图形分析查看这一段时间52号监测点的大气温湿度变化，5月期间遗址环境的大气温湿度波动较大（图10）。其中5月1日-5月3日期间，湿度维持在82%-93%之间，温度在17.5℃-22.5℃之间，基本保持在高湿、低温的水平，昼夜温差和湿度差较小；5月11日-5月12日温度湿度和光照度骤变，湿度由62%升至88%，温度由25℃降至最低17℃。结合气象站的监测结果看，5月为春季末尾，气温总体呈缓慢上升趋势，并偶尔伴随降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天气，湿度很大，气温较低。无降水期间，光照逐渐充裕，环境湿度逐渐下降，气温也逐渐回升并呈上升趋势。总体来看，当月大气环境温度在16℃到35℃范围内、大气环境湿度在20%到98%范围内保持着稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。监测点数据准确反映了监测区域的环境变化。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据进行对比）。查看这一段时间71号监测点的二氧化碳含量变化，5月期间遗址环境的二氧化碳含量波动较大（图11）。以5月9日为分界，5月1-9日二氧化碳含量在200-450ppm之间波动较大且均值偏高，5月9-20日二氧化碳含量在200-330ppm之间波动较小且均值偏低。经调查，5月1-9日，71号监测点放置于M4考古发掘现场，现场白天有大量工作人员活动，白天由人体排放的二氧化碳使得空气中二氧化碳浓度较高，夜晚则恢复至正常水平；5月9日之后，为防止因挖掘工作破坏监测设备，工作人员将其挪至无人活动的M5内，并以不透气薄膜覆盖，给71号监测设备营造出密闭的微环境，故而二氧化碳含量偏低且波动较小。其中5月1日-5月3日期间，二氧化碳含量在300-430ppm之间变化幅度相对较小，基本保持在高湿、低温、高浓度二氧化碳的水平。经分析，因期间有降雨，空气流通不畅，故而空气中二氧化碳含量一直保持在较高水平且波动较小。结合气象站的监测结果看，监测点数据准确反映了监测区域的环境变化，并且三者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化进行对比）。查看这一段时间53号监测点的大气温湿度变化，5月期间遗址环境的大气温湿度波动较大（图12）。其中5月1日-5月3日期间，湿度维持在60%-100%之间，温度在16-28℃之间，基本保持在高湿、低温的水平，昼夜温差和湿度差相对较小；5月11日-5月12日温度湿度和光照度骤变，湿度由62%升至100%，温度由25℃降至最低17℃，之后的3天内，湿度的最高值均能达到100%。结合气象站的监测结果看，5月为春季末尾，气温总体呈缓慢上升趋势，并伴随偶尔降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天气，湿度很大，气温较低。无降水期间，气温呈缓慢上升趋势。结合监测点的布设位置（53号节点布设在墓底部和地表中间位置），且通风不畅导致湿度在降雨之后的3天内并没有立即回落，而是逐渐降低且较其他监测点数据高。总体来看，监测点数据准确反映了监测区域的环境变化，环境变化正常。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。查看这一段时间65号监测点的土壤温度和含水量的变化，坑内的土壤温度和土壤水分含量变化波动较大（图13），5月1-11日土壤水分含量保持在20-43%之间，土壤温度变化范围维持在18-21℃之间；5月12日土壤水分含量由15%突升至42%，土壤温度峰值也由29℃大幅降至23.5℃，之后逐渐恢复至平均水平。经调查，5月1-11日监测设备放置于墓室内，故而受外界降雨等影响较小且缓慢，5月12日之后设备被挪至墓室外环境，由于当日有降雨，室外湿度较大，所以监测数据突增。总体来看，土壤温度在19.5℃到29.5℃之间、土壤含水率在15%到43%之间保持着较为稳定的变化，并且二者保持相符的变化趋势。期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的（可查看气象站数据变化）。5月份期间，高陵张栋家族墓遗址内气象站监测数据存在较大波动（图14）。其中5月1日-5月3日期间，湿度维持在82-100%之间，温度在15-23℃之间，照度在0-5000lx之间，基本保持在高湿、低温、弱光照的水平，昼夜温差和湿度差较小；5月11日-5月12日温度湿度和光照度骤变，湿度由60%升至100%，温度由22℃降至最低12℃，光照度变化范围也缩减至0-4200lx。结合当时的天气变化，5月为春季末尾，气温总体呈缓慢上升趋势，并偶尔伴随降雨。5月1日-5月3日、5月11日-5月12日是降雨天气，持续阴天，光照度较低，气温降低。无降水期间，光照逐渐充裕，环境湿度逐渐下降，气温也逐渐回升并呈上升趋势。总体来看，气象站的大气温度在12-32.5℃之间，大气湿度在18%-100%之间，照度变化最大范围为0-9000lx，气象站数据与环境数值较一致，温度、湿度、光照度也保持合理的变化趋势。环境变化正常，期间出现的特殊变化，多是天气变化引起的。总结对比4个监测点的数据变化，监测点的传感量数据变化和环境变化保持一致，并且与当时的气候环境较一致，说明数据正确反映了监测区域的环境变化。

结语

本文针对目前考古发掘现场的环境状况，采用高集成度的传感器节点作为数据采集源，利用无线传感器网络的特点以及优势，将传统文物保护与现代传感器技术相结合，设计了考古发掘现场动态环境监测系统。监测系统向文物保护工作者提供相关的采集数据，为其研究文物发掘及文物保护技术提供了重要依据。

作者：祁浩邓宏余珊珊单位：西北工业大学电子信息学院西安元智系统技术有限责任公司