中國研制首個“文物出土現場保護移動實驗室”

2012年6月 一輛加長的白色廂式貨車靜靜地停在陝西省高陵縣院張村外的荒野上，車身上的黑色大字格外醒目——文物出土現場保護移動實驗室。車旁十幾米外藍色擋板圍起來的，是剛發現不久正在發掘中的明代家族墓葬。不時有研究人員從車上下來，帶著各種儀器設備進入發掘現場。而車內，幾位年輕的研究人員正在進行監測、分析工作。

這便是被稱為“文物保護航母”的我國首個用於文物保護的“移動實驗室”。

從2009年起，這輛在“十一五”科技支撐計劃支持下研發、我國自主知識產權的“移動實驗室”多次出現在山西、陝西、山東、湖北等地的考古發掘現場，在“實驗室前移至考古現場”的理念下，為考古工作提供系統的技術支持，並在第一時間對出土文物進行應急處理和保護。

考古現場亟待“技術支持”

近年來，隨著我國經濟建設步伐加快，配合南水北調、西氣東輸、鐵路公路等國家重大基礎建設的考古發掘任務急劇增加，每年達1000多項。這對考古發掘速度和科學性提出了巨大挑戰。現場考古發掘各環節技術支撐不足、出土文物保護方法單一、信息提取量低等問題，致使許多出土文物、特別是脆弱質文物在第一時間得不到科學有效的保護。

上世紀50年代，定陵墓室打開的一剎那，五彩斑斕的絲織品瞬間失色。這個慘重的教訓，成為我國從此不再允許發掘帝王陵寢的重要原因。而上世紀70年代發掘聞名於世的長沙馬王堆漢墓時，數量巨大、種類眾多的紡織品和竹簡帛書，也由於缺乏有效的現場保護技術，出土時光亮新鮮，出土后迅速氧化變色、變質、變形，造成了無法挽回的巨大損失。

“實驗室前移至考古現場”的想法便在這種狀況下應運而生。文物出土現場保護移動實驗室課題負責人蘇伯民介紹，“移動實驗室”將有綜合效能的快速、專業化技術裝備和專業人員派向現場，不僅為制定考古發掘預案、考古現場信息的全方位記錄提供技術設備保障，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。

一場跨學科、跨領域、跨行業、跨部門的聯合技術攻關由此展開。該“移動實驗室”研發課題於2006年10月立項，由敦煌研究院、國家博物館、中國社科院、清華大學、浙江大學和陝西考古研究院等單位的專家、學者、科研人員共46人組成課題組共同研發。

創造數個考古領域第一

2008年7月，陝西西安龐留唐代墓葬發掘現場，炎炎烈日下，研究人員們緊盯著一塊屏幕，上面顯示溫度、濕度、各種氣體濃度的數據不斷變化，而傳回這些數據的正是研制中的“移動實驗室”搭載的考古機器人，它正在未打開的古墓內部進行預先探測。

考古機器人直徑10厘米，高39厘米，可根據需要像“變形金剛”一樣組裝成直筒式和履帶式。“內部溫度為17.5攝氏度、相對濕度82.3%。”當最終的數據傳回，研究人員難掩激動心情，這是我國有史以來，首次探明封閉墓葬文物埋藏環境的溫濕度參數。機器人攜帶的攝像頭還發現了墓葬內存在壁畫等珍貴文物。這樣的智能化預先探測在我國之前的考古工作中從未有過。國家文物局科技保護專家組組長王丹華說：“這不僅有利於考古人員的人身安全，而且對於重要文物出土后保存條件的研究，也將提供重要參考依據。”

機器人預先探測是“移動實驗室”的一大“亮點”。但“移動實驗室”創造的考古領域的第一，還遠不止於此。

“移動實驗室”集成了一大批可用於考古和出土文物保護的新技術。針對文物出土現場的重大技術需求，項目組聯合考古、文物保護與修復、智能技術、圖形圖像、設計、設備制造集成等數十家科研單位，引入多學科相關高端技術並進行二次開發和聯合攻關，研發了針對文物考古工地的三維信息採集與重建系統、考古輔助快速制圖系統、飛行控制航拍、智能化預探測系統、考古現場無線環境監測系統以及出土文物應急處置系統技術及裝備，建立了考古現場埋藏環境和出土文物現場分析方法。

最終出現在我們眼前的“移動實驗室”是一輛11米長、2米多寬、1.83米高的白色長方形艙體。採用了先進的移動艙體制作技術，具有隔熱、保溫、防水、室外照明等功能，與承載運輸的卡車底板結合緊密，形成一體，能夠滿足野外環境下實驗室工作的要求。蘇伯民說：“‘移動實驗室’有4項基本功能：發掘前的預探測;通過測繪等手段對遺址空間信息的記錄;第一時間對各種材質的出土文物進行分析保護;監測文物埋藏環境，為后續保護提供依據。”

實驗室內則另有乾坤。這是一個現代化的文物保護實驗室，廂體內分為兩個區域，前半部分是圖像觀測與數據採集、處理設備，后半部分是出土文物現場保護技術設備。車內幾位研究人員正在不同區域對剛剛從墓葬中採集的樣品進行分析。便攜式X熒光、拉曼光譜、近紅外光譜儀、X探傷、便攜式顯微鏡、真空充氮保存櫃等設備一應俱全。人性化的精巧設計為各項實驗工作預留了適合的操作空間，讓功能繁多的不同區域看上去井井有條。“在車上工作還是挺舒服的，並沒有空間局促的感覺。”一位研究人員說。

參與項目驗收的北京大學教授嚴文明說：“這項研究為最大限度地獲取信息和及時保護出土文物提供了技術可能，將大大提高我國考古探測和出土文物現場保護能力。”

技術集成應用優於國外

近年來，“移動實驗室”裝備和技術發展十分迅速，已在環境監測、疾病控制、刑事偵破等許多領域得到成功應用。國際上，美國、歐盟、加拿大、澳大利亞、印度、墨西哥等國已將這一技術應用於考古現場調查、不可移動文物保護和博物館館藏文物的保護工作。

1972年，美國緬因州博物館建立了“移動保護實驗室”，對一些中小型博物館以及發掘現場的文物進行測繪、保護、修復和運輸。1979年，加拿大保護研究所面向全國1500多座博物館、文物遺址和發掘現場，推出了“文物保護移動實驗室”計劃，對544座博物館的文物實施了保護修復，激發了眾多博物館對文物科技保護的興趣和需求，對加拿大的文物科技保護事業產生了極大的推動作用。近年來，歐盟“移動實驗室”計劃發展迅速，極大地推動了歐洲文物保護技術的發展和不可移動文物保護技術的進步。

我國此次研制的用於考古現場的“移動實驗室”，密切結合我國考古現場發掘和保護工作的實際需要，通過引進相關行業高端技術開展研發，成為國內外首台裝備了空間數字測繪技術、預探測技術、環境動態監測技術、現場文物監測分析技術、埋藏環境調查技術和出土文物應急保護及保存技術的綜合現場考古的保護技術平台，並在現場的考古發掘和文物保護工作中，發揮了重要的技術支撐作用，在技術集成和應用方面已超過國外同類技術。

國家文物局副局長童明康認為，文物出土現場保護“移動實驗室”，為文物工作者提供了一個很好的工作平台，將推動現代科學技術在考古發掘和出土文物應急保護等方面的應用體系建設，提高考古發掘現場的多學科合作和綜合研究能力。

項目情況

主要完成單位：敦煌研究院 國家博物館 中國社會科學院考古研究所 清華大學

主要完成人：蘇伯民 鐵付德 范宇權 王學榮 劉建國 武 顥 王旭東 張文元 胥 ?

“文物出土現場保護移動實驗室”， 結合考古現場的實際需求，提出了科學試驗室前移現場並服務於考古發掘、信息提取和應急保護的理念，通過設備集成、裝備研制、軟件開發和標准研制，研制完成了我國首個文物出土現場具有綜合功能的技術支撐平台;集成現代智能控制、傳感器和數據傳輸技術，研制出我國首台考古發掘現場智能預探測系統;解決了不擾動情況下探測系統進入墓葬的難點，首次實現了發掘前對墓葬內部結構、溫濕度、氣體等數據的採集和傳輸，使科學考古發掘預案制定、通過對古代墓葬環境規律的探測研究館藏文物保存最佳環境成為可能;首次提出了文物出土現場的技術標准，研發、集成現場應急、保護系列工具包。該項目不斷拓展，取得了多項創新成果，標志我國考古現場保護科技水平發生了質的飛躍，促進了社會科學和自然科學的結合。

新的保護理念 科學實驗室前移至考古現場

文物出土現場記錄、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掘工作質量的重要技術內容，也直接關系到考古工作研究和文物后續保護工作的科學性和質量。在我國，由於文物出土現場保護裝備缺乏、技術介入程度不足，造成考古發掘和現場保護的脫節，考古現場記錄方式不規范、導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，由於一些珍貴脆弱的文物在現場得不到及時的保護，常常導致現場文物一經發掘出土即遭毀損的現象發生，或者是現場雖然可進行一定的處理，然而由於方法簡單、程序不全，反而對發掘出土文物的后續保護造成更大的困難。

考古發掘具有發現文物和保護文物同時並行的特點，加大科學技術和裝備的運用，是保証考古發掘工作水平和文物保護的重要前提。“十一五”文化遺產保護國家科技支撐計劃“文物出土現場移動實驗室研發”項目組基於此提出了將實驗室建到文物出土現場的想法，以便將有綜合效能的快速的專業化技術裝備和專業人員派向現場，不僅為制定考古發掘預案、考古現場信息的全方位記錄提供技術設備保障，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的研究作支撐。由考古、保護、高校等單位組成的項目組經過多次思想的交流和碰撞，針對文物出土現場保護信息採集、現場脆弱文物保護、現場文物分析與環境監測等亟須解決的問題，制定了切實可行的目標和技術路線：通過對調查技術和信息提取、分析檢測、保護等專用設備的適用性研究，研發考古智能化預探測設備，開展出土文物的應急處理技術研究，完成具備現場勘查、測繪、記錄、環境快速分析、現場信息實時傳輸以及對出土脆弱文物的現場保護等功能的技術集成，制定文物出土現場保護規范與技術標准，完成移動實驗室的設計，形成完整的文物出土現場技術保護體系。為制定考古發掘預案、應急突發事件、環境惡劣地區的文物保護提供一個便捷快速的集成系統，全面提升大遺址現場保護的整體水平。

新的技術與裝備 構成實驗室完整的系統工程

文物出土現場保護移動實驗室的研發是一個系統工程，通過3年的時間，項目組完成了文物出土現場空間信息採集，智能預探測系統，應急處置與保護，環境設備集成與分析設備集成，運載平台選型、空間設計以及裝配制造等專題的研究，對文物出土現場所需技術和技術包的准確定位和試制、適宜現場分析的儀器的選型和配套、儀器裝備性能發揮與長距離作業的關系、儀器的技術指標和改進、交通、通訊、分析、保護和數據傳輸等設備的集成和整合等。

空間信息採集 是以3S集成技術為前提而實現的。GPS全球衛星移動定位技術導航，對移動實驗室進行全天候、不間斷、高精度定位，對手持設備進行定位跟蹤和半雙工語音通訊。GIS地理信息系統作為對被跟蹤對象位置軌跡的顯示和監測手段。採用航空攝影(模型飛機搭載小型攝影設備)和常規測量方式(如全站儀)等測量設備對考古工作區域空間信息進行採集，通過地理信息系統(GIS)對信息進行處理，將信息存儲到空間數據庫中。通過考古現場地理信息系統將GPS、RS和GIS技術集成，實現考古工作的信息化。建立考古現場三維模擬環境，實現考古現場的三維模擬。在計算機上實現全方位的考古現場情況察看，再現考古現場環境。在3S系統中，GIS技術是本專題研究的核心，是實現空間信息技術集成的關鍵組成部分，由於現有的GIS軟件並不適合田野考古發掘現場GIS建設的需要，所以本專題又專門開發了一套田野考古GIS數據採集的軟件。項目組選擇山東壽光鹽業遺址、遼寧小珠山遺址、洛陽盆地聚落考古資料等對象，完成了考古現場空間信息採集系統的全部研究內容，並以遼寧小珠山遺址為例對所開發的軟件予以說明。

智能化預探測系統 由遠程監控端、機器人、視頻探測、環境傳感器和傳輸線纜組成。機器人以ATmega128微控制器為核心，包括多傳感器數據採集電路、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，並輔以傳感器數據採集、控制信號採集等軟件，實現了考古發掘現場智能預探測系統的機器人設計研究。依據對考古發掘現場的實地調查，充分採納考古發掘和文物保護專業人員的建議，提出並實現了分體模塊化小尺寸機器人結構設計，使其可簡便拆裝成直筒式或組裝成整體式兩種結構模式，可以利用小直徑探洞或大直徑盜洞進入下空墓葬。通過遠程監控端人機交互界面對系統各單元的遙控操作，實現對古代墓葬內部結構狀況和溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷等環境指標(依據現場情況可通過更換傳感器擴展探測氣體的種類)預探測。

為評價該系統在現場的應用性能，先后對安陽、鄭州、洛陽和西安等地的考古發掘現場工地調研基礎上，選定陝西省西安地區三個古代墓葬遺址，在陝西省考古研究院配合下進行了現場應用試驗。現場應用試驗研究結果顯示，該系統環境數據採集迅速、准確，視頻採集圖像清晰、可靠，整體系統運行穩定，可操作性強，滿足考古發掘現場對下空墓葬預探測的實際需要。

應急處置與保護 針對目前考古現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急處置的操作辦法，包括：田野考古發掘中普通遺跡遺物的應急清理、處置方法;瀕危遺跡遺物的現場加固、封護方法;重要遺跡遺物的起取、遷移方法。通過起草《考古發掘現場出土文物應急保護處理手冊》，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(包括常用設備、工具、材料和方法等)、起取保存(包括常用設備、工具、材料和方法等)和記錄方式等一系列工作過程，制定簡便易行的規范化的操作指南。同時，完成考古現場遺跡遺物保護處理所需設備工具集成。

現場環境與分析設備集成 文物分析設備和文物現場環境的監測分析設備，構成對現場文物提取和保護的兩大技術基礎支撐。為實時快速地獲得考古現場特別是在遺物出土時的環境狀況，為遺物保護提供必要的環境數據參考，項目組充分考慮了移動考古的需要，研制了能夠在考古現場使用的移動環境監測系統。該系統包括10個數據傳感器和2個無線匯集器、1個數據路由器和1台數據服務器。該套系統在在山東壽光考古工地試驗后，性能穩定，數據傳輸快捷，與同時在現場測試的美國迪克森公司的產品相比較，具有更加優良的耐低溫性能，且探頭布置靈活機動，探頭與車載的服務器傳輸順暢，實現了預期的功能。

考古現場出土的文物種類和材質繁多，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、可移動性及其穩定性，在有限的空間內形成考古現場出土文物埋藏土壤和分析檢測的系統，達到查明文物出土現狀的材質和病害基本信息的目標，項目組對考古現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上，選出了為研究和監測這些指標所必須的儀器和設備。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場檢測應用的分析報告，並結合莫高窟遺址對各種儀器可獲得的信息進行了試驗，試驗初步証明，以文物出土現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、氣供給以及通風設備等，能夠對各種文物進行相應的檢測，在第一時間，了解文物出土時的物質結構、元素成分、光譜特征等，建立珍貴文物的出土時的科學檔案，為文物的妥善處理和下一步的保護提供重要的試驗數據。此外，車載各種對文物賦存環境的快速監測儀器，能夠准確獲知文物出土時埋藏土壤的含水量、含鹽量以及酸鹼度等重要參數，為實現考古現場保護的科學化奠定了基礎。同時，通過研究比較國內外各種同類儀器的性能測試指標，並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，建立了基於無損和快速兩個特點的文物出土現場檢測體系，在山東壽光考古現場的應用証明，在遺跡辨識、文物出土情況分析等方面對大多數考古現場提供有效幫助。山東考古現場對古代制鹽工藝各種遺跡現象的檢測數據表明，所取得的分析數據為考古學家解釋和說明古代的制鹽工具提供了重要的科學依據，充分體現了文物出土現場移動實驗室的作用，預示著文物出土現場移動實驗室必將為未來的考古工作提供重要幫助。

運載平台選型、空間設計以及裝配制造 本研究完成主要研究工作為結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，並根據野外工作條件和移動實驗室個單元功能進行室內空間功能劃分，各功能區細節設計，加工材質選擇，固定設備設計加工和安裝，實驗室水路、氣路、電路的設計和安裝，車內工作站的安裝，實驗室內照明系統、空調系統、暖風系統、網絡系統的設計和安裝，實驗室特殊通風櫃和文物充氮保存櫃的設計、制作和安裝，實驗室儲物空間的合理設計和制作安裝，實驗室整體VI設計、車模和動畫演示制作等。本單元由清華大學、敦煌研究院、上海博物館、浙江大學、上海格瀾實驗室設備有限公司等單位的研究人員通力合作完成，最后由鎮江捷城車載無線電廠制作出我國第一台文物出土現場移動實驗室。

新的成果 服務於考古現場

本項目針對我國文物出土現場調查、探測技術缺乏、裝備落后、現場應急保護基礎薄弱的現狀，緊密結合我國目前考古現場的突出技術和裝備需求，遵循將文物保護科學實驗室前移現場並服務於考古發掘和現場保護的理念，開展文物出土現場信息採集、智能探測、環境監控、快速分析、應急保護等項目技術研究和裝備研發，制定了系列的文物出土現場保護規范與技術標准，系統集成我國首台功能全面、技術先進、設備齊全、機動靈活的文物出土現場保護移動實驗室，形成了考古發掘現場調查、探測、保護等系列技術和裝備支撐平台。

(1)結合考古現場的實際需求，提出了科學試驗室前移現場並服務於考古發掘、信息提取和應急保護的理念，通過設備集成、裝備研制、軟件開發和標准研制，打造出我國首個考古發掘現場具有綜合功能的技術支撐平台。

(2)以GIS為核心，整合現代測繪和數字化記錄技術，首次實現了遺跡、遺址、發掘現場的圖像採集、數據測量、數據處理、三維建模與數據傳輸的多手段並用、相互補充的系統集成和軟件開發。

(3)集成現代智能控制、傳感器和數據傳輸技術，研制出我國首台考古發掘現場智能預探測系統。考古發掘現場智能預探測系統，採用視頻探頭、傳感器和控制單元小型化、模塊化分體組裝式設計，滿足了探測系統沿發掘探孔進入的實際需求。解決了不產生擾動情況下，探測系統進入墓葬探測空間的進入方式之難點。

(4)陝西三座古代墓葬的實地探測，考古發掘現場智能預探測系統首次實現了發掘前對墓葬內部結構視頻、溫度、濕度、氧氣、二氧化碳、硫化氫、甲烷氣體數據的採集和傳輸。使科學考古發掘預案制定、通過對古代墓葬環境規律的探測研究館藏文物保存最佳環境成為可能。

(5)依據考古發掘現場遺跡遺物的種類和特點，總結提煉現有技術，研制缺環技術，首次研發、集成現場應急保護系列工具包和使用手冊。現場應急保護系列工具包，具有配套齊全、應用靈活、針對性強、專業性高、便於攜帶等特點，充分滿足現場應急保護需求，不僅能夠提高現場保護工作效率，同時能夠保証現場文物的完整提取和科學保護。

(6)研發出文物出土現場溫濕度監測和無線數據傳輸系統。該系統依據考古發掘現場的特點，具有組合靈活、便於布點、數據准確、傳輸穩定、工作范圍環境臨界區間較寬的特點。

(7)通過文物出土現場應用需求和國內外小型便攜儀器設備的調研，篩選出一套適合考古發掘現場環境檢測、材質分析、功能配套、便於攜帶的組合式分析監測系統。實現了對現場出土文物在第一時間的檢測分析和文物出土環境數據採集記錄。

(8)整合現場保護、智能控制、傳感器、現代分析、計算機、通訊、傳輸、數據處理和空間技術等多學科技術和裝備，完成了文物出土現場保護移動試驗室的外觀設計、功能劃分、空間布局、設備搭載和車輛選型，首次實現了國際上第一個具有綜合功能的文物出土現場保護移動試驗室的系統集成和研發。文物出土現場移動實驗室已被列入國家特種新型車輛。