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文物出土现场保护移动实验室研发,国家科技支撑计划课题

二月 3rd, 2020  |  考古随笔

考古发掘现场出土常规遗迹遗物的清理、处置方法与程序。

2009年5月4日,“十一五”国家科技支撑计划课题《文物出土现场保护移动实验室研发》结项验收会在陕西省西安市举行。会议由国家文物局组织并主持,来自国内各单位的9位资深专家,以及科技部、国家文物局、陕西省文物局、陕西省考古研究院和课题参与单位的部分领导等出席了会议。作为课题参与单位代表,白云翔副所长参加了相关活动。
《文物出土现场保护移动实验室研发》课题于2006年10月立项,主持单位敦煌研究院,参加单位中国国家博物馆、中国社会科学院考古研究所和清华大学。实际参加研究人员46人,其中26人具有高级职称。课题主要分解为五个专项,其中中国社会科学院考古研究所王学荣研究员主持《文物出土现场应急处置与保护》研究专项、刘建国研究员主持《3S集成》研究专项。继2008年12月22~28日,移动实验室在山东寿光市双王城古代盐业遗址首次试用后,2009年5月20日~6月4日,移动实验室再次在陕西省西安咸阳国际机场三期项目考古发掘现场试用。与会专家和领导通过听取汇报和实地考察,充分肯定了课题研究所取得的成果,同意课题完成并结项。
我国是文化遗产大国,地下文物丰富,体量巨大,分布范围广泛,埋藏环境复杂,文物保存状况差异明显,保护难度大。近30年来我国经济的快速发展,城市化进程加快,国家重大基本建设项目中的考古发掘任务十分繁重,而文物保护基础和力量相对薄弱,已经明显滞后于经济社会发展和学科需求,矛盾和冲突日益严峻。具体表现在文物出土现场考古工作普遍存在装备落后,保护方法简单原始,现场保护人员缺乏等突出问题,许多遗址的发掘工作由于缺乏有效的技术支持,从而造成遗址信息的丢失和出土文物保护不及时而造成的损失。针对文物出土现场保护信息采集、现场脆弱文物保护、现场文物分析与环境监测等急需解决的问题。《文物出土现场保护移动实验室研发》课题的研究目标为通过对调查技术和信息提取、分析检测、保护等专用设备的适用性研究,研发考古智能化预探测设备,开展出土文物的应急处理技术研究,完成具备现场勘查、测绘、记录、环境快速分析、现场信息实时传输以及对出土脆弱文物的现场保护等功能的技术集成,制定文物出土现场保护规范与技术标准,完成移动实验室的设计,形成完整的文物出土现场技术保护体系。为制定考古发掘预案、应急突发事件、环境恶劣地区的文物保护提供一个便捷快速的集成系统,全面提升大遗址现场保护的整体水平。
作为集成多学科技术和研究成果的系统工程,文物出土现场保护移动实验室包括:实验室硬件载体即移动车辆设计研发和样车制备单元;基于3S、全站仪和近景摄影测量等考古现场信息采集设备单元;文物出土现场文物元素成分和结构检测,文物埋藏环境和文物出土现场环境等分析和检测单元;文物出土现场各类常规出土文物清理保护,脆弱和濒危状态出土文物现场应急处置保护与起取方法,以及文物保护工具包集成单元等。同时,通过对各集成系统的软件设计,实现3S系统、智能探测系统、文物分析系统、环境监测系统和数据传输等系统的集中控制,实现数据的共享和远距离传输。其中:
移动车辆设计研发和样车制备方面,结合我国各种道路状况和移动实验室的空间需要选择了适合的搭载底盘;并根据野外工作条件和移动实验室各单元功能进行室内空间功能划分,各功能区细节设计,加工材质选择,固定或配套设备设计、加工和安装,如实验室水路、气路、电路的设计和安装,车内工作站的安装,实验室内照明系统、空调系统、暖风系统、网络系统的设计和安装,实验室特殊通风柜和文物充氮保存柜的设计、制作和安装,实验室储物空间的合理设计和制作安装,实验室整体VI设计、车模和动画演示制作等。制作出我国第一台文物出土现场移动实验室。
文物出土现场空间信息采集系统采用高精度全球卫星移动定位技术,结合全站仪对遗址和出土遗物进行高精度定位;采用遥感技术、航空摄影和常规测量方式等测量设备对考古工作区域空间信息进行采集;通过地理信息系统对信息进行处理,并搭建空间数据库,实现对采集数据的处理、存储、管理。通过考古现场地理信息系统将GPS、RS和GIS技术集成,进而实现考古工作的信息化。
文物出土现场智能预探测系统由远程监控端、机器人、视频探测、环境传感器和传输线缆组成。通过远程监控端人机交互界面对系统各单元的遥控操作,实现对考古遗址内部空间和环境进行预探测,如对古代墓葬内部结构状况和温度、湿度、氧气、二氧化碳、硫化氢、甲烷等环境指标预探测,提高了考古发掘预案制定的科学性和安全性保障等。同时,通过对古代墓葬环境规律的探测,为研究馆藏文物保存最佳环境提供有力支持。
文物出土现场应急处置与保护系统主要针对目前考古现场出土遗迹遗物保护处理方面急需解决的诸问题,起草完成了《考古发掘现场出土文物应急保护处理手册》。就田野考古中常见的遗迹遗物的应急清理、处置方法;濒危遗迹遗物的现场加固、封护方法;重要遗迹遗物的起取、迁移方法等制定了简便易行的规范化的操作指南。同时,完成考古现场遗迹遗物保护处理所需设备工具集成。
环境设备集成与分析设备集成系统集成了文物分析设备和文物现场环境的监测分析设备。环境设备集成即考古现场移动环境监测系统,可实时快速地获得考古现场特别是在遗物出土时的环境状况,为遗物保护提供必要的环境数据参考;分析设备集成研究系利用便携、可移动和性能稳定的仪器设备,集成了考古现场出土文物埋藏环境和分析检测的系统,可就文物埋藏环境如土壤或积液等的各项理化指标,出土文物的材质、微痕和病害基本信息进行检测分析。2008年12月移动实验室在山东寿光市双王城盐业遗址考古现场的试验应用证明,在遗存辨识、文物出土情况分析等方面对考古现场提供有效帮助。对古代制盐工艺各种遗迹现象的检测数据表明,所取得的分析数据为考古学家研究和阐释古代制盐工艺提供了重要的科学依据,充分体现了文物出土现场移动实验室的作用。
经过两年紧张的工作,课题各研究合作单位通力合作,比较出色地完成了课题拟定的目标和任务,并实现了多项技术创新。具体表现在:一、成果课题已申请5项专利,其中4项为发明专利。还有5项专利和1项软件着作权正在申请中,并已初步获得专利代理机构的认可。文物出土现场移动实验室已被列入国家特种新型车辆,正在等待国家发改委的批复。在核心期刊发表专业论文12篇。围绕移动试验室技术和装备,编制7项标准规范。完成20余项考古现场保护操作手册。
集成和研发系列文物出土现场应急处置工具包。
完成山东、陕西两地遗址和墓葬发掘现场的实验应用。 二、创新点
结合考古现场的实际需求,提出了科学试验室前移现场并服务于考古发掘、信息提取和应急保护的理念,通过设备集成、装备研制、软件开发和标准研制,打造出我国首个考古发掘现场具有综合功能的技术支撑平台。
以GIS为核心,整合现代测绘和数字化记录技术,首次实现了遗址、遗迹、发掘现场的图像采集、数据测量、数据处理、三维建模与数据传输的多手段并用、相互补充的系统集成和软件开发。
集成现代智能控制、传感器和数据传输技术,研制出我国首台考古发掘现场智能预探测系统。考古发掘现场智能预探测系统,采用视频探头、传感器和控制单元小型化、模块化分体组装式设计,满足了探测系统沿发掘探孔进入的实际需求。解决了不产生扰动情况下,探测系统进入墓葬探测空间的进入方式之难点。
依据考古发掘现场遗迹遗物的种类和特点,总结提炼现有技术,研制缺环技术,首次研发、集成现场应急保护系列工具包和使用手册。现场应急保护系列工具包,具有配套齐全、应用灵活、针对性强、专业性高、便于携带等特点,充分满足现场应急保护需求,不仅能够提高现场保护工作效率,同时能够保证现场文物的完整提取和科学保护。
通过文物出土现场应用需求和国内外小型便携仪器设备的调研,筛选出一套适合考古发掘现场环境检测、材质分析、功能配套、便于携带的组合式分析监测系统。实现了对现场出土文物在第一时间的检测分析和文物出土环境数据采集记录。
整合现场保护、智能控制、传感器、现代分析、计算机、通讯、传输、数据处理和空间技术等多学科技术和装备,完成了文物出土现场保护移动试验室的外观设计、功能划分、空间布局、设备搭载和车辆选型,首次实现了国际上第一个具有综合功能的文物出土现场保护移动试验室的系统集成和研发。

3 作用和意义

我国首台文物出土现场移动实验室在技术层面上采用了国内外文物出土现场处置保护和考古工作中的最新技术,实验室集成方面充分吸收了国内外各类移动实验室研发和制作的成功经验。从整体上讲,该移动实验室是一个融多种技术为一体的重要集成创新,填补了我国在文化遗产保护领域的一项空白。而考古现场遗迹遗物处置保护手册以及系列工具包的研发在国内尚属首次,不仅能够为专业人员科学处置和保护出土遗迹遗物提供理论参考依据,还可以提高现场处置保护工作的效率,并且能够在较大程度上保持遗迹遗物出土时的原始概貌,降低文物在出土过程中的损失。

3 文物出土现场应急处置与保护研究;

3 出土文物的分类

考古学研究的对象是古代人类社会,支撑考古学研究的第一手资料是古代社会遗留下来的遗迹和遗物。田野调查发掘是考古学的基础,如何科学妥善地获取材料,如何在有限的发掘空间内尽可能多的采集相关信息,始终是考古学研究的基本任务。

四 《文物出土现场应急处置与保护》研究报告

4 环境设备集成与分析设备集成研究;

编制《考古发掘现场出土文物保护应急处置手册》。就田野考古过程中出土遗迹遗物的处置方式,包括样品采样、分析检测、加固封护、异地起取、记录方式等一系列工作过程,制定简便易行的规范化操作指南。

2 文物出土现场智能预探测系统研究;

2 操作规程

4 成果形式

出版《出土现场遗迹遗物应急处置与保护》专着一部,其中包括:《考古发掘现场出土文物保护应急处理手册》、《考古工具包使用手册》和《遗迹遗物出土现场处置与保护工具包》。

1 文物出土现场空间现象采集研究;

图二 处置保护工具包

针对不同材质的文物,如铜质、铁质、金银质、铅锡质、陶瓷质、玉石质、玻璃质、骨角牙贝蚌、人和动物骨骸、皮革质、纺织品、植物遗存、土质文物、壁画等,对其现场保存状态进行研究,提出了不同条件下现场处置与保护的操作方法。

中国社会科学院考古研究所文化遗产保护研究中心负责上述研究内容的其中一项,即文物出土现场应急处置与保护的研究。

三 子课题研究项目

二 课题研究内容

1 处置保护研究的目标

考古发掘现场出土脆弱质遗迹遗物的加固、封护方法与程序。

由敦煌研究院、中国社会科学院考古研究所、国家博物馆和清华大学四家单位共同承担的国家科技支撑计划课题《文物出土现场保护移动实验室研发》,日前在西安咸阳国际机场第二期扩建工程考古工地顺利通过项目验收,标志着该课题经过两年多时间的设计、研发及技术集成,已经圆满地落下帷幕。

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考古发掘现场出土重要遗迹遗物异地迁移的方法与程序。

规范现有考古现场遗迹遗物的处置技术,提高考古现场处置技术的科技含量是学科发展的必由之路。考古现场出土遗物的种类、状态等复杂多样,保存状况千差万别,决定了所采取的方式方法必须因地制宜,具体情况具体分析。然而问题的关键在于如何妥善清理文物,并在第一时间进行保护处置,如果现场遗物不具备完全清理和保护的条件,应该采取哪种手段进行临时处置保护,为下一步实验室的工作过程奠定良好前提。这些问题的解决,很大程度上有赖于大幅度提高该方面的认知能力,革新和提升现有工具的功能,完善和规范操作程序。还需要进一步了解和追踪自然科学技术的发展,熟悉并掌握新的尖端性科学技术手段,利用先进的仪器设备,探索和研发适用于考古学研究的新方法,以便及时发现、科学分析、准确判断和翔实记录各类出土物。通过上述各个方面的梳理整合,使考古现场出土文物处置保护的各个环节,均逐步纳入规范化和科学化的轨道,为考古学研究和文物保护提供准确翔实的信息资讯和实物资料。

一 课题研究目标

整合、提高、集成现场出土遗物处置保护技术,提升田野考古实践中对出土文物的保护水平,强化保护力度,提高对信息的获取能力水平是目前考古学面临的紧迫问题。考古学研究方法和考古学队伍组成的多元化是必然趋势,也是学科继续发展的要求。伴随着考古学的不断发展,以及大量自然科学理论、技术和方法在考古学领域的广泛应用,传统的以人文学科为主的考古学,逐步或已经成为多种学科共存的交叉学科。与学科需求和发展趋势相比,目前国内考古发掘过程中对资料信息的获取方面存在诸多问题,主要表现在文物清理保护过程中多为依靠传统经验,而且熟练程度很不均衡,技术方法缺乏规范。不但考古发掘信息获取量少,出土文物存在安全隐患,即便是成熟技术于应用及普及方面也存在不足,使得一些在现有条件下应该可以获取的文物和能够采集的信息未能得到妥善处置,甚至一定程度上造成了文物损毁或永久性消失等,严重影响和制约了考古发掘的质量及文物安全。

随着国家经济的不断发展,解决考古学重点课题的主动发掘项目和国家重大基本建设项目的发掘任务均十分繁重,而目前文物出土现场考古和文保工作普遍存在设备落后、保护方法手段简单原始,现场保护人员缺乏等突出问题,许多遗址的发掘工作由于缺乏有效的技术支持,从而造成遗址信息的丢失及出土遗迹遗物保护不及时而损坏的现象。我国地下文物埋葬具有分布广、遗址类型多、出土遗迹遗物材质多样等特点。在移动实验室的设计和各项技术研究任务及考核指标基础上,结合我国目前考古现场的突出技术需求,对首台文物出土移动实验室的功能、定位以及应用前景进行了仔细分析和研究,系统梳理了适合我国文物出土现场特点的技术问题,进一步细化了研究内容和技术攻克难点,明确了移动实验室的作用和采用技术。文物出土现场移动实验室具有机动灵活、装备齐全、信息采集和分析快捷等特点,在短时间内可以将上述功能前移至考古发掘现场,满足现场各项分析检测的技术需要,同时为出土遗迹遗物的现场应急处置保护提供准确数据,成为考古和文保工作人员不可或缺的专业助手。

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图一 移动实验室车体外观

考古发掘有很强的实效性和实践性,出土文物现场处置保护的操作规程及方法要及时、简便、实用、有效。因此,其操作方式和过程不能过于繁琐,还必须讲求可持续性和可逆性,以确保出土遗物有一个较长时段的安全周期。在周密与简便、迅速与实效、现时与持久之间达成合理平衡。有鉴于此,本研究专题将着重解决考古发掘过程中,对遗迹遗物的现场清理、处置保护、起取迁移等方法和技术的整合与规范问题。

2 处置保护研究的内容

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1、研究背景

在关于移动实验室的设计思想和功能定位分析的基础上为顺利实现移动实验室的技术目标,展开以下单元的研究:

图四 脆弱金属遗物现场处置保护方法

图三 脆弱质遗物现场处置保护方法

在考古发掘现场对出土物进行应急处置保护,其宗旨和目的是采取灵活、简便、快捷、有效的方法手段,尽可能完整地获取所有出土的遗迹遗物。结合实验室内综合分析检测和合理的处理保护程序,使难于保存的诸多痕迹现象恢复与再现历史原本概貌,丰富我国文化遗产的内容,同时为考古学的项目研究提供更加丰富、翔实、准确的信息和实物资料。现场处置保护工作应从考古发掘方案制定阶段就开始介入。首先对于遗迹遗物的出土状态分析、初步检测、起取技术手段、包装方式的决策以及运输条件的判断等行为是一种特殊的田野分工,也是田野考古工作分工细化的进步要求。其次是因为在田野工作初步阶段必须在以往资料的基础上,对出土物种类和所需要采取的保护手段进行较为准确的预判和准备。而这项细致的工作是出土遗物能够得以完整保存下来的前提,必须由专业人员来进行处理,归根结底是出于信息保护的需要。根据目前考古工地现场出土的遗迹遗物急待解决的诸多问题,研究和探索对不同类型出土文物所采取的处置方法、手段及使用工具。制定田野应急处置的操作办法和标准,研制文物出土现场研究处置的各类工具包。

5 移动实验室运载平台选型、空间设计及装配制造研究;

针对文物出土现场信息采集,考古出土遗迹遗物现场应急处置保护,现场文物分析与环境监测等急需解决的问题,通过对调查技术和信息提取、分析检测、保护等专用设备的适用性研究,研发考古智能化预探测设备,开展出土文物的应急处置技术研究,完成具备现场勘查、测绘、记录、环境快速分析、现场信息实时传输以及对出土脆弱质文物的现场保护等功能的技术集成,制定文物出土现场应急保护规范与技术标准,完成移动实验室的设计,形成完整的文物出土现场技术保护体系。为制定考古发掘预案、应对突发事件、遗迹遗物的应急处置保护提供便捷快速的集成系统,全面提升出土文物现场保护的整体水平。

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文物出土现场遗迹遗物处置保护所需设备工具集成。

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