多功能考古預探測平臺的設計與應用

王 萌，全定可，趙皓琪，趙西晨，董文強*，夏琦興

（1.西北工業大學文化遺產研究院，陜西 西安 710072；2.館藏壁畫保護修復與材料科學研究國家文物局重點科研基地，陜西西安 710072；3.西安元智系統技術有限責任公司，陜西 西安 710076；4.陜西省考古研究院，陜西 西安 710054）

針對長期處于封閉狀態的地下墓穴或遺址，貿然進行考古發掘作業會給操作人員帶來一定的危險，且容易對文物，特別是環境敏感的文物產生不可逆轉的劣化、變質乃至損毀[1-2]。因此，為保障考古過程中的人員安全和文物應急保護，亟須通過多種技術手段對復雜埋藏環境進行考古預探測。

1 多功能考古預探測平臺的研究背景

為了在不破壞墓葬的情況下對墓葬內部信息進行勘察和提取，Carlo Lerci于20世紀50年代利用內窺鏡及照明拍照設備對3 500座伊特魯里亞人的墓葬進行了預探測[3]。隨著柔性光纖技術的進步，內窺鏡被廣泛應用于各類墓葬的勘探研究中，例如通過醫學內窺鏡分析木乃伊內部病理[4-5]；采用工業內窺鏡探測意大利、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，利用內窺鏡進行了墓葬發掘前的預判和文物信息的提取[7-9]。2022年3月，法國考古學家通過微型內窺鏡對巴黎圣母院出土石棺進行探測，發現了內部的布料殘骸、頭發和植物殘骸等。內窺鏡的應用降低了墓葬發掘對文物的損傷，但由于其長度有限，僅適用于較小型的墓葬或壁龕，對形制復雜的大型墓葬難以有效探測。隨著機器人技術的發展和成熟，世界上許多國家開始研發機器人裝備進行考古研究[10-12]，充分發揮機器人的技術集成特點，運用多種技術對考古現場進行探測。自1991年開始，德國、美國和埃及政府聯合，先后采用機器人設備對胡夫金字塔進行了多次實地探索，其中“金字塔漫游者”考古機器人最為有名[13]。2006年，由哈爾濱工業大學和國家博物館合作研發的考古機器人誕生，標志著我國第一次使用科技代替人工的方式對墓葬進行探索[14-16]。

為了獲取更完成的探測信息，考古機器人逐漸向多功能方向發展。但當考古機器人集成功能過多時，必然會對其運動能力造成影響。為了同時兼顧多功能探測需求和運動能力，常用策略是將考古機器人設計為履帶式/輪式結構，并適當增大體積。由于大型墓室內意味著墓主人身份尊貴、隨葬等級高，往往會出土眾多珍貴的陪葬遺物，履帶式/輪式機器人容易對周圍磕碰，對遺存遺跡造成干擾和破壞，這也是考古學家對機器人考古應用慎之又慎的重要原因。為了克服履帶式/輪式機器人對探測環境的負面影響，斯坦福大學Allison M. Okamura設計了一種柔性仿生機器人，其徑向尺寸較小，而縱向可通過氣壓延伸驅動，從而將對周圍環境的干擾降到最低，但該機器人的負載能力十分有限，開發難度極高[17]，距真正實用化探測還有一定的距離。以上問題是現階段機器人考古面臨的現實挑戰，同時也為未來研發真正具有實用價值的機器人指明了方向。

為了合理協調機器人探測能力與運動能力的矛盾，解決部分考古學家對機器人探測的關切和顧慮，筆者團隊提出了一種新型的機器人考古應用策略：將考古預探測機器人系統分為考古預探測平臺和單體機器人，一方面將眾多非接觸式探測技術集成于預探測平臺，盡可能降低單體機器人的配重；另一方面在預探測平臺上預留機器人釋放回收艙，通過后續搭載單體機器人的方式進一步提升探測距離。需要特別指出的是：這種機器人考古預探測策略的研發重點不再是單體機器人，而是多功能考古預探測平臺，其既充分運用現有探測手段，又為未來新技術集成留有空間，被認為是現階段較為理想的解決辦法。該探測策略有望解決現階段考古機器人多功能集成和運動能力難以兼顧的難題，能更好地適應于我國文化遺產事業的蓬勃發展。

在2020年“十三五”國家重點研發計劃“重大自然災害監測預警與防范”中的重點專項（文化遺產保護和利用專題任務）“文物出土現場應急保護技術體系研究”的支持下，團隊聚焦地下埋藏環境考古預探測的實際需求，獨辟蹊徑設計了一款多功能考古預探測平臺。該平臺集成了攝像云臺和照明模塊、激光測距模塊、環境參數采集模塊、機器人釋放回收艙等多種技術，可在正式發掘前對墓葬等狹小空間進行預探測，并能搭載任意符合尺寸的有線或無線單體機器人設備，拓展整體的探測能力。該考古預探測平臺可為考古發掘工作和出土文物的應急保護提供重要的理論依據和技術支持。

2 多功能考古預探測平臺的結構與軟件設計

地下埋藏環境空間狹小、未知因素較多，存在安全隱患。針對上述情況，多功能考古預探測平臺以設計合理、結構緊湊、功能多元為特點，通過人工探洞進入地下墓葬，完成對地下環境的圖像采集和環境參數檢測，使考古人員在進入墓室之前就能對內部環境有一定了解和判斷，以便采取有力措施來減少發掘作業對遺跡遺物的非必要損害。圖1為多功能考古預測平臺系統的結構設計圖與實物照片，主要應用于含墓室的大型墓葬遺址。平臺的物理結構由固定外支撐結構、探測功能模塊群、控制輔助模塊群組成。其中，攝像及照明模塊、激光測距模塊、環境參數監控模塊和機器人釋放回收艙屬于探測功能模塊群，其余元器件屬于控制輔助模塊群。探測平臺的外支撐結構由1515鋁型材制作，整體設計為圓筒狀，直徑9.5 cm，能夠通過墓葬盜洞或探洞進入地下作業。平臺投放時通過電機或手工控制鋼纜絞盤操作，同時可使用投放桿輔助。投放桿為碳纖維材質圓桿，單根長度1 m，對于地下情況復雜、距地表較深的墓葬，適當增加投放桿拼接數量，即可增大預探測深度。

圖1 多功能考古預探測平臺（來源：西北工業大學）

古墓內部環境昏暗復雜，為此平臺集成了攝像及照明模塊。其中，照明可選2種模式，即LED點陣均勻光源和紅外光源，安裝在攝像頭兩側的主體支架上。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紅外光進行照明，該波長紅外光具有無紅爆、輻射低、能量適中等優點。LED光源對整個地下環境進行良好的可見光照明，攝像頭可對20 m內的景物的形狀、外觀、顏色等特征進行視頻錄制和文物智能識別；當墓室內存在光敏易損遺存時，平臺將LED光源切換紅外光源輔助攝像模塊作業，所錄制視頻從彩色界面變為黑白界面，獲取遺存除顏色之外的其他外觀形狀等信息。平臺的空間測距模塊選型為單點TOF高速激光測距模組，具體尺寸為45 mm×37 mm×13 mm，質量為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探測平臺系統。該激光測距模塊可用于室內和室外全天候的距離測量，測距量程為0.05～40 m，精度達1 mm。依托攝像及照明模塊和激光測距模組，能夠對墓室面積進行初步測量，第一時間向地面反饋墓室空間布局和遺存分布信息，以利于后續單體機器人的釋放與行進策略制定。

圖2 LED點陣光源的光譜圖（來源：原始數據來源為庫力昂照明科技公司，作者改繪）

預探測平臺的關節運動部件主要有2部分：第一部分用于攝像及照明模塊、測距模塊的運動轉向控制；第二部分用于機器人釋放回收艙的控制。根據搭載負荷的質量計算，平臺選擇25 kg舵機，配備32位MCU處理器，可進行360°旋轉，尺寸為40 mm×20 mm×40 mm。各平臺關節通過舵機在控制軟件中進行控制，一次轉動角度為15°，轉速為30°/s。預探測平臺預留有視頻接收模塊、遙控信號發射模塊和有線控制線纜模塊等接口，可根據不同型號的機器人進行定制集成，極大地提升了平臺的可拓展性。實踐中，所有能放置進入釋放回收艙的遙操控機器人均可與探測平臺聯合作業，而機器人的遙操控信號通過平臺上預留的433 MHz的LoRa透傳模塊進行傳輸，數據傳輸可選用單獨的5.8 GHz圖傳模塊，避免了二者的沖突。此外，預探測平臺集成了各種環境參數采集模塊，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。環境參數采集模塊會實時將采集到的數據存儲到計算機，記錄當前文物埋藏的環境信息，判斷后續是否適用于人工作業和出土文物的應急保護。

預探測平臺的控制軟件是利用Python語言開發（C/S架構）的，并通過PyQt模組設計了考古預探測平臺系統的軟件交互界面（圖3）。軟件的窗口界面包含視頻顯示及錄制、環境參數、測距結果實時顯示及存儲、多舵機控制界面（操控攝像、測距和機器人釋放回收艙的轉向動作）。其中，視頻信息利用USB接口獲取攝像頭的實時視頻流，環境信息通過調用API接口，從環境監測設備獲取至本控制軟件，并能夠同步存儲于本地；舵機的控制以USB為接口，通過調用API進行串口通信；攝像、照明、測距等模塊通過舵機進行旋轉作業，每次運動角度10°～30°，轉速可調，上下擺動角范圍為130°，左右擺動最大范圍為130°；機器人釋放回放艙通過舵機控制按鈕實現投放和回收，相對于初始狀態的最大轉角為90°，可實現從豎直狀態到水平狀態的下放操作。

圖3 多功能考古預探測平臺的軟件控制界面（來源：西北工業大學）

通過軟件控制系統，工作人員可在地面計算機上方便地實現預探測平臺的電機驅動控制、攝像頭控制、空間測距、環境信息獲取、單體機器人釋放等功能，提升考古預探測作業的智能化和自動化，保障了人員安全。另外，本軟件還可實時預覽周圍環境視頻畫面，輔助單體機器人在行進過程中主動避開障礙物，避免對現場脆弱遺存的干擾和破壞。

3 實地試驗

3.1 西安機場工地墓葬試驗

出于對文物安全、實施難度、試驗風險等因素的考慮，多功能考古預探測平臺首先于2021年7月在西安機場3期工地的1處墓葬進行驗證性測試。該墓葬是1處典型的十六國貴族墓葬，地面距目標洞穴4～5 m，現場由于大開挖形成的墓道結構不穩，需要現場支護（圖4 （a））。為保障人員安全，操作人員在地面采用多功能預探測平臺系統對目標洞穴進行探測作業（圖4 （b））。

圖4 機場工地墓葬的考古現場（來源：作者自攝）

首先，通過碳纖維投放桿相接的方式，將探測平臺下放至目標洞穴位置，并在地面上利用計算機控制軟件啟動探測平臺的照明模塊，為周圍環境提供光源；然后，云臺等攝像模塊開始拍攝周圍畫面，并通過USB串口將視頻流上載至軟件界面，實現周圍環境的實時預覽與采集；轉動攝像模塊選擇合適方向，利用舵機對機器人艙體進行平放操作，以利于機器人爬出作業（圖5）。同時，環境監控模塊對目標洞穴的溫度、濕度、CO2等全程監控（圖6），發現墓葬溫度為25℃～27℃，相對濕度為56%～59.5%，CO2濃度為680×10-6～720×10-6。雖然本次試驗場地處于開放狀態，但在探測作業過程中，平臺的傳感器仍能全程對各種外界擾動實時反饋，具有極高的靈敏性，相關環境參數數據以10次/min的頻率存儲于計算機，以供地面的考古人員監測分析。該試驗成功地驗證了搭載平臺的圖像采集、機器人艙平放作業、環境參數實時監測等功能。另外，探測平臺并未檢測到明顯的O2、NO2、SO2含量波動（故未提供數據），這意味著大開挖后墓穴環境O2組分已與周圍大氣發生充分交換，且O2總量較大（約占大氣的21%），微小的擾動導致整體數值變化不大；而由于試驗時大氣質量較佳，傳感器也未檢測到NO2和SO2等典型酸性污染物存在。

圖5 機器人艙平放動作及圖像拍攝（來源：作者自攝）

圖6 機場工地墓葬環境參數監測（來源：西北工業大學、西安元智系統技術有限責任公司）

3.2 銅川壁畫墓葬試驗

2021年11月，陜西省考古研究院在銅川市配合基建項目考古勘察時，發現1座下空的壁畫墓葬，墓室內環境未知。以此為契機，考古預探測平臺在該壁畫墓葬中開展實地測試。該墓位于1處2 m深的市政管道基坑內，整體尚未開挖，僅在基坑底部有直徑約10 cm的探洞與墓葬頂部相通。試驗時，操作人員在地面利用基坑地形搭建三腳架滑軌系統，通過懸臂控制將考古預探測平臺移至墓葬口上方，通過懸臂緩慢下放平臺，由探洞進入至墓室內部（圖7）。

圖7 銅川壁畫墓葬的考古現場（來源：作者自攝）

待平臺下放至墓室底部后，地面人員通過系統軟件對平臺各功能模塊進行遠程操作。平臺的照明和攝像模塊開始工作，發現墓室的四面墻壁繪制了顏色鮮艷的壁畫（圖8（a）），考古專家根據繪制風格和內容題材初步判斷為北魏時期壁畫墓，具有極高的考古及藝術價值。壁畫的部分區域出現了坍塌，說明壁畫墻壁的穩定性已遭破壞，直接開發可能會造成墓室結構坍塌，需在正式發掘時采取必要措施，以保障人員安全和保護壁畫完整。通過實時預覽畫面，選擇1處較為平坦的區域進行機器人艙體的平放動作，隨后單體機器人從艙內爬出進一步探測（圖8（b））。預探測平臺對環境參數監測結果如圖9所示，可知CO2濃度700×10-6～850×10-6，溫度15℃～17℃，濕度36%～46%。試驗過程中，CO2濃度逐漸下降，溫度和濕度均波動上升，這表明墓室環境被擾動，外界氣流與墓室內部氣流發生了交換[18]75。最后，探測平臺的測距模塊分別在墓室頂部、中部和底部進行了水平測距（圖10），探測到墓室頂部平面較小，而中部平面和底部平面相對較大，表明該墓葬可能為穹頂式空間結構，這為判斷墓葬形制提供了重要依據。

圖8 探測平臺墓室內拍攝及機器人釋放作業（來源：西北工業大學）

圖9 銅川壁畫墓葬環境參數監測（來源：西北工業大學、西安元智系統技術有限責任公司）

圖10 銅川壁畫墓葬水平面測距結果（單位/m）（來源：西北工業大學）

2處墓葬環境實地測試，驗證了多功能考古預探測平臺的功能性、有效性和適應性，總體測試結果符合預期。作業人員通過便攜式計算機全程在地面操縱，保障了人員安全；攝像云臺模塊搭配照明設備，能夠對墓室環境實時環拍，視頻清晰度良好，預覽畫面流暢；測距模塊可對墓室整體布局進行測量，給出墓室面積和文物分布情況；機器人艙動作準確，能夠搭載機器人進一步拓展探測范圍；環境監測模塊能夠全程監控考古環境的溫濕度、CO2等環境參數，靈敏度高。通過調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，也為后續現場文物的保護提供了現實依據。

4 預探測平臺對文化遺產保護的貢獻機制

本文所介紹的多功能考古預探測平臺的應用場景多為地下結構為內含空間的土洞墓和磚、石結構墓葬，可延伸應用場景至一些人工難以企及的崖墓、石窟等，該類遺址有較大的空間且內部文物遺存豐富亟須勘察保護。本平臺從實際需求出發，創造性地集成了多個探測功能模塊，旨在正式發掘之前實現對墓葬遺址內部的有效探測，以更加主動的姿態為文物保護作出貢獻。預探測平臺在文化遺產保護的貢獻機制主要體現在以下4個方面。

4.1 墓葬內文物遺存識別與價值發現

在搶救性發掘時，預探測平臺的緊湊型筒狀結構（＜10 cm）可代替人工通過狹窄通道進入墓室，平臺上所集成的照明和攝像模塊可對墓室環境進行拍照和錄制視頻，輔助考古現場工作人員對墓葬內文物遺存進行摸查，更好地為下一步的墓葬發掘和保護做鋪墊。預探測平臺擁有LED點陣光源和紅外光源，前者可滿足普通情況下的可見光照明需求，而當墓室內可能存在對光敏感的文物遺存時，如長期埋藏在陰暗潮濕地下的脆弱有機文物突然受到紫外線的強輻射會使其產生物理性質的改變進而引發劣化，平臺可切換紅外照明模式，最大限度地減少光線對于文物的破壞[19-21]。通過考古預探測平臺，在墓葬探測階段實現對地下文物的形態、數量、位置等基本數據的可視化分析和識別，為判斷墓室形制布局以及隨葬文物規格等級提供了有價值的第一手資料。

4.2 墓葬結構穩定性判斷與文物安全提取

墓葬發掘過程中的結構穩定性關系著考古隊員的生命安全和地下文物遺存的安全賦存，一旦發生坍塌將會帶來極其嚴重的后果。預探測平臺在銅川壁畫墓葬實地試驗時，發現下空墓室的四周墻壁繪制有精美壁畫，根據壁畫內容初步判斷為魏晉時期墓葬，此時期壁畫墓在陜西省內較為罕見。為了能夠完整揭取壁畫，發掘隊員曾計劃直接進入墓室進行作業，但通過預探測的攝像發現壁畫一側壁面出現坍塌情況，測距模塊探測到墓室底部脫落壁畫的地仗層形成堆積，并通過釋放單體機器人進一步證實了墓室結構有失穩風險。通過對預探測結果分析，發掘隊員制訂了細致、周密、穩妥的揭取方案，在保障人員安全的同時，對壁畫盡可能完整的揭取和保存。

4.3 墓葬內微氣候監測與文物病害預防

在考古發掘過程中，由于埋藏環境驟變引起的文物損害十分嚴重。文物保存的微環境條件中，影響最為顯著的是溫度與相對濕度的變化，溫度和濕度能夠加速侵蝕化學反應的速度，溫、濕度的頻繁波動還會導致文物材質的物理形變，甚至不同的材質在接觸面發生卷曲、剝離或崩裂，如漆木竹器類文物出土后，若不采取保濕措施，則會快速脫水、皺縮、變形[19,22-23]。對于部分無機質文物，溫、濕度的劇烈變化還會導致鹽蝕危害。相較于保存階段，文物在出土階段本體劣化和病害發展尤為嚴重，給文化遺產的保護和延續帶來嚴峻挑戰，而此階段施加文物保護手段的效果也更明顯。預探測平臺集成的溫度、濕度等模塊，能夠監測墓葬內微氣候信息，預判出土文物劣化風險。針對受微氣候條件波動影響較大的文物遺存，在考古發掘過程中同步介入有針對性的文物現場保護措施，有效預防文物病害誘發與惡化，最大限度地保留出土文物資料的完整性，不僅為后續的考古研究保留更多信息[20,23]，還對文化遺產的安全保存和價值延續意義重大。

4.4 墓葬內大氣環境調查與文物應急保護

2013年曹軍驥等人對西漢張安世家族墓葬M1墓室內的大氣環境調查發現，在待發掘墓葬內的O2含量低于大氣中平均含量，而CO、CO2、CH4等含量遠高出全球本底值[18]73-75，據此判斷墓葬內存在有機質文物遺存，其腐敗分解和微生物活動消耗了墓室內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的保存，而當墓室內外發生氣體交換后，會加速纖維類文物的氧化、尸體類文物的腐爛、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等也會侵蝕文物本體而導致更嚴重的病害。特別指出的是，由于NO2、SO2等酸性氣體主要來自外界大氣污染，通過對比墓室內部和墓葬洞口附近地表的酸性氣體含量差異，有助于判斷墓室內外大氣交換程度，更全面反映賦存環境擾動對遺存安全的影響。探測作業時，平臺通過攝像模塊與CO2、O2、NO2、SO2等多種氣體傳感器關聯應用，可同步獲得墓室內視頻信息和大氣成分信息，進而綜合判斷文物遺存狀態。對已觀察到的脆弱文物遺存采取及時搶救性的應急保護措施干預，盡量杜絕外界氣體對文物遺存的不利影響。如若出土現場不具備保護條件或大氣中酸性氣體濃度較大，可將探孔暫時封堵或注入惰性氣體，以避免內外氣體流通引起的文物劣化。

5 結束語

針對地下墓葬空間狹窄、存在未知危險等問題，提出了一種具有實用化價值的多功能考古預探測平臺，并通過實地測試驗證了其功能性、有效性和適用性，為出土文物的應急保護和價值存續提供理論依據和技術支撐。其具有以下優勢：①平臺整體結構緊湊，能夠通過直徑小于10 cm的探洞進入大型墓葬環境進行預探測，空間適用性強；②平臺集成了照明攝像、高速激光測距、環境參數采集、機器人艙等多種探測技術，大大提高了探測效率；③人員可在地面通過軟件控制平臺實現墓葬環境的考古探測，保障了人員安全，自動化和智能化程度高。綜上所述，依托多功能考古預探測平臺，能夠對地下環境尤其是搶救性發掘的墓室遺址進行有效探測，發揮現代科技在遺址勘察和文物保護的積極作用，實現遺存綜合判別、文物劣化因素監控等目標，對于我國文化遺產事業具有重要意義。