考古现场墓葬壁画信息提取方法探讨

严 静，赵西晨，黄晓娟，邵安定

[1.陕西省考古研究院，陕西西安 710054；2.考古发掘现场文物保护国家文物局重点科研基地(陕西省考古研究院)，陕西西安 710054]

0 引 言

墓葬壁画是我国重要的文化遗产，出土数量大、时序延续长、艺术价值高，是生动、直观的历史课本，是能让文物活起来的典型代表。而壁画制作过程中蕴含的大量技术与科学元素，体现了当时社会先进的生产力，更构成了一部古代科学技术图像史[1]。墓葬壁画是无机和有机材料组成的多层复合材料，因其制作材料工艺的复杂性，以及对保存、出土环境变化的敏感性，被归类为珍贵脆弱质文物；空鼓、开裂、酥粉等病害问题突出，造成了原真信息流失[2]。

截至目前，墓葬壁画的保护手段还是以现场揭取、搬迁异地保护为主。然而壁画揭取时信息多有损失，保护材料也为壁画的后续研究带来了干扰[3]，故而在考古发掘现场第一时间对墓葬壁画展开信息提取和研究十分必要。关于墓葬壁画的研究主要集中在考古学、美术学以及材质工艺和保护修复方面[4-11]，考古现场信息提取的相关研究较少见[12-14]。基于此，本工作在参考了石窟、建筑壁画的一些调查方法[15-18]，及考古现场遗迹信息提取手段[19-23]，根据墓葬壁画自身特点，联合多种信息提取方法与分析技术先后对西安交通大学西汉墓[24]、数座唐墓(杨桥畔东汉墓、唐韩休墓[25]、唐李道坚墓和泾阳高家堡等)、甘泉金代壁画墓[26]、蒲城洞耳村元代墓等陕西地区出土的墓葬壁画，以及四川、江西、河北、宁夏、山东等地出土的墓葬壁画进行了信息提取与研究，并通过上述工作，试图提炼和归纳出一套适合于墓葬壁画信息提取的方法流程。

1 墓葬环境监测

墓室壁画的地仗制作工艺大致包括：含有白灰层和草泥层地仗、仅有草泥层的地仗、仅有白灰层地仗。还有部分壁画直接绘制于开挖的墓室壁面或砖墙上。受壁画组成材料的老化流失、复合材料之间物化性能的差异、地下长期且复杂的埋藏环境，以及发掘后环境突变等因素的影响，壁画本体复合材质的结构稳定性减弱，出现结构疏松、脱落、空鼓等性能的劣变，对出土的墓葬壁画造成了不可逆的损伤[27]。因此，考古发掘现场第一时间对壁画所依附的墓葬进行小环境的监测和控制以减少环境变化对壁画造成的损伤极为重要。

笔者在考古现场对唐李道坚墓壁画采取远程无线传感环境监测，包括墓室、墓道位置的温湿度监测、露点温度、含水率等。监测结果表明墓道温湿度受外界影响较大，墓室温湿度变化较小，尤其是湿度，温度随着外界温度缓慢变化，部分监测结果见图1。由图可见1～2月份天气寒冷，墓室温度在未有外界干扰时变化不大(图1a)，随室外温度缓慢变化(图1b)，壁画本体表面温度在壁画揭取时(4月23～26日)变化剧烈，随着烘烤壁画表面贴附材料，墓室温度上升，壁画表面最高温度(靠近炭火盆)接近50 ℃。昼夜温度随着外界昼夜温差而波动(图1c)，露点波动与昼夜温度相一致，室内露点温度低于室内温度，壁画表面未结露，随着时间推移，室内温度缓慢上升，偶尔会出现波动。含水率和温度呈现负相关，后续随着温度缓慢上升，含水率缓慢下降。相对湿度变化较平稳，整体是随着温度上升，缓慢地增加。

图1 李道坚墓壁画环境监测结果

杨忙忙[28]对唐惠陵壁画墓环境进行了研究，认为现场适宜壁画保存的环境温度在10 ℃左右，相对湿度在60%～70%。唐韩休墓微环境监测表明环境控制对壁画现场保护非常重要，应将防霉工作做到前面[29-30]。高句丽墓葬群壁画环境调查和研究结果显示造成石室墓壁画病害的主要问题为地下水、凝露、地表附作物[12]502-522；俄军等[31]对甘肃嘉峪关搬迁后半地下保护的壁画墓环境监测表明，空气微生物的监测在墓室微生物爆发的早期预测方面具有重要的指示作用。应用无线传感器网络对考古发掘现场环境进行动态监测，可以及时获得考古现场环境变化预警[32]。

综上可知，考古现场一旦发现需要保护的墓葬壁画，应第一时间开展环境监测和控制。根据墓葬大小和形制以及壁画状况确定环境监测方案，包括布置环境温湿度、壁画表面温湿度、环境有害气体、土壤可溶盐等环境因子的实时监测。同时，及时搭建防护棚以控制墓室微环境，减缓环境波动，防护棚所用材料要隔光、保温、保湿，将整个墓葬完全覆盖，在防护棚两侧开窗用于通风换气和调节墓室温湿度；墓道口安装两重临时门，用于环境温湿度缓冲；墓室照明设备采用不含紫外光的光源。墓葬周围开挖排水渠，关注天气变化及早做好相关应对方案(大风、降雨、降雪)。墓道壁画在考古清理时表面留5 cm填土作为壁画与外界环境的缓冲，并对其进行覆盖以保持湿度。根据环境监测结果，及时调整墓室通风、控温措施，并定期进行环境微生物消杀，防止霉菌滋生。

2 画面信息提取

2.1 全面信息提取

画面作为壁画价值的主要承载者，信息量巨大，需要在对壁画进行现场加固、揭取干预之前，进行全面信息提取与记录，为后续修复、展陈、研究提供基础。信息提取可从宏观到微观逐渐深入，从二维到三维全面记录，从可见光延伸到红外、紫外光范围，从表及里逐层深入记录。

宏观裸眼观察，需要与考古学家、美术学家一起开展，对壁画的历史、艺术价值有准确理解，对壁画保存状况有全面掌握。可以利用三维扫描[33]、高清摄影技术[34]进行全面、精准的宏观记录，同时根据需求提前规划好技术路线和技术参数，例如：有弧度的墓葬壁画揭取以及壁画复原性修复需要用3D打印技术制作弧形支撑体以及背板；部分保存于原址的壁画以及一些不适合展陈的壁画需要制作复制品或者进行数字化展陈，需明确拍照精度、图形形变矫正、3D打印的精度需要等。图2为西安交通大学西汉墓的三维扫描。该墓葬原址保存，壁画基本密封，极少打开，故壁画保存状况较好。为了缓解保护与开放展览之间的矛盾，可以利用3D扫描数据进行3D制作该墓葬壁画的复制品进行展览。

图2 西安交通大学西汉墓三维扫描图

为了揭示裸眼无法观察到的信息，利用光谱技术将图像记录的光谱范围拓宽至红外和紫外光谱段。用于发现对红外光敏感的墨线以及红色颜料，以及紫外光下泛荧光的有机物质和特殊颜料。图3为杨桥畔东汉墓壁画[35]局部的可见光、红外光、紫外光的对比照。红外光下可以明显观察到壁画制作过程中的涂刷痕迹以及更为清楚的墨字；紫外光下可以发现白色颜料有着强烈的荧光反应，并发现了黄色泛荧光颜料，尤其是动物的脖子处。图4为陕北甘泉高家庄金代壁画墓对比照，紫外光下花卉叶子黄色荧光明显，外边框和可见光下发黄褪色的内边框在紫外光下和叶子颜色一致，表明它们应该使用了同一种物质。

图3 不同波段下陕北杨桥畔东汉壁画影像

图4 不同波段下陕北甘泉高家庄金代壁画影像

基于墓葬壁画的复杂埋藏环境和埋藏过程，全方位、多谱段的图像记录十分必要。很多褪色、老化的有机颜料、胶结物质只有在紫外光下才能清楚显现；很多模糊的墨线、起稿线以及线条叠压关系也只有在红外光下才能更清楚地表现出来。故而，采用精度较高的多光谱、高光谱照相技术，对于墓葬壁画画面信息的记录十分必要。这些技术在一些建筑壁画和石窟壁画中已经得到了一些应用[36-38]，在墓葬壁画方面还需加强。

2.2 重点调查点信息提取

在大范围光学信息提取的基础上，带着需要解决的问题，对壁画进行更深入的细部信息提取。采取的方法是根据调查结果，以天然壁面为一个整体，确定感兴趣点，以点为基础开展各项信息采集。感兴趣点需均匀分布，一面墙可以选择一个相对坐标原点，以网格状展开分布，根据壁画实际情况确定网格间距，以同时满足解决问题和信息记录要求为前提优化布点。例如，图5的韩城宋代壁画墓调查布点示意图，在均匀分布的基础上，加强了人物面部信息的提取。

图5 韩城宋墓壁画调查布点图

在时间和条件允许的情况下，尽可能对壁画感兴趣点进行多次调查，记录壁画在现场的劣化情况，例如颜色的变化、表面微生物滋生发展情况、表面盐分迁移等情况。工作时，以感兴趣点为单元逐次开展记录，通常记录提取的信息包括：表面温度以及垂直温湿度，微距、显微照相等拍摄的微观形态、色彩测量的数据、各类便携无损检测(便携XRF、便携Raman、便携红外等)的数据。随着技术的革新，会有更多的信息提取手段和方法被运用于墓葬壁画。此时需要根据壁画的实际情况对设备进行合理的配置，例如：壁画病害严重，需要深入研究壁画病害情况时，要加强壁画病害状况记录的设备和各类环境因子设备的布置；壁画状况较好，画面精美，则需要加强画面信息的提取，增加各类图像信息提取的设备，以及色彩与材质的快速分析检测设备，同时加强布点密度。

3 制作材质工艺研究

墓葬壁画在不同地域、时代的制作工艺与材料略有不同。对于这些不同，需要进行细致的调查与研究，为壁画后续的现场保护、揭取、研究提供技术支撑。

首先，裸眼观察壁画破损、脱落部位，初步了解壁画的营造方式。主要包括：1)了解支撑体类型，属于砖墙、石墙还是土墙支撑体；2)观察地仗层制作工艺，草泥层和白灰层都有，还是仅有一种；3)观察壁画制作材料，地仗土与墓葬所在地生土色泽、夹杂物是否一致，壁画草泥层中加筋材料种类(图6)；4)观察壁画绘制技法，包括起稿线、颜色种类、颜料混色状况等。

图6 壁画草泥层中加筋材料观察

其次，通过测量工具大致了解壁画地仗层的厚度、白灰层厚度(图7a)，以及草泥层中麦草、谷壳等添加物的尺寸，通常需要测量多个位置样本以确定一个合理的数值范围。例如，笔者对秦汉新城一座唐代壁画草泥层中麦草测量值范围为1.5～2.8 cm。然后，从微观角度进一步观察、测量、记录壁画制作材料、工艺。例如，通过微距拍照可以观察到涂色的刷子痕迹、颜色叠加状况、绘画线条细节，以及起稿线(图7b)等。通过显微观察可清楚地观察到矿物颜料的颗粒状态以及颜料夹杂情况(图8)和草泥层中植物纤维的微观形态，准确测量麦草、谷物壳的尺寸，并可从脱落处测量颜料层厚度等。

图7 壁画工艺、技法的微观记录

图8 西安交大西汉墓壁画颜料显微观察

最后，采用各便携设备对壁画颜料、白灰层、地仗层制作材料进行现场无损分析，分析测试点与壁画信息提取点一致。一般工作方法是先基于显微观察的结果，对矿物颜料采用便携式X射线荧光光谱仪(pXRF)进行材料元素的定性分析。如果对颜料比较了解，结果可以初步定性。如果无法确定，可结合元素分析结果，通过便携式拉曼光谱仪，利用颜料的光谱曲线(可见光、多/高光谱)对壁画材质组成进行定性分析。结合显微观察和紫外照相，对发现的有机颜料，需要利用光谱曲线进行初步分析，例如靛蓝在可见光谱和多光谱段都有明显峰位，可以定性分析，对于比较复杂的或者老化褪色的有机染料则需要采集标本进一步深入研究。

墓葬环境复杂，湿度很高，仪器稳定性受到影响，部分便携设备在墓葬中测量信号不稳定。例如，便携红外因为过于潮湿的环境和壁面，信号不稳定，结果中水的干扰很大；而拉曼光谱也因为受到环境影响，信号很不稳定，需要不断改进参数和方法才能出结果。因此，考古现场需要不断试验各类便携设备，选择合适的设备和测试方法。

4 病害调查

壁画病害调查是确定壁画现场保护方案的基础，只有对壁画病害的种类、程度和范围有详细了解，才能设计出有针对性的现场保护方案，使壁画得到科学保护。壁画病害调查是以上述信息记录与研究为基础，再结合局部调查与相关检测仪器调查综合得出壁画病害状况，按照行业标准对这些病害现象进行记录与描述。

局部调查以墙面为单位，依照一定方位顺序进行，先发现各种裸眼可见的直观病害。例如地仗层错位、开裂、脱落、颜料层起甲、酥粉、霉变、壁画表面泥土污染、植物根系、动物破坏以及人为破坏等。局部调查时可用相关简单设备辅助，如强光手电筒打侧光观察壁画表面起甲、酥粉，用手持式放大镜、显微镜观察霉菌、泛盐，用紫外荧光灯观察壁画表面有荧光反应的微生物和微生物残留。也可借助实际工作经验，对怀疑有空鼓的部位，用指关节轻叩，若发出与别的部位不同的闷响声，则表明该位置空鼓了。

裸眼观察到病害情况需要详细的记录与描绘。面积较大的病害采用常规照相，面积较小可采用微距照相(图9a)，微观形态下的病害用显微镜照相。对壁画病害范围与程度用测量工具进行准确的测量，包括缺失范围、开裂长度与深度、水线位置、错位长度(图9b)等。

图9 壁画病害记录

仪器设备可以帮助保护人员进一步发现壁画潜在病害，进而全面揭示壁画病害。例如红外热成像仪可以检测壁画空鼓。图10为李道坚墓道位置红外热成像比对图，由于墓道口位置温湿度波动较大，红外热成像结果也显示了较严重的空鼓和较大范围的空鼓。然而，对于墓室内壁画红外热成像效果不佳，穿透能力更强的红外热波则可深入和精准探测壁画下层状况，超声波探测、光学相干断层扫描(OCT)等无损检测手段亦可辅助检测壁画下层异常情况。电导率和可溶盐监测可以为盐害评估提供数据支撑。

图10 李道坚墓道口位置红外热成像比对图

5 标本采集

考古现场分析大多为无损的定性分析，无法开展需要制备样品的定量分析，同时在信息提取过程中，随着研究的深入必然会梳理出一些需要进一步研究的问题，这些都需要采集标本进行分析。此外，由于墓葬壁画大多需要揭取或者搬迁异地保护，在考古现场对壁画进行保护与加固的材料残留为壁画后续分析带来干扰，故而需要在考古现场及时采集壁画标本为后续研究提供样品支持。

壁画标本的采集以不损坏壁画重要价值部位为前提。先采集脱落于地面的壁画残块，若无法满足要求，则依据研究需要在不影响画面的位置采集可满足研究最小需求的标本量。除了壁画本体标本采集，还需采集壁画所处的环境、土壤标本，用以壁画病害研究及预防性保护。

6 结 论

本工作在大量的考古现场墓葬壁画信息提取与研究的基础上，认为墓葬壁画开展考古现场信息提取是壁画保护与研究必不可少的重要环节，并提出了全面的墓葬壁画现场信息提取的思路与方法。首先，开展有效的环境监测与控制，延缓壁画劣化；然后，选择适合的图像信息提取技术开展多谱段全方位多维度的画面信息提取；再联合多种便携式无损检测设备开展由表及里、由点及面、重点关注的材质工艺分析研究；最后，综合多重结果与检测设备进行病害调查。此外提出了以研究需求与标本保存为目的各类标本采集需求。

墓葬壁画考古现场信息提取是现场科学保护和后续考古学研究的关键部分，其积累的大量影像资料、数据资料为壁画保护和研究提供数据支持，为考古学研究提供了重要证据，为壁画价值的深入挖掘提供科学依据；同时也极大地提高了考古学家对现场信息提取的重视程度，促进学科交叉融合。