考古現場墓葬壁畫信息提取方法探討

嚴 靜，趙西晨，黃曉娟，邵安定

[1.陜西省考古研究院，陜西西安 710054；2.考古發掘現場文物保護國家文物局重點科研基地(陜西省考古研究院)，陜西西安 710054]

0 引 言

墓葬壁畫是我國重要的文化遺產，出土數量大、時序延續長、藝術價值高，是生動、直觀的歷史課本，是能讓文物活起來的典型代表。而壁畫制作過程中蘊含的大量技術與科學元素，體現了當時社會先進的生產力，更構成了一部古代科學技術圖像史[1]。墓葬壁畫是無機和有機材料組成的多層復合材料，因其制作材料工藝的復雜性，以及對保存、出土環境變化的敏感性，被歸類為珍貴脆弱質文物；空鼓、開裂、酥粉等病害問題突出，造成了原真信息流失[2]。

截至目前，墓葬壁畫的保護手段還是以現場揭取、搬遷異地保護為主。然而壁畫揭取時信息多有損失，保護材料也為壁畫的后續研究帶來了干擾[3]，故而在考古發掘現場第一時間對墓葬壁畫展開信息提取和研究十分必要。關于墓葬壁畫的研究主要集中在考古學、美術學以及材質工藝和保護修復方面[4-11]，考古現場信息提取的相關研究較少見[12-14]。基于此，本工作在參考了石窟、建筑壁畫的一些調查方法[15-18]，及考古現場遺跡信息提取手段[19-23]，根據墓葬壁畫自身特點，聯合多種信息提取方法與分析技術先后對西安交通大學西漢墓[24]、數座唐墓(楊橋畔東漢墓、唐韓休墓[25]、唐李道堅墓和涇陽高家堡等)、甘泉金代壁畫墓[26]、蒲城洞耳村元代墓等陜西地區出土的墓葬壁畫，以及四川、江西、河北、寧夏、山東等地出土的墓葬壁畫進行了信息提取與研究，并通過上述工作，試圖提煉和歸納出一套適合于墓葬壁畫信息提取的方法流程。

1 墓葬環境監測

墓室壁畫的地仗制作工藝大致包括：含有白灰層和草泥層地仗、僅有草泥層的地仗、僅有白灰層地仗。還有部分壁畫直接繪制于開挖的墓室壁面或磚墻上。受壁畫組成材料的老化流失、復合材料之間物化性能的差異、地下長期且復雜的埋藏環境，以及發掘后環境突變等因素的影響，壁畫本體復合材質的結構穩定性減弱，出現結構疏松、脫落、空鼓等性能的劣變，對出土的墓葬壁畫造成了不可逆的損傷[27]。因此，考古發掘現場第一時間對壁畫所依附的墓葬進行小環境的監測和控制以減少環境變化對壁畫造成的損傷極為重要。

筆者在考古現場對唐李道堅墓壁畫采取遠程無線傳感環境監測，包括墓室、墓道位置的溫濕度監測、露點溫度、含水率等。監測結果表明墓道溫濕度受外界影響較大，墓室溫濕度變化較小，尤其是濕度，溫度隨著外界溫度緩慢變化，部分監測結果見圖1。由圖可見1～2月份天氣寒冷，墓室溫度在未有外界干擾時變化不大(圖1a)，隨室外溫度緩慢變化(圖1b)，壁畫本體表面溫度在壁畫揭取時(4月23～26日)變化劇烈，隨著烘烤壁畫表面貼附材料，墓室溫度上升，壁畫表面最高溫度(靠近炭火盆)接近50 ℃。晝夜溫度隨著外界晝夜溫差而波動(圖1c)，露點波動與晝夜溫度相一致，室內露點溫度低于室內溫度，壁畫表面未結露，隨著時間推移，室內溫度緩慢上升，偶爾會出現波動。含水率和溫度呈現負相關，后續隨著溫度緩慢上升，含水率緩慢下降。相對濕度變化較平穩，整體是隨著溫度上升，緩慢地增加。

圖1 李道堅墓壁畫環境監測結果

楊忙忙[28]對唐惠陵壁畫墓環境進行了研究，認為現場適宜壁畫保存的環境溫度在10 ℃左右，相對濕度在60%～70%。唐韓休墓微環境監測表明環境控制對壁畫現場保護非常重要，應將防霉工作做到前面[29-30]。高句麗墓葬群壁畫環境調查和研究結果顯示造成石室墓壁畫病害的主要問題為地下水、凝露、地表附作物[12]502-522；俄軍等[31]對甘肅嘉峪關搬遷后半地下保護的壁畫墓環境監測表明，空氣微生物的監測在墓室微生物爆發的早期預測方面具有重要的指示作用。應用無線傳感器網絡對考古發掘現場環境進行動態監測，可以及時獲得考古現場環境變化預警[32]。

綜上可知，考古現場一旦發現需要保護的墓葬壁畫，應第一時間開展環境監測和控制。根據墓葬大小和形制以及壁畫狀況確定環境監測方案，包括布置環境溫濕度、壁畫表面溫濕度、環境有害氣體、土壤可溶鹽等環境因子的實時監測。同時，及時搭建防護棚以控制墓室微環境，減緩環境波動，防護棚所用材料要隔光、保溫、保濕，將整個墓葬完全覆蓋，在防護棚兩側開窗用于通風換氣和調節墓室溫濕度；墓道口安裝兩重臨時門，用于環境溫濕度緩沖；墓室照明設備采用不含紫外光的光源。墓葬周圍開挖排水渠，關注天氣變化及早做好相關應對方案(大風、降雨、降雪)。墓道壁畫在考古清理時表面留5 cm填土作為壁畫與外界環境的緩沖，并對其進行覆蓋以保持濕度。根據環境監測結果，及時調整墓室通風、控溫措施，并定期進行環境微生物消殺，防止霉菌滋生。

2 畫面信息提取

2.1 全面信息提取

畫面作為壁畫價值的主要承載者，信息量巨大，需要在對壁畫進行現場加固、揭取干預之前，進行全面信息提取與記錄，為后續修復、展陳、研究提供基礎。信息提取可從宏觀到微觀逐漸深入，從二維到三維全面記錄，從可見光延伸到紅外、紫外光范圍，從表及里逐層深入記錄。

宏觀裸眼觀察，需要與考古學家、美術學家一起開展，對壁畫的歷史、藝術價值有準確理解，對壁畫保存狀況有全面掌握。可以利用三維掃描[33]、高清攝影技術[34]進行全面、精準的宏觀記錄，同時根據需求提前規劃好技術路線和技術參數，例如：有弧度的墓葬壁畫揭取以及壁畫復原性修復需要用3D打印技術制作弧形支撐體以及背板；部分保存于原址的壁畫以及一些不適合展陳的壁畫需要制作復制品或者進行數字化展陳，需明確拍照精度、圖形形變矯正、3D打印的精度需要等。圖2為西安交通大學西漢墓的三維掃描。該墓葬原址保存，壁畫基本密封，極少打開，故壁畫保存狀況較好。為了緩解保護與開放展覽之間的矛盾，可以利用3D掃描數據進行3D制作該墓葬壁畫的復制品進行展覽。

圖2 西安交通大學西漢墓三維掃描圖

為了揭示裸眼無法觀察到的信息，利用光譜技術將圖像記錄的光譜范圍拓寬至紅外和紫外光譜段。用于發現對紅外光敏感的墨線以及紅色顏料，以及紫外光下泛熒光的有機物質和特殊顏料。圖3為楊橋畔東漢墓壁畫[35]局部的可見光、紅外光、紫外光的對比照。紅外光下可以明顯觀察到壁畫制作過程中的涂刷痕跡以及更為清楚的墨字；紫外光下可以發現白色顏料有著強烈的熒光反應，并發現了黃色泛熒光顏料，尤其是動物的脖子處。圖4為陜北甘泉高家莊金代壁畫墓對比照，紫外光下花卉葉子黃色熒光明顯，外邊框和可見光下發黃褪色的內邊框在紫外光下和葉子顏色一致，表明它們應該使用了同一種物質。

圖3 不同波段下陜北楊橋畔東漢壁畫影像

圖4 不同波段下陜北甘泉高家莊金代壁畫影像

基于墓葬壁畫的復雜埋藏環境和埋藏過程，全方位、多譜段的圖像記錄十分必要。很多褪色、老化的有機顏料、膠結物質只有在紫外光下才能清楚顯現；很多模糊的墨線、起稿線以及線條疊壓關系也只有在紅外光下才能更清楚地表現出來。故而，采用精度較高的多光譜、高光譜照相技術，對于墓葬壁畫畫面信息的記錄十分必要。這些技術在一些建筑壁畫和石窟壁畫中已經得到了一些應用[36-38]，在墓葬壁畫方面還需加強。

2.2 重點調查點信息提取

在大范圍光學信息提取的基礎上，帶著需要解決的問題，對壁畫進行更深入的細部信息提取。采取的方法是根據調查結果，以天然壁面為一個整體，確定感興趣點，以點為基礎開展各項信息采集。感興趣點需均勻分布，一面墻可以選擇一個相對坐標原點，以網格狀展開分布，根據壁畫實際情況確定網格間距，以同時滿足解決問題和信息記錄要求為前提優化布點。例如，圖5的韓城宋代壁畫墓調查布點示意圖，在均勻分布的基礎上，加強了人物面部信息的提取。

圖5 韓城宋墓壁畫調查布點圖

在時間和條件允許的情況下，盡可能對壁畫感興趣點進行多次調查，記錄壁畫在現場的劣化情況，例如顏色的變化、表面微生物滋生發展情況、表面鹽分遷移等情況。工作時，以感興趣點為單元逐次開展記錄，通常記錄提取的信息包括：表面溫度以及垂直溫濕度，微距、顯微照相等拍攝的微觀形態、色彩測量的數據、各類便攜無損檢測(便攜XRF、便攜Raman、便攜紅外等)的數據。隨著技術的革新，會有更多的信息提取手段和方法被運用于墓葬壁畫。此時需要根據壁畫的實際情況對設備進行合理的配置，例如：壁畫病害嚴重，需要深入研究壁畫病害情況時，要加強壁畫病害狀況記錄的設備和各類環境因子設備的布置；壁畫狀況較好，畫面精美，則需要加強畫面信息的提取，增加各類圖像信息提取的設備，以及色彩與材質的快速分析檢測設備，同時加強布點密度。

3 制作材質工藝研究

墓葬壁畫在不同地域、時代的制作工藝與材料略有不同。對于這些不同，需要進行細致的調查與研究，為壁畫后續的現場保護、揭取、研究提供技術支撐。

首先，裸眼觀察壁畫破損、脫落部位，初步了解壁畫的營造方式。主要包括：1)了解支撐體類型，屬于磚墻、石墻還是土墻支撐體；2)觀察地仗層制作工藝，草泥層和白灰層都有，還是僅有一種；3)觀察壁畫制作材料，地仗土與墓葬所在地生土色澤、夾雜物是否一致，壁畫草泥層中加筋材料種類(圖6)；4)觀察壁畫繪制技法，包括起稿線、顏色種類、顏料混色狀況等。

圖6 壁畫草泥層中加筋材料觀察

其次，通過測量工具大致了解壁畫地仗層的厚度、白灰層厚度(圖7a)，以及草泥層中麥草、谷殼等添加物的尺寸，通常需要測量多個位置樣本以確定一個合理的數值范圍。例如，筆者對秦漢新城一座唐代壁畫草泥層中麥草測量值范圍為1.5～2.8 cm。然后，從微觀角度進一步觀察、測量、記錄壁畫制作材料、工藝。例如，通過微距拍照可以觀察到涂色的刷子痕跡、顏色疊加狀況、繪畫線條細節，以及起稿線(圖7b)等。通過顯微觀察可清楚地觀察到礦物顏料的顆粒狀態以及顏料夾雜情況(圖8)和草泥層中植物纖維的微觀形態，準確測量麥草、谷物殼的尺寸，并可從脫落處測量顏料層厚度等。

圖7 壁畫工藝、技法的微觀記錄

圖8 西安交大西漢墓壁畫顏料顯微觀察

最后，采用各便攜設備對壁畫顏料、白灰層、地仗層制作材料進行現場無損分析，分析測試點與壁畫信息提取點一致。一般工作方法是先基于顯微觀察的結果，對礦物顏料采用便攜式X射線熒光光譜儀(pXRF)進行材料元素的定性分析。如果對顏料比較了解，結果可以初步定性。如果無法確定，可結合元素分析結果，通過便攜式拉曼光譜儀，利用顏料的光譜曲線(可見光、多/高光譜)對壁畫材質組成進行定性分析。結合顯微觀察和紫外照相，對發現的有機顏料，需要利用光譜曲線進行初步分析，例如靛藍在可見光譜和多光譜段都有明顯峰位，可以定性分析，對于比較復雜的或者老化褪色的有機染料則需要采集標本進一步深入研究。

墓葬環境復雜，濕度很高，儀器穩定性受到影響，部分便攜設備在墓葬中測量信號不穩定。例如，便攜紅外因為過于潮濕的環境和壁面，信號不穩定，結果中水的干擾很大；而拉曼光譜也因為受到環境影響，信號很不穩定，需要不斷改進參數和方法才能出結果。因此，考古現場需要不斷試驗各類便攜設備，選擇合適的設備和測試方法。

4 病害調查

壁畫病害調查是確定壁畫現場保護方案的基礎，只有對壁畫病害的種類、程度和范圍有詳細了解，才能設計出有針對性的現場保護方案，使壁畫得到科學保護。壁畫病害調查是以上述信息記錄與研究為基礎，再結合局部調查與相關檢測儀器調查綜合得出壁畫病害狀況，按照行業標準對這些病害現象進行記錄與描述。

局部調查以墻面為單位，依照一定方位順序進行，先發現各種裸眼可見的直觀病害。例如地仗層錯位、開裂、脫落、顏料層起甲、酥粉、霉變、壁畫表面泥土污染、植物根系、動物破壞以及人為破壞等。局部調查時可用相關簡單設備輔助，如強光手電筒打側光觀察壁畫表面起甲、酥粉，用手持式放大鏡、顯微鏡觀察霉菌、泛鹽，用紫外熒光燈觀察壁畫表面有熒光反應的微生物和微生物殘留。也可借助實際工作經驗，對懷疑有空鼓的部位，用指關節輕叩，若發出與別的部位不同的悶響聲，則表明該位置空鼓了。

裸眼觀察到病害情況需要詳細的記錄與描繪。面積較大的病害采用常規照相，面積較小可采用微距照相(圖9a)，微觀形態下的病害用顯微鏡照相。對壁畫病害范圍與程度用測量工具進行準確的測量，包括缺失范圍、開裂長度與深度、水線位置、錯位長度(圖9b)等。

圖9 壁畫病害記錄

儀器設備可以幫助保護人員進一步發現壁畫潛在病害，進而全面揭示壁畫病害。例如紅外熱成像儀可以檢測壁畫空鼓。圖10為李道堅墓道位置紅外熱成像比對圖，由于墓道口位置溫濕度波動較大，紅外熱成像結果也顯示了較嚴重的空鼓和較大范圍的空鼓。然而，對于墓室內壁畫紅外熱成像效果不佳，穿透能力更強的紅外熱波則可深入和精準探測壁畫下層狀況，超聲波探測、光學相干斷層掃描(OCT)等無損檢測手段亦可輔助檢測壁畫下層異常情況。電導率和可溶鹽監測可以為鹽害評估提供數據支撐。

圖10 李道堅墓道口位置紅外熱成像比對圖

5 標本采集

考古現場分析大多為無損的定性分析，無法開展需要制備樣品的定量分析，同時在信息提取過程中，隨著研究的深入必然會梳理出一些需要進一步研究的問題，這些都需要采集標本進行分析。此外，由于墓葬壁畫大多需要揭取或者搬遷異地保護，在考古現場對壁畫進行保護與加固的材料殘留為壁畫后續分析帶來干擾，故而需要在考古現場及時采集壁畫標本為后續研究提供樣品支持。

壁畫標本的采集以不損壞壁畫重要價值部位為前提。先采集脫落于地面的壁畫殘塊，若無法滿足要求，則依據研究需要在不影響畫面的位置采集可滿足研究最小需求的標本量。除了壁畫本體標本采集，還需采集壁畫所處的環境、土壤標本，用以壁畫病害研究及預防性保護。

6 結 論

本工作在大量的考古現場墓葬壁畫信息提取與研究的基礎上，認為墓葬壁畫開展考古現場信息提取是壁畫保護與研究必不可少的重要環節，并提出了全面的墓葬壁畫現場信息提取的思路與方法。首先，開展有效的環境監測與控制，延緩壁畫劣化；然后，選擇適合的圖像信息提取技術開展多譜段全方位多維度的畫面信息提取；再聯合多種便攜式無損檢測設備開展由表及里、由點及面、重點關注的材質工藝分析研究；最后，綜合多重結果與檢測設備進行病害調查。此外提出了以研究需求與標本保存為目的各類標本采集需求。

墓葬壁畫考古現場信息提取是現場科學保護和后續考古學研究的關鍵部分，其積累的大量影像資料、數據資料為壁畫保護和研究提供數據支持，為考古學研究提供了重要證據，為壁畫價值的深入挖掘提供科學依據；同時也極大地提高了考古學家對現場信息提取的重視程度，促進學科交叉融合。