土遺址夯筑支頂加固表面色度檢測的影響因素研究

尚東娟 裴強強 趙國靖 李志強 張博

DOI：10.16783/j.cnki.nwnuz.2024.01.018

收稿日期：20230520;修改稿收到日期：20230823

基金項目：敦煌市科技支撐項目；中國科學院“西部之光”人才培養引進計劃項目（20JR3RA008）

作者簡介：尚東娟（1993—），女，甘肅會寧人，助理館員.主要研究方向為土建筑遺址保護.

Email：1195120713@qq.com

*通訊聯系人，男，研究館員，博士，博士研究生導師.主要研究方向為石窟寺建筑和土建筑遺址保護.

Email：peiqiangq@163.com

摘要：土遺址夯筑支頂加固外觀多以目測評價協調性，受觀測者主觀影響較大.因此，量化評價已成為土遺址加固效果評價的關鍵問題，其中色度是重要的量化指標.為有效提高夯筑支頂體表面色度檢測的準確性與科學性，通過檢測不同顏色比例混合土試樣的色度，確定人體能認別土體色差ΔE的極限為3.62～4.08，提出了色度差界限ΔE=4為土遺址夯筑支頂體色差質量控制臨界值.通過現場測試發現，露天光線、邊緣漏光、測試點凸凹不平均影響測試結果；光照環境與邊緣漏光影響極小，當檢測位置凹陷深度大于5 mm、面積大于50 mm2時，色度檢測將出現較大偏差.為此本研究提出了夯土遺址色度檢測的限定條件，為土遺址規范化保護提供理論和技術支撐.

關鍵詞：土遺址；色度；光照環境；加固效果；質量控制

中圖分類號：K 275.3??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1001-988Ⅹ（2024）01-0125-10

Influencing factors of chromaticity detection

on the reinforced surface of rammed support roof for soil sites

SHANG Dong-juan1，2，3，4，PEI Qiang-qiang1，2，3，4，ZHAO Guo-jing2，3，4，

LI Zhi-qiang3，4，ZHANG Bo1，2，3

（1.Dunhuang Academy，Dunhuang 736200，Gansu，China;

2.National Technological Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Heritage Sites，

Dunhuang 736200，Gansu，China;

3.Key Laboratory of Conservation and Research for Ancient Murals and Earthen Heritage Sites，Dunhuang 736200，Gansu，China;

4.Gansu Mogao Grottoes Cultural Heritage Protection Design Consulting Co.，Ltd.，Dunhuang 736200，Gansu，China）

Abstract：The assessment of appearance and coordination for earthen archaeological site reinforcements，which is traditionally done by visual inspection，is greatly influenced by the observers subjectivity.Quantitative evaluation has become a critical issue for assessing the effectiveness of these reinforcements，in which chromaticity is a key metric.To improve the accuracy and scientific validity of chromaticity measurements on the surface of the compacted supports，tests on soil samples with varying color proportions were conducted.It was determined that the human discernible chromaticity difference ΔE is ranged from 3.62 to 4.08.A chromaticity difference threshold of ΔE=4 is proposed as the critical value for quality control of the color difference in the compacted supports of earthen archaeological sites.Field tests revealed that factors such as ambient light，edge light leakage，and uneven testing points can affect the results，while the impacts of lighting conditions and edge light leakage are minimal.The significant deviations in chromaticity measurements are occurred when the testing location has a depression deeper than 5 mm and larger than 50 mm2.Based on these findings，this study introduces specific conditions for chromaticity testing in compacted earthen archaeological sites，which can offer theoretical and technical support for the standardized preservation of such sites.

Key words：earthen sites;chroma;lighting condition;reinforcement effect;quality control

我國遺存大量形式各異、內容豐富的土遺址，具有極高的歷史、藝術、科學、社會及文化價值［1］.在各種內外營力的作用下，土遺址產生不同類型和程度的病害，嚴重威脅土遺址的保存［2］.我國自20世紀80年代末開始對土遺址保護進行研究［3］，經過長期的科學實驗探索和保護工程實踐，形成了以掏蝕區夯筑支頂、表面風化滲透加固、開裂土體灌漿及錨固等為主的土遺址系列加固技術.隨著保護觀念的不斷科學化，對土遺址保護提出了更高的要求.“保持原貌，不改變文物原狀”的基本原則［4］要求文物修復者們不僅要在遺址結構特征和工藝技法上不斷深入，而且要求修復后遺址外觀形貌和原遺址相近，特別對區域加固、隱蔽困難、涉及范圍相對較大的土遺址夯筑支頂加固體的表面色調提出了更高的要求.因此，如何科學量化評價保護措施對遺址本體外觀色調的影響成為文物保護工作者研究的重要方向［5］.

大量的工程實踐和原始檔案證明，土遺址加固后表面色差是評價工程加固效果的重要指標，也逐漸成為常用加固材料篩選的重要依據［6］.目前，土遺址保護措施加固前后常用的色差評價方法有目測法［7-8］和儀器測量法［9-10］.目測法簡單直接，憑借檢驗者主觀感受來研判色差大小，受觀測者主觀因素影響較大，往往在接近人類視覺辨識極限的情況下，不同觀測者對同一工程加固效果可能給出不同的評價結果.儀器測量法可有效排除人為主觀因素對評價結果的影響.然而，儀器測量易受現場光照環境、測量方式、土體表面凹凸粗糙程度等因素的影響，測量結果需要通過人為識別進一步驗證標定.因此研究外界不同因素對色度檢測的準確度，并提出科學準確的檢測方法成為土遺址夯筑支頂加固體外觀協調性評價的關鍵點.

色度評價在多種材質的文物鑒定、保護修復及考古分析等方面發揮著巨大的作用.丁銀忠等［11］利用色度學中Lab均勻色度空間、LCH色度空間和分光反射光譜曲線對故宮博物院藏宋代官窯瓷器釉的顏色進行定量化表征和分類，揭示了釉的不同顏色的色度

學特征；鄭利平［12］采用色差計對陶瓷修復過程中的材料配色進行定量化檢測與評價；曹秋彬等［13］采用CM-2600d分光測色計研究環境因素對模擬石質文物表面色度的影響；殷向東等［14］對影響陶瓷顏料顏色測量的諸因素做了分析和研究，確定了陶瓷顏料顏色測量和表征的最佳方法；黃四平等［15］采用色度儀對土遺址幾種加固材料進行加固前后色差的系統測試評價；周雙林［16］等、和玲等［17］對土遺址加固前后的色差進行試驗研究；毛維佳等［18］采用色度儀對土遺址表面進行了原位測試，發現墻體表面的裂縫與孔洞等特征均會對測試結果產生影響，然而并未建立孔洞尺寸、測量環境等與色差值的偏差影響關系.

文物色度的檢測多集中于陶瓷等表面光滑平整的材料，對土遺址加固前后色度對比也是建立在測量面較為平整的基礎上，人為測量環境、表面漏光、平整度對測試結果有一定影響，但尚未形成系統的土遺址夯筑支頂加固表面色度檢測方法.基于此，本研究依據CIE1976色度空間［19］，采用NR20XE色度儀對比不同比例混合土試樣的色度儀器檢測及人工辨識色度差的臨界值，開展不同光照環境、表面漏光程度、邊緣漏光程度及不同孔洞尺寸（深度、 面積）條件下的試塊色度檢測，并結合露天環境夯土墻體色度原位檢測，分析各因素對色差結果的影響程度，提出了土遺址夯筑支頂加固體表面色差質量控制閾值，建立了一套遺址表面色度可量化評價的測試方法，助推我國土遺址夯筑支頂加固保護工程的科學化與規范化發展進程.

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

選用顏色差別較大的紅土、黑土和白土土料，實驗用土粒徑分布見圖1，基本物理性質見表1.

1.2? 色度儀原理

采用NR20XE色度儀測量，色度儀測量孔徑為18 mm，其中NR20XE色度儀基于CIE1976LAB色域空間對物體色度進行描述，該色域空間可用笛卡爾坐標系來表示（圖2），+a表示紅色，-a表示綠色，+b表示黃色，-b表示藍

色，L表示色彩的明暗程度.實際工程中，常用明度差和總色差作為物體顏色差異的評價標準［20］，計算公式為：

ΔL=L1-L2，（1）

ΔE=［（ΔL）2+（Δa）2+（Δb）2］1/2.（2）

1.3? 試驗方法

1.3.1? 混合土樣色度測試

采用色度儀和目測法分別測試紅土、黑土和白土不同混合比例試樣的表面色度及視覺觀感.每種比例設置三塊平行樣，取測試結果平均值.將紅土、黑土和白土以不同比例混合，共計66組，見表2.采用土遺址油壓制樣機制備50 cm×50 cm×50 mm的立方體試塊，試塊干密度為1.70 g·cm-3，待試塊自然風干即含水率小于1%后，分別測試試樣表面色度，一般連續測試3次取平均值.為了降低密度和含水率對結果產生的影響［21-22］，各組試樣密度之差不大于±0.01 g·cm-3，每組試樣的含水率之差不大于±1%.

1.3.2? 光照環境影響測試

選擇編號為R0B0W10的試樣，分別測試攝影棚內暗光（0～5 Lux）、室內自然光（300～500 Lux）、室外太陽光照射（30 000～130 000 Lux）條件下的試樣表面色度，結果見圖3.分別對上述試樣同一位置色度測量3次，取平均值.

1.3.3? 漏光影響測試

選擇編號為R0B0W10的試樣，選定一平面，對該平面分別挖長18 mm、寬2 mm、深2 mm凹槽1道、2道、3道、4道、5道、6道、7道、8道（D0，D1，D2，D3，D4，D5，D6，

D7，D8），見圖4（a），對8道凹槽分別拉通得到4條

拉通凹槽（D9，D10，D11，D12），見圖4（b）.側

面挖長15 mm、寬5 mm、深5 mm階梯型側向漏光通道，為增加側向漏光量，階梯數量分別設置為平面、1層、2層、3層和4層（T0，T1，T2，T3，T4），見圖4（c）.分別對上述試樣不同條件下同一位置進行色度測量（圖4（d））3次，取平均值，測試方法見圖5.

1.3.4? 表面不平整影響測試

選擇純白R0B0W10（0∶0∶10）試樣，制備不同深度和直徑的圓形凹面，凹面呈錐形，由邊緣至中心位置垂直距離逐漸增大，最大深度為1，2.5，5，7.5，10，12.5，15，17.5，20，22.5 mm，直徑均為最大深度2倍，試樣不同直徑和不同深度漸變式凹面變化見圖6（a）～（f），其深度和直徑見表3.同時，采用編號為R0B0W10的試樣，制備表面均勻，深為5 mm，邊長分別為5，7，10，15，20，25 mm的試樣，測試平底不同邊長正方形凹面的色度變化，見圖6（g）～（l），其深度和邊長見表4.分別測試同一位置色度3次，色度儀測試結果取平均值，測試方法見圖5.

1.3.5? 露天環境原位測試

在露天足尺夯土墻（圖7）上選取1 m×1 m正方形，測試區域采用小鐵釘和細繩劃分為10 cm×10 cm不同區塊，并用三維掃描儀測試不同區塊的表面平整程度，準確量測表面起伏尺度，其中三維掃描為FARO Quantum Max ScanArm臂式三維掃描儀，測量速率為每秒48 000次，掃描區域275 cm×250 mm，分辨率0.05 mm，精確度0.02 mm.

考慮到表面不平整的影響，每個網格內分別在4個角及中心位置測試5個點，見圖8.在100個10 cm×10 cm網格內選取一個相較最平整平面為基準測量面，測得平均基準點色度值L為61.58，a為7.56，b為14.91；記錄其他網格內的色度測量值，對比基準點得到不同測試網格內不同點位的ΔL，Δa和Δb，并計算得到色差值ΔE，根據測試結果分析表面不平整程度與測試色度值之間的關系.

圖8? 夯土墻體色度測量點

Fig 8Measurement points for the chromaticity

of rammed earth walls

2? 結果與分析

2.1? 不同混色土樣色度檢測

紅-黑混合土與純黑土R0B10W0、純紅土R10B0W0明度差及色度差見圖9.由圖9可知，隨著紅土含量占比的增加，紅-黑混合土與R10B0W0的明度差逐漸減小，與R0B10W0的明度差逐漸增大，紅土含量越高，混合土的明度越低，即混合土的透明度越差，混合土的明度差曲線的間距為純黑土R0B10W0、純紅土R10B0W0的明度之差.隨著紅土含量的增加，紅-黑混合土與R10B0W0的總色差逐漸減小，與R0B10W0的總色差逐漸增大;紅土含量較少時，混合土的色度差曲線斜率較大，表明少量紅土對紅-黑混合土色度影響較大;隨著紅土含量的繼續增加，混合土的色度差曲線近似為一條直線，與紅土含量以正比例關系發生變化.

紅-白混合土明度和色度與純紅土R10B0W0、純白土R0B0W10的明度差及色度差見圖10.由圖10可知，隨著紅土含量的增加，紅-白混合土與R10B0W0的明度差減小，與R0B0W10的明度差逐漸增大，明度差曲線近似為直線，但隨著紅土含量的增加，紅白混合土的明度在持續降低.紅-白混合土與R10B0W0的色度差與紅土含量呈負相關，與R0B0W10的色度差呈正相關，色差曲線均以線性關系發生變化.

黑-白混合土明度和色度與純黑土R0B10W0、純白土R0B0W10明度差、色度差見圖11.由圖11可知，黑-白混合土與R0B10W0的明度差隨黑土含量呈現顯著負相關趨勢，說明黑-白混合土的明度隨著黑土含量的增加在減小.黑-白混合土與R0B0W10明度差變化隨著黑土含量增加與黑白混合土與原黑土明度差變化趨勢一致.隨著黑土含量的增加，黑-白混合土與R0B10W0色度差呈負相關，與原白土色度差呈正相關，即隨著黑土含量的增大，黑白混合土與原黑土顏色變化越接近，與原白土顏色變化越明顯.

在色域空間里，顏色越黑明度越低，顏色越白明度越高，結合圖9-11可知，混合土中，同等比例摻雜純土對土體顏色改變的影響為：黑土>紅土>白土.混合少量明度低的土體能引起較大的土體色差，即明度低的土體對土體顏色變化的貢獻值更大.

2.2? 土遺址支頂加固色差閾值

選取經驗豐富的現場施工人員和室內實驗人員，對3種不同顏色比例混合土所制備試塊的顏色進行比對（圖12）.將比對結果與色度儀測量得到色差值對應，得到夯筑支頂加固色差閾值.選擇純紅土R10B0W0與紅-黑混合土試樣R9B1W0，R8B2W0，R7B3W0，R6B4W0，R5B5W0，R4B6W0，R3B7W0，R2B8W0，R1B9W0以及紅-白混合土試樣R9B0W1，R8B0W2，R7B0W3，R6B0W4，R5B0W5，R4B0W6，R3B0W7，R2B0W8，R1B0W9，綜合人為觀測可得，紅-黑混合試樣R5B5W0與R10B0W0對比有明顯的色差，在紅-黑混合試樣中，當紅土所占比例小于6時，人為觀察色差越明顯，由圖9可知，R6B4W0與R10B0W0的色差值為3.62.綜合人為觀測可得，紅-白混合試樣R6B0W4與R10B0W0對比有明顯的色差，在紅-白混合試樣中，當紅土所占比例小于7時，人為觀察色差越明顯，由圖10可知，R7B0W3與R10B0W0的色差值為3.97.

同理選擇純黑土R0B10W0與黑-紅混合土試樣R1B9W0，R2B8W0，R3B7W0，R4B6W0，R5B5W0，R6B4W0，R7B3W0，R8B2W0，R9B1W0以及黑-白混合土試樣R0B9W1，R0B8W2，R0B7W3，R0B6W4，R0B5W5，R0B4W6，R0B3W7，R0B2W8，R0B1W9，綜合人為觀測可得，紅-黑混合試樣R3B7W0與R0B10W0對比有明顯的色差，在黑-紅混合土試樣中，當黑土所占比例小于8時，人為觀察色差越明顯，由圖9可知，R2B8W0與R0B10W0的色差值為3.89.綜合人為觀測可得，黑-白混合試樣R0B0W10與R0B10W0對比有明顯的色差，在黑-白混合試樣中，當黑土所占比例小于1時，人為觀察色差越明顯，由圖11可知，R0B1W9與

R0B10W0的色差值為3.67.同理可得人為觀察黑-白混合土R0B9W1與純白土R0B0W10有明顯的色差.由圖11可知，R0B8W2與R0B0W10的色差值為4.08.人為觀察紅-白混合土R3B0W7與純白土R0B0W10有明顯的色差，由圖10可知，R2B0W8與R0B0W10的色差值為3.87.

因此，在不考慮裂隙與表面平整度的影響，人為觀測土體色差能辨識閾值為3.62～4.08.當所測土體試塊顏色總色差小于觀測者人為觀測土體色差能辨識的閾值時，其與原土體總色差相差不大，認為遺址土體保護加固在色差上滿足工程要求;所測土體試塊顏色總色差超過人為觀測土體色差能辨識的閾值時，認為遺址土體保護加固在色差上不滿足工程要求.

2.3? 不同測試環境下土體色度檢測

在攝影棚暗光、室內自然光、室外陽光照射條件下采用色度儀測量同一試塊相同位置的色度，以攝影棚內暗光條件下測量結果為計算色差標樣，分別得到室內自然光、室外亮光條件下試塊的色度差，結果見表5.由表5可知，上述3種條件下測得的試樣明度差分別為0.09，0.05，色度差分別為0.14，0.09，遠低于人為觀測土體色差能辨識的閾值，所以光照的明暗程度對色度儀測量試樣色度的結果幾乎無影響.因此對土遺址夯筑支頂加固區域進行色度檢測時，無論是太陽照射還是陰雨天氣，外界光線的條件對測試結果幾乎無影響，可忽略外界光照因素對土遺址色度儀色度檢測的影響.

2.4? 不同漏光條件下色度檢測

將試樣平面挖取凹槽，分為從槽內邊緣漏光與拉通透光進行實驗，結果見表6.由表6可知，挖取不同凹槽漏光度對試塊的色差值影響極小，拉通漏光比槽內不同凹槽邊緣漏光影響略大，與測量面挖取凹槽有直接關系，明度差對色差值的改變為主要因素，但相比于平面測試結果ΔE均小于1，遠小于人為觀測辨識色差閾值，因此，當測試區表面因小程度凸凹不平而漏光時，幾乎不影響遺址體及支頂加固區域色度測量.

采用5 mm深度以階梯狀挖至試樣邊緣，測量不同臺階所對應漏光時的色差值見表7.由表7可知，不同側面漏光程度試塊色差結果ΔE均小于0.36，因此可知側面漏光對土遺址色差測量影響甚微，在實際工程檢測中，可忽略漏光對檢測結果的影響.

2.5? 不同尺寸孔洞色度檢測

以未破壞平整試塊色度為計算色差標樣，得到挖取不同深度試樣色度差曲線（圖13）.由圖13可知，挖取深度小于5 mm時，色度差曲線較為平緩且小于人為觀測辨識閾值.挖取深度大于5 mm時，色度差以斜率為1.3的趨勢急劇增大，且超過人為觀測辨識色差閾值.因此，色度儀測量時表面凹陷深度不宜超過5 mm，雖然5～10 mm范圍內一般不會超過人為觀測能辨識的范圍，但此區域色差值直線上升.因此，確定凹陷深度為5 mm以內時色度測量值的影響可忽略不計.

由挖取不同深度色度測試結果可知，在5 mm以內試樣色度差在人工不可識別范圍內，所以在該基礎上，挖取等深度5 mm不同面積正方形凹面測試試樣色度，以未破壞平整試塊色度為計算色度差標樣，得到試樣等深不同面積色度差曲線（圖14）.

由圖14可知，當正方形邊長小于7 mm時，色度差值變化幅度平緩且在人為觀測不可辨別范圍ΔE<4內，當挖取面積超過邊長7 mm即挖取面積為49 mm2時，色度差趨勢急劇增大且達到并超過人為觀測能辨識色差界線.因此，在土遺址表面色度測量時，當測量位置凹陷深度小于5 mm，且孔洞面積小于50 mm2時，不平整對色度測量結果影響較小，可達到實際指標控制要求.

當土體表面較為平整時，色度儀能夠準確的反映出土體的色度，而當土體表面有孔洞或起伏變化時，檢測面反射的光線無法較為完整的反饋至接收器，導致色度檢測準確度降低，土體表面凹陷深度、孔洞面積越大，檢測準確度越低.文中通過不同尺寸孔洞色度檢測，提出了人為觀測可辨識（ΔE＜4）的土體表面凹陷深度、孔洞面積臨界值.

2.6? 露天環境夯土墻體色度原位檢測

通過三維掃描、模型切片處理得到夯土墻體1 m×1 m區域深度等值線如圖15（a），其中紅色色系表示墻面土體凸出，藍色色系表示墻面土體凹進，等值線密集處表示陡直凸出凹進，該區域色度差空間分布如圖15（b）.由圖15（b）可知，色度差較大集中區域共約5處，①、②、③、④、⑤處ΔE最大值分別為7.09，6.8，7.5，8.7，14.85，最小值均大于4，與之相對應的圖15（a）等深線圖中陡直凹進5處平均深度分別為6，5，9，11，14 mm，面積均大于50 mm2，5處區域ΔE已超出人為觀測識別界限，色度差異較為明顯，其位置與等值線陡直凹進區域重合，說明夯土墻體表面色差受墻面孔洞等凹陷影響較大.因而，使用常規的接觸式色度儀時，土遺址的表面特征如孔洞和裂隙以及不平整度等會極大地影響色度測試評估.色度評估測試時，應盡量避免具有嚴重孔洞和貫穿裂隙的區域.

露天環境夯土墻體色度指標（明度差ΔL，紅度差Δa，黃度差Δb）不同區域空間分布見圖16.由公式（2）可知，色度差值主要取決于明度差ΔL，紅度差Δa和黃度差Δb.由圖16可知，夯土墻體表面紅度差Δa為-0.2～1，黃度差Δb為-0.45～0.95，而明度差ΔL為-11～1.因而，墻體表面孔洞導致其受光程度出現差異，孔洞尺寸越大，這種差異越大，從而出現較大的色度差，影響色度儀的正常檢測.

3? 結論

近40年來，我國在土遺址保護材料、工藝等方面取得了一系列突出成果，然而目前也面臨著無損檢測設備及方法欠缺的問題.色度是土遺址加固表面協調性最主要可量化檢測指標，通過不同比例混合土試樣的色度儀器檢測及人為觀察辨識，基于不同光照環境、邊緣漏光程度及孔洞尺寸（深度、 面積）條件下的試塊色度檢測，以及露天環境夯土墻體色度原位檢測，認為色度測試方法是土遺址保護措施協調性可量化評估的重要指標之一，但必須在限定條件內測試其數據可靠度更高.研究發現：

1）黑土明度小于白土小于紅土，不同混色土樣色度測試表明明度越低，混合少量該種土料對土體顏色變化的貢獻值更大.

2）人為觀測可辨識土體色差極限為3.62～4.08，當小于該范圍時，可認為無色度差異.土遺址保護工程實踐協調性評估色差界限為ΔE=4，色差小于臨界值時，人為觀測無法區分其色度差異，大于等于臨界值時，可以區分.

3）色度儀測試色差幾乎不受外界光照條件、是否漏光等影響，ΔE均小于1.表面平整度是影響色差的關鍵因素，測試位置凹陷深度大于5 mm、面積大于50 mm2時，色度偏差值將超出人為觀測不可辨識范圍.

4）夯土墻體表面色差受墻面孔洞等凹陷影響較大，土遺址保護工程實踐協調性評估中應盡量避開孔洞或裂縫區域，選擇更為平整區域測試.

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（責任編輯? 陸泉芳）