岩画渗水病害的红外热成像检测研究

2019-09-30 12:48:38

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本文刊登于:《工程勘察》2010.5

摘要:

广西花山岩画是全国重点文物保护单位,在世界岩画中占有重要地位。花山岩画崖体渗水病害严重威胁着岩画的安全保护,渗水部位的准确检测以及渗水量的判定是治理渗水病害的前提。本文利用红外热成像技术对花山岩画崖壁渗水部位进行了实地检测,探索了红外热成像技术在岩画渗水病害检测中的可行性。检测结果表明,使用红外热成像技术不仅可以准确、有效检测岩画崖体的渗水部位,还可以一天中崖壁温度最高时渗水区域的最低温度为检测指标,以其差级进行渗水量等级划分,进行渗水量的判定。实际检测时,应根据仪器性能特点、现场条件以及检测目的,合理设计方案。天气状况是保证检测成功的必要条件,应选择大雨后的晴天或间歇性晴天进行检测。与可见光成像技术相比,该方法具有独特的技术优势。同时,该方法可应用于其它石质文物渗水部位及渗水量的检测分析。

引言

广西花山岩画位于广西壮族自治区宁明县左江支流明江右岸岩石崖壁之上,于战国至汉代时期由壮族先民骆越人涂绘。岩画范围长约172m,高约50m,上绘有人物、动物、器具等各种图像1900多个,因其规模宏大、保存较好、画像众多、分布密集以及内容丰富,成为左江流域乃至我国西南地区岩画的典型代表,具有重要的历史、文化、美学、艺术、民族史研究价值,在世界岩画中亦具有重要地位,于1988年被列为第三批全国重点文物保护单位。

花山岩画属以崖壁岩体为载体露天保存的大规模文物,在诸多因素的综合影响下,出现了裂隙、岩体片状剥落、颜料褪色、渗水、溶蚀、钟乳石沉积覆盖等病害,严重威胁花山岩画的保存。一些学者围绕岩画病害种类、成因、保护修复方法开展了多方面的研究工作[1~3]。文献[4]认为花山岩画受环境因素作用,岩画颜料及岩石风化明显,风化类型复杂多样,化学风化、物理风化和生物风化,同时存在、相互影响,且均与渗水有着直接的或间接的关系,水的防治是治理岩画风化病害的前提。文献[1,3]也认为,渗水是岩画病害的主要原因。因此,进行渗水病害调查、进而查明渗水部位及渗水特征对于岩画保护具有重要意义。

以往的现场调查大多依靠肉眼或借助可见光照相设备进行观测,当目标的颜色与周围环境相近时,则不易判别渗水点的位置。红外热成像技术可以将不可见的红外辐射转化为可视图像,即利用目标与周围环境之间温度与发射率的差异,显示红外辐射能量密度分布,而成为“热图像”。由于该技术具有全天候、全场性、实时性、非接触、无损伤等特点,广泛应用于材料和建筑结构的缺陷检测中[5~7]。此外,由于水的热容量、热惯量以及热传导性能显著大于岩石、泥土以及其它材料,当有热源作用(如太阳的照射)时,干燥物体的温度上升很快,而含水或存在渗水物体的温度上升较慢,二者之间形成温差。即使无热源的作用,由于水蒸发的降温效应,岩体含水部位比其它部位的温度低。因此,可以利用热成像技术检测含水或渗水区域。Avdelidis等人利用热成像技术对不同含水率的岩石在相同环境条件下进行了实验观测,研究了岩石含水率与岩石表面温度间的关系,发现岩石的吸水系数与温度呈负相关,湿度越大岩石表面温度越低,热成像技术可以将不同含水率的岩石区分开来[8]。文献[9~11]对于利用热成像进行建筑物(包括古建筑)的湿度检测方法提出了许多建议,文献[12]利用热成像定量研究了建筑屋顶湿度与水分蒸发后的降温效应,提出了定量测定屋顶湿度的方法。

目前,国内利用红外热成像技术进行文物病害检测的相关研究较少,而利用热成像进行岩画渗水病害检测也未见报道。本文利用两台高精度红外热像仪对广西花山岩画的渗水病害进行了检测,探究了热成像技术在岩画渗水病害检测中的可行性。

1、检测方案设计

由于岩画病害范围较大(长约172m,高约50m),本次检测使用2台热像仪。一台为非制冷红外热像仪(型号VarioCAM),波长范围7.5~14μm,热灵敏度小于0.08℃,探测器规格320像素×240像素(增强存储模式下可达640像素×480像素);另一台为制冷型红外热像仪(型号VarioSCAN3021ST),波长范围3.7~5.0μm,具有0.03℃的高热灵敏度,探测器规格320像素×240像素。此外,使用温度计进行环境温度测量,并进行热像仪的温度矫正。为与可见光成像对比,使用长焦镜头数码相机。为了解不同季节岩画渗水情况,分别于2008年2月24日~29日(旱季)和2008年9月11日~15日(雨季)进行了热成像观测。针对不同检测目的使用下述3种检测方案:

方案1:大范围、长距离、固定观测。

在岩画所在明江对岸安置2台热像仪,对立壁分段(一台检测北侧,另一台检测南侧),并进行长距离(约100m)、大范围(整个岩画区域)、连续(全天)观测,以获取主体崖壁范围不同时间的温度变化情况。数据采集速率1次/2min,观测时间9:00~18:00。该种观测分别进行了不同天气(包括晴天、阴天、间歇性晴天)的观测。该方案的设计是为了解整个岩画范围渗水点的分布情况。

方案2:大范围、长距离、扫描式观测。

在岩画所在明江对岸使用一台热像仪,每间隔1h,进行自左到右、从下而上的扫描式观测,以了解整个崖壁不同时间的热像变化情况。该种观测在晴天进行。

方案3:非固定式观测。

观测距离、观测位置、观测时间以及观测范围都不固定,针对现场感兴趣的目标进行观测。其目的一是验证方案1、2的检测结果,多用于近距离观测;二是通过多角度,不同距离、不同地点的观测,更好的了解渗水点的分布与特点,是对前两种监测方式的补充,避免上述两种检测方式漏掉重要的有检测意义的信息。该种观测在明江中的小船上进行。

2、检测结果

2.1旱季检测结果

花山岩画立壁旱季热像检测结果如图1所示。由于崖壁的走向为NNW向,所以崖壁接受太阳照射在临近中午时分,崖壁未接受太阳照射时,石钟乳在热像中呈低温色调(图1中黑色),此时温度低于周围岩石;当崖壁接受太阳照射时,温度逐渐高出周围岩石,在热像中呈高温色调,在远距离检测中未发现有渗水的低温迹象。热像中虽在下午存在倾斜的带状低温色调,是岩石层理裂隙形成的岩檐,因其内凹不能接受太阳照射而显示低温色调。由于远距离检测距离目标在110m左右,按照热像仪的空间分辨率计算,每个像素所探测的范围为20cm左右。这表明在旱季,岩画区域没有较大范围的渗水现象。

图1 远距离不同时间拍摄的岩画北侧红外热像.jpg

图1 远距离不同时间拍摄的岩画北侧红外热像

花山岩画立壁旱季热像检测结果如图2所示。石钟乳头部在热像中呈低温色调(图2左侧照片)。用肉眼观察,很难辨认钟乳石的头部与其它部位的区别(图2右侧照片)。近距离观察,这些部位长有地衣、苔藓,其湿度明显大于其它部位,因而在热像中因潮湿显示低温色调。

现场观察、了解,在2月的少雨季节,崖壁很少有明显的渗水迹象,仅是在个别石钟乳的头部呈现潮湿现象,部分有少量滴水现象。因此,在旱季无法有效检测岩画立壁的渗水情况。

图2 头部潮湿的石钟乳在红外热像中的特征 (左侧为热像, 右侧为对应的可见光照片).jpg

图2 头部潮湿的石钟乳在红外热像中的特征(左侧为热像,右侧为对应的可见光照片)

2.2雨季检测结果

2008年9月8日,花山地区下了一场暴雨,笔者于11~15日进行了现场热像检测。现场的勘察发现,崖壁有多处渗水,一些部位还形成滴水或连续的流水,但肉眼观察,也很难准确判断崖壁的渗水部位以及渗水量。

9月14日不同时间拍摄热像对比如图3所示。由图可知,石钟乳在上午呈低温色调(图3中10:17热像),在每个低温区域的中心或上端分布有低温核(温度最低区)。低温核的温度在27~28℃,比周围岩石温度低约3℃。下午由于太阳照射和环境温度升高使石钟乳的温度明显升高,但在一些部位仍然呈现低温色调(图3中16:20热像),这些低温部位正是上午热像中的低温核,此时低温核温度约30℃,上升仅3℃,而石钟乳的其它部位上升15℃,个别部位达到20℃。现场观察表明,下午热像中的低温部位正是崖壁的渗水部位,而且低温部位的温度越低,渗水量越大,二者间呈负相关。

图3 远距离不同时间拍摄的红外热像.jpg

图3 远距离不同时间拍摄的红外热像

为定量反映不同类型区域温度的变化特征,分别对渗水部位、正常岩石以及干燥石钟乳圈定圆形小区域,记为R1、R2和R3(图3)。3个不同类型区域的平均温度变化情况如图4所示。由图可知,在10:00~13:45间,由于崖壁的NNW走向和内凹的形状,崖壁不能正面接受太阳照射,仅受环境温度的影响,温度上升缓慢,在3个小时45分内干燥石钟乳温度上升4.5℃,正常岩石上升2.5℃,而渗水石钟乳仅上升1.52℃。在13:45后,崖壁开始接受太阳照射,R3区域的温度急速上升,R2区域虽也出现转折性温度上升,但速度明显缓慢,而R1没有明显的转折性变化。此外,由于在13:45~16:00间出现了两次云遮挡阳光时段,在这两个时段的R3和R2温度变化曲线出现了大的波动变化,而渗水部位受其影响微弱。

上述红外热成像观测结果表明,由于不同物质的热物理学性质不同,因而在相同的热源激发下,温度变化效应不同,水受热源干扰最小,因此可以利用红外热像仪进行渗水部位的有效检测。

图4 3 个不同类型区域温度变化曲线对比.jpg

图4 3个不同类型区域温度变化曲线对比

2.3基于红外热成像的渗水严重程度级别划分

上述结果表明,当岩石接受热源时,其含水量小的部位温度上升幅度大,反之温度上升幅度小。因此,在崖壁受太阳照射温度最高时,其温度较低的部位一定是含水多或渗水量大的部位,且渗水点温度越低,含水量越大,据此可以利用红外热成像进行崖壁渗水部位和渗水量检测。不同渗水区域的最低温度值如图5所示。其中C01、C02、C03、C04区域的最低温度值较小,分别是31.61℃、31.40℃、32.45和31.42℃;C05、C07的最低温度值中等,分别是33.07℃、34.15℃;而C06、C08区域的最低温度值最高,分别为35.04和35.48℃。实际勘察表明,C01、C02、C03、C04区域的渗水量较大,成连续的流水或滴水状;而C05、C07区域的渗水量中等,成不连续的滴水状;C06、C08区域的渗水量最小,仅在渗水部位出现潮湿现象,无明显的滴水迹象。因此,以渗水区域的最低温度(记做Tmin)作为含水量的划分指标,以△Tmin作为级差划分指标对岩壁渗水量严重程度进行划分。当级差△Tmin=1.5℃时,可以区分岩壁渗水的严重程度。具体划分标准制定如下:

图5 不同渗水区域的最低温度值显示.jpg

图5 不同渗水区域的最低温度值显示

(上为可见光照片,下为热像)

(1)渗水严重区:Tmin=31.4℃~32.9℃,岩壁渗水量较大,成连续的流水或滴水状;

(2)渗水中等区:Tmin=32.9℃~34.4℃,岩壁渗水量中等,成非连续的滴水状;

(3)渗水轻微区:Tmin>34.4℃,岩壁渗水量较小,表面成潮湿状。

依据上述标准,对花山岩画整个崖壁渗水严重程度进行了划分,结果如图6所示。由图可知,花山岩画立壁共存在约49个渗水部位,主要分布于岩画区域或其上部附近,对岩画构成严重危害。

图6 花山岩画的渗水病害检测结果及等级划分.jpg

图6花山岩画的渗水病害检测结果及等级划分

(实线圈-渗水严重区域;虚线圈-渗水中等区域;内部填充圈-渗水轻微区域)

3、结论

本文利用红外热成像技术对广西花山岩画崖壁的渗水部位和区域进行了检测,探究了热成像技术在岩画渗水病害检测中的可行性,取得了以下主要认识:

(1)岩画崖壁的渗水部位检测应根据仪器性能及特点、现场条件以及检测目的,进行方案设计。远距离的固定观测适用于了解整个岩画崖体范围渗水部位的分布情况;近距离的观测适用于小范围渗水部位以及渗水特征细部特征检测。实际检测中还应配合望远镜、长焦数码相机等可见光观测手段,以便增加检测的有效性。

(2)选择天气条件是保证检测成功的必要条件。岩画渗水部位的红外热成像检测应选择在雨季进行,可以保证渗水量大和光照充足,检测结果更符合实际情况。此外,应选择雨季大雨后的晴天或间歇性晴天进行检测。

(3)物体的含水量与温度变化存在相关关系,基于红外热成像技术可以进行渗水程度划分,可用一天中崖壁温度最高时渗水区域的最低温度作为检测指标,以其级差作为标准进行渗水量划分。

(4)检测结果表明,使用红外热成像技术可以对岩画渗水部位进行确定,特别当目标颜色与周围环境的可见光特征相似时,使用红外热成像技术效果更佳。

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