一种石质文物水分来源的无损检测与分析方法

1.本发明涉及石质文物保护无损检测研究领域，具体涉及一种基于微波与红外技术的石质文物水分来源的无损检测与分析方法。


背景技术：

2.石质文物的风化不论是化学风化（直接的溶蚀等作用），还是物理风化（冻融作用等），甚至生物风化（促进微生物或者植物的生长等作用），均与水有密切关系；石窟岩体的裂隙发育、洞窟的坍塌也可以在水的参与下加速；而各种环境污染物在水的参与下对石质文物的影响变得更加明显。可见水对石质文物的影响是广泛而严重的，解决石窟雕刻继续风化的根本出路是准确探测石窟内部水分的进入通道、运移规律、水量水质以及可溶盐的分布与运移规律。
3.大气降水通过裂隙的下渗、砂岩内残留孔隙水的渗出、地下水的毛细上升以及空气中水汽的凝结，这4种途经都有可能为石窟内壁的表面提供液态水。文物保护人员经常遇到石窟表面砂岩呈现湿润的状态，却无法判断砂岩出现水分是由凝结水、毛细水还是石窟内部渗水等而导致。人们对于不同来源的水分运移通道、水量组成及其时空变化特征等都还不够清楚，需要采取综合的调查分析手段加以确定。探究石窟水分的来源、空间分布于运移规律具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，针对现有水分来源判断经验的不足，提出一种石质文物水分来源的无损检测与分析方法。不同来源水分的形成、分布、迁移规律不同，一般体现在石质文物不同厚度下、不同高度下水分的分布不同。本发明结合水分出现位置与环境条件，判断水分的主要来源。
5.本发明的一种石质文物水分来源的无损检测与分析方法，包括利用微波水分测定仪测量壁面以下含水率的步骤、利用红外热成像相机拍摄得到热成像照片的步骤、以及分析水分来源的步骤；所述利用微波水分测定仪测量壁面以下含水率的步骤包括：从壁面上划出一个矩形区域作为测量区域，并选择多个测试点，利用微波水分测定仪测量测试点处壁面以下不同深度的含水率，得到壁面以下含水率数据；所述利用红外热成像相机拍摄得到热成像照片的步骤包括：选择红外热成像相机拍摄区域，所述拍摄区域至少包含所述测量区域，利用红外热成像相机对选择的拍摄区域进行拍摄，得到红外热成像照片；所述分析水分来源的步骤包括：结合所述壁面以下含水率数据和所述红外热成像照片，分析水分在不同深度下的数据变化趋势，根据所述变化趋势判断水分来源。
6.其中，选择多个测试点时，对所述矩形区域划分行间距、列间距分别为固定值的网格，并将所述网格的横竖线的交叉点作为测试点。
7.其中，利用微波水分测定仪测量测试点处壁面以下不同深度的含水率时，分别测量深度为2cm、5cm、10cm及25cm的位置的含水率。
8.其中，利用微波水分测定仪测量测试点处壁面以下不同深度的含水率后，比对最浅深度下的含水率分布图像与热成像照片；所述分析水分来源的步骤包括：如果存在微波含水率值高的部位与红外热成像照片中的低温部位重合的情况，则判定该部位在表层有水的存在。
9.其中，所述分析水分来源的步骤包括：根据壁面以下含水率数据，判断含水率在不同深度下的数据变化趋势，当变化趋势为在规定深度以下随着深度的增加，含水率值不断增加时，判定水分来源包括石窟内部渗水；当变化趋势为最浅深度下的含水率高于规定深度的含水率，判定水分来源包括作用于表面的凝结水。
10.其中，所述最浅深度为2cm，所述规定深度为5cm。
11.其中，分析水分来源的步骤包括：根据红外热成像照片，判断温度趋势是否为在一定高度内温度的垂直分布为下面温度低、上面温度高的趋势，若是，则判定水分来源中包括毛细水。
12.其中，分析水分来源的步骤包括：根据壁面以下含水率数据，判断相同深度下水分的变化趋势是否为在垂直分布上呈现下方高、上方低的趋势，若是，则判定水分来源中包括毛细水。
13.根据本发明，红外热成像仪通过不同温度的物体的辐射率不同计算拍摄对象的温度以此来判断物体表面含水状态, 通过图像可以方便快捷的判断文物水分来源中是否有毛细水。通过分析石质文物内不同深度与不同高度下水分的含量，分布与变化规律，判断水分来源是否包含凝结水和石窟内部渗水，为石窟水分治理、防渗工程等提供参考。
附图说明
14.图1是利用微波水分测定仪测量壁面以下含水率得到壁面以下含水率分布图像的步骤流程图；图2是利用红外热成像相机拍摄得到热成像照片的步骤流程图；图3是结合所述壁面以下含水率分布图像和所述热成像照片分析水分来源的步骤流程图；图4是本发明石质文物水分来源的无损检测与分析方法的第一实施例的布点图；图5是本发明石质文物水分来源的无损检测与分析方法的第一实施例的热成像照片；图6是本发明石质文物水分来源的无损检测与分析方法的第一实施例的不同深度下微波水分含水率分布图；图7是本发明石质文物水分来源的无损检测与分析方法的第一实施例的不同深度下微波水分含水率箱型数据图；图8是本发明石质文物水分来源的无损检测与分析方法的第二实施例的布点图；图9是本发明石质文物水分来源的无损检测与分析方法的第二实施例的热成像照片；图10是本发明石质文物水分来源的无损检测与分析方法的第二实施例的不同深
度下微波水分含水率分布图；图11是本发明石质文物水分来源的无损检测与分析方法的第二实施例的不同深度下微波水分含水率箱型数据图。
具体实施方式
15.以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
16.本发明的石质文物水分来源的无损检测与分析方法，是一种基于微波与红外技术的石质文物水分来源的无损检测与分析方法，包括：利用微波水分测定仪测量壁面以下含水率得到壁面以下含水率分布图像的步骤、利用红外热成像相机拍摄得到热成像照片的步骤、以及结合所述壁面以下含水率分布图像和所述热成像照片分析水分来源的步骤。
17.图1是利用微波水分测定仪测量壁面以下含水率得到壁面以下含水率分布图像的步骤流程图。下面参照图1对利用微波水分测定仪测量壁面以下含水率得到壁面以下含水率分布图像的具体步骤进行说明。
18.s11：针对水分来源不明的石窟壁面进行初步勘察，观察壁面是否有较小或不明显的裂隙存在渗水现象，若是，可以初步判断该部位的水分来源包括内部渗水；若否，则继续进行以下步骤。
19.s12：选择石窟壁面上相对平整的壁面作为测试区域，方便后续使用微波水分测定仪进行含水率测试。具体而言，从壁面上划出一个矩形区域作为测量区域，在该矩形区域内进一步划分出多个行、列，使测量区域形成网格，并将网格的矩形单元的四个角点（即、行、列线条的交叉点）作为测试点。其中，划分的行、列数量越多，网格越细，则所得结果越精确。且网格中行间距为固定值，列间距也为固定值，换言之，网格中的所有矩形单元均匀分布且大小一致。
20.s13：对测试点位置使用毛刷进行拂去表面灰尘等杂质，保证测点位置表面清洁。
21.s14：判断所测文物岩石类型，常见石质文物种类主要为砂岩、花岗岩、大理岩、石灰岩、页岩等，并在微波水分测定仪（例如德国hf sensor的moist 350b手持式微波水分测定仪）中选择与文物相对应的材质，如砂岩。
22.s15：使用微波水分测定仪的探头进行测量，测量时尽量选择测试点中平整的位置，以保证探头与测点的良好接触，在测试点不平整的情况下，可以多次测量求其平均值作为该点的测量值，以确保测试数据的准确性。
23.s16：微波水分测定仪包含4个不同的探头，分别用于测量不同深度下的含水率。测量时通过使用不同的探头测定壁面以下不同深度：2cm、5cm、10cm以及25cm四个深度位置的含水率，得到壁面以下含水率数据。
24.s17：收集、整理壁面以下含水率数据，并依此进行建模和绘制不同深度下含水率分布图像，包括例如图7、图11所示的箱型数据分析图。
25.图2是利用红外热成像相机拍摄得到热成像照片的步骤流程图。下面参照图2对利用红外热成像相机拍摄得到热成像照片的步骤进行说明。需要注意的是，进行拍摄的时间应避免下雨、暴晒等天气，尽量选择晴天的早晨，石质文物未经阳光直射导致温度分布不均而导致结果偏差较大。
26.s21：选择红外热成像相机拍摄区域，拍摄区域包含上述的测量区域及其周围区域。
27.s22：使用红外热成像相机（例如flir_a615型号相机）对选择的拍摄区域进行初步观察。一方面，观察拍摄对象温度区间是否位于-40℃~150℃范围内，若是，则继续拍摄，若否，则另外选择合适的时间进行拍摄，以此确保数据的准确性。另一方面，观察图像中是否存在温度异常物体（例如置于文物附近且与文物温差较大的除湿机等设备），若否，则继续拍摄，若是，则应调整拍摄角度与位置，避免异常物体进入拍摄区域而造成对拍摄对象结果的影响。
28.s23：使用红外热成像相机对选择的拍摄区域进行拍摄，得到红外热成像照片。
29.图3是结合所述壁面以下含水率分布图像和所述热成像照片分析水分来源的步骤流程图。下面参照图3对结合所述壁面以下含水率分布图像和所述热成像照片分析水分来源的步骤进行说明。
30.s31：对2cm深度下的含水率分布图像与热成像照片进行比对，如果存在微波含水率值高的部位与红外热成像照片中的低温部位重合的情况，则判定石质文物的温度受水的影响较大，该部位在表层有水的存在，再进一步比较该部位分别在2cm与5cm深度下的含水率值，如果2cm处的含水率较高，则判定该部位的水分来源为凝结水；如果5cm以下的深度含水率值较高，则判定该部位的水分来源为内部渗水。
31.s32：结合相同深度下的含水率分布图像与热成像照片，判断热成像照片中的壁面上的温度趋势是否为在一定高度内下面温度低、上面温度高的趋势，整体温度差值不大，若判断为是，则判定水分来源中包括毛细水；若判断为否，则判定水分来源中不包括毛细水。
32.s33：根据不同深度下含水率分布图像，分析2cm、5cm、10cm、25cm深度下不同含水率数值。分析含水率在不同深度下的数据变化趋势，以5cm的温度为规定深度进行判断。具体而言，当变化趋势为在5cm以下随着深度的增加，含水率值不断增加时，则判断水分来源包括石窟内部渗水；当变化趋势为作为最浅深度的2cm深度下的含水率高于作为规定深度的5cm深度的含水率，即、仅表层含水率较高，则判断水分来源包括作用于石窟表面的凝结水。并且，在存在水分偏高的异常值点的情况下，进行多次测量判断是否为测量误差导致，若排除测量误差，则判定该异常值点的部位为渗水点或水的传输通道。
33.根据上述步骤，本发明能够对石质文物水分来源进行检测和分析，得知石质文物各部位的水分来源。
34.下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的参数等也仅是一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
35.实施例1：对云冈石窟二窟内开展测试：如图4所示，二窟整体风化程度较为恶劣，在地面至2.5m高度下有溶蚀现象与岩石脱落现象严重，水是造成这一现象的重要因素。早期二窟受内部泉水影响较为严重，区域m为泉水出水点，为了长期性的保护，后期通过工程将二窟内泉水引流至窟外，但局部区域目前仍受到水的影响。为了研究该部位含水率的空间分布，使
用红外成像与微波水分测定仪对二窟西北角开展测试工作。经过利用微波水分测定仪测量壁面以下含水率得到壁面以下含水率分布图像的步骤和利用红外热成像相机拍摄得到热成像照片的步骤，得到的结果经整合后如图4至图7所示。
36.如图5所示，整个二窟西北角壁面平均温度为15.4℃。整体温度分布趋势为地面温度最低，壁面温度随着高度的上升逐渐上升，判定存在毛细水的影响。另外，由图5还能对水分来源进行推测，例如：在距地面1m处，温度与底部温差可达3℃，合理推测水分来源中包括毛细水。在周边环境（如光照、空气温度）相同的情况下，壁面不同位置温度的不同代表其含水情况不同，可以通过其温度高低推测含水率最多的区域，进而发现水的运动轨迹，最后判断水源。图5中西北角转角地面处整个壁面温度为最低点，温度为13℃。在同一高度下，左壁面区域温度高于右壁面，由右壁面毛细水上升高度高于左壁面所致，推测是由于泉水出水点位于北壁面，对北壁的影响更明显。在相同高度下，温度低于同水平高度的温度，推测是受到角落水的影响。
37.基于图4所示的布点而测得的含水率数据如图6所示。在2cm和25cm深度下含水率较高，平均含水率为2.85%与3.4%，5cm和10cm深度下含水率为1.7%和2.2%。第三列区域为转角区域，水分多聚集在该区域，致使在不同深度下该区域含水率均高于其他区域，并且该情况与红外热成像结果相符，进一步佐证了数据的准确性。2cm与25cm深度下第四列区域受到转角区域水分的影响，导致含水率较高，并且该情况与红外热成像结果相符，进一步佐证了数据的准确性。
38.图7箱型图数据反映了二窟含水率原始数据的分布特征。由图7可以明显看出，异常点由部分含水率值突高造成，受环境影响较多。数据上下四分位的箱型代表了数据的整体分布，其变化规律为随着深度的增加，含水率在2cm处先下降，5cm后上升，不仅如此，数据的中位线与平均值有着相同的变化规律。也就是说，变化趋势为2cm深度下的含水率高于5cm深度的含水率，即、仅表层含水率较高。由此判定在石质文物表面有凝结水的形成，由于凝结水的形成范围仅限于文物表面。除此之外，在5cm深度处至25cm深度处的含水率变化趋势为随着深度的增加，含水率值不断增加，因而判定该岩石水分来源包括岩石内部渗水。图中解释了5cm以上的深度受石窟渗水的影响，含水率值随着深度的增加含水率值增加。数据“v”型的变化规律解释了岩石的水分来源包括内部渗水与表面凝结水，同时红外热成像图说明该岩石还受到毛细水的影响。
39.实施例2：对云冈石窟无名窟开展测试：无名窟位于云冈石窟15窟与16之间，由于窟内没有佛像，没有被列入正式窟群，取名无名窟。如图8所示，窟内存在一座塔柱，针对塔柱南壁面开展微波水分与红外热成像测试。经过利用微波水分测定仪测量壁面以下含水率得到壁面以下含水率分布图像的步骤和利用红外热成像相机拍摄得到热成像照片的步骤，得到的结果经整合后如图8至图11所示。
40.如图9所示，无名窟塔柱南壁面平均温度为18.7℃。受毛细水的影响，温度分布趋势为下面温度低于上面温度。整个壁面温度最高区域为壁面中心，同一高度下，中心温度高于两侧温度，推测是由于窟内存在空气对流，塔柱两侧存在空气流动导致温度低于中心温度。
41.基于图8所示的布点而测得的含水率数据如图10所示。由于塔柱相对环境较为干
燥，处于没有与山体连接的情况，整体含水率值较低。在2cm深度下含水率相对较高，平均含水率为1.1%，5cm，10cm和25cm深度下平均含水率为0.7%，0.5%和0.6%，整体差值较小。在塔柱右侧含水率值相对较高，从图8中可以看出该壁面相对较湿，且2cm深度下至25cm深度下的含水率变化趋势为随着深度的增加，含水率值不断减少，因而判断该塔柱的水分来源主要包括壁面的凝结水，且不包括内部渗水。
42.图11箱型图数据反映了无名窟塔柱含水率的分布特征。由箱型图数据可以明显看出，在不同深度下含水率整体数值较低，数值在异常高的情况下也没超过3%，数据分布较为集中。数据上下四分位的箱型内代表了数据的整体分布，其变化规律为随着深度的增加，含水率在2cm处先下降，5cm后上下波动，数据的中位线与平均值变化规律相同，意味着在2cm深度下岩石较为湿润，在5cm以后岩石整体含水率较低且变化不大。由此推测在石质文物表面有凝结水的形成，由于凝结水的形成范围仅限于文物表面，在5cm处含水率值下降，并且由于塔柱未与山体连接，没有水分供给，导致在5cm往后深度下含水率变化不大。该微波含水率的变化规律解释了水分来源仅包括来自凝结水的变化规律。该塔柱水分来源包括毛细水和凝结水。
43.在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。