一种考古现场出土青铜文物的健康值检测方法与流程

1.本发明属于文物健康程度评估领域，具体涉及一种考古现场出土青铜文物的健康值检测方法。


背景技术：

2.青铜文物是研究古代社会的重要实物资料。近年来，随着中国基础设施建设的持续推进，青铜文物的出土数量越来越多。在经历土壤埋藏环境和地上环境突变的双重影响下，青铜文物的健康状态已不同往日。
3.在考古现场出土青铜文物健康状态缺乏科学评估和深入认识的情况下，直接采取紧急提取、包装和运输等方式可能会造成文物的二次损坏。因此，构建考古现场出土青铜文物健康评估方法迫在眉睫。科学有效的健康评估方法要能够较为全面的反映出土青铜文物的真实状态及风险预期，同时适应考古发掘现场复杂多变的环境和文物本体的要求，为文物提取和包装运输方式的选择提供重要依据。此外，能够为青铜文物的应急保护和长期保护提供基础支持，从而有效保护研究古代人类社会发展的珍贵实物资料。
4.目前，如何科学有效地评估出土青铜文物的健康状态，尚未形成完整而有效的检测方法。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种考古现场出土青铜文物的健康值检测方法，综合考虑影响青铜文物健康状态的主要因素，通过对健康评估指标的系统分析，构建青铜文物的健康值检测方法，从而实现出土青铜文物健康状态的科学有效评估，为文物提取、包装和运输方式的选择提供重要依据。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种考古现场出土青铜文物的健康值检测方法，包括以下步骤：
8.s1，获取所述若干个青铜文物的残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻和硬度，得到若干组所述青铜文物的健康评估指标；
9.s2，采用层次分析法确定所述青铜文物每个健康评估指标的主观权重，对每个所述青铜文物的病害数量数据和s1所述的健康评估指标数据进行归一化，分别得到第一数据组和第二数据组，之后采用灰色关联度分析法对第一数据组和第二数据组进行处理，其中第一数据组为参考数列，第二数据组为比较数列，得到比较数列中每个健康评估指标的关联系数，利用所述关联系数得出所述青铜文物每个健康评估指标的客观权重，利用所述主观权重和客观权重，得到每个健康评估指标的组合权重；
10.s3，对所述若干个青铜文物的残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻均取倒数值，将新得到的数据和硬度数据进行归一化，得到每个青铜文物的健康评估指标对应的归一化数据，再结合s2得到的每个健康评估指标的组合权重，得到所述每个青铜文物的健康值。
11.优选的，s1中裂隙长度比为最长的裂隙尺寸与沿最长的裂隙方向的总尺寸比值，锈蚀面积比为造成所述青铜文物本体酥松、发脆或锈蚀厚度在0.1mm以上的锈蚀面积的总和与所述青铜文物总面积的比值。
12.优选的，s1在获取电阻时，通过在所述青铜文物上选取10-15 个电阻值并计算平均值得到；在获取硬度时，通过在所述青铜文物表面均匀取10-12个点，之后从中选取3-5个最低值并计算平均值得到。
13.优选的，s1在获取残缺面积比和锈蚀面积比时，采用数码相机对所述青铜文物进行拍照，之后使用纤维尺测量得到；裂隙长度比采用纤维尺测量得到；电阻采用高阻表测量得到；硬度使用硬度仪测量得到。
14.优选的，s2中所述的主观权重按如下过程得到：
15.先根据层次分析法，对所述青铜文物的每个健康评估指标建立判断矩阵，之后采用方根法计算每个判断矩阵的特征向量mi，最后采用如下公式得到所述青铜文物每个健康评估指标的主观权重wi；
16.其中i为1-5，n为1-5。
17.进一步，所述青铜文物的病害数量数据和s1所述的健康评估指标数据依次形成6组数据，每组数据的个数对应青铜文物的个数，s2 中所述的归一化按如下公式得到：
18.式中x
ij
为第一数据组和第二数据组中对应的每个具体的数值，i为1-6，j为1-n，n为青铜文物的个数，x
ij
为第i组数据中对应的第j个数据，和分别为第i组数据中的最小值和最大值；
19.s3中，残缺面积比倒数值、裂隙长度比倒数值、锈蚀面积比倒数值、电阻倒数值和硬度数据依次形成5组数据，每组数据的个数对应青铜文物的个数，之后的归一化按如下公式得到：
20.式中i为1-5，j为1-n，n为青铜文物的个数， x
ij
为所述归一化数据中第i组数据的第j个数值，x
ij
为第i组数据的第j个数据，x
jmin
和x
jmax
分别为第i组数据中的最小值和最大值。
21.进一步，s2中所述的每个健康评估指标ξ
ij
的关联系数按如下公式得到：
22.式中i为1-5，j为1-n，n为青铜文物的个数，δ
ij
＝|x
ij-x
0j
|，x
0j
为参考数列的数值，x
ij
为比较数列的数值；δ
min
和δ
max
分别为q
ij
的最小值和最大值，q
ij
为第i列的数值分别与相同行所对应的x
0j
的绝对值，ρ＝0.5。
23.进一步，s2按如下过程得出所述青铜文物每个健康评估指标的客观权重：
24.计算每个健康评估指标的关联系数平均值，得到5个数据，所述 5个数据分别与5个数据之和的比值为所述青铜文物每个健康评估指标的客观权重。
25.进一步，s2按如下公式得到每个健康评估指标的组合权重wi；
26.wi＝awi′
+bwi″
，式中：wi′
和wi″
为所述主观权重和客观权重，a和b均为0.5。
27.进一步，s3按如下公式得到每个青铜文物的健康值：
28.jkz＝(ax1+bx2+cx3+dx4+ex5)
×
100，式中jkz为每个青铜文物的健康值，a、b、c、d、e分别为每个青铜文物残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻和硬度的组合权重；x1、x2、x3、x4、x5分别为每个青铜文物残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻和硬度对应的归一化数据。
29.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
30.本发明一种考古现场出土青铜文物的健康值检测方法，结合青铜文物行业标准和病害特点，确定影响青铜文物出土后健康状态风险因素，确定青铜文物健康评估指标为残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻和硬度；采用层次分析法与灰色关联度分析法相结合的方式，通过归一化的方式，可计算得到健康评估指标的主观权重和客观权重，进而得出不同因素对考古现场出土青铜文物健康的影响程度，综合了主观和客观评价，使评估结果更趋客观、合理；最后对残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻均取倒数值，将新得到的数据和硬度数据进行归一化，再结合每个健康评估指标的组合权重，得到每个青铜文物的健康值，最终实现对青铜文物健康的有效评估，为文物的提取、包装和运输方式选择提供重要依据，也为后续文物修复和保存工作提供基础支撑。同时，能够为青铜文物的应急保护和长期保护提供基础支持，从而有效保护研究古代人类社会发展的珍贵实物资料。
附图说明
31.图1为本发明所述青铜文物的评估指标框架图。
32.图2为本发明所述青铜文物的健康结果可视化图。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的实施范围。
34.本发明一种考古现场出土青铜文物的健康值检测方法，包括以下步骤：
35.步骤一：结合青铜文物行业标准，根据影响青铜文物健康状态的风险因素，如图1所示，确定文物本体健康评估指标和文物赋存环境参考指标；
36.结合《馆藏青铜器病害与图示》(ww/t 0004-2007)和《可移动文物病害评估技术规程
‑‑
金属类文物》(ww/t 0058-2014)，并结合考古发掘现场判断，以是否直接影响青铜文物稳定性为依据，确定了影响青铜文物健康状态的本体健康评估指标有：残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、锈蚀厚度比、硬度，残缺面积比为残缺面积的总和与青铜文物总面积的比值，裂隙长度比为最长的裂隙尺寸与沿最长的裂隙方向的总尺寸比值，锈蚀面积比为造成青铜文物本体酥松、发脆或锈蚀厚度在0.1mm以上的这类锈蚀面积的总和与青铜文物总面积的比值。目前尚无锈蚀厚度无损检测方法，通过实验室研究，锈蚀厚度比与电阻呈正相关，本发明使用电阻表征锈蚀厚度比，选取10-15 个电阻值并计算平均值。硬度测量在青铜文物表面均匀取10-12个点，并从中选取3-5个最低值并计算平均值；赋存环境参考指标有土壤水分、温度、盐度、电导率；
37.步骤二：运用原位无损分析技术对健康评估指标进行量化，能够快速、无损、原位检测青铜文物，获取指标量化结果，得到3个以上青铜文物的指标量化数据；残缺面积比和锈蚀面积比采用数码相机对出土青铜文物进行拍照，利用dl9810型纤维尺计算；裂隙长度比采用dl9810型纤维尺进行测量；电阻采用6517b型高阻表测量，仪器测量参数为：测量功能：两线电阻，量程：2mω、20mω、2gω、20gω，nplc(采样电源的周期倍数)：1，直流电压值：100v，meterconnect(无中文名称，选中即可)，采集：测量延迟：1.00s，测量点数：5，测试温度：20-27℃，测量长度1cm；硬度采用lxd-a型硬度仪测量；土壤水分、温度、盐度和电导率采用tr-6d型土壤检测仪测量。
38.步骤三：根据步骤二得到的指标量化数据，采用灰色关联度分析法，以病害数量为参考数列，各评估指标均为比较数列，对病害数量数据和指标量化数据进行归一化，计算比较数列的关联系数，并对关联系数加权得出评估指标的客观权重；采用层次分析法分析指标量化数据得出评估指标的主观权重；运用组合权重公式得出评估指标组合权重。具体包括以下步骤：
39.根据层次分析法对青铜文物本体健康评估指标进行主观权重计算。根据之后表3“1-9标度及意义”，建立判断矩阵。计算每个判断矩阵的特征向量，采用方根法计算，由式(3-1)：得出。计算指标主观权重，由式(3-2)：得出，其中i为1-5，n为1-5。
40.计算评估指标客观权重。青铜文物的病害数量数据和s1所述的健康评估指标数据依次形成6组数据，每组数据的个数对应青铜文物的个数，先对病害数量数据和指标量化数据进行归一化处理，归一化公式(3-3)
41.式中x
ij
为第一数据组和第二数据组中对应的每个具体的数值，x
ij
为第i个评价指标(即第i组数据)的第j个值。和分别为数值xj(即第i组数据中)的最小值和最大值，i为1-6，j为1-n，n为青铜文物的个数，可将评估指标转换为[0,1]区间的数值。根据灰色关联度法对第一数据组和第二数据组进行处理，其中第一数据组为参考数列，第二数据组为比较数列，计算比较数列中各个评估指标的关联系数，以病害数量为参考数列，以残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻和硬度均为比较数列，使用关联系数计算公式(3-4)：式中i为1-5，j为1-n，n为青铜文物的个数，δ
ij
＝|x
ij-x
0j
|，x
0j
为参考数列的数值，x
ij
为比较数列的数值；δ
min
和δ
max
分别为q
ij
的最小值和最大值，q
ij
为第i列的数值分别与相同行所对应的x
0j
的绝对值，举例的话，当i为5时，第5列的每个数值都与其所在行的x
0j
求绝对值，这当中的最大值为δ
max
，最小值为δ
min
。ρ为分辨系数，一般取ρ＝0.5，(0＜ρ＜1)。计算每一个评估指标关联系数的平均值(5个数据)与所有评估指标关联系数平均值之和(5个数据之和)的比值，为各评估指标的客观权重。
[0042]
计算组合权重，由式(3-5)wi＝awi′
+bwi″
得出。式中：wi′
和wi″
为主观权重和客观权重；a和b分别表示主观权重与客观权重的相对重要程度，其中a+b＝1，a和b一般取值0.5。
[0043]
步骤四：将步骤二的评估指标量化数据统一处理为与健康程度正相关的数值，即
对残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻的数据进行取倒数值，然后将新得到的数据和硬度进行归一化处理，残缺面积比倒数值、裂隙长度比倒数值、锈蚀面积比倒数值、电阻倒数值和硬度依次形成5组数据，每组数据的个数对应青铜文物的个数，由归一化公式(3-3)：得到归一化数据，式中i为1-5，j为1-n，n为青铜文物的个数，x
ij
为所述归一化数据中第i组数据的第j个数值，x
ij
为第i组数据的第j个数据，和分别为第i组数据中的最小值和最大值。使用健康值公式(4-1)jkz＝(ax1+bx2+ cx3+dx4+ex5)
×
100计算青铜文物的健康值，式中a、b、c、d、 e分别为每个青铜文物各个评估指标的组合权重；x1、x2、x3、x4、x5为每个青铜文物各个评估指标对应的归一化数据。健康值取值范围 [0-100]，健康值的数值越大，说明青铜文物越健康。
[0044]
步骤五：划定青铜文物健康等级，最终通过健康等级实现对青铜文物健康的有效评估。由于目前青铜文物健康等级尚无标准，本发明以25为公差按照等差数列进行分级，并通过加和指标和关键指标划定健康等级分别为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ级。在此基础上，根据考古现场经验判断和青铜文物健康程度结果，验证健康等级划分的合理性。其中，ⅰ代表青铜文物健康状态处于危险；ⅱ代表青铜文物处于较危险状态；ⅲ代表青铜文物处于良好状态；ⅳ代表青铜文物健康状态为优秀。
[0045]
步骤六：根据步骤四青铜文物的健康值，绘制青铜文物健康程度结果可视化图，可以直观地反映文物健康状态的评估结果。
[0046]
实施例：
[0047]
以考古发掘现场出土的12件青铜文物对本发明的检测方法进行具体说明。
[0048]
步骤一：采用dl9810型纤维尺、lxd-a型硬度仪和6517b型高阻表获取本体健康评估指标，采用tr-6d型土壤检测仪获取赋存环境参考指标的定量结果，本体健康评估指标结果见表1，赋存环境参考指标结果见表2。
[0049]
表1
[0050]
文物编号病害数量残缺面积比裂隙长度比锈蚀面积比电阻(gω)硬度(ha)m7-142.0％100.0％100.0％480.8384.88m7-230.1％0.1％20.0％7096.75m7-310.1％0.1％80.0％495.884.33m7-431.0％6.6％10.0％102.3585.17m7-5390.0％100.0％100.0％289.0444m8-120.1％0.1％10.0％38.2495.8m8-2412.7％40.0％80.0％183.7983.17m8-310.1％0.1％32.0％473.9794.9m8-410.1％0.1％15.0％44.694.5m8-541.1％22.8％10.0％146.4286m8-6449.9％10.0％100.0％211.0893m8-7216.1％0.1％100.0％297.1993
[0051]
表2
[0052]
墓葬水分％温度℃盐度mg/l电导率us/cmm720.519.5117213m824.518.3165301
[0053]
表3 1-9标度及意义
[0054]
标度意义1两个指标同等重要3两个指标间，前者较后者稍微重要5两个指标间，前者较后者明显重要7两个指标间，前者较后者强烈重要9两个指标间，前者较后者极端重要2，4，6，8上述两相邻判断的中值
[0055]
步骤二：根据层次分析法对青铜文物本体健康评估指标进行主观权重计算。根据1-9标度及意义表，建立判断矩阵，如表4所示。
[0056]
表4
[0057]
评价指标残缺面积比裂隙长度比锈蚀面积比电阻硬度残缺面积比11/3531/5裂隙长度比31531锈蚀面积比1/51/511/31/3电阻1/31/3311/3硬度21331计算判断矩阵的特征向量，采用方根法计算，由式(3-1)：得出mi＝(1.201，2.141，0.339，0.644，1.783)。计算指标主观权重，由式(3-2)：得出 wi＝(0.20，0.35，0.06，0.11，0.29)。
[0059]
计算评估指标客观权重。对病害数量数据和指标量化数据进行归一化，归一化公式(3-3)：可将评估指标转换为[0,1] 区间的数值。根据灰色关联度法计算各个评估指标的关联系数，以病害数量为参考数列，以残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻和硬度均为比较数列，关联系数计算公式(3-4)：式中δ
ij
＝|x
ij-x
0j
|，计算结果如表5所示。计算每一个评估指标关联系数的平均值与所有评估指标关联系数之和的比值，为各评估指标的客观权重，结果如表6所示。
[0060]
表5
[0061]
文物编号残缺面积比裂隙长度比锈蚀面积比电阻硬度m7-10.33811.00001.00000.93860.6896m7-20.42860.42860.47370.45570.6000
m7-31.00001.00000.39130.33330.3954m7-40.43230.45400.42860.48710.8146m7-50.60000.60000.60000.80840.4286m8-10.60000.60000.60000.60000.4353m8-20.36780.45430.69230.42300.6601m8-31.00001.00000.67160.34430.3413m8-41.00001.00000.90000.97300.3431m8-50.33590.39280.33330.39570.7104m8-60.52880.35691.00000.44550.8755m8-70.76290.60000.42860.68250.4564平均值0.61620.65720.62660.57390.5625
[0062]
计算评估指标组合权重，由式(3-5)wi＝awi′
+bwi″
得出。式中：wi′
和wi″
为主观权重和客观权重；a和b分别表示主观权重与客观权重的相对重要程度，其中a+b＝1，a和b一般取值0.5。计算结果如表6所示。
[0063]
表6
[0064]
权重残缺面积比裂隙长度比锈蚀面积比电阻硬度主观权重0.200.350.060.110.29客观权重0.200.220.210.190.19组合权重0.200.280.130.150.24
[0065]
将评估指标量化数据统一处理为与健康程度正相关的数值，即对残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻的数据进行倒数取值，然后将新得到的数据和硬度进行归一化处理，由归一化公式(3-3)：得到归一化数据，结果见表7。
[0066]
表7
[0067]
文物编号残缺面积比裂隙长度比锈蚀面积比电阻硬度m7-10.04890.00000.00000.00260.7750m7-21.00001.00000.44440.50841.0000m7-31.00001.00000.02780.00000.7645m7-40.09900.01411.00000.32130.7805m7-50.00000.00000.00000.05980.0000m8-11.00001.00001.00001.00000.9820m8-20.00670.00150.02780.14190.7426m8-31.00001.00000.23610.00380.9649m8-41.00001.00000.62960.84550.9573m8-50.08830.00341.00000.19940.7962m8-60.00090.00900.00000.11270.9289m8-70.00511.00000.00000.05590.9289
[0068]
使用健康值公式(4-1)jkz＝(ax1+bx2+cx3+dx4+ex5)
×ꢀ
100计算青铜文物的健康
值，式中a、b、c、d、e分别为残缺面积比、裂隙长度比、锈蚀面积比、电阻、硬度的组合权重；x1、x2、x3、x4、x5为评估指标处理后的归一化数据。12件青铜文物的健康值，见表8，健康值取值范围[0-100]，健康值的数值越大，说明青铜文物越健康。
[0069]
表8
[0070]
文物编号健康值文物编号健康值m7-119.62m8-220.49m7-285.40m8-374.29m7-366.71m8-491.84m7-438.93m8-536.96m7-50.90m8-624.25m8-199.57m8-751.23
[0071]
由于目前青铜文物健康等级尚无标准，本实施例以25为公差按照等差数列进行分级，并划定健康等级分别为ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ级，见表9。在此基础上，根据考古现场经验判断和12件青铜文物健康程度结果，验证健康等级划分的合理性。其中，ⅰ代表青铜文物健康状态处于危险；ⅱ代表青铜文物处于较危险状态；ⅲ代表青铜文物处于良好状态；ⅳ代表青铜文物健康状态为优秀。
[0072]
表9
[0073]
健康程度取值范围健康等级[0-25.00)ⅰ[25.00-50.00)ⅱ[50.00-75.00)ⅲ[75.00-100.00]ⅳ[0074]
根据表8和表9，得出12件青铜文物的健康等级，如表10所示。
[0075]
表10
[0076]
文物编号健康等级文物编号健康等级m7-1ⅰm8-2ⅰm7-2ⅳm8-3ⅲm7-3ⅲm8-4ⅳm7-4ⅱm8-5ⅱm7-5ⅰm8-6ⅰm8-1ⅳm8-7ⅲ[0077]
根据表8数据，绘制青铜文物健康程度结果可视化图，可以直观地反映文物健康状态的结果，如图2所示。由图2可知，青铜文物健康等级为ⅰ级的有m7-1、m7-5、m8-2、m8-6；健康等级为ⅱ级的有m7-4、m8-5；健康等级为ⅲ级的有m7-3、m8-3、m8-7；健康等级为ⅳ级的有m7-2、m8-1、m8-4。根据表2赋存环境参考指标结果， m7的盐度为117mg/l，电导率为213us/cm(21.3ms/m)；m8的盐度为 165mg/l，电导率为301us/cm(30.1ms/m)。以电导率＞166ms/m，土壤属于标准的盐碱土。m7、m8墓葬的盐度相对较低，且水分和温度相对较低，文物受到的腐蚀影响也相对较弱。但实际上，m7、m8出土大部分青铜器锈蚀较厚，m7、m8墓葬特有的埋藏
方式即青铜器上覆盖着一层有机质文物是造成该结果的原因之一。
[0078]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上，所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。