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0 引言
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太阳辐射是引发石质文物出现表层材质劣化的重要营力之一。不同的辐射强度与时间作用于文物载体岩石，会影响岩石受到的不同风化作用的具体进程：例如，改变岩石表面温度，进而影响热风化与冻融循环风化对岩石的作用情况；或改变岩石的表层含水率，进而影响干湿循环风化对岩石的作用情况。而这些不同的风化作用会导致石质文物出现不同程度与不同种类的劣化，即产生不同类型的病害，威胁着石质文物的保存[1-4]。因此，在研究石质文物病害形成机理时，掌握长时间太阳辐射变化情况是重要的调查项目。
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在具体调查研究中，一般采用现场建立环境监测装置，通过长期监测太阳辐射数据并进行分析，进而解释石质文物所受太阳辐射的长期变化情况，或对不同位置的文物所受太阳辐射的情况进行比较。但现场调查时，多数石质文物保护区域尚未建立太阳辐射监测装置，研究人员在有限的时间内很难在现场调查清楚太阳辐射的长期变化情况；即便现场可以建立环境监测装置来长期监测太阳辐射时，也存在其选点是否具有代表性等问题。目前，上述问题基本依靠研究人员经验解决，缺乏相应科学数据作为判断依据。
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本研究以生态学等学科经常使用的半球摄影法与天空开阔度在太阳辐射方面的应用为切入，尝试探讨将半球摄影法应用于石质文物保护中环境监测装置选点，调查现场快速判断与比较石质文物所受太阳辐射的长期影响情况。
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1 天空开阔度与半球摄影法
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1.1 天空开阔度与半球摄影法概念
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天空开阔度（sky view factor，SVF）是描述天空被障碍物遮挡程度的形态学参数，广泛用于山区太阳辐射计算、遥感图像的地形辐射改正等气象学研究[5]；城市热岛现象评估等环境学研究[6-7]；以及叶面积指数测量、树木枯死形态统计等生态学研究[8-10]。简单来说，天空开阔度是任一点水平方向以上全部范围内，除去遮挡物体，可以看到天空的比例。在具体计算时，天空开阔度是某点水平面上方全范围，其正射投影的天空圆图中除去遮挡物后，天空所占面积比：如在大海中央天空开阔度为100%，在密闭且无窗的建筑物内天空开阔度为0%。半球摄影法是一种快速测量天空开阔度的方法[11-12]，通过超广角相机对某处上方进行拍摄，取得该点水平方向以上全部范围的圆形照片，再通过软件处理计算后，即可得到该点的天空开阔度。
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1.2 本研究所采用的半球摄影操作与天空开阔度计算方法
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在本研究调查过程中采用装配180°视角鱼眼镜头的相机，通过三脚架与水平仪调整鱼眼镜头方向使其平行于水平面且朝上，然后对水平面上方进行拍摄并取得半球摄影照片（图1a）。将得到的半球摄影照片导入天空开阔度计算分析软件CanopOn2（由日本生态学专家竹中明夫开发，详见http：//takenaka-akio．org/etc/canopon2/），在软件内输入鱼眼镜头视角参数（如180°）、镜头投影方式（如等立体角投影）等信息后，通过软件先将半球摄影照片转化为黑白半球照片，然后通过调节软件内的曝光值使得半球摄影照片中天空在黑白半球照片显示为白色、半球摄影照片中障碍物在黑白半球照片内显示为黑色（图1b）。调整好黑白半球照片后，再使用软件计算出天空开阔度（图1c）。
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此外，在软件中输入半球摄影照片拍摄地点纬度并调整照片的朝向后，可以通过软件在照片中绘出一年中指定日期的太阳轨迹（如图1c黄色曲线为春分日太阳轨迹）。
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图1 本研究采用的半球摄影操作与天空开阔度计算方法
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Fig.1 Hemispherical photographic operation and calculation method of SVF in this study
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以下通过对日本与国内两处石质文物现场调查实例，详细介绍半球摄影法在石质文物现场调查中的应用情况
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2 日本石棺调查中的应用
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2.1 石船石棺与保存现状调查
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石船石棺位于日本香川县高松市国分寺町石船天满宫内，是由产自该地区Washinoyama山（日文：鷲ノ山）的石英安山岩质凝灰岩制成的刳抜式石棺（日本古坟时代的一种石棺，将一整块石材一分为二后，分别制作成石棺的棺身与棺盖），1970年被指定为国分寺町文化财，相当于我国的县级文物保护单位。石船石棺的具体出土与发现经过不详，根据文献记载，早在约16世纪前后石棺就已经暴露于地表，后保存位置与设施几经更替，在1970年被指定为文化财后搬至如今位置，既国分寺町石船天满宫内，并在2005年左右增建了具有防雨作用的保护性设施（图2）[13]。
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图2 石船石棺与其保护设施（保护设施方向为坐北向南）
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Fig.2 Ishifune-sekkan stone coffin and its protection facility (the facility is facing south)
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但是，在拥有保护性设施后，石棺的保存状态反而逐渐恶化，特别是石棺表面的剥落问题日益严重。通过现场调查发现，相比较石棺内部与其他外部侧面，石棺南侧外表面空鼓、起翘与剥落问题更为严重（图3）。针对空鼓病害的形成机制，以往研究表明，岩石内部存在微小裂隙时，岩石表面受到干湿循环作用影响岩石表层平行于表面的微小裂隙会发育扩展，当裂隙长度达到与裂隙到岩石外表面厚度成特定比例后会引发岩石表面出现空鼓[14]。结合现场调查，石棺南侧外表面空鼓更为严重的主要诱因判断为秋冬季太阳高度下降后，太阳直射光直接照射石棺南侧面频率增加，使得石棺南侧外表面受干湿循环影响加剧，使该面空鼓劣化情况更为严重。
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图3 石船石棺南侧外表面剥落情况严重
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Fig.3 Severe deterioration of buckling and peeling on the south side surface of the Ishifune-sekkan stone coffin
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2.2 利用半球摄影法判断太阳高度变化对石棺的影响
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本研究尝试通过使用半球摄影法，在现场快速判断太阳高度下降是否会导致石棺南侧冬季出现太阳直射情况。首先利用鱼眼相机（机身：Nikon D5600；镜头：Sigma8mm F3．5 EX DG CIRCULAR FISHEYE）在石棺南侧取得半球摄影照片，拍摄方法如图4所示。此外，为验证半球摄影法的准确性，研究还按着传统方式在石棺南侧安装了全天空日射强度计（Apogee SP110），对太阳辐射情况进行监测（图4）。
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图4 左：全天空日射强度计安装位置；右：天空开阔度测量方式
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Fig.4 Setting location of the solar radiation sensor (left) and measurement method of SVF (right)
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通过天空开阔度计算分析软件CanopOn2，对拍摄得到的石棺南侧水平面上方半球摄影照片（以下简称为“石棺半球摄影照”）进行分析处理，在照片内生成了一年内春分、夏至、秋分与冬至四个特殊且有代表性日期的太阳运动轨迹（图5右侧）。如图5所示，由于春分与秋分日太阳运动轨迹相同，分析软件在石棺半球摄影照内最终生成了三条太阳运动轨迹，由上至下分别为夏至日轨迹、春分与秋分日轨迹、冬至日轨迹。从保护设施与周边环境对阳光的遮挡情况来看，夏至日时太阳高度为全年最高，其太阳运动轨迹全部被保护设施顶部与石棺西侧树木遮挡；从夏至日到秋分日，随着太阳高度的下降，太阳运动轨迹部分已经到达保护设施顶部南侧边缘，太阳高度继续下降，太阳直射光就会直接照到石棺上；到了冬至日，太阳高度为全年最低，从图中可以看到太阳轨迹大部分已经绕过了保护设施顶部，即太阳直射光可以直接照到石棺南侧面。所以，可以认为在1年内的秋分之后（经过冬至）到春分之前，由于太阳高度降低使得太阳直射光可以避开保护设施屋顶，长时间直接照射到石棺南侧面，加剧该侧面受干湿作用影响，该结论与调查分析结果相符。
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图5 左：石棺南侧半球摄影照；右：经天空开阔度分析软件处理后的黑白照片与所生成的太阳轨迹
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Fig.5 Hemispherical photograph of the south side of the stone coffin (left) and black-and-white image processed by CanopOn2 and generated sun trajectories (right）
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此外，利用全天空日射强度计对石棺南侧的太阳辐射进行接近2年的数据采集（采集时间：2018年12月6日—2020年11月11日；采集频率：15分钟），相关监测结果如图6所示：太阳辐射在2018年12月测定开始后，由于直射光没有被保护设施屋顶完全遮挡，随着太阳高度上升，日射强度的监测数据也逐渐成上升趋势；但在进入2019年4月份后，随着太阳高度继续上升，直射光几乎被被保护设施屋顶完全遮挡，其结果是日射强度突然大幅下降且持续数月，为方便统计，本研究将4月起日间日射强度低于200 W/m2的日期标出，可知在4月3日至9月8日期间直射光被护设施屋顶完全遮挡；随着夏至后太阳高度的下降，2019年9月9日起日射强度突然增加，其原因是直射光低于保护设施屋顶的遮挡直接照到全天空日射强度计导致，随后日射强度随太阳高度变化而变化直至次年4月，此期间直射光同样没有被保护设施屋顶完全遮挡；2020年4月起，除2020年6月15日至29日设备故障导致监测数据中断外（由整体趋势可判断在此期间日间日射强度仍然低于200 W/m2），监测数据变化趋势与前一年几乎相同，在此不多做赘述。通过监测数据结果可知，在每年4月初至9月初，太阳直射光可以被保护设施屋顶有效遮挡，几乎不会照到石棺；但到了9中月至次年3月末，由于太阳高度降低导致保护设施屋顶遮挡程度下降，部分太阳直射光可以直接照到石棺南侧面，使其受干湿循环作用影响加剧，进而导致该面劣化程度严重。该结论与前文中半球摄影法结论、现场调查分析结果一致。
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图6 石棺南侧太阳辐射监测数据
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Fig.6 Monitoring data of solar radiation on the south side of the stone coffin
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从半球摄影法与实际监测结果可知，若避免太阳直射光照到石棺南侧面，可降低该面受干湿循环的影响，对减缓石棺南侧面劣化情况会有较大帮助。目前，相关保存环境改善的数字模拟实验与室内实验仍在继续中，考虑石棺现保存情况，增加保护设施屋顶挑檐长度是比较经济且可行的推荐方案。
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3 贺兰口岩画赋存环境调查中的应用
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3.1 贺兰口岩画与岩画赋存环境监测研究
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贺兰山岩画是我国北方岩画的代表，1996年被列入全国重点文物保护单位。贺兰口岩画主要位于银川市北部贺兰口沟口内外的山壁面，部分散落沟口外洪积扇坡地上，是整个贺兰山岩画中数量最多且最密集的区域。长期暴露在山间露天环境使贺兰口岩画载体岩石与岩画本体不可避免地遭受风化作用导致相应的劣化与损伤（图7），影响岩画的长久保存。为保护贺兰口岩画，相关管理与科研机构近年对洪水泥石流灾害、危岩体隐患等问题进行了相关研究与治理[15-17]，并开展了岩画本体保护的前期勘察、评估及修复加固技术等专项研究工作。为了研究贺兰口岩画赋存环境的变化对岩画的影响，对贺兰口岩画的赋存微环境进行了全面、详细、深入的监测研究，其中，为解释太阳辐射对岩画的影响而设置的日射强度监测是环境监测工作中的重要内容。
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图7 贺兰口岩画因风化导致部分表面出现脱落
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Fig.7 Deterioration of peeling occurring on some areas of the Helankou rock art
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3.2 利用半球摄影法进行环境监测装置选点
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本研究的研究对象，即贺兰口岩画游览区域内岩画（图8内紫色点状线范围内）主要分布在贺兰口沟入口处至沟内约500 m的两侧山壁面，区域内山势变化与壁面朝向等原因导致各位置岩画受太阳辐射影响各不相同，所以需要选择多处具有代表性的位置进行监测与比较。通常，在对露天石质文物赋存环境监测时，包括日射强度计在内的环境监测装置的位置选择只能依靠研究人员的经验判断，而没有相关数据作为支撑。对此，本研究在结合以往经验选点的同时，利用半球摄影法对多个点进行天空开阔度测量（机身：OLYMPUS TG-6；镜头：OLYMPUS FCON-T02鱼眼转接镜头），从中选择了贺兰口沟内部岩壁A点、沟中部东侧岩壁B点、沟中部西侧岩壁C点、沟外部洪积扇坡地D点4个位置为代表性位置，并设置了全天空日射强度计与相关环境指标监测装置（环境监测装置：富奥通FWS600六参数气象传感器；采样频率：15 min），天空开阔度测量方式与各环境监测站安装位置如图9所示。
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图8 左：贺兰口岩画分布图（图源：银川市贺兰山岩画管理处提供）；右：贺兰口沟区域卫星图（图源：Google Map）
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Fig.8 Distribution map of the Helankou rock art (left image, provided by Helan Mountain Rock Art Management Office of Yinchuan) and satellite map of the Helankou area (right image, from Google Map)
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利用天空开阔度计算分析软件CanopOn2，对A、B、C、D点4处代表位置半球摄影照片进行处理，得出了4处位置的天空开阔度分别为A点：45.3%、B点：44.7%、C点：54.5%、D点：86.5%（图10）。从各点的半球摄影照片中可以区分别出4处含全天空日射强度计的环境监测装置所在位置的周围环境与遮挡情况，例如可以明显区分出各位置受哪个方向的崖壁遮挡影响更严重，同时各位置天空开阔度的计算值也能较客观的说明该位置遮挡情况。相较于仅凭研究人员经验选择监测位置，引入半球摄影法后可以提高环境监测装置的可视程度，并且能够更为直观且客观的比较不同位置的遮挡情况。
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图9 通过天空开阔度测量选取的4处代表性环境监测位置
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Fig.9 Four environmental monitoring locations selected by the use of SVF measurement
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图10 4处代表性位置的半球摄影照与天空开阔度分析软件处理后照片
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Fig.10 Hemispherical photographs of four environmental monitoring locations and their processed images by CanopOn2
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3.3 利用半球摄影法比较不同位置石质文物受太阳辐射长期影响
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本研究同时尝试在现场短期调查过程中利用半球摄影法比较不同位置石质文物受太阳辐射长期影响，并通过实际监测数据进行了验证。
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首先，在判断石质文物不同位置太阳辐射随太阳高度变化时，半球摄影法可以解释环境监测数据的变化原因。4处代表位置含全天空日射强度计的环境监测装置安装后，经过10个月的实时监测与数据采集（采集时间：2021年7月24日—2022年6月1日），太阳辐射量监测数据如图11所示，4位置的日间日射强度最大值在7月底均达到1 000 W/m2以上，之后随着太阳高度下降，4位置日间日射强度均呈现下降趋势并在12月—1月达到全年最低。结合半球摄影照片可知在4位置中，位于山谷内部的A位置受东、西、南侧遮挡情况最为明显，导致该点日间日射强度下降幅度最大；D位置几乎不受东、西、南侧遮挡，日间日射强度下降幅度最小；而比较B点与C点时，通过半球摄影照片可以明显看出C点南侧遮挡情况较B点更为显著，所以导致C点日间日射强度下降幅度大于B点（B点环境监测装置在2021年10月30日至12月28日由于设备故障导致监测数据中断，但由整体趋势可判断在此期间日间日射强度下降幅度应小于C点）。1月之后，4位置日间日射强度随着太阳高度的上升，逐渐增加，上涨幅度与前述下降幅度相反。由上述分析可知在比较石质文物不同位置太阳辐射随太阳高度变化时，通过结合半球摄影照片与监测数据，可以更直观地解释数据变化原因。
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其次，半球摄影法可以快速比较不同位置的累计太阳辐射量。在考虑太阳辐射对石质文物的影响时，除辐射强度外，一定时间内的辐射总量也是一项重要的考量指标。因此，在全天空太阳辐射监测数据的基础上，计算出了数据采集期间A、C、D位置的全天空太阳辐射累计值（图12），计算结果分别为A点：2 744.66 MJ/m2；C点：2 990.03 MJ/m2；D点：3 809.46 MJ/m2。3位置太阳辐射累计值的比值为A∶C∶D=1∶1.09∶1.39。由于B位置在监测期间存在监测数据中断情况，所以没有为B点进行累计值的计算。另一方面，天空开阔度被认为能反映不同位置受太阳长期影响情况，进而对3位置天空开阔度进行了比较，其比值为A∶C∶D=45.3%∶54.5%∶86.5%=1∶1.20∶1.91，显然该结果与太阳辐射累计值的比值相差甚远。考虑到现实情况下太阳辐射应分为直达日射、漫射日射和反射日射，其中直达日射、漫射日射与天空开阔度直接相关，但反射日射是由地面等对太阳辐射进行反射而形成；但在计算天空开阔度时会把遮挡物处理为黑色、天空处理为白色，即直接对天空开阔度进行比较由于表征不同位置受太阳长期影响情况时，并没有考虑到地面等遮挡物对太阳辐射的反射辐射。因此，在进一步比较时，增加了相应地面反射修正处理，参考宁夏地区地表反射率平均值为0.31[18]，天空开阔度修正方式为：该点天空开阔度+（1-该点天空开阔度）×0.31。其中，（1-该点天空开阔度）为地面、崖壁面等遮挡物在该点水平面以上所占百分比，为方便计算，统一用宁夏地区地表反射率平均值进行修正。
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图11 4处代表性位置全天空太阳辐射监测数据
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Fig.11 Monitoring data of solar radiation on 4 environmental monitoring locations
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经上述修正后，3个位置天空开阔度比值为A∶C∶D=[45.3%+（1-45.3%）×0.31]∶[54.5%+（1-54.5%）×0.31]∶[86.5%+（1-86.5%）×0.31]=62.3%∶68.6%∶90.7%=1∶1.10∶1.46。修正后的结果基本可以反映太阳辐射累计值的比值，即不同位置受太阳长期影响情况可以通过天空开阔度计算来快速实现。
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图12 A、C、D位置全天空太阳辐射累计值
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Fig.12 Cumulative solar radiation values of the environmental monitoring locations of A， C and D
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另一方面，通过修正的计算结果较监测数据仍有一定差异（图13）。本研究为方便计算，所提出的修正计算方法仅采用了宁夏地区地表反射率平均值，没有对贺兰口岩画附近地表反射率进行实测。同时，贺兰口区域植被覆盖率大，不同的季节由植物所覆盖地表面积，其反射率也会出现相应变化。因此，判断修正计算结果与监测数据间出现的差异是由于上述两方面原因导致。但从整体来看，本研究所采用修正计算结果与监测数据间差异性不大，考虑到其方便程度且可以大幅减长期监测时间，该方法具有在石质文物保护现场调查领域的广泛应用前景。
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图13 A、C、D位置全天空太阳辐射累计比与天空开阔度修正计算比
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Fig.13 Cumulative solar radiation ratio vs． SVF corrected calculation ratioof environmental monitoring laction A， C and D
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4 总结与展望
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本研究将气象学、环境学、生态学等学科中被广泛使用的半球摄影法与天空开阔度计算应用到石质文物保护现场调查当中，在日本与国内的具体实践中取得了良好的效果：
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其中，半球摄影法在日本石棺调查中的应用结果表明，在判断太阳高度变化对石质文物影响时，除传统气象监测手段外，半球摄影法也是行之有效的调查方法，并且可以节省大量监测数据积累时间。同时，通过对半球摄影照片进行软件分析可直接生成太阳运动轨迹，对把握太阳高度变化时更为直观。
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半球摄影法在贺兰口岩画赋存环境调查中应用的案例中，首先证明了半球摄影法可以在环境监测装置选点时作为一种对位置的客观评价方法；其次，在判断石质文物不同位置太阳辐射随太阳高度变化时，证明了半球摄影法可以对数据解释起到良好的补充作用；最后，利用半球摄影法可以较为准确地比较石质文物不同位置受太阳辐射的长期影响情况，可作为实际监测中的良好辅助手段，或在不具备实际监测条件时当作比较不同位置太阳辐射长期影响的有效调查方法。另一方面，目前的所用的修正方法还比较简单，下一步需要更多调查数据对其进行完善。
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综合在日本与国内的具体实践经验，未来石质文物保护调查中，半球摄影法可以作为辅助手段更多应用在环境监测装置选点与判断太阳辐射影响的相关初步测量与数据分析中。
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考虑到我国石质文物中大多数为市县级或未定级，以石窟寺文物为例，2021年国家文物局组织开展的全国石窟寺专项调查结果，全国共有石窟寺2 155处，摩崖造像3831处，共计5 986处；其中全国重点文物保护单位共288处，省级文物保护单位417处，市县级文物保护单位1 285处，尚未核定公布为文物保护单位的不可移动文物3 361处，另有新发现635处。大部分石质文物地处相对偏僻且保护经费有限，多数文物不具备安装环境监测装置并进行长期维护的客观条件。半球摄影法的测量时间相比环境监测数据动辄以气象年为单位，几乎可以忽略不计，且相机与镜头的成本也相对低廉，具有快速、经济且高效的优势，在未来可以应用于更多无法安装环境监测装置或现场调研时间有限的石质文物保护调查工作中，分析并帮助解决更多实际问题。
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摘要
在研究石质文物病害形成机理时，掌握太阳辐射长期变化情况对其影响是重要的调查项目。但目前多数相关调查研究只能依靠建立环境监测站来实现。半球摄影法是一种快速测量天空开阔度的方法，在生态学等学科中被广泛使用。通过对日本、国内两处石质文物保护实际现场调查，半球摄影法被证明可以有效应用于环境监测装置选点，判断太阳位置变化对石质文物影响，以及比较石质文物不同位置受太阳辐射的长期变化。该方法具有便捷、经济且高效的特点，可以作为辅助手段更多应用在石质文物保护调查过程中环境监测装置选点与判断太阳辐射影响的相关初步测量与数据分析中。
Abstract
An important part of a field survey is to clarify the influence of long-term changes in solar radiation on stone cultural relics when the deterioration mechanism of the stone is discussed. So far, most of the relevant surveys and studies could only be carried out by establishing environmental monitoring stations. Hemispherical photography is a quick way to measure the sky view factor and is widely used in disciplines such as ecology. Through two case studies of field surveys on conserving stone cultural relics in Japan and China, the hemispherical photography method has proved to be effective in selecting the locations for environmental monitoring devices, determining the effects of solar altitude variation on the stone cultural relics, and comparing long-term changes in the exposure of stone cultural relics to solar radiation at different locations. The method is convenient, economical, and efficient. As an auxiliary means, it can be used more for the preliminary measurement and data analysis of the selection of environmental monitoring devices and determining the effects of solar radiation during field surveys on stone cultural relics.
