文保領(lǐng)域的高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用進展

文物是人類文明發(fā)展過程中歷史、藝術(shù)及科學(xué)價值的結(jié)晶，蘊含著豐富的歷史文化信息，文物數(shù)字化是對文物進行保護、修復(fù)和重建的重要環(huán)節(jié)。作為傳統(tǒng)文物數(shù)字化手段的重要補充，高光譜遙感技術(shù)能夠快速無損地獲取文物材質(zhì)、顏料和加工痕跡等信息，可為文物資源數(shù)字化提供文物表面物理、化學(xué)屬性信息。

1.文物高光譜信息增強

文物特別是壁畫、書法繪畫等文物，在長時間的流轉(zhuǎn)過程中，由于自然因素或人為因素會出現(xiàn)顏料疊加遮擋、氧化退化及破損缺失等狀況，其原始信息難以再現(xiàn)，給文物保護帶來了一定的困難。為了解決這一問題，需要對高光譜信息進行增強處理。目前，常用的信息增強方法從作用域可以分為空域增強方法和頻域增強方法，空域增強方法是直接作用圖像上的方法，一般包括灰度變化、濾波、波譜運算等，而頻域增強方法是將圖像通過傅立葉變換到頻域，然后基于不同的濾波進行處理。在文物保護領(lǐng)域中常用的方法見下表。

表1文物高光譜信息增強常用方法

2.文物高光譜信息提取

信息提取是挖掘文物內(nèi)在價值，正確評估、分析、研究文物的基礎(chǔ)，是文物保護和修復(fù)的重要內(nèi)容，國內(nèi)外很多學(xué)者都對此進行了研究，已廣泛地應(yīng)用于各種壁畫、青銅器、書法繪畫等文物信息提取，常用的方法見下表。

表2文物高光譜信息提取常用方法

3高光譜遙感在文保領(lǐng)域的典型應(yīng)用

3.1 顏料種類分析與識別

顏料種類分析與識別是高光譜遙感在文保領(lǐng)域的重要應(yīng)用，是文物保護與修復(fù)的基礎(chǔ)。

基于SMACC算法提取出的６種端元光譜，通過光譜角匹配算法判斷影像的６種顏料分別為白堊土、雄黃、金粉、石綠、石青及朱砂。不同顏料的分布范圍通過全約束最小二乘算法求解，結(jié)果如圖1所示。

圖1顏色種類分析與識別

3.2隱藏信息提取

文物在長時間流傳過程中，由于自然和人為的因素造成原始信息難以再現(xiàn)，給文物保護和修復(fù)工作帶來一定的困難，利用高光譜成像技術(shù)可以揭示單純光譜分析或數(shù)字影像分析不易察覺的信息，從而再現(xiàn)這些隱藏信息，隱藏信息提取是高光譜技術(shù)的另一重要應(yīng)用，如圖2展示了定陶圣靈湖黃腸題湊漢墓出土的柏木，其內(nèi)側(cè)依稀呈現(xiàn)墨書痕跡。由于木材已遭受約2000年的腐蝕，變色發(fā)黑嚴重，表面被殘留污染物及鹽霜覆蓋，憑肉眼難以清晰辨認字跡，給考古工作帶來了極大的困難。利用普通可見光成像手段，難以得到清晰的文字圖片。在保證無損探測的基礎(chǔ)上，在短波紅外波段進行高光譜成像，利用物體對不同的波段反射響應(yīng)不同的特點，得到了相對清晰的文字圖片，結(jié)合主成分分析和SMACC算法有效地提取了柏木間的文字信息，為考古工作的順利進行提供了有利條件。

圖2柏木字跡原始圖像與經(jīng)過分析處理后圖像的對比

3.3修復(fù)痕跡識別與提取

圖3長壽佛唐卡

由于文物不可避免地會出現(xiàn)脫離、撕裂和缺失等問題，文物修復(fù)是一項重要工作。隨著歲月流逝，修復(fù)所使用的顏料和原始顏料不可避免地會出現(xiàn)差異，修復(fù)痕跡的識別與提取為文物鑒定提供了重要依據(jù)。圖3為長壽佛唐卡文物，是18世紀繪畫作品，為勉唐派作品，格魯派傳承。該幅長壽佛唐卡經(jīng)過后期修復(fù)，但修復(fù)效果較好，表面完全看不出破損和修復(fù)痕跡。利用可見光和短波紅外地面高光譜成像系統(tǒng)，對該幅唐卡掃描成像，獲得唐卡的可見光和短波紅外高光譜影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過主成分變化，將可見／近紅影像的ＰＣ２、ＰＣ４和ＰＣ５分別顯示為紅、綠、藍，短波紅外的ＰＣ１、ＰＣ３和ＰＣ６分別顯示為紅、綠、藍，如圖3（ｂ）、（ｃ）所示。對比發(fā)現(xiàn)，畫作上有４處較為明顯的修復(fù)痕跡，在圖3（ｃ）中，分別位于區(qū)域１的綠色位置、區(qū)域２黃色十字形的位置、區(qū)域３黃色放射狀的位置和區(qū)域４黃色的位置。與可見／近紅的主成分變換ＲＧＢ合成圖相比，短波紅外的合成結(jié)果能更好地顯示畫作的修復(fù)痕跡，這是由于可見／近紅的高光譜影像主要顯示作品的顏色信息，而短波紅外可以顯示表面顏料層下面的信息。

4.高光譜遙感在文保領(lǐng)域的典型應(yīng)用

高光譜遙感技術(shù)為文保領(lǐng)域信息的采集提供了新的技術(shù)手段，而“圖譜合一”的獨特優(yōu)勢又能為文物保護和修復(fù)等提供了其他方式所不易察覺的重要信息，為文物保護和修復(fù)提供獨特的視角，高光譜遙感技術(shù)必將為文物保護領(lǐng)域帶來新的血液。目前高光譜成像技術(shù)主要應(yīng)用于書畫、壁畫等文物，對于青銅器、玉器、瓷器等立體文物應(yīng)用較少，其應(yīng)用難點在于如何同步獲取三維信息和高光譜信息。高光譜成像技術(shù)結(jié)合三維激光技術(shù)、結(jié)構(gòu)光技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)為這一問題提供了解決的可能性。

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