高光谱技术在古建筑壁画保护中的应用

高光谱技术在古建筑壁画保护中的应用

一、测试原理及方法：

 高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术，其最突出的应用是遥感探测领域，并在越来越多的民用领域有着更大的应用前景。它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术，是传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的一门新兴技术。

 高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在从紫外到近红外（200 -2500nm）的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对目标物体连续成像。在获得物体空间特征成像的同时，也获得了被测物体的光谱信息。

目标物体-成像物镜-入射狭缝-准直透镜-PGP-聚焦透镜-CCD棱镜-光栅-棱镜：PGP

图1 成像原理图

光谱仪的光谱分辨率由狭缝的宽度和光学光谱仪产生的线性色散确定。最小光谱分辨率是由光学系统的成像性能确定的（点扩展大小）。

成像过程为：每次成一条线上的像后（X方向），在检测系统输送带前进的过程中，排列的探测器扫出一条带状轨迹从而完成纵向扫描（Y方向）。综合横纵扫描信息就可以得到样品的三维高光谱图像数据。

图2 像立方体

图3  Gaia Field高光谱成像仪

高光谱仪配置：镜头：22mm镀膜消色差镜头；光谱范围：400nm-1000nm，光谱分辨率: 4nm@435.8nm（@400-1000nm），像面尺寸（光谱x空间）：6.15 x 14.2 mm，相对孔径：F/2.4，狭缝长度14.2 mm. 内置控制、扫描机构；内置电池；

SpecView软件：控制完成自动曝光、自动对焦、自动扫描速度匹配；数据处理：黑白、辐射度、均匀性、镜头等校准；光谱查看。

GaiaField便携式高光谱系统是双利合谱自行研制的超便携式高光谱成像仪器。它的核心由三部分构成，分别是：多维运动控制器，光谱相机和成像光谱仪。使用此系统进行扫描，在获得目标影像信息的基础上，还可以获得数百甚至上千波段的光谱信息。

GaiaField系统有着轻便灵活，续航能力出色的特点。广泛适用于，目标识别、伪装与反伪装等军事领域，地面物体与水体遥测、现代精细农业等生态环境监测领域，以及刑侦、文物保护、生物医学等领域。

覆盖可见光与近红外全波段可提供超过700个光谱通道，可自由选择GaiaField便携式高光谱系统采用了高分辨率的成像光谱仪。在可见光波段，光谱分辨率高达3nm，即使在短波红外波段也能达到10nm。因而全波段内可以获得超过700个的光谱通道，更多的光谱通道意味着更多的信息，有助于研究人员通过对连续光谱的分析、反演，获得更多的高价值数据细节。

图4  高光谱成像仪采集的影像效果图

独有的软硬件功能：

辅助摄像头功能

通过辅助摄像头观察目标拍摄区域

当前狭缝位置指示

选择自动曝光与自动调焦区域，直观方便，仅需鼠标即可完成操作。

图 5  辅助摄像头观察目标拍摄区域

自动扫描速度匹配、自动曝光：

自动曝光：根据当前光照环境，进行曝光测试，获得精准的曝光时间。在得到最佳信噪比的同时，又可避免过度曝光造成数据作废。同时软件具有实时过度曝光监视功能。

自动扫描速度匹配：根据当前的曝光时间等参数，进行测试拍摄，得到实时帧速，进而计算出合适的扫描速度。从而避免了扫描图像的变形（拉伸或压缩）。

图6  采集数据自动曝光、速度匹配

二、数据分析：

目前的分析方法有如下几种：化学分析法、发射光谱法、电子探针、X射线荧光法、紫外-可见光谱法、红外光谱法、色谱法等等。按照具体分析内容可以归纳为：成分分析、结构分析、显微分析，而这写方法可以用于了解古代壁画所使用的矿物颜料种类和成分。本次测试是利用我司（江苏双利合谱科技有限公司）的GaiaField（光谱范围400 nm - 1000 nm）高光谱成像仪采集测试对象（西藏乃东县昌珠寺寺庙内部分壁画）的高光谱数据。通过光谱分析的方法来对壁画的所面临的问题进行研究和剖析。壁画所使用的颜料矿物具有色彩鲜艳、洁净，可保持千年而不褪色的特点。由于这些颜料矿物是在一定的地质环境下形成的，并具有较稳定的物理、化学性质。因此用这些矿物颜料所绘制的各种画，其颜色能保持经久不变。

图7 昌珠寺寺庙

以下图片是寺庙内部分损坏的壁画，由于各种原因目前此房间内的壁画损坏较为严重，具体表现有颜料脱落、有的褪色等等。

图8 部分损坏壁画

2  古代壁画使用的矿物颜料

以颜料的色彩区分，可分为红、蓝、绿、黑、白、黄、金等几大类。我国古代壁画所使用的矿物颜料有以下几类：

（1） 红色矿物颜料： 古代壁画中最常用的矿物红色颜料有土红、铅丹、朱砂、雄黄四种。

（2）蓝色矿物颜料：古代壁画中最常用的蓝色矿物颜料是石青，即蓝铜矿[2CuCO3·Cu（OH）2]，呈蓝色，又名石青、大青。

（3） 绿色矿物颜料：古代壁画中最常用的矿物绿色颜料有石绿、铜绿、绿铜矿等。

（4） 黑色颜料： 古代壁画中最常用的矿物黑色颜料就是铁黑，化学成分为Fe3O4。墨是历代壁画中较为常见的一种黑色颜料，有松烟墨、油烟墨、漆烟墨。

（5） 白色矿物颜料： 古代壁画中最常用的矿物白色颜料种类较多，常用的有滑石、白垩、高岭土、石英、云母、石膏等。

图9 损坏的壁画

   选取一部分损坏的壁画作为数据处理和分析的研究对象，对原始高光谱数据进行反射率校准之后，再对校准后的数据进行MNF（最小噪声分离）变化，这样图像的主要信息集中在前面几个波段中，主要是为了判断图像数据维数、分离数据中的噪声，减少后处理中的计算量。

图10 经过MNF变换后的图像

图11 选取不同的研究区域

   选取的6个区域对应的平均特征光谱曲线如下图所示，1#是标准反射白板的光谱曲线，其反射率接近1；2#、3#、4#、5#、6#号区域的特征光谱曲线反应了壁画材料的属性，

图 特征光谱

高光谱技术在古建筑壁画保护中的技术应用，可以从光谱分析的角度来衡量，

在壁画上不同的部位从直观上表现出不同的颜色，而利用高光谱技术对其进行分析后可以看到壁画上不同部位的属性表现的不一样。在经过算法处理之后，可以精确的确定不同部位的材料性质，同时，可以确定材料的所在位置分布，为后续的修补工作进行精准定位。例如，图像中画像中人物头像是利用不同属性的颜料绘制的，

图 RGB图像

图 PC1