高光譜技術在古建築壁畫保護中的應用

高光譜技術在古建築壁畫保護中的應用

一、測試原理及方法：

 高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)技(ji)術(shu)是(shi)近(jin)二(er)十(shi)年(nian)來(lai)發(fa)展(zhan)起(qi)來(lai)的(de)基(ji)於(yu)非(fei)常(chang)多(duo)窄(zhai)波(bo)段(duan)的(de)影(ying)像(xiang)數(shu)據(ju)技(ji)術(shu)，其(qi)最(zui)突(tu)出(chu)的(de)應(ying)用(yong)是(shi)遙(yao)感(gan)探(tan)測(ce)領(ling)域(yu)，並(bing)在(zai)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)民(min)用(yong)領(ling)域(yu)有(you)著(zhe)更(geng)大(da)的(de)應(ying)用(yong)前(qian)景(jing)。它(ta)集(ji)中(zhong)了(le)光(guang)學(xue)、光電子學、電子學
、信息處理
、計算機科學等領域的先進技術，是傳統的二維成像技術和光譜技術有機的結合在一起的一門新興技術。

 高光譜成像技術的定義是在多光譜成像的基礎上，在從紫外到近紅外（200 -2500nm）deguangpufanweinei，liyongchengxiangguangpuyi，zaiguangpufugaifanweineideshushihuoshubaitiaoguangpuboduanduimubiaowutilianxuchengxiang。zaihuodewutikongjiantezhengchengxiangdetongshi
，yehuodelebeicewutideguangpuxinxi。

目標物體-成像物鏡-入射狹縫-準直透鏡-PGP-聚焦透鏡-CCD棱鏡-光柵-棱鏡：PGP

圖1 成像原理圖

光譜儀的光譜分辨率由狹縫的寬度和光學光譜儀產生的線性色散確定。最小光譜分辨率是由光學係統的成像性能確定的（點擴展大小）。

成像過程為：每次成一條線上的像後（X方向），在檢測係統輸送帶前進的過程中，排列的探測器掃出一條帶狀軌跡從而完成縱向掃描（Y方向）。綜合橫縱掃描信息就可以得到樣品的三維高光譜圖像數據。

圖2 像立方體

圖3  Gaia Field高光譜成像儀

高光譜儀配置：鏡頭：22mm鍍膜消色差鏡頭；光譜範圍：400nm-1000nm，光譜分辨率: 4nm@435.8nm（@400-1000nm）
，像麵尺寸（光譜x空間）：6.15 x 14.2 mm，相對孔徑：F/2.4
，狹縫長度14.2 mm. 內置控製、掃描機構；內置電池；

SpecView軟件：控製完成自動曝光、自動對焦、自動掃描速度匹配；數據處理：黑白
、輻射度

、均勻性、鏡頭等校準；光譜查看。

GaiaField便攜式高光譜係統是雙利合譜自行研製的超便攜式高光譜成像儀器。它的核心由三部分構成，分別是：多(duo)維(wei)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)器(qi)
，光(guang)譜(pu)相(xiang)機(ji)和(he)成(cheng)像(xiang)光(guang)譜(pu)儀(yi)。使(shi)用(yong)此(ci)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)掃(sao)描(miao)


，在(zai)獲(huo)得(de)目(mu)標(biao)影(ying)像(xiang)信(xin)息(xi)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，還(hai)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)數(shu)百(bai)甚(shen)至(zhi)上(shang)千(qian)波(bo)段(duan)的(de)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)。

GaiaField係統有著輕便靈活，續航能力出色的特點。廣泛適用於，目標識別、偽裝與反偽裝等軍事領域，地麵物體與水體遙測、現代精細農業等生態環境監測領域
，以及刑偵、文物保護、生物醫學等領域。

覆蓋可見光與近紅外全波段可提供超過700個光譜通道，可自由選擇GaiaField便攜式高光譜係統采用了高分辨率的成像光譜儀。在可見光波段，光譜分辨率高達3nm，即使在短波紅外波段也能達到10nm。因而全波段內可以獲得超過700個的光譜通道

，更多的光譜通道意味著更多的信息，有助於研究人員通過對連續光譜的分析、反演，獲得更多的高價值數據細節。

圖4  高光譜成像儀采集的影像效果圖

獨有的軟硬件功能：

輔助攝像頭功能

通過輔助攝像頭觀察目標拍攝區域

當前狹縫位置指示

選擇自動曝光與自動調焦區域，直觀方便，僅需鼠標即可完成操作。

圖 5  輔助攝像頭觀察目標拍攝區域

自動掃描速度匹配、自動曝光：

自動曝光：genjudangqianguangzhaohuanjing，jinxingpuguangceshi，huodejingzhundepuguangshijian。zaidedaozuijiaxinzaobidetongshi
，youkebimianguodupuguangzaochengshujuzuofei。tongshiruanjianjuyoushishiguodupuguangjianshigongneng。

自動掃描速度匹配：根據當前的曝光時間等參數
，進行測試拍攝，得到實時幀速

，進而計算出合適的掃描速度。從而避免了掃描圖像的變形（拉伸或壓縮）。

圖6  采集數據自動曝光、速度匹配

二、數據分析：

目前的分析方法有如下幾種：化學分析法、發射光譜法、電子探針
、X射線熒光法、紫外-可見光譜法、紅外光譜法、色譜法等等。按照具體分析內容可以歸納為：成分分析
、結構分析、顯微分析
，而這寫方法可以用於了解古代壁畫所使用的礦物顏料種類和成分。本次測試是利用我司（江蘇雙利合譜科技有限公司）的GaiaField（光譜範圍400 nm - 1000 nm）高光譜成像儀采集測試對象（西藏乃東縣昌珠寺寺廟內部分壁畫）的高光譜數據。通過光譜分析的方法來對壁畫的所麵臨的問題進行研究和剖析。壁畫所使用的顏料礦物具有色彩鮮豔、潔淨，可保持千年而不褪色的特點。由於這些顏料礦物是在一定的地質環境下形成的
，並具有較穩定的物理
、化學性質。因此用這些礦物顏料所繪製的各種畫

，其顏色能保持經久不變。

圖7 昌珠寺寺廟

以下圖片是寺廟內部分損壞的壁畫，由於各種原因目前此房間內的壁畫損壞較為嚴重
，具體表現有顏料脫落、有的褪色等等。

圖8 部分損壞壁畫

2  古代壁畫使用的礦物顏料

以顏料的色彩區分，可分為紅、藍
、綠
、黑、白

、黃
、金等幾大類。我國古代壁畫所使用的礦物顏料有以下幾類：

（1） 紅色礦物顏料： 古代壁畫中最常用的礦物紅色顏料有土紅
、鉛丹

、朱砂、雄黃四種。

（2）藍色礦物顏料：古代壁畫中最常用的藍色礦物顏料是石青，即藍銅礦[2CuCO3·Cu（OH）2]，呈藍色，又名石青
、大青。

（3） 綠色礦物顏料：古代壁畫中最常用的礦物綠色顏料有石綠
、銅綠、綠銅礦等。

（4） 黑色顏料： 古代壁畫中最常用的礦物黑色顏料就是鐵黑，化學成分為Fe3O4。墨是曆代壁畫中較為常見的一種黑色顏料，有鬆煙墨、油煙墨、漆煙墨。

（5） 白色礦物顏料： 古代壁畫中最常用的礦物白色顏料種類較多

，常用的有滑石、白堊、高嶺土、石英、雲母、石膏等。

圖9 損壞的壁畫

   選取一部分損壞的壁畫作為數據處理和分析的研究對象
，對原始高光譜數據進行反射率校準之後，再對校準後的數據進行MNF（最小噪聲分離）變化，這樣圖像的主要信息集中在前麵幾個波段中，主要是為了判斷圖像數據維數、分離數據中的噪聲，減少後處理中的計算量。

圖10 經過MNF變換後的圖像

圖11 選取不同的研究區域

   選取的6個區域對應的平均特征光譜曲線如下圖所示
，1#是標準反射白板的光譜曲線，其反射率接近1；2#
、3#、4#、5#、6#號區域的特征光譜曲線反應了壁畫材料的屬性，

圖 特征光譜

高光譜技術在古建築壁畫保護中的技術應用，可以從光譜分析的角度來衡量，

zaibihuashangbutongdebuweicongzhiguanshangbiaoxianchubutongdeyanse，erliyonggaoguangpujishuduiqijinxingfenxihoukeyikandaobihuashangbutongbuweideshuxingbiaoxiandebuyiyang。zaijingguosuanfachulizhihou，keyijingquedequedingbutongbuweidecailiaoxingzhi
，tongshi，keyiquedingcailiaodesuozaiweizhifenbu，weihouxudexiubugongzuojinxingjingzhundingwei。liru，tuxiangzhonghuaxiangzhongrenwutouxiangshiliyongbutongshuxingdeyanliaohuizhide
，

圖 RGB圖像

圖 PC1