高光谱遥感在文物保护领域的应用前景
近年来，随着低空无人机、倾斜摄影测量、高分卫星及光谱技术的快速发展，遥感在考古领域的结合也越来越紧密，不仅实现了对部分文物的日常监测，还对文物的保护、利用和展示提供了充分的技术支撑。高光谱遥感是众多遥感技术中的一种，自20世纪80年代以来，在军事侦察、矿产资源勘察、农业监测、食品检测等领域应用发展之后，逐渐被应用到文物保护领域。高光谱遥感不仅具备传统遥感的功能和作用，还具有波谱分辨率高、图谱合一等特点，在文物物质识别、隐含信息增强与提取等方面具有较大应用潜力。
隐含信息增强与提取
1、高光谱遥感的概念和特点
高光谱遥感是利用高光谱成像仪在可见光到短波红外范围内连续遥感成像的技术。其光谱分辨率高达纳米（nm）数量级，图像上的每个像元都包含被测对象光谱特征的连续光谱曲线。高光谱遥感的光谱探测范围超过了肉眼的感知，比普通相机拥有更大的光谱范围和更高的光谱分辨率，续写和完善了光学遥感影像从黑白全色影像经由多光谱到高光谱的全部影像信息链，这为文物对象的物理、化学特性分析提供了更多的信息。例如将高光谱遥感用于壁画表面颜料种类的识别和分布范围的判断，可以为壁画保护方案的制定和修复提供量化的依据。
高光谱遥感具有光谱分辨率高、波段数量多、图谱合一、无损等特点。纳米级的光谱分辨率为反映文物光谱的细微特征提供了可能，数百个连续光谱波段包含了更多的文物光谱空间信息，图谱合一的特点使得高光谱图像同时具备文物的光谱和空间信息，而无损探测更是文物保护领域较为倡导的方式。
2、高光谱遥感的应用范围
通过梳理国内外高光谱遥感在文物保护领域的应用文献，并结合部分工程实例，高光谱遥感在文物保护领域的应用主要集中在以下四个方面：
文物现状信息留存文物保护过程中，一般要留存文物的空间形态、表面纹理和成份等信息，其中纹理信息是反映文物色彩和直观形象最为主要的信息，常用胶片或数码相机获取，波段范围主要集中在可见光范围内。而高光谱遥感的应用可为文物纹理信息的留存增加更多的内涵，不仅包含了色彩信息，还包含普通相机不能识别记录的近红外和短波红外波段的光谱信息。正因为这些信息的留存，为文物的保护和鉴定提供了依据。正如高光谱遥感识别军事伪装一样，部分修复过且做旧的文物在使用高光谱遥感信息留存后，就能根据高光谱影像识别出修复的部位，这为后续文物研究和保护提供了传统技术更为直接的技术支持。
文物表面颜料的识别与分类壁画、书画、彩塑等彩绘文物表面有大量的古代矿物颜料，虽经过岁月的洗礼，但依然色彩绚丽。为保护彩绘文物独特的文化和艺术价值，识别和保护彩绘文物表面的颜料尤为关键。当前文物保护主要使用无损或微损的方式进行检测，如X荧光、拉曼光谱、扫描电镜等，但无一例外，都是点测的方式，检测过程忽略了很多其他未测区域的信息。而高光谱遥感是一种面阵式的检测，不仅能对一定区域内的矿物颜料成分进行识别，还能将不同颜料种类的分布进行反演。从而实现了颜料由点到面，由颜料种类到颜料分布，由定性到定量或半定量的分析，充分增加了颜料的检测方式，增加了颜料分布的可视化成果展现，为文物的量化保护和修复提供了帮助。
隐含信息的增强与表达本文的隐含信息是指文物本体实际存在的信息而在可见光范围内肉眼或数码相机无法直接分辨的信息，如重层绘制的壁画、画作的起稿线、已褪色墓志的文字内容等。隐含信息对文物的保护至关重要，特别是判断文物年代、风格和内容的关键信息。通过对高光谱图像进行主成分分析、噪声去除、波段合成等专业化处理，可使得原来不可见或弱化的信息得到增强，增加了保护研究的直观性和科学性。
地下文物的探测与识别传统遥感考古主要是对明显区别于地表的建筑基址、沟渠、道路等进行识别和解译，而对地表上无明显标志物且埋深较深的墓葬、城址等效果不理想。主要是因为传统遥感的光谱分辨率较低，使得“异物同谱”与“同谱异物”的现象较为普遍，而高光谱遥感恰好解决了这一难题。近年来，一些科研团队在秦始皇帝陵、陕西神禾塬等区域进行了高光谱遥感考古，取得了可喜的成功，在一些区域为考古提供了可证实的遗迹埋葬。
3、高光谱遥感的应用前景
随着高光谱遥感技术的发展，星载、机载、车载、地面和便携式等多种平台的高光谱成像设备不断出现，设备的集成度和易用性越来越高。遥感图像处理技术也有了较大改观，加上近几年卷积神经网络、无监督预训练网络等深度学习算法的成熟，高光谱遥感图像的处理变得越来越自动化。云计算、大数据等技术也为高光谱遥感的发展提供了充足的算力和海量存储空间。虽然高光谱遥感技术越来越成熟，但也不可忽视其存在的问题，如高光谱遥感仪器设备和处理软件价格高昂、数据采集和处理需要专业化人员、高光谱数据冗余量大数据量大、缺少针对文物保护专用软件和算法等问题。
酒务头墓地高光谱扫描
当然，随着高光谱遥感技术的发展，文物无损检测、物质识别、信息增强、高光谱考古等研究也会不断深入。未来，针对文物保护领域高光谱遥感影像的处理软件及算法设计、高光谱成像仪便携化、数据采集和成果快速呈现技术等将是研究的重点和方向。
来源：文博中国
作者单位：北京建筑大学测绘与城市空间信息学院、山西省考古研究院
