微觀遙感技術在壁畫保護中的應用

鄭順義，劉 陽*

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

微觀遙感技術在壁畫保護中的應用

鄭順義1，劉 陽1*

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢 430079）

基于多年來利用遙感技術對物體微觀特征探測分析的應用研究，提出了“微觀遙感”的概念，將遙感技術拓展到微觀層面。首先闡述了微觀遙感的定義、關鍵技術等，然后結合壁畫變化監(jiān)測的應用需求，對微觀遙感技術的實施和應用進行了試驗研究，試驗結果顯示了微觀遙感技術的廣闊發(fā)展空間和應用前景。

微觀遙感；壁畫；變化監(jiān)測

“遙感是在不直接接觸的情況下，對目標物或自然現(xiàn)象遠距離感知的一門探測技術。具體地講，是指在高空和外層空間的各種平臺上，運用各種傳感器獲取反映地表特征的各種數(shù)據(jù)，通過傳輸、變換和處理，提取有用的信息，實現(xiàn)研究地物空間形狀、位置、性質(zhì)、變化及其與環(huán)境的相互關系的一門現(xiàn)代應用技術科學?！盵1]遙感以航空攝影技術為基礎，在20世紀60年代初發(fā)展起來的。開始為航空遙感，自1972年美國發(fā)射第一顆陸地衛(wèi)星后就標志著航天遙感時代的開始[2]。經(jīng)過幾十年的迅速發(fā)展，已經(jīng)成為一門實用、先進的空間探測技術，如圖1所示。

圖1 遙感技術示意圖

作為一門對地觀測綜合性技術，遙感一直是針對大尺度空間進行探測與分析的學科和技術[3]。隨著計算機技術、圖像處理技術、傳感器技術的發(fā)展，遙感探測技術開始向更廣的領域拓展。結合多年來基于遙感技術對物體微觀特征探測分析的應用研究，本文提出了“微觀遙感”的概念，將遙感技術拓展到微觀層面，有利于建立針對物體微觀結構探測與分析的新遙感技術體系。本文首先闡述了微觀遙感的定義、關鍵技術等，然后結合壁畫變化監(jiān)測的應用需求，對微觀遙感技術的應用進行了詳細敘述，展示了微觀遙感技術的廣闊發(fā)展空間和應用前景。

1 微觀遙感：微觀結構的宏觀表現(xiàn)

1.1 定義

微觀遙感（micro remote sensing）作為遙感的一個分支，是以單個物體的微觀形態(tài)、特征和屬性作為研究對象進行分析的一門技術。微觀遙感是對微觀世界的宏觀解讀，如圖2所示，通過獲取物體高分辨率的數(shù)據(jù)并進行解析得到物體的微觀幾何信息和物理屬性信息。

微觀遙感雖然與數(shù)字圖像處理、模式識別、傳感器等學科有密切關系，但他們之間存在很大的差異，因為這些學科只是研究數(shù)據(jù)采集或者數(shù)據(jù)處理某個階段的具體問題，而微觀遙感涉及數(shù)據(jù)采集、處理、探測與分析、應用等整個環(huán)節(jié)，因此是一門更加綜合的技術。

圖2 微觀遙感：微觀結構的宏觀表現(xiàn)

微觀遙感作為遙感的一個分支，與普通航空航天遙感一樣，是一門綜合性技術，它的實現(xiàn)既需要一整套技術裝備，也需要多學科的參與和配合，因此實施微觀遙感也是一項復雜的系統(tǒng)工程。但是，由于微觀遙感研究的尺度和普通遙感有巨大的差別，因此涉及的方法和技術也不一樣，具體表現(xiàn)為：

1）研究對象不同。普通遙感以地球或其他星球表面為研究對象，而微觀遙感主要研究單個物體的微觀形態(tài)、特征和屬性等。

2）坐標系不同。不同于普通遙感研究地球表面，并在大地坐標系下討論問題，微觀遙感研究具體的某個物體，一般采用局部坐標系，具體坐標系的選定可以根據(jù)物體的特征、處理的方便性等確定。

3）遙感平臺不同。普通遙感平臺主要包括衛(wèi)星、飛機等。微觀遙感平臺一般是在地面根據(jù)具體應用需求加工的平臺。

4）周圍相關學科不同。普通遙感和地球科學、環(huán)境科學、氣象科學、農(nóng)業(yè)科學等宏觀尺度的學科關系密切，而與微觀遙感相關的學科包括考古學、醫(yī)學、機械等學科。

5）應用范圍不同。普通遙感主要應用于地形測量、環(huán)境檢測、氣象預報、農(nóng)業(yè)評估等領域，微觀遙感可以應用于文物（如壁畫）變化監(jiān)測與修復、醫(yī)學特殊細胞的檢測、工業(yè)零件的缺陷檢測等等。

1.2 關鍵技術

微觀遙感作為遙感的一個分支，很多技術可以直接借鑒航空航天遙感。同時，遙感技術作為一門綜合性的技術，其發(fā)展和應用與傳感器、數(shù)字圖像處理、模式識別、攝影測量等相關學科的發(fā)展密切相關，受其影響非常明顯?？傮w來說，微觀遙感技術會涉及以下關鍵技術。

1）多傳感器融合技術。微觀遙感涉及的傳感器包括可見光攝像機、紅外攝像機、三維激光掃描儀、X光檢測儀等，這些不同的傳感器可以獲取物體反射不同波段的光譜信息或者主動光投射在物體上的穿透率或回波信息，他們獲取的是物體的某一類信息，為了更好地分析和探測物體的微觀特征，經(jīng)常需要多種信息融合在一起，因此多傳感器融合技術顯得非常重要。多傳感器融合技術的基礎是多源數(shù)據(jù)的配準，即統(tǒng)一到同一個坐標系下[4]。

2）大數(shù)據(jù)處理技術。要探測和分析的物體特征越微觀，傳感器的分辨率就要越精細，這樣導致的一個結果是數(shù)據(jù)量會大量增加，因此大數(shù)據(jù)處理技術是微觀遙感的核心技術之一。

3）微觀遙感數(shù)據(jù)處理分析的自動化。目前，隨著遙感傳感器的發(fā)展，獲取數(shù)據(jù)的方法和手段發(fā)展很快，相對于數(shù)據(jù)獲取手段，數(shù)據(jù)處理能力相對滯后，因此，發(fā)展自動化的微觀遙感數(shù)據(jù)處理方法就顯得非常必要，數(shù)據(jù)處理分析的自動化和效率是影響微觀遙感技術發(fā)展和應用的關鍵。

2 微觀遙感在壁畫保護中的應用

壁畫作品具有藝術和歷史記錄的雙重價值，既是高水平繪畫藝術的證明，又是考證古代傳統(tǒng)習俗、服飾和生活習慣的基本資料。壁畫的藝術價值高且保護難度大[5]，一直是文物保護領域關注的焦點，壁畫保護迄今為止依然是一個世界性的文物保護難題[6-7]。近年來，國家對文物包括壁畫的保護越來越重視，迫切需要科學的保護手段和評估方法。本文通過微觀遙感技術對陜西省歷史博物館的一批珍貴墓葬壁畫進行了數(shù)字化采集和變化監(jiān)測研究，取得了令人滿意的結果，下面進行詳細介紹。

2.1 數(shù)據(jù)采集

要獲取壁畫的微觀結構，必須提高數(shù)據(jù)獲取的分辨率。這次數(shù)據(jù)采集采用的是尼康D800相機，每像素的空間分辨率為0．1 mm，同時測量了一定數(shù)量的控制點，建立了統(tǒng)一的坐標系和尺度基準。為了控制相機拍照的規(guī)范性，專門加工了相機移動攝影平臺，通過電腦控制機械裝置，驅(qū)動相機到指定位置后控制相機曝光獲取高清影像，這種方式可以實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集，效率很高、數(shù)據(jù)質(zhì)量有保證。數(shù)據(jù)采集裝置如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集

2.2 數(shù)據(jù)處理

借鑒航空遙感地形測繪技術，對采集的數(shù)據(jù)進行拼接、平差處理，同時生成壁畫的高清影像圖和對應的三維數(shù)字表面模型。這些成果全面記錄了壁畫當前的顏色光譜信息和三維表面幾何信息，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理成果

2.3 壁畫變化監(jiān)測應用

我們目前看到的古代壁畫有的保存比較完好，有些已經(jīng)破損。無論目前狀態(tài)如何，隨著時間的推移，狀況都會發(fā)生變化。壁畫保護的任務就是延緩這種變化，讓珍貴的文物存留時間盡可能的長，因此跟蹤壁畫的變化規(guī)律并分析其變化趨勢就顯得非常重要。本文借助微觀遙感技術對壁畫3種典型病害的變化監(jiān)測進行了實驗研究。

1）“地仗脫落”病害的變化監(jiān)測。壁畫“地仗脫落”病害在壁畫高清圖像上表現(xiàn)為顏色的顯著變化，通過對不同時期的壁畫高清圖像進行對比，可以發(fā)現(xiàn)微小的壁畫“地仗脫落”病害。為了驗證效果，對數(shù)字化采集的壁畫高清圖像模擬了一定數(shù)量的微小“地仗脫落”病害，從而生成具有“病害”的新高清圖像，通過新舊高清圖像的對比可以明顯地發(fā)現(xiàn)微小的壁畫“地仗脫落”病害，這些病害的直徑都小于0．3 mm。

圖5 壁畫“地仗脫落”病害的變化監(jiān)測

2） “裂隙”病害的變化監(jiān)測。壁畫“裂隙”病害在壁畫高清圖像上表現(xiàn)為一些線特征的顯著變化，比如線特征的線寬或者長度的變化等，通過對不同時期的壁畫高清圖像進行對比，可以發(fā)現(xiàn)微小的壁畫“裂隙”病害。為了驗證效果，對數(shù)字化采集的壁畫高清圖像模擬了壁畫“裂隙”病害的微小變化，比如裂隙寬度增加了0．2 mm，從而生成裂隙病害加重的新的高清圖像，通過新舊高清圖像的對比，可以明顯地發(fā)現(xiàn)壁畫“裂隙”病害的微小變化，這些裂隙的變化都不超過0．2 mm。

3）“空鼓”病害的變化監(jiān)測。壁畫“空鼓”病害在壁畫三維數(shù)字表面模型上會有顯著的變化，通常表現(xiàn)為凸起，通過對不同時期的壁畫三維數(shù)字表面模型進行對比，可以發(fā)現(xiàn)微小的壁畫“空鼓”病害。為了驗證效果，對數(shù)字化采集的壁畫三維數(shù)字表面模型模擬了微小的壁畫“空鼓”病害，比如壁畫局部凸起了0．3 mm，從而生成新的壁畫三維數(shù)字表面模型，通過新舊三維數(shù)字表面模型的對比，可以明顯地發(fā)現(xiàn)微小的壁畫“空鼓”病害。

圖6 壁畫“裂隙”病害的變化監(jiān)測

圖7 壁畫“空鼓”病害的變化監(jiān)測

以上實驗通過模擬數(shù)據(jù)驗證了利用微觀遙感技術對壁畫進行數(shù)字化采集和變化監(jiān)測是可行的、有效的，該成果對于壁畫的保護和分析研究具有重要作用。

3 結 語

本文提出了“微觀遙感”的概念，給出了定義，對其技術基礎、關鍵技術進行了詳細敘述，拓展了遙感技術的應用范圍。微觀遙感與普通航空航天遙感既有相同點也有很大差異，相同點是都包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析，是一門綜合性技術，不同之處在于研究的尺度、坐標系的選定、采用的平臺、應用范圍等存在很大差異，微觀遙感側(cè)重于物體微觀特征探測分析方面的應用。本文通過壁畫變化監(jiān)測的應用實例，介紹了微觀遙感的實際應用，展示了微觀遙感技術的廣闊應用前景。

[1] 孫家柄．遙感原理與應用：第3版[M]．武漢：武漢大學出版社,2011

[2] 陳世平．航天遙感科學技術的發(fā)展[J]．航天器工程,2009, 18(2)：1-7

[3] 史文中．空間數(shù)據(jù)與空間分析不確定性原理：第2版[M]．北京：科學出版社,2015

[4] ZHENG S Y,HUANG R Y,ZHOU Y．Registration of Optical Images with Lidar Data and Its Accuracy Assessment[J]．Photogrammetric engineering and remote sensing, 2013,79(8)：731-741

[5] 冀東山．“神韻與輝煌”唐墓壁畫卷[M]．西安：三秦出版社,2006

[6] 陜西省歷史博物館．“全球視野下中國古代壁畫保護研究”國際學術研討會論文集[C]．西安：陜西新華出版?zhèn)髅郊瘓F,2014

[7] 楊文宗．陜西省歷史博物館館藏唐墓壁畫病害調(diào)查研究[M]．西安：陜西出版?zhèn)髅郊瘓F,2015

P237

B文章編號：1672-4623（2017）06-0051-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.015

鄭順義，教授，博士生導師，主要從事攝影測量與計算機視覺方面的教學和研究工作。

2016-08-05。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41671452）；湖北省科研條件與資源研究開發(fā)項目（2015BCE080）。（*為通訊作者）