摘要：本文基于高光譜成像技術(shù)采集了遼寧省博物館館藏的兩件遼代三彩釉印花花口盤的高光譜數(shù)據(jù)，選取其中一件的感興趣區(qū)，提取三個(gè)區(qū)域的光譜曲線進(jìn)行曲線比對(duì)分析，利用提取的感興趣區(qū)光譜曲線對(duì)兩件瓷盤分別進(jìn)行光譜角填圖。結(jié)果表明光譜角填圖法能夠識(shí)別兩件瓷盤的相同成分，同時(shí)可以清晰、準(zhǔn)確地顯示各種成分的區(qū)域分布，該方法為研究遼瓷特點(diǎn)及對(duì)遼瓷更進(jìn)一步的科學(xué)檢測(cè)分析提供了有力的支撐。

關(guān)鍵詞：光譜角填圖；高光譜成像；遼瓷

引言

遼代陶瓷器，簡(jiǎn)稱為遼瓷，主要分為兩大類：一類是指契丹人在遼國(guó)境內(nèi)利用當(dāng)?shù)刭Y源建造窯址燒制而成的陶瓷器；一類則是指契丹人所使用的輸入陶瓷器[1]。遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古及河北等地都有發(fā)現(xiàn)遼瓷，比較大的窯址有赤峰缸瓦窯、遼陽(yáng)江官屯窯、北京龍泉?jiǎng)?wù)窯等。遼瓷外形豪放灑脫、線條圓潤(rùn)飄逸[2]，釉色有白釉、黑釉、綠釉、黃釉、醬釉及部分三彩釉等，器型以雞冠壺、雞腿瓶、鳳首瓶、方盤、海棠花式盤等為主[3]，具有典型的游牧民族特征和鮮明的區(qū)域色彩。遼瓷的研究和搜集始于20世紀(jì)30年代，在此之前遼瓷多被稱為宋瓷或者元代遺品，東北博物館也就是現(xiàn)在的遼寧省博物館是最先開始收集遼瓷的?？脊艑W(xué)與博物館學(xué)家李文信先生1958年發(fā)表的《遼瓷簡(jiǎn)述》一文，首次從遼瓷種類與窯藝、遼瓷造型特點(diǎn)和裝飾特點(diǎn)、遼三彩釉陶器等方面對(duì)遼瓷進(jìn)行較為系統(tǒng)的論述，開遼瓷研究之先河，奠定了遼瓷深入研究的基礎(chǔ)[4]。

目前，學(xué)者對(duì)于遼瓷的研究主要集中在遼瓷的類型、分期及年代演變上，關(guān)注遼瓷的民族特點(diǎn)和美學(xué)特征、遼瓷與中原瓷的關(guān)系、遼三彩與唐三彩的異同等[5]，很少見到運(yùn)用現(xiàn)代科技手段對(duì)遼瓷進(jìn)行分析研究的成果報(bào)道。高光譜成像發(fā)起于20世紀(jì)80年代，是一門遙感技術(shù)，主要用于航空航天遙感探測(cè)，進(jìn)行地物識(shí)別和分類。高光譜成像技術(shù)的主要設(shè)備是一臺(tái)高光譜相機(jī)，它和普通數(shù)碼相機(jī)類似，有光譜儀、鏡頭、光源等，只是拍攝的數(shù)碼相片不同，是使用很窄而連續(xù)的光譜通道對(duì)物體持續(xù)成像，獲得的高光譜圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)都有一條光譜曲線，表示這個(gè)點(diǎn)在一個(gè)有效光譜波段區(qū)間的吸收或反射。同時(shí)通過光譜儀或者物體的移動(dòng)又可以獲得物體的二維成像信息，這樣高光譜技術(shù)即具有圖譜合一的特點(diǎn)，比較直觀、簡(jiǎn)潔。正是由于高光譜成像技術(shù)無損、快速、直觀等特點(diǎn)，近些年來在文物保護(hù)及田野考古等領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用[6-9]，但高光譜成像技術(shù)在遼瓷研究方面的成果目前還未見報(bào)道。本文首次將高光譜成像技術(shù)應(yīng)用到遼瓷的研究中，采集了遼寧省博物館館藏的兩件遼代三彩釉印花花口盤的高光譜數(shù)據(jù)，在其中一件選擇感興趣區(qū)，提取感興趣區(qū)的均值光譜曲線，之后利用提取的感興趣區(qū)光譜曲線，對(duì)兩件三彩釉印花花口盤分別進(jìn)行光譜角填圖。結(jié)果表明該方法可以查找出兩件瓷盤的相同成分，同時(shí)能夠準(zhǔn)確地顯示各種成分的區(qū)域分布。此方法為研究遼瓷性質(zhì)及對(duì)遼瓷更進(jìn)一步的科技成分檢測(cè)提供了有力的支撐，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

一、高光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文所涉及的高光譜數(shù)據(jù)是利用THEMIS-VNIR/400H高光譜儀獲取的。高光譜采集系統(tǒng)的組成包括圖像光譜儀（ImSpector V10E-QE），鏡頭（XNP 1.4/23-0302），F(xiàn) 1.4，焦距23mm，系統(tǒng)光源為兩盞直流調(diào)節(jié)裝置控制的250W石英鹵素鎢絲燈（LOWEL-PRO），波段光譜范圍在可見近紅外區(qū)域，一組有效像素為1389個(gè)的線陣CCD 攝像機(jī)（SONY CX285AL）和計(jì)算機(jī)等部件組成。主要參數(shù)：光譜范圍400—1000nm；光譜通道/帶800；視場(chǎng)范圍30degrees；光譜分辨率2.8nm。采集高光譜數(shù)據(jù)時(shí)除計(jì)算機(jī)外，整套系統(tǒng)置于一個(gè)表面覆蓋有黑布的密閉框架內(nèi)，以避免采集圖像時(shí)周圍環(huán)境光的干擾。

二、實(shí)驗(yàn)樣本

本文研究對(duì)象為遼寧省博物館館館藏的兩件遼代三彩釉印花花口盤（以下簡(jiǎn)稱花口盤），文物編號(hào)分別為考1405和考1406。兩件花口盤平底，曲邊，器型精致，紋飾清晰規(guī)則，裝飾性強(qiáng)，均呈黃、綠、白三彩顏色，胎質(zhì)粗而較硬，內(nèi)心模印花卉紋，色彩亮麗，紋飾構(gòu)圖錯(cuò)落有致，是典型的遼代三彩釉瓷器（圖1）。

三、采集方法及光譜數(shù)據(jù)校正

在高光譜圖像數(shù)據(jù)采集之前，將花口盤穩(wěn)定地置于高光譜成像系統(tǒng)的載物臺(tái)上，根據(jù)直流光源的照度，不斷調(diào)整優(yōu)化高光譜攝像頭的曝光時(shí)間，以保證所獲得的高光譜圖像清晰、準(zhǔn)確。經(jīng)過調(diào)整，最終確定曝光時(shí)間為50ms、物距為50cm、光圈5.6。高光譜數(shù)據(jù)采集基于推掃型成像，其基本原理是在垂直于運(yùn)動(dòng)方向完成空間維掃描，平行于運(yùn)動(dòng)方向完成光譜維掃描，這樣通過光譜儀所采集到的高光譜圖像既包括花口盤的二維空間信息，同時(shí)也包括每個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息，也就是說采集到的高光譜圖像實(shí)際是一個(gè)數(shù)據(jù)立方體。

通過以上方式采集的高光譜圖像是原始的高光譜數(shù)據(jù)，只能依靠光譜儀自帶的數(shù)據(jù)采集軟件Hyper Visual簡(jiǎn)單地對(duì)高光譜圖像上的某個(gè)像素點(diǎn)提取光譜曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用非常有限。由于兩件花口盤表面是不平整的，同時(shí)各個(gè)波段下的光源強(qiáng)度分布也不是完全均勻的，攝像頭中還有暗電流的存在，導(dǎo)致光照強(qiáng)度分布較弱的波段下圖像的噪聲就會(huì)較大，因此要想進(jìn)行全面的圖像數(shù)據(jù)處理和研究，必須對(duì)上述獲得的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行反射率校正，以消除部分噪聲影響，才能進(jìn)一步應(yīng)用專業(yè)的遙感數(shù)據(jù)處理平臺(tái)軟件進(jìn)行分析。反射率校正的具體方法：在采集條件相同的情況下，首先掃描反射率標(biāo)定為99%的標(biāo)準(zhǔn)白板，再擰上鏡頭蓋，掃描獲得反射率為0的文件，然后將花口盤、標(biāo)準(zhǔn)白板、反射率0三個(gè)高光譜數(shù)據(jù)文件輸入光譜儀自帶數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行高光譜數(shù)據(jù)的反射率校正，校正后得到的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行諸如端元光譜提取、均值光譜曲線提取和曲線比對(duì)分析、主成分分析（PCA）、最小噪聲分析（MNF）、光譜角填圖（SAM）等研究。

四、感興趣區(qū)選取及均值光譜輸出

感興趣區(qū)（Region of Interest， ROIs）實(shí)際上是采集校正后要進(jìn)行分析和處理的高光譜圖像的部分區(qū)域，由于高光譜圖像原始數(shù)據(jù)一般都較大，高光譜數(shù)據(jù)通過遙感數(shù)據(jù)處理軟件打開后，可以利用軟件的ROI功能在高光譜二維圖像上選擇有研究意義的特定的點(diǎn)、線或者面等不規(guī)則的圖形生成感興趣區(qū)。感興趣區(qū)應(yīng)用十分廣泛，既可以作為圖像分類的樣本，也可以進(jìn)行圖像裁剪、圖像掩膜及其他操作[10]。在文物研究和保護(hù)方面，圖像的點(diǎn)和線由于代表性不強(qiáng)，故作為感興趣區(qū)應(yīng)用得較少，通常選取面作為感興趣區(qū)，用來提取研究對(duì)象的像素集合的統(tǒng)計(jì)信息及平均光譜曲線。在兩件三彩釉印花花口盤中的一件（考1405），高光譜圖像的黃、綠、白色區(qū)域分別選取紅、綠、藍(lán)三個(gè)方塊作為這三個(gè)色彩的感興趣區(qū)（圖2），經(jīng)過遙感數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算，可以輸出每個(gè)感興趣區(qū)的均值光譜曲線。通過對(duì)均值光譜曲線進(jìn)行分析和比對(duì)研究，可以進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別分類和區(qū)分研究。

由于花口盤（考1405）高光譜圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)都存在著不同波長(zhǎng)下的光譜信息，為了使選取的花口盤（考1405）感興趣區(qū)更具有代表性，選取的每個(gè)色彩的感興趣區(qū)都由100—150個(gè)像素組成。

花口盤（考1405）感興趣區(qū)選取后，通過遙感數(shù)據(jù)處理軟件ROI的plot功能繪制紅、綠、藍(lán)三個(gè)感興趣區(qū)的均值光譜曲線（圖3）。通過觀察圖3可知，光譜曲線T1從475nm處開始，反射率逐漸增大，超過775m以后曲線趨于平緩，光譜曲線T2從400nm處開始，反射率快速增加，超過600nm以后基本平穩(wěn)不再有大的變化，光譜曲線T3則在525nm處表現(xiàn)出較強(qiáng)的反射，之后反射率逐漸下降，在700nm后曲線趨于平穩(wěn)。綜上可以看出從花口盤（考1405）選取的三個(gè)感興趣區(qū)的均值光譜曲線分別表現(xiàn)出不同的光譜曲線走向，曲線差異較大，表明它們代表不同的物質(zhì)成分，通過均值光譜曲線很容易識(shí)別和區(qū)分。進(jìn)一步則可以利用這三個(gè)感興趣區(qū)的均值光譜曲線分別對(duì)兩件花口盤進(jìn)行光譜角填圖分析，來識(shí)別三條均值光譜曲線所代表的物質(zhì)成分在這兩件花口盤上的分布。

五、光譜角填圖

光譜角填圖（Spectral Angle Mapper，SAM），也稱光譜角分類，是一種光譜的匹配技術(shù)，屬于監(jiān)督分類的范疇，它是通過估算提取的像元光譜與目標(biāo)樣本或者混合像元中的端元光譜的相似率來進(jìn)行分類。光譜角填圖能夠?qū)o定的高光譜圖像上所有像元的物質(zhì)屬性進(jìn)行識(shí)別和歸類，并在此基礎(chǔ)上獲取整個(gè)高光譜圖像樣本內(nèi)物質(zhì)空間分布等信息。光譜角填圖具體的分類算法是將兩個(gè)光譜看作是矢量空間里的兩個(gè)矢量，它們的維度等于其波段數(shù)，通過計(jì)算兩個(gè)矢量之間的“光譜角”，可以確定它們之間的相似程度。光譜角填圖的結(jié)果直觀、清晰，提供了一種文物研究的捷徑和更多的細(xì)節(jié)分類，能夠更好地顯示不同成分在整件文物的區(qū)域分布。通過遙感數(shù)據(jù)處理軟件，利用花口盤（考1405）輸出的三條感興趣區(qū)均值光譜曲線對(duì)花口盤（考1405）進(jìn)行光譜角填圖（圖4）。從圖4可知，除采集高光譜數(shù)據(jù)時(shí)高亮和較暗部分外，花口盤（考1405）其余區(qū)域基本被填滿，各成分的區(qū)域分布清晰、明確。通過SAM圖的指引，再運(yùn)用其他科技手段對(duì)遼瓷進(jìn)行研究和檢測(cè)分析時(shí)，目的性和區(qū)域性會(huì)更加明顯，省時(shí)省力，而且結(jié)果會(huì)更有代表性。

同樣，將花口盤（考1405）的三條感興趣區(qū)均值光譜曲線應(yīng)用于花口盤（考1406）上，進(jìn)行光譜角填圖（圖5），將圖4和圖5比對(duì)，可以看出花口盤（考1406）與花口盤（考1405）相同的成分，而且各成分可以清晰地顯示出來，說明利用感興趣區(qū)均值光譜曲線進(jìn)行光譜角填圖，進(jìn)一步進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別和分類是完全可行的。

結(jié)語(yǔ)

本文只是高光譜成像技術(shù)在遼瓷研究中的初步探索，雖然得到了一些結(jié)果，但仍有一些問題值得探討，包括如何獲得純凈像元的光譜曲線，混合像元光譜如何分解等，還需要深入的研究。

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作者簡(jiǎn)介：

栗榮賀（1982—），男，漢族。理學(xué)碩士，文博副研究館員，研究方向：可移動(dòng)文物分析檢測(cè)及金屬類文物保護(hù)修復(fù)。