光譜角填圖法在遼瓷研究中的初步應用

摘要：本文基于高光譜成像技術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)，提取三個區(qū)域的光譜曲線進行曲線比對分析，利用提取的感興趣區(qū)光譜曲線對兩件瓷盤分別進行光譜角填圖。結果表明光譜角填圖法能夠識別兩件瓷盤的相同成分，同時可以清晰、準確地顯示各種成分的區(qū)域分布，該方法為研究遼瓷特點及對遼瓷更進一步的科學檢測分析提供了有力的支撐。

關鍵詞：光譜角填圖；高光譜成像；遼瓷

引言

遼代陶瓷器，簡稱為遼瓷，主要分為兩大類：一類是指契丹人在遼國境內(nèi)利用當?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、遼陽江官屯窯、北京龍泉務窯等。遼瓷外形豪放灑脫、線條圓潤飄逸[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與博物館學家李文信先生1958年發(fā)表的《遼瓷簡述》一文，首次從遼瓷種類與窯藝、遼瓷造型特點和裝飾特點、遼三彩釉陶器等方面對遼瓷進行較為系統(tǒng)的論述，開遼瓷研究之先河，奠定了遼瓷深入研究的基礎[4]。

目前，學者對于遼瓷的研究主要集中在遼瓷的類型、分期及年代演變上，關注遼瓷的民族特點和美學特征、遼瓷與中原瓷的關系、遼三彩與唐三彩的異同等[5]，很少見到運用現(xiàn)代科技手段對遼瓷進行分析研究的成果報道。高光譜成像發(fā)起于20世紀80年代，是一門遙感技術，主要用于航空航天遙感探測，進行地物識別和分類。高光譜成像技術的主要設備是一臺高光譜相機，它和普通數(shù)碼相機類似，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)的光譜通道對物體持續(xù)成像，獲得的高光譜圖像上的每個像素點都有一條光譜曲線，表示這個點在一個有效光譜波段區(qū)間的吸收或反射。同時通過光譜儀或者物體的移動又可以獲得物體的二維成像信息，這樣高光譜技術即具有圖譜合一的特點，比較直觀、簡潔。正是由于高光譜成像技術無損、快速、直觀等特點，近些年來在文物保護及田野考古等領域逐步得到應用[6-9]，但高光譜成像技術在遼瓷研究方面的成果目前還未見報道。本文首次將高光譜成像技術應用到遼瓷的研究中，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，對兩件三彩釉印花花口盤分別進行光譜角填圖。結果表明該方法可以查找出兩件瓷盤的相同成分，同時能夠準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)及對遼瓷更進一步的科技成分檢測提供了有力的支撐，具有重要的應用價值。

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個的線陣CCD 攝像機（SONY CX285AL）和計算機等部件組成。主要參數(shù)：光譜范圍400—1000nm；光譜通道/帶800；視場范圍30degrees；光譜分辨率2.8nm。采集高光譜數(shù)據(jù)時除計算機外，整套系統(tǒng)置于一個表面覆蓋有黑布的密閉框架內(nèi)，以避免采集圖像時周圍環(huán)境光的干擾。

二、實驗樣本

本文研究對象為遼寧省博物館館館藏的兩件遼代三彩釉印花花口盤（以下簡稱花口盤），文物編號分別為考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，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，紋飾構圖錯落有致，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間，以保證所獲得的高光譜圖像清晰、準確。經(jīng)過調(diào)整，最終確定曝光時間為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動方向完成空間維掃描，平行于運動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，同時也包括每個像素點的光譜信息，也就是說采集到的高光譜圖像實際是一個數(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簡單地對高光譜圖像上的某個像素點提取光譜曲線進行數(shù)據(jù)分析，應用非常有限。由于兩件花口盤表面是不平整的，同時各個波段下的光源強度分布也不是完全均勻的，攝像頭中還有暗電流的存在，導致光照強度分布較弱的波段下圖像的噪聲就會較大，因此要想進行全面的圖像數(shù)據(jù)處理和研究，必須對上述獲得的高光譜數(shù)據(jù)進行反射率校正，以消除部分噪聲影響，才能進一步應用專業(yè)的遙感數(shù)據(jù)處理平臺軟件進行分析。反射率校正的具體方法：在采集條件相同的情況下，首先掃描反射率標定為99%的標準白板，再擰上鏡頭蓋，掃描獲得反射率為0的文件，然后將花口盤、標準白板、反射率0三個高光譜數(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)可以進行諸如端元光譜提取、均值光譜曲線提取和曲線比對分析、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）實際上是采集校正后要進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、線或者面等不規(guī)則的圖形生成感興趣區(qū)。感興趣區(qū)應用十分廣泛，既可以作為圖像分類的樣本，也可以進行圖像裁剪、圖像掩膜及其他操作[10]。在文物研究和保護方面，圖像的點和線由于代表性不強，故作為感興趣區(qū)應用得較少，通常選取面作為感興趣區(qū)，用來提取研究對象的像素集合的統(tǒng)計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、藍三個方塊作為這三個色彩的感興趣區(qū)（圖2），經(jīng)過遙感數(shù)據(jù)處理軟件計算，可以輸出每個感興趣區(qū)的均值光譜曲線。通過對均值光譜曲線進行分析和比對研究，可以進行物質(zhì)識別分類和區(qū)分研究。

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

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、藍三個感興趣區(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別和區(qū)分。進一步則可以利用這三個感興趣區(qū)的均值光譜曲線分別對兩件花口盤進行光譜角填圖分析，來識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，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樣本或者混合像元中的端元光譜的相似率來進行分類。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)屬性進行識別和歸類，并在此基礎上獲取整個高光譜圖像樣本內(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光譜看作是矢量空間里的兩個矢量，它們的維度等于其波段數(shù)，通過計算兩個矢量之間的“光譜角”，可以確定它們之間的相似程度。光譜角填圖的結果直觀、清晰，提供了一種文物研究的捷徑和更多的細節(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)均值光譜曲線對花口盤（考1405）進行光譜角填圖（圖4）。從圖4可知，除采集高光譜數(shù)據(jù)時高亮和較暗部分外，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，再運用其他科技手段對遼瓷進行研究和檢測分析時，目的性和區(qū)域性會更加明顯，省時省力，而且結果會更有代表性。

同樣，將花口盤（考1405）的三條感興趣區(qū)均值光譜曲線應用于花口盤（考1406）上，進行光譜角填圖（圖5），將圖4和圖5比對，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)均值光譜曲線進行光譜角填圖，進一步進行物質(zhì)識別和分類是完全可行的。

結語

本文只是高光譜成像技術在遼瓷研究中的初步探索，雖然得到了一些結果，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。

參考文獻：

[1]于文榮.關于遼瓷的初步探討[J].中國歷史博物館館刊，1998（02）：117-121.

[2]李慧凈.遼寧省博物館藏遼金瓷器集萃[J].收藏，2010（08）：28-34.

[3]梁淑琴.遼瓷的類型與分期[J].北方文物，1994（03）：30-41.

[4]李文信.遼瓷簡述[J].文物參考資料，1958（02）：10-22.

[5]李紅軍，趙紅.遼三彩與唐、宋三彩的鑒別研究[J].美術觀察，1998（05）：71-74.

[6]周霄，高峰，張愛武，科朝.VIS/NIR高光譜成像在中國云岡石窟砂巖風化狀況分布研究中的進展[J].光譜學與光譜分析，2012，32（03）：790-794.

[7]田慶久.江蘇西溪貝丘遺址的高光譜遙感考古研究[J].遙感信息，2007（01）：22-25+104.

[8]譚克龍，萬余慶，楊一德，段清波.高光譜遙感考古探索研究[J].紅外與毫米波學報，2005（06）：437-440.

[9]譚克龍，楊林，周日平，萬余慶，曹瑋.西安神禾塬地區(qū)高光譜遙感考古研究[J].應用基礎與工程科學學報，2009，17（05）：675-682.

[10]鄧書斌.ENVI遙感圖像處理方法[M].北京：科學出版社，2010.

作者簡介：

栗榮賀（1982—），男，漢族。理學碩士，文博副研究館員，研究方向：可移動文物分析檢測及金屬類文物保護修復。