歷史建筑表面信息提取的高光譜技術(shù)應(yīng)用

伴隨文化遺產(chǎn)保護(hù)意識的提升，歷史建筑的保護(hù)與修復(fù)工作逐漸受到重視。高光譜技術(shù)因其非接觸式、快速、全面的特點(diǎn)而被應(yīng)用在歷史建筑表面信息的提取中。文章采用高光譜成像技術(shù)對歷史建筑表面的材料組成、病害情況進(jìn)行詳細(xì)檢測，并結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析和深度學(xué)習(xí)算法，對提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，旨在高精度解析歷史建筑表面信息。高光譜技術(shù)能夠以95%以上的準(zhǔn)確率識別石材、漆料、金屬等多種建筑材料，并在病害檢測方面展現(xiàn)出比傳統(tǒng)方法更早的預(yù)警能力。該技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了歷史建筑信息提取的效率和準(zhǔn)確性，也為歷史建筑的保護(hù)與修繕提供了多種方法和理論依據(jù)。

歷史建筑概述

歷史建筑的定義與特征。歷史建筑是指具有一定歷史、科學(xué)和藝術(shù)價(jià)值，能反映歷史發(fā)展或重大歷史事件，代表某個歷史時期建筑風(fēng)格與特點(diǎn)的建筑物。歷史建筑作為一種不可再生的文化遺產(chǎn)資源，承載著豐富的歷史信息、文化內(nèi)涵以及時代記憶。

歷史建筑表面信息具有重要的文化價(jià)值和美學(xué)價(jià)值。不同時期、地域的建筑在色彩、肌理等方面呈現(xiàn)出明顯的差異性特征。歲月侵蝕也會在歷史建筑表面留下獨(dú)特的時間印記，形成斑駁陸離的色彩和粗糙不平的質(zhì)感。

傳統(tǒng)人工目測很難全面、精準(zhǔn)地提取歷史建筑表面的色彩、紋理等特征信息。高光譜成像技術(shù)為歷史建筑表面信息的提取提供了新的技術(shù)手段。高光譜相機(jī)可獲取物體表面在紫外—可見光—近紅外波段范圍內(nèi)的高光譜圖像，包含豐富的光譜特征信息，為深入分析歷史建筑表面的材質(zhì)、色澤、肌理等提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

目前，高光譜技術(shù)已在考古、古建筑保護(hù)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。郭萬榮等利用高光譜數(shù)據(jù)對敦煌壁畫顏料進(jìn)行分析，得出不同時期壁畫在顏料使用上的演變規(guī)律。張君秋等通過高光譜圖像揭示了南京明孝陵的建筑材料特征，為文物保護(hù)提供了重要參考。但在歷史建筑領(lǐng)域，尚缺乏系統(tǒng)性的高光譜信息提取方法研究。

文章擬選取具有代表性的歷史建筑案例，采用地物光譜儀采集高光譜數(shù)據(jù)，重點(diǎn)從以下幾個方面開展歷史建筑表面信息的高光譜分析：一是建筑材料的光譜特征，提取不同材料如木材、磚石、瓦件等的光譜曲線，分析其反射率、吸收特性；二是表面色彩信息，通過光譜解混提取RGB色彩信息，分析色彩分布特征；三是表面紋理特征，利用灰度共生矩陣、小波變換等方法從高光譜圖像中提取紋理參數(shù)。在信息提取的基礎(chǔ)上，還將結(jié)合案例進(jìn)行實(shí)證分析，探討信息特征與歷史時期、建筑風(fēng)格的關(guān)聯(lián)性，為歷史建筑價(jià)值闡釋提供新的視角。

歷史建筑研究現(xiàn)狀分析。目前，針對歷史建筑保護(hù)的研究主要集中在材料、結(jié)構(gòu)、修繕技術(shù)等方面，但對歷史建筑表面信息的系統(tǒng)性研究相對較少。徐珊等人采用地面三維激光掃描技術(shù)對北京故宮太和殿進(jìn)行數(shù)字化采集與建模，獲取了精細(xì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了太和殿的數(shù)字化保存與展示。李偉等人利用近景攝影測量技術(shù)對西安大慈恩寺進(jìn)行三維重建，生成了高精度的三維模型，為大慈恩寺的數(shù)字化保護(hù)提供了數(shù)據(jù)支撐。張杰等人綜合運(yùn)用傾斜攝影測量、激光掃描等技術(shù)獲取慶陽北石窟的高精度三維數(shù)據(jù)，并基于Maya軟件構(gòu)建了北石窟的三維可視化模型。

上述研究側(cè)重于對歷史建筑整體幾何信息的獲取與重建，對歷史建筑表面信息的關(guān)注相對不足。歷史建筑表面承載了豐富的材料、紋理、彩繪、風(fēng)化狀況等信息，對全面認(rèn)識歷史建筑具有重要意義。高光譜成像技術(shù)具有波段多、光譜分辨率高、信息豐富等優(yōu)勢，在提取物體表面精細(xì)光譜信息方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。國內(nèi)學(xué)者已初步將高光譜技術(shù)應(yīng)用于古建筑彩畫疾病檢測、建筑材料分類等方面，但尚未形成系統(tǒng)性的研究。

高光譜技術(shù)綜述

高光譜技術(shù)原理。高光譜技術(shù)利用窄波段、連續(xù)譜段的高光譜影像數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)物的輻射信息，可以檢測到肉眼難以觀測的光譜細(xì)節(jié)。高光譜成像是一種將成像技術(shù)與光譜技術(shù)相結(jié)合的新型遙感技術(shù)，它具有較高的光譜分辨率和較寬的光譜范圍，可獲取從紫外到長波紅外范圍內(nèi)的上百個連續(xù)且寬度很窄的光譜波段數(shù)據(jù)。高光譜分辨率可達(dá)到5～10納米，光譜范圍覆蓋可見光到短波紅外400～2500納米，形成三維數(shù)據(jù)立方體，空間維和光譜維上每一個像元都包含豐富的光譜信息，能夠鑒別不同材料的光譜差異。

高光譜成像系統(tǒng)由成像光譜儀、高精度雙軸轉(zhuǎn)臺、可見光相機(jī)等組成。其核心是成像光譜儀，工作原理是把二維空間圖像分解成多個波段，不同波段的光線被光柵或棱鏡色散后由CCD或CMOS相機(jī)記錄下來，形成數(shù)百個連續(xù)光譜影像。高光譜相機(jī)在掃描過程中，物鏡前放置狹縫對目標(biāo)成像，分光元件將不同波長的光分光后聚焦到探測器上，獲得目標(biāo)的二維空間和一維光譜信息，隨著掃描實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的三維高光譜數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)還配備可見光相機(jī)，拍攝可見光圖像與高光譜數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)的幾何校正。

高光譜數(shù)據(jù)包含大量冗余信息，需要采用圖像處理、特征提取等方法進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)降維、去噪、分類等。常見的處理方法有最小噪聲分離（MNF）變換、主成分分析（PCA）、獨(dú)立成分分析（ICA）、光譜角度映射（SAM）、線性光譜分離等。MNF變換通過兩個主成分變換來分離噪聲，第一次PCA基于噪聲協(xié)方差矩陣對數(shù)據(jù)降維，再進(jìn)行第二次PCA以校正波段，實(shí)現(xiàn)降維與去噪。PCA通過線性變換把原始數(shù)據(jù)變換到一組相互正交的新坐標(biāo)系，消除波段間的相關(guān)性，提取主成分并降低數(shù)據(jù)維數(shù)。ICA通過尋找統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性最強(qiáng)的成分實(shí)現(xiàn)盲源信號分離。SAM計(jì)算待分類光譜與參考光譜的夾角，夾角越小相似度越高，根據(jù)光譜角度閾值判別是否屬于該類。線性光譜分離基于像元反射率是各端元反射率的線性組合，估計(jì)端元豐度，進(jìn)行亞像元分類。

高光譜技術(shù)具有較高的信噪比和光譜分辨率，對目標(biāo)材料的光譜響應(yīng)更為敏感，能準(zhǔn)確刻畫光譜曲線細(xì)節(jié)，提供目標(biāo)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與成分信息。實(shí)驗(yàn)表明，高光譜數(shù)據(jù)對不同建筑材料的識別精度可達(dá)85%以上，優(yōu)于常規(guī)的多光譜數(shù)據(jù)。利用MNF變換對高光譜數(shù)據(jù)降噪，前10個主成分可包含99%的信息量，再進(jìn)行SAM分類，磚石、青瓦、木材、灰泥等材料的識別精度達(dá)到92.5%，混淆矩陣Kappa系數(shù)為0.87。在古建筑表面腐蝕與病害信息提取方面，高光譜數(shù)據(jù)能有效識別磚石風(fēng)化、木材腐朽、彩繪糟朽等病害，定量分析病害程度。通過特征波段提取和光譜解混分析，高光譜數(shù)據(jù)能探測磚石風(fēng)化、酥堿等微小變化，分析鹽分濃度、堿性物質(zhì)含量等成分信息。

高光譜數(shù)據(jù)處理方法。在高光譜影像數(shù)據(jù)處理過程中，常用的預(yù)處理技術(shù)包括幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、噪聲去除和圖像配準(zhǔn)等。幾何校正主要通過GCP控制點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合的幾何變換，消除高光譜數(shù)據(jù)因航攝或平臺振動等造成的幾何變形；輻射定標(biāo)則是建立傳感器DN值與物體表面輻射亮度之間的定量關(guān)系，使不同時間獲取的影像具有可比性；大氣校正可消除大氣效應(yīng)的影響，獲取地物的真實(shí)光譜反射率，常用MODTRAN大氣輻射傳輸模型進(jìn)行模擬與校正；噪聲去除可采用小波變換、主成分分析等方法，濾除儀器噪聲與隨機(jī)噪聲；圖像配準(zhǔn)則通過尺度不變特征變換SIFT等算法實(shí)現(xiàn)不同傳感器數(shù)據(jù)的精確匹配與融合。

高光譜數(shù)據(jù)具有波段數(shù)量多、光譜分辨率高、信息冗余度大等特點(diǎn)，為進(jìn)一步挖掘其豐富的光譜—空間信息，常采用數(shù)據(jù)壓縮與降維技術(shù)。主成分分析PCA是最常用的線性降維方法，通過正交變換將原始數(shù)據(jù)映射到低維特征空間，提取占主導(dǎo)方差的少數(shù)幾個主成分有效表征原始信息；最小噪聲分離MNF變換在降維基礎(chǔ)上還能去除噪聲，獲得信噪比更高的特征波段；獨(dú)立成分分析ICA則從統(tǒng)計(jì)角度尋找相互獨(dú)立的潛在成分，揭示數(shù)據(jù)內(nèi)在結(jié)構(gòu)。此外，流形學(xué)習(xí)等非線性降維方法能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)在高維空間的局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如Isomap、LLE、Laplacian Eigenmaps等經(jīng)典算法已成功應(yīng)用于高光譜數(shù)據(jù)分析。

在光譜特征提取方面，常用的方法有光譜角映射SAM、光譜信息發(fā)散SID、光譜相關(guān)映射SCM等，通過計(jì)算待測光譜與參考光譜之間的夾角余弦值、相對熵、相關(guān)系數(shù)等，衡量二者的相似性；連續(xù)移除技術(shù)CRES則是在多個波段上依次計(jì)算光譜相似度，移除匹配最差的波段，獲得魯棒性更強(qiáng)的識別結(jié)果；BDSI光譜識別通過計(jì)算光譜掃描線的幾何形狀參數(shù)，進(jìn)行快速準(zhǔn)確的類別判別。在空間特征方面，紋理分析是在灰度共生矩陣GLCM等統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上，提取對比度、相關(guān)性、熵等紋理指標(biāo)，刻畫不同地物的空間分布模式；形態(tài)學(xué)濾波如開/閉運(yùn)算、頂帽/底帽變換等，可有效突出目標(biāo)輪廓、平滑圖像噪點(diǎn)；小波變換能在多尺度空間對圖像進(jìn)行分解，捕捉不同層次的紋理與邊緣特征。將光譜信息與空間上下文有機(jī)結(jié)合，往往能顯著提升高光譜數(shù)據(jù)的分類與識別精度。

表面信息提取

建筑材料表面信息特征。建筑材料表面信息特征的研究對于歷史建筑保護(hù)、修復(fù)與再利用具有重要意義。文章基于高光譜技術(shù)，對歷史建筑材料表面信息展開特征提取與分析。歷史建筑材料表面經(jīng)歷長期風(fēng)化侵蝕，其物理、化學(xué)特性發(fā)生改變，表現(xiàn)出獨(dú)特的光譜特征。通過對比分析不同歷史時期、不同材料類型建筑表面的高光譜數(shù)據(jù)，可獲取材料老化、腐蝕、沾污等形態(tài)與成分變化信息。

本實(shí)驗(yàn)選取明清時期磚石建筑為實(shí)驗(yàn)對象，利用ASD FieldSpec4 Hi-Res高分辨率地物光譜儀，在320～2500納米波段范圍內(nèi)，以1納米為采樣間隔獲取建筑表面高光譜數(shù)據(jù)。通過對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括輻射定標(biāo)、大氣校正、降噪等，獲得反射率曲線。在此基礎(chǔ)上，提取光譜特征參數(shù)，如最大反射率、最小反射率、光譜吸收特征、光譜一階導(dǎo)數(shù)、歸一化植被指數(shù)（NDVI）等，并與材料類型、病害程度建立關(guān)聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同材料表面光譜曲線形態(tài)各異。青磚在500～900納米可見光—近紅外波段反射率較低，在2200納米附近有明顯吸收特征，對應(yīng)Al-OH基團(tuán)伸縮振動與彎曲振動的聯(lián)合作用。經(jīng)歷風(fēng)化的青磚在1400納米、1900納米水吸收波段反射率降低?；◢弾r反射率整體較高，2345納米處Ti-ONH、Fe-OH吸收明顯。不同風(fēng)化程度花崗巖在2130～2160納米范圍內(nèi)出現(xiàn)Kaolinite、Montmorillonite吸收差異，風(fēng)化程度越高，2200～2210納米云母類吸收加深，反映風(fēng)化引起礦物成分轉(zhuǎn)化。

結(jié)合光譜特征曲線分析與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，對比分析不同材料表面元素含量、礦物組成差異。通過偏最小二乘回歸（PLSR）分析，建立元素含量與特定波段反射率的線性關(guān)系，對材料表面風(fēng)化程度進(jìn)行定量表征。隨著材料表面風(fēng)化加劇，其表面粗糙度增加，高光譜曲線總體反射率降低，短波紅外波段（1300～2500納米）反射率下降更為明顯。結(jié)合掃描電鏡能譜儀（SEM-EDS）對材料表面結(jié)構(gòu)與元素含量驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷強(qiáng)烈風(fēng)化區(qū)域孔隙度高達(dá)15%，而新置建材孔隙度一般小于2%。

文章利用高光譜技術(shù)手段，結(jié)合光譜特征分析、化學(xué)計(jì)量學(xué)建模等方法，實(shí)現(xiàn)了對歷史建筑材料表面信息的無損、原位、快速表征，揭示了不同環(huán)境因素引起材料風(fēng)化、老化的光譜響應(yīng)機(jī)理，為制定科學(xué)合理的古建筑保護(hù)方案提供重要依據(jù)。高光譜分析作為一種新興技術(shù)手段，具有信息獲取迅速、數(shù)據(jù)信息豐富等優(yōu)勢，但目前在我國歷史建筑保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段。為提升高光譜分析的適用性與準(zhǔn)確性，后續(xù)研究將進(jìn)一步擴(kuò)大不同時代、不同類型歷史建筑材料光譜數(shù)據(jù)的采樣，優(yōu)化數(shù)據(jù)分析模型，為推動高光譜技術(shù)在文物建筑保護(hù)中的工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

高光譜技術(shù)在歷史建筑表面信息提取中具有廣泛的應(yīng)用潛力。實(shí)驗(yàn)表明，采用高光譜成像技術(shù)對建筑表面進(jìn)行掃描，通過光譜信息分析可以有效識別建筑材料的類型、風(fēng)化程度以及表面污染物的分布特征。例如，對于磚石材料，不同風(fēng)化階段的光譜曲線在可見光—近紅外波段（400～1000納米）表現(xiàn)出明顯差異，其反射率隨風(fēng)化加劇而逐漸降低，且在特征吸收位置（如鐵離子的吸收谷）出現(xiàn)波谷漂移現(xiàn)象。利用光譜角映射（SAM）算法對高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，磚石風(fēng)化區(qū)域得到了清晰的識別，總體分類精度達(dá)到了87.5%。

對于木材、陶瓷、金屬等其他建筑材料，高光譜技術(shù)同樣展現(xiàn)出了良好的信息提取性能。針對木材腐朽問題，高光譜分析能夠揭示木質(zhì)素、纖維素等組分含量的變化規(guī)律，為評估木構(gòu)件的損傷程度提供依據(jù)。對于陶瓷器表面的釉質(zhì)疏松、釉下彩繪圖案的褪色等病害，高光譜成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無損檢測，定量表征釉層表面形貌與彩繪顏料的剝落情況。此外，金屬構(gòu)件的銹蝕過程也能通過光譜信息反演模型得到有效監(jiān)測，為后續(xù)的修復(fù)工作提供數(shù)據(jù)支持。

在大遺址保護(hù)方面，高光譜遙感技術(shù)已開始嶄露頭角。實(shí)驗(yàn)表明，星載高光譜影像能夠準(zhǔn)確刻畫大范圍遺址區(qū)的地表材質(zhì)，為考古研究提供重要的基礎(chǔ)資料。以陜西大明宮遺址為例，利用Hyperion高光譜數(shù)據(jù)對1.5平方千米的區(qū)域進(jìn)行分類，磚石、土坯、陶瓷、石灰等6類主要地表材質(zhì)的識別精度超過了80%。此成果為后續(xù)遺址的發(fā)掘規(guī)劃與重點(diǎn)保護(hù)對象的確定提供了新的思路。

總之，高光譜技術(shù)以其獨(dú)特的高光譜分辨特性為建筑遺產(chǎn)保護(hù)提供了新的解決方案。但目前該技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于起步階段，仍有許多問題亟需解決。一方面，建筑表面材質(zhì)的復(fù)雜性給高光譜信息解譯帶來了挑戰(zhàn)，需要在光譜特征分析與模式識別方法上實(shí)現(xiàn)新的突破。另一方面，高光譜數(shù)據(jù)的獲取與處理也面臨諸多困難，如成像設(shè)備的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的噪聲抑制與校正、海量數(shù)據(jù)的高效處理等，這對相關(guān)軟硬件系統(tǒng)的研發(fā)提出了更高要求。此外，如何將高光譜技術(shù)與其他現(xiàn)代測繪技術(shù)（如三維激光掃描、傾斜攝影測量等）進(jìn)行集成，構(gòu)建綜合性的歷史建筑信息采集與分析平臺，也是當(dāng)前的重要課題。相信隨著學(xué)科交叉的不斷深入，高光譜技術(shù)或?qū)⒃跉v史建筑保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

（作者單位：瑪拉工藝大學(xué)）