鄭順義，劉 陽*

（1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

微觀遙感技術(shù)在壁畫保護(hù)中的應(yīng)用

鄭順義1，劉 陽1*

（1.武漢大學(xué) 遙感信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430079）

基于多年來利用遙感技術(shù)對(duì)物體微觀特征探測(cè)分析的應(yīng)用研究，提出了“微觀遙感”的概念，將遙感技術(shù)拓展到微觀層面。首先闡述了微觀遙感的定義、關(guān)鍵技術(shù)等，然后結(jié)合壁畫變化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，對(duì)微觀遙感技術(shù)的實(shí)施和應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果顯示了微觀遙感技術(shù)的廣闊發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

微觀遙感；壁畫；變化監(jiān)測(cè)

“遙感是在不直接接觸的情況下，對(duì)目標(biāo)物或自然現(xiàn)象遠(yuǎn)距離感知的一門探測(cè)技術(shù)。具體地講，是指在高空和外層空間的各種平臺(tái)上，運(yùn)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(shí)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(guān)系的一門現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)科學(xué)。”[1]遙感以航空攝影技術(shù)為基礎(chǔ)，在20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的。開始為航空遙感，自1972年美國(guó)發(fā)射第一顆陸地衛(wèi)星后就標(biāo)志著航天遙感時(shí)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(shí)用、先進(jìn)的空間探測(cè)技術(shù)，如圖1所示。

圖1 遙感技術(shù)示意圖

作為一門對(duì)地觀測(cè)綜合性技術(shù)，遙感一直是針對(duì)大尺度空間進(jìn)行探測(cè)與分析的學(xué)科和技術(shù)[3]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，遙感探測(cè)技術(shù)開始向更廣的領(lǐng)域拓展。結(jié)合多年來基于遙感技術(shù)對(duì)物體微觀特征探測(cè)分析的應(yīng)用研究，本文提出了“微觀遙感”的概念，將遙感技術(shù)拓展到微觀層面，有利于建立針對(duì)物體微觀結(jié)構(gòu)探測(cè)與分析的新遙感技術(shù)體系。本文首先闡述了微觀遙感的定義、關(guān)鍵技術(shù)等，然后結(jié)合壁畫變化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，對(duì)微觀遙感技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)敘述，展示了微觀遙感技術(shù)的廣闊發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

1 微觀遙感：微觀結(jié)構(gòu)的宏觀表現(xiàn)

1.1 定義

微觀遙感（micro remote sensing）作為遙感的一個(gè)分支，是以單個(gè)物體的微觀形態(tài)、特征和屬性作為研究對(duì)象進(jìn)行分析的一門技術(shù)。微觀遙感是對(duì)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(jìn)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(shí)別、傳感器等學(xué)科有密切關(guān)系，但他們之間存在很大的差異，因?yàn)檫@些學(xué)科只是研究數(shù)據(jù)采集或者數(shù)據(jù)處理某個(gè)階段的具體問題，而微觀遙感涉及數(shù)據(jù)采集、處理、探測(cè)與分析、應(yīng)用等整個(gè)環(huán)節(jié)，因此是一門更加綜合的技術(shù)。

圖2 微觀遙感：微觀結(jié)構(gòu)的宏觀表現(xiàn)

微觀遙感作為遙感的一個(gè)分支，與普通航空航天遙感一樣，是一門綜合性技術(shù)，它的實(shí)現(xiàn)既需要一整套技術(shù)裝備，也需要多學(xué)科的參與和配合，因此實(shí)施微觀遙感也是一項(xiàng)復(fù)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(shù)也不一樣，具體表現(xiàn)為：

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

2）坐標(biāo)系不同。不同于普通遙感研究地球表面，并在大地坐標(biāo)系下討論問題，微觀遙感研究具體的某個(gè)物體，一般采用局部坐標(biāo)系，具體坐標(biāo)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(tái)不同。普通遙感平臺(tái)主要包括衛(wèi)星、飛機(jī)等。微觀遙感平臺(tái)一般是在地面根據(jù)具體應(yīng)用需求加工的平臺(tái)。

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

5）應(yīng)用范圍不同。普通遙感主要應(yīng)用于地形測(cè)量、環(huán)境檢測(cè)、氣象預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)評(píng)估等領(lǐng)域，微觀遙感可以應(yīng)用于文物（如壁畫）變化監(jiān)測(cè)與修復(fù)、醫(yī)學(xué)特殊細(xì)胞的檢測(cè)、工業(yè)零件的缺陷檢測(cè)等等。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

微觀遙感作為遙感的一個(gè)分支，很多技術(shù)可以直接借鑒航空航天遙感。同時(shí)，遙感技術(shù)作為一門綜合性的技術(shù)，其發(fā)展和應(yīng)用與傳感器、數(shù)字圖像處理、模式識(shí)別、攝影測(cè)量等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)，受其影響非常明顯?？傮w來說，微觀遙感技術(shù)會(huì)涉及以下關(guān)鍵技術(shù)。

1）多傳感器融合技術(shù)。微觀遙感涉及的傳感器包括可見光攝像機(jī)、紅外攝像機(jī)、三維激光掃描儀、X光檢測(cè)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(dòng)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(cè)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(shù)顯得非常重要。多傳感器融合技術(shù)的基礎(chǔ)是多源數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，即統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下[4]。

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

3）微觀遙感數(shù)據(jù)處理分析的自動(dòng)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(duì)于數(shù)據(jù)獲取手段，數(shù)據(jù)處理能力相對(duì)滯后，因此，發(fā)展自動(dòng)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(dòng)化和效率是影響微觀遙感技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵。

2 微觀遙感在壁畫保護(hù)中的應(yīng)用

壁畫作品具有藝術(shù)和歷史記錄的雙重價(jià)值，既是高水平繪畫藝術(shù)的證明，又是考證古代傳統(tǒng)習(xí)俗、服飾和生活習(xí)慣的基本資料。壁畫的藝術(shù)價(jià)值高且保護(hù)難度大[5]，一直是文物保護(hù)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，壁畫保護(hù)迄今為止依然是一個(gè)世界性的文物保護(hù)難題[6-7]。近年來，國(guó)家對(duì)文物包括壁畫的保護(hù)越來越重視，迫切需要科學(xué)的保護(hù)手段和評(píng)估方法。本文通過微觀遙感技術(shù)對(duì)陜西省歷史博物館的一批珍貴墓葬壁畫進(jìn)行了數(shù)字化采集和變化監(jiān)測(cè)研究，取得了令人滿意的結(jié)果，下面進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 數(shù)據(jù)采集

要獲取壁畫的微觀結(jié)構(gòu)，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(jī)，每像素的空間分辨率為0．1 mm，同時(shí)測(cè)量了一定數(shù)量的控制點(diǎn)，建立了統(tǒng)一的坐標(biāo)系和尺度基準(zhǔn)。為了控制相機(jī)拍照的規(guī)范性，專門加工了相機(jī)移動(dòng)攝影平臺(tái)，通過電腦控制機(jī)械裝置，驅(qū)動(dòng)相機(jī)到指定位置后控制相機(jī)曝光獲取高清影像，這種方式可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)繪技術(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、平差處理，同時(shí)生成壁畫的高清影像圖和對(duì)應(yīng)的三維數(shù)字表面模型。這些成果全面記錄了壁畫當(dāng)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(cè)應(yīng)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(shí)間的推移，狀況都會(huì)發(fā)生變化。壁畫保護(hù)的任務(wù)就是延緩這種變化，讓珍貴的文物存留時(shí)間盡可能的長(zhǎng)，因此跟蹤壁畫的變化規(guī)律并分析其變化趨勢(shì)就顯得非常重要。本文借助微觀遙感技術(shù)對(duì)壁畫3種典型病害的變化監(jiān)測(cè)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1）“地仗脫落”病害的變化監(jiān)測(cè)。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(duì)不同時(shí)期的壁畫高清圖像進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)微小的壁畫“地仗脫落”病害。為了驗(yàn)證效果，對(duì)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(duì)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(cè)

2） “裂隙”病害的變化監(jiān)測(cè)。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(zhǎng)度的變化等，通過對(duì)不同時(shí)期的壁畫高清圖像進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)微小的壁畫“裂隙”病害。為了驗(yàn)證效果，對(duì)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(duì)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(cè)。壁畫“空鼓”病害在壁畫三維數(shù)字表面模型上會(huì)有顯著的變化，通常表現(xiàn)為凸起，通過對(duì)不同時(shí)期的壁畫三維數(shù)字表面模型進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)微小的壁畫“空鼓”病害。為了驗(yàn)證效果，對(duì)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(duì)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(cè)

圖7 壁畫“空鼓”病害的變化監(jiān)測(cè)

以上實(shí)驗(yàn)通過模擬數(shù)據(jù)驗(yàn)證了利用微觀遙感技術(shù)對(duì)壁畫進(jìn)行數(shù)字化采集和變化監(jiān)測(cè)是可行的、有效的，該成果對(duì)于壁畫的保護(hù)和分析研究具有重要作用。

3 結(jié) 語

本文提出了“微觀遙感”的概念，給出了定義，對(duì)其技術(shù)基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)敘述，拓展了遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍。微觀遙感與普通航空航天遙感既有相同點(diǎn)也有很大差異，相同點(diǎn)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(shù)，不同之處在于研究的尺度、坐標(biāo)系的選定、采用的平臺(tái)、應(yīng)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(cè)分析方面的應(yīng)用。本文通過壁畫變化監(jiān)測(cè)的應(yīng)用實(shí)例，介紹了微觀遙感的實(shí)際應(yīng)用，展示了微觀遙感技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。

[1] 孫家柄．遙感原理與應(yīng)用：第3版[M]．武漢：武漢大學(xué)出版社,2011

[2] 陳世平．航天遙感科學(xué)技術(shù)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(xué)出版社,2015

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[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(guó)古代壁畫保護(hù)研究”國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]．西安：陜西新華出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán),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(tuán),2015

P237

B文章編號(hào)：1672-4623（2017）06-0051-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.015

鄭順義，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事攝影測(cè)量與計(jì)算機(jī)視覺方面的教學(xué)和研究工作。

2016-08-05。

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