微观遥感技术在壁画保护中的应用

郑顺义，刘 阳*

（1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079）

微观遥感技术在壁画保护中的应用

郑顺义1，刘 阳1*

（1.武汉大学 遥感信息工程学院，湖北 武汉 430079）

基于多年来利用遥感技术对物体微观特征探测分析的应用研究，提出了“微观遥感”的概念，将遥感技术拓展到微观层面。首先阐述了微观遥感的定义、关键技术等，然后结合壁画变化监测的应用需求，对微观遥感技术的实施和应用进行了试验研究，试验结果显示了微观遥感技术的广阔发展空间和应用前景。

微观遥感；壁画；变化监测

“遥感是在不直接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知的一门探测技术。具体地讲，是指在高空和外层空间的各种平台上，运用各种传感器获取反映地表特征的各种数据，通过传输、变换和处理，提取有用的信息，实现研究地物空间形状、位置、性质、变化及其与环境的相互关系的一门现代应用技术科学。”[1]遥感以航空摄影技术为基础，在20世纪60年代初发展起来的。开始为航空遥感，自1972年美国发射第一颗陆地卫星后就标志着航天遥感时代的开始[2]。经过几十年的迅速发展，已经成为一门实用、先进的空间探测技术，如图1所示。

图1 遥感技术示意图

作为一门对地观测综合性技术，遥感一直是针对大尺度空间进行探测与分析的学科和技术[3]。随着计算机技术、图像处理技术、传感器技术的发展，遥感探测技术开始向更广的领域拓展。结合多年来基于遥感技术对物体微观特征探测分析的应用研究，本文提出了“微观遥感”的概念，将遥感技术拓展到微观层面，有利于建立针对物体微观结构探测与分析的新遥感技术体系。本文首先阐述了微观遥感的定义、关键技术等，然后结合壁画变化监测的应用需求，对微观遥感技术的应用进行了详细叙述，展示了微观遥感技术的广阔发展空间和应用前景。

1 微观遥感：微观结构的宏观表现

1.1 定义

微观遥感（micro remote sensing）作为遥感的一个分支，是以单个物体的微观形态、特征和属性作为研究对象进行分析的一门技术。微观遥感是对微观世界的宏观解读，如图2所示，通过获取物体高分辨率的数据并进行解析得到物体的微观几何信息和物理属性信息。

微观遥感虽然与数字图像处理、模式识别、传感器等学科有密切关系，但他们之间存在很大的差异，因为这些学科只是研究数据采集或者数据处理某个阶段的具体问题，而微观遥感涉及数据采集、处理、探测与分析、应用等整个环节，因此是一门更加综合的技术。

图2 微观遥感：微观结构的宏观表现

微观遥感作为遥感的一个分支，与普通航空航天遥感一样，是一门综合性技术，它的实现既需要一整套技术装备，也需要多学科的参与和配合，因此实施微观遥感也是一项复杂的系统工程。但是，由于微观遥感研究的尺度和普通遥感有巨大的差别，因此涉及的方法和技术也不一样，具体表现为：

1）研究对象不同。普通遥感以地球或其他星球表面为研究对象，而微观遥感主要研究单个物体的微观形态、特征和属性等。

2）坐标系不同。不同于普通遥感研究地球表面，并在大地坐标系下讨论问题，微观遥感研究具体的某个物体，一般采用局部坐标系，具体坐标系的选定可以根据物体的特征、处理的方便性等确定。

3）遥感平台不同。普通遥感平台主要包括卫星、飞机等。微观遥感平台一般是在地面根据具体应用需求加工的平台。

4）周围相关学科不同。普通遥感和地球科学、环境科学、气象科学、农业科学等宏观尺度的学科关系密切，而与微观遥感相关的学科包括考古学、医学、机械等学科。

5）应用范围不同。普通遥感主要应用于地形测量、环境检测、气象预报、农业评估等领域，微观遥感可以应用于文物（如壁画）变化监测与修复、医学特殊细胞的检测、工业零件的缺陷检测等等。

1.2 关键技术

微观遥感作为遥感的一个分支，很多技术可以直接借鉴航空航天遥感。同时，遥感技术作为一门综合性的技术，其发展和应用与传感器、数字图像处理、模式识别、摄影测量等相关学科的发展密切相关，受其影响非常明显。总体来说，微观遥感技术会涉及以下关键技术。

1）多传感器融合技术。微观遥感涉及的传感器包括可见光摄像机、红外摄像机、三维激光扫描仪、X光检测仪等，这些不同的传感器可以获取物体反射不同波段的光谱信息或者主动光投射在物体上的穿透率或回波信息，他们获取的是物体的某一类信息，为了更好地分析和探测物体的微观特征，经常需要多种信息融合在一起，因此多传感器融合技术显得非常重要。多传感器融合技术的基础是多源数据的配准，即统一到同一个坐标系下[4]。

2）大数据处理技术。要探测和分析的物体特征越微观，传感器的分辨率就要越精细，这样导致的一个结果是数据量会大量增加，因此大数据处理技术是微观遥感的核心技术之一。

3）微观遥感数据处理分析的自动化。目前，随着遥感传感器的发展，获取数据的方法和手段发展很快，相对于数据获取手段，数据处理能力相对滞后，因此，发展自动化的微观遥感数据处理方法就显得非常必要，数据处理分析的自动化和效率是影响微观遥感技术发展和应用的关键。

2 微观遥感在壁画保护中的应用

壁画作品具有艺术和历史记录的双重价值，既是高水平绘画艺术的证明，又是考证古代传统习俗、服饰和生活习惯的基本资料。壁画的艺术价值高且保护难度大[5]，一直是文物保护领域关注的焦点，壁画保护迄今为止依然是一个世界性的文物保护难题[6-7]。近年来，国家对文物包括壁画的保护越来越重视，迫切需要科学的保护手段和评估方法。本文通过微观遥感技术对陕西省历史博物馆的一批珍贵墓葬壁画进行了数字化采集和变化监测研究，取得了令人满意的结果，下面进行详细介绍。

2.1 数据采集

要获取壁画的微观结构，必须提高数据获取的分辨率。这次数据采集采用的是尼康D800相机，每像素的空间分辨率为0．1 mm，同时测量了一定数量的控制点，建立了统一的坐标系和尺度基准。为了控制相机拍照的规范性，专门加工了相机移动摄影平台，通过电脑控制机械装置，驱动相机到指定位置后控制相机曝光获取高清影像，这种方式可以实现自动化数据采集，效率很高、数据质量有保证。数据采集装置如图3所示。

图3 数据采集

2.2 数据处理

借鉴航空遥感地形测绘技术，对采集的数据进行拼接、平差处理，同时生成壁画的高清影像图和对应的三维数字表面模型。这些成果全面记录了壁画当前的颜色光谱信息和三维表面几何信息，如图4所示。

图4 数据处理成果

2.3 壁画变化监测应用

我们目前看到的古代壁画有的保存比较完好，有些已经破损。无论目前状态如何，随着时间的推移，状况都会发生变化。壁画保护的任务就是延缓这种变化，让珍贵的文物存留时间尽可能的长，因此跟踪壁画的变化规律并分析其变化趋势就显得非常重要。本文借助微观遥感技术对壁画3种典型病害的变化监测进行了实验研究。

1）“地仗脱落”病害的变化监测。壁画“地仗脱落”病害在壁画高清图像上表现为颜色的显著变化，通过对不同时期的壁画高清图像进行对比，可以发现微小的壁画“地仗脱落”病害。为了验证效果，对数字化采集的壁画高清图像模拟了一定数量的微小“地仗脱落”病害，从而生成具有“病害”的新高清图像，通过新旧高清图像的对比可以明显地发现微小的壁画“地仗脱落”病害，这些病害的直径都小于0．3 mm。

图5 壁画“地仗脱落”病害的变化监测

2） “裂隙”病害的变化监测。壁画“裂隙”病害在壁画高清图像上表现为一些线特征的显著变化，比如线特征的线宽或者长度的变化等，通过对不同时期的壁画高清图像进行对比，可以发现微小的壁画“裂隙”病害。为了验证效果，对数字化采集的壁画高清图像模拟了壁画“裂隙”病害的微小变化，比如裂隙宽度增加了0．2 mm，从而生成裂隙病害加重的新的高清图像，通过新旧高清图像的对比，可以明显地发现壁画“裂隙”病害的微小变化，这些裂隙的变化都不超过0．2 mm。

3）“空鼓”病害的变化监测。壁画“空鼓”病害在壁画三维数字表面模型上会有显著的变化，通常表现为凸起，通过对不同时期的壁画三维数字表面模型进行对比，可以发现微小的壁画“空鼓”病害。为了验证效果，对数字化采集的壁画三维数字表面模型模拟了微小的壁画“空鼓”病害，比如壁画局部凸起了0．3 mm，从而生成新的壁画三维数字表面模型，通过新旧三维数字表面模型的对比，可以明显地发现微小的壁画“空鼓”病害。

图6 壁画“裂隙”病害的变化监测

图7 壁画“空鼓”病害的变化监测

以上实验通过模拟数据验证了利用微观遥感技术对壁画进行数字化采集和变化监测是可行的、有效的，该成果对于壁画的保护和分析研究具有重要作用。

3 结 语

本文提出了“微观遥感”的概念，给出了定义，对其技术基础、关键技术进行了详细叙述，拓展了遥感技术的应用范围。微观遥感与普通航空航天遥感既有相同点也有很大差异，相同点是都包括数据采集、数据处理与分析，是一门综合性技术，不同之处在于研究的尺度、坐标系的选定、采用的平台、应用范围等存在很大差异，微观遥感侧重于物体微观特征探测分析方面的应用。本文通过壁画变化监测的应用实例，介绍了微观遥感的实际应用，展示了微观遥感技术的广阔应用前景。

[1] 孙家柄．遥感原理与应用：第3版[M]．武汉：武汉大学出版社,2011

[2] 陈世平．航天遥感科学技术的发展[J]．航天器工程,2009, 18(2)：1-7

[3] 史文中．空间数据与空间分析不确定性原理：第2版[M]．北京：科学出版社,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] 冀东山．“神韵与辉煌”唐墓壁画卷[M]．西安：三秦出版社,2006

[6] 陕西省历史博物馆．“全球视野下中国古代壁画保护研究”国际学术研讨会论文集[C]．西安：陕西新华出版传媒集团,2014

[7] 杨文宗．陕西省历史博物馆馆藏唐墓壁画病害调查研究[M]．西安：陕西出版传媒集团,2015

P237

B文章编号：1672-4623（2017）06-0051-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.015

郑顺义，教授，博士生导师，主要从事摄影测量与计算机视觉方面的教学和研究工作。

2016-08-05。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41671452）；湖北省科研条件与资源研究开发项目（2015BCE080）。（*为通讯作者）