摘要：本文基于高光谱成像技术采集了辽宁省博物馆馆藏的两件辽代三彩釉印花花口盘的高光谱数据，选取其中一件的感兴趣区，提取三个区域的光谱曲线进行曲线比对分析，利用提取的感兴趣区光谱曲线对两件瓷盘分别进行光谱角填图。结果表明光谱角填图法能够识别两件瓷盘的相同成分，同时可以清晰、准确地显示各种成分的区域分布，该方法为研究辽瓷特点及对辽瓷更进一步的科学检测分析提供了有力的支撑。
关键词：光谱角填图；
高光谱成像；
辽瓷
引言
辽代陶瓷器，简称为辽瓷，主要分为两大类：一类是指契丹人在辽国境内利用当地资源建造窑址烧制而成的陶瓷器；
一类则是指契丹人所使用的输入陶瓷器[1]。辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古及河北等地都有发现辽瓷，比较大的窑址有赤峰缸瓦窑、辽阳江官屯窑、北京龙泉务窑等。辽瓷外形豪放洒脱、线条圆润飘逸[2]，釉色有白釉、黑釉、绿釉、黄釉、酱釉及部分三彩釉等，器型以鸡冠壶、鸡腿瓶、凤首瓶、方盘、海棠花式盘等为主[3]，具有典型的游牧民族特征和鲜明的区域色彩。辽瓷的研究和搜集始于20世纪30年代，在此之前辽瓷多被称为宋瓷或者元代遗品，东北博物馆也就是现在的辽宁省博物馆是最先开始收集辽瓷的。考古学与博物馆学家李文信先生1958年发表的《辽瓷简述》一文，首次从辽瓷种类与窑艺、辽瓷造型特点和装饰特点、辽三彩釉陶器等方面对辽瓷进行较为系统的论述，开辽瓷研究之先河，奠定了辽瓷深入研究的基础[4]。
目前，学者对于辽瓷的研究主要集中在辽瓷的类型、分期及年代演变上，关注辽瓷的民族特点和美学特征、辽瓷与中原瓷的关系、辽三彩与唐三彩的异同等[5]，很少见到运用现代科技手段对辽瓷进行分析研究的成果报道。高光谱成像发起于20世纪80年代，是一门遥感技术，主要用于航空航天遥感探测，进行地物识别和分类。高光谱成像技术的主要设备是一台高光谱相机，它和普通数碼相机类似，有光谱仪、镜头、光源等，只是拍摄的数码相片不同，是使用很窄而连续的光谱通道对物体持续成像，获得的高光谱图像上的每个像素点都有一条光谱曲线，表示这个点在一个有效光谱波段区间的吸收或反射。同时通过光谱仪或者物体的移动又可以获得物体的二维成像信息，这样高光谱技术即具有图谱合一的特点，比较直观、简洁。正是由于高光谱成像技术无损、快速、直观等特点，近些年来在文物保护及田野考古等领域逐步得到应用[6-9]，但高光谱成像技术在辽瓷研究方面的成果目前还未见报道。本文首次将高光谱成像技术应用到辽瓷的研究中，采集了辽宁省博物馆馆藏的两件辽代三彩釉印花花口盘的高光谱数据，在其中一件选择感兴趣区，提取感兴趣区的均值光谱曲线，之后利用提取的感兴趣区光谱曲线，对两件三彩釉印花花口盘分别进行光谱角填图。结果表明该方法可以查找出两件瓷盘的相同成分，同时能够准确地显示各种成分的区域分布。此方法为研究辽瓷性质及对辽瓷更进一步的科技成分检测提供了有力的支撑，具有重要的应用价值。
一、高光谱数据采集系统
本文所涉及的高光谱数据是利用THEMIS-VNIR/400H高光谱仪获取的。高光谱采集系统的组成包括图像光谱仪（ImSpector V10E-QE），镜头（XNP 1.4/23-0302），F 1.4，焦距23mm，系统光源为两盏直流调节装置控制的250W石英卤素钨丝灯（LOWEL-PRO），波段光谱范围在可见近红外区域，一组有效像素为1389个的线阵CCD 摄像机（SONY CX285AL）和计算机等部件组成。主要参数：光谱范围400—1000nm；
光谱通道/带800；
视场范围30degrees；
光谱分辨率2.8nm。采集高光谱数据时除计算机外，整套系统置于一个表面覆盖有黑布的密闭框架内，以避免采集图像时周围环境光的干扰。
二、实验样本
本文研究对象为辽宁省博物馆馆馆藏的两件辽代三彩釉印花花口盘（以下简称花口盘），文物编号分别为考1405和考1406。两件花口盘平底，曲边，器型精致，纹饰清晰规则，装饰性强，均呈黄、绿、白三彩颜色，胎质粗而较硬，内心模印花卉纹，色彩亮丽，纹饰构图错落有致，是典型的辽代三彩釉瓷器（图1）。
三、采集方法及光谱数据校正
在高光谱图像数据采集之前，将花口盘稳定地置于高光谱成像系统的载物台上，根据直流光源的照度，不断调整优化高光谱摄像头的曝光时间，以保证所获得的高光谱图像清晰、准确。经过调整，最终确定曝光时间为50ms、物距为50cm、光圈5.6。高光谱数据采集基于推扫型成像，其基本原理是在垂直于运动方向完成空间维扫描，平行于运动方向完成光谱维扫描，这样通过光谱仪所采集到的高光谱图像既包括花口盘的二维空间信息，同时也包括每个像素点的光谱信息，也就是说采集到的高光谱图像实际是一个数据立方体。
通过以上方式采集的高光谱图像是原始的高光谱数据，只能依靠光谱仪自带的数据采集软件Hyper Visual简单地对高光谱图像上的某个像素点提取光谱曲线进行数据分析，应用非常有限。由于两件花口盘表面是不平整的，同时各个波段下的光源强度分布也不是完全均匀的，摄像头中还有暗电流的存在，导致光照强度分布较弱的波段下图像的噪声就会较大，因此要想进行全面的图像数据处理和研究，必须对上述获得的高光谱数据进行反射率校正，以消除部分噪声影响，才能进一步应用专业的遥感数据处理平台软件进行分析。反射率校正的具体方法：在采集条件相同的情况下，首先扫描反射率标定为99%的标准白板，再拧上镜头盖，扫描获得反射率为0的文件，然后将花口盘、标准白板、反射率0三个高光谱数据文件输入光谱仪自带数据处理软件进行高光谱数据的反射率校正，校正后得到的数据可以进行诸如端元光谱提取、均值光谱曲线提取和曲线比对分析、主成分分析（PCA）、最小噪声分析（MNF）、光谱角填图（SAM）等研究。
四、感兴趣区选取及均值光谱输出
感兴趣区（Region of Interest， ROIs）实际上是采集校正后要进行分析和处理的高光谱图像的部分区域，由于高光谱图像原始数据一般都较大，高光谱数据通过遥感数据处理软件打开后，可以利用软件的ROI功能在高光谱二维图像上选择有研究意义的特定的点、线或者面等不规则的图形生成感兴趣区。感兴趣区应用十分广泛，既可以作为图像分类的样本，也可以进行图像裁剪、图像掩膜及其他操作[10]。在文物研究和保护方面，图像的点和线由于代表性不强，故作为感兴趣区应用得较少，通常选取面作为感兴趣区，用来提取研究对象的像素集合的统计信息及平均光谱曲线。在两件三彩釉印花花口盘中的一件（考1405），高光谱图像的黄、绿、白色区域分别选取红、绿、蓝三个方块作为这三个色彩的感兴趣区（图2），经过遥感数据处理软件计算，可以输出每个感兴趣区的均值光谱曲线。通过对均值光谱曲线进行分析和比对研究，可以进行物质识别分类和区分研究。
由于花口盘（考1405）高光谱图像上的每个像素点都存在着不同波长下的光谱信息，为了使选取的花口盘（考1405）感兴趣区更具有代表性，选取的每个色彩的感兴趣区都由100—150个像素组成。
花口盘（考1405）感兴趣区选取后，通过遥感数据处理软件ROI的plot功能绘制红、绿、蓝三个感兴趣区的均值光谱曲线（图3）。通过观察图3可知，光谱曲线T1从475nm处开始，反射率逐渐增大，超过775m以后曲线趋于平缓，光谱曲线T2从400nm处开始，反射率快速增加，超过600nm以后基本平稳不再有大的变化，光谱曲线T3则在525nm处表现出较强的反射，之后反射率逐渐下降，在700nm后曲线趋于平稳。综上可以看出从花口盘（考1405）选取的三个感兴趣区的均值光谱曲线分别表现出不同的光谱曲线走向，曲线差异较大，表明它们代表不同的物质成分，通过均值光谱曲线很容易识别和区分。进一步则可以利用这三个感兴趣区的均值光谱曲线分别对两件花口盘进行光谱角填图分析，来识别三条均值光谱曲线所代表的物质成分在这两件花口盘上的分布。
五、光谱角填图
光谱角填图（Spectral Angle Mapper，SAM），也称光谱角分类，是一种光谱的匹配技術，属于监督分类的范畴，它是通过估算提取的像元光谱与目标样本或者混合像元中的端元光谱的相似率来进行分类。光谱角填图能够对给定的高光谱图像上所有像元的物质属性进行识别和归类，并在此基础上获取整个高光谱图像样本内物质空间分布等信息。光谱角填图具体的分类算法是将两个光谱看作是矢量空间里的两个矢量，它们的维度等于其波段数，通过计算两个矢量之间的“光谱角”，可以确定它们之间的相似程度。光谱角填图的结果直观、清晰，提供了一种文物研究的捷径和更多的细节分类，能够更好地显示不同成分在整件文物的区域分布。通过遥感数据处理软件，利用花口盘（考1405）输出的三条感兴趣区均值光谱曲线对花口盘（考1405）进行光谱角填图（图4）。从图4可知，除采集高光谱数据时高亮和较暗部分外，花口盘（考1405）其余区域基本被填满，各成分的区域分布清晰、明确。通过SAM图的指引，再运用其他科技手段对辽瓷进行研究和检测分析时，目的性和区域性会更加明显，省时省力，而且结果会更有代表性。
同样，将花口盘（考1405）的三条感兴趣区均值光谱曲线应用于花口盘（考1406）上，进行光谱角填图（图5），将图4和图5比对，可以看出花口盘（考1406）与花口盘（考1405）相同的成分，而且各成分可以清晰地显示出来，说明利用感兴趣区均值光谱曲线进行光谱角填图，进一步进行物质识别和分类是完全可行的。
结语
本文只是高光谱成像技术在辽瓷研究中的初步探索，虽然得到了一些结果，但仍有一些问题值得探讨，包括如何获得纯净像元的光谱曲线，混合像元光谱如何分解等，还需要深入的研究。
参考文献：
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[4]李文信.辽瓷简述[J].文物参考资料，1958（02）：10-22.
[5]李红军，赵红.辽三彩与唐、宋三彩的鉴别研究[J].美术观察，1998（05）：71-74.
[6]周霄，高峰，张爱武，科朝.VIS/NIR高光谱成像在中国云冈石窟砂岩风化状况分布研究中的进展[J].光谱学与光谱分析，2012，32（03）：790-794.
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[8]谭克龙，万余庆，杨一德，段清波.高光谱遥感考古探索研究[J].红外与毫米波学报，2005（06）：437-440.
[9]谭克龙，杨林，周日平，万余庆，曹玮.西安神禾塬地区高光谱遥感考古研究[J].应用基础与工程科学学报，2009，17（05）：675-682.
[10]邓书斌.ENVI遥感图像处理方法[M].北京：科学出版社，2010.
作者简介：
栗荣贺（1982—），男，汉族。理学硕士，文博副研究馆员，研究方向：可移动文物分析检测及金属类文物保护修复。