摘要：本文利用可見近紅外高光譜成像儀采集紅山文化牛河梁遺址出土的一件玉璧的高光譜數(shù)據(jù)。利用主成分分析法對(duì)玉璧圖像進(jìn)行增強(qiáng)顯示，提取玉璧表面紋理特征，根據(jù)紋理特征選取感興趣區(qū)輸出特征光譜曲線，觀察比對(duì)特征曲線差異，分析成分種類數(shù)量，最后根據(jù)特征光譜曲線進(jìn)行光譜角填圖，得到整件玉璧的成分分布圖。結(jié)果表明，以上分析可以清晰地顯示整塊玉璧的各成分分布區(qū)域，該方法可以為XRF、FT-IR、XRD等微區(qū)檢測(cè)方法提供明確的成分區(qū)域指引。

關(guān)鍵詞：主成分分析法；紅山文化；玉璧

牛河梁遺址位于遼寧省朝陽(yáng)市建平縣，屬于紅山文化晚期，規(guī)模宏大，是距今5800—5200年左右的古國(guó)時(shí)代第一階段的代表，該遺址從1983年開始正式發(fā)掘，總計(jì)出土玉器一百余件。除玉器外，牛河梁遺址還出土了陶器、石器和骨器等文物，牛河梁遺址廟、壇、冢的發(fā)現(xiàn)和隨葬玉器的出土，為中華五千年的文明史提供了有力的實(shí)證。牛河梁遺址出土的玉器種類包括玉環(huán)、雙聯(lián)玉璧、馬蹄形玉箍、玉豬龍、玉璧、方形玉飾、棒形玉器、勾云形玉飾等，工藝精美，加工技術(shù)發(fā)達(dá)，造型上追求神似，別具風(fēng)格[1]。

目前，運(yùn)用現(xiàn)代分析技術(shù)對(duì)玉器進(jìn)行檢測(cè)與研究的方法主要包括X射線衍射分析法（X-Ray Diffraction，XRD），X射線熒光光譜分析法（X-Ray Fluorescence，XRF），傅立葉變換紅外光譜法（FT-IR），拉曼光譜法（Raman）等[2]，這些方法可以對(duì)玉器的內(nèi)部和表面成分進(jìn)行檢測(cè)分析，具有較高的靈敏度和分辨率。但是，由于玉料屬于多晶集合體，成分復(fù)雜，上述檢測(cè)方法皆屬于微區(qū)分析，檢測(cè)區(qū)域的大小只有幾個(gè)微米到幾百個(gè)微米，很難對(duì)整件玉器進(jìn)行全面的掃描，故代表性不強(qiáng)。高光譜成像技術(shù)起源于20世紀(jì)末，是航空遙感領(lǐng)域的前沿技術(shù)之一[3]。通過(guò)高光譜成像技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)既包含精細(xì)的光譜信息，同時(shí)也包含二維的空間信息[4]。高光譜成像技術(shù)可同時(shí)獲取圖像信息與光譜信息，由于具有快速、無(wú)損的特點(diǎn)，近年來(lái)在文物研究領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本文利用可見近紅外高光譜成像技術(shù)獲取牛河梁紅山文化遺址出土的一件玉璧的高光譜數(shù)據(jù)。利用主成分分析法增強(qiáng)信息，降低數(shù)據(jù)維數(shù)，提取玉璧表面紋理特征，之后根據(jù)表面紋理特征選取感興趣區(qū)，通過(guò)遙感處理軟件計(jì)算輸出特征光譜曲線，分析玉璧表面成分種類，最后利用輸出的特征光譜曲線進(jìn)行光譜角填圖，得到整件玉璧的成分分布圖。經(jīng)過(guò)以上處理，整塊玉璧的各成分分布區(qū)域可以清晰地顯示，該方法可以為以現(xiàn)代科學(xué)原理為基礎(chǔ)的微區(qū)檢測(cè)方法提供明確的區(qū)域成分引導(dǎo)，具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

一、數(shù)據(jù)采集儀器及參數(shù)

采用THEMIS-VNIR/400H高光譜成像系統(tǒng)采集玉璧的高光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)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23 mm，兩盞直流調(diào)節(jié)裝置控制的250 W石英鹵素鎢絲燈（LOWEL-PRO），有效像素為1389個(gè)的線陣CCD攝像機(jī)（SONY CX285AL）和便攜式計(jì)算機(jī)等，鎢絲燈的光譜范圍在可見近紅外區(qū)域。高光譜相機(jī)的主要參數(shù)：光譜范圍400～1000 nm；光譜通道/帶800；視場(chǎng)范圍30 degrees；光譜分辨率2.8 nm；像元大小6.45 μm×6.45 μm；動(dòng)態(tài)范圍14 bits；幀頻28 MHz。采集玉璧的高光譜數(shù)據(jù)時(shí)除便攜式計(jì)算機(jī)外，其余部件被置于一個(gè)表面覆蓋黑布的鋁合金框架內(nèi)，達(dá)到采集高光譜圖像時(shí)屏蔽周圍環(huán)境光干擾的目的。

二、研究樣本

本文研究對(duì)象為牛河梁紅山文化遺址出土的一件玉璧，在遼寧省博物館古代遼寧基本陳列展廳展出，玉璧呈黃綠色，部分表面泛白，器體較大，外廓為圓角方形，內(nèi)孔近圓形，邊緣中部鉆一小孔，可穿繩系掛（圖1）。

三、數(shù)據(jù)采集

在采集玉璧的高光譜圖像數(shù)據(jù)前，先將玉璧平穩(wěn)地放在采集系統(tǒng)的載物臺(tái)上，打開直流光源，再打開采集軟件HyperVisual，依據(jù)曝光程度，不斷更改曝光時(shí)間，調(diào)實(shí)焦距，直至獲得的高光譜圖像畫面整體清晰，亮度分部均勻，高光譜數(shù)據(jù)的曲線曝光率不低于6000，也不高于上限。經(jīng)過(guò)對(duì)曝光時(shí)間和焦距的調(diào)整，玉璧高光譜的最終參數(shù)為曝光時(shí)間70 ms，物距65 cm，光圈5.6。數(shù)據(jù)采集基于推掃型成像，入射狹縫位于準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上。玉璧的入射光經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，通過(guò)光柵和棱鏡分光。成像系統(tǒng)將光能按照波長(zhǎng)的順序成像在探測(cè)器的不同位置上，相當(dāng)于在垂直于狹縫方向，玉璧與狹縫做一維的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，掃描后可以得到整件玉璧的平面信息及400～1000 nm內(nèi)各波段的光譜信息。也就是說(shuō)，獲得的玉璧高光譜數(shù)據(jù)既含有單個(gè)像素的光譜維信息，也含有單個(gè)波段下整幅玉璧的圖像信息。

四、高光譜數(shù)據(jù)的校正

由于玉璧表面呈凹凸?fàn)睿皇峭耆秸?，兩盞鎢絲燈因角度關(guān)系，提供的不同波長(zhǎng)下的光源強(qiáng)度不是均勻分布的，同時(shí)高光譜儀的鏡頭中存在暗電流，這樣會(huì)造成所采集的玉璧高光譜數(shù)據(jù)，在光源強(qiáng)度較弱的波長(zhǎng)下所獲得的高光譜圖像噪聲較大，因此要進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析，必須對(duì)采集的原始高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理校正，消除暗電流和噪聲的影響。在與玉璧高光譜數(shù)據(jù)采集條件相同的情況下，先掃描反射率標(biāo)定為99%的白色校正板，然后蓋上高光譜相機(jī)的鏡頭蓋，采集反射率為0的文件，打開采集系統(tǒng)自帶的HyperVisual軟件，校正界面輸入暗電流文件和白板校正文件進(jìn)行反射率校正，反射率校正后進(jìn)行噪聲處理，噪聲處理后根據(jù)高光譜圖像和原圖像關(guān)系進(jìn)行垂直或者水平變換，將高光譜圖像變換成原圖像即可。

五、主成分分析增強(qiáng)紋理特征

由于高光譜圖像數(shù)據(jù)較大且各波段之間通常高度相關(guān)，為了去除波段之間的冗余信息，提高運(yùn)算效率，運(yùn)用主成分分析法可以將多波段圖像數(shù)據(jù)壓縮到有效的少數(shù)幾個(gè)波段，增強(qiáng)高光譜圖像信息含量、隔離噪聲及減少數(shù)據(jù)維數(shù)，能夠生成飽和度更高的彩色圖像[5]。玉璧在400～1000 nm光譜區(qū)的所有波段經(jīng)過(guò)主成分分析后得到了前4個(gè)PC圖像（圖2）。從圖2可以看出，前3個(gè)PC圖像保留了玉璧原始圖像的絕大部分信息，PC-4圖像則包含了較多的噪聲信息，不可利用。再觀察前3個(gè)PC圖像，PC-1圖像包含的原始數(shù)據(jù)最多，但這些信息區(qū)別不明顯，不利于觀察玉璧的紋理特征。相比較而言，PC-3圖像信息區(qū)別明顯，所以更適合玉璧紋理特征的提取。

六、特征光譜的提取與分析

感興趣區(qū)是要處理分析的高光譜圖像的一部分，通過(guò)遙感數(shù)據(jù)處理軟件在高光譜圖像上直接選擇或設(shè)定一定的閾值等方式而生成。感興趣區(qū)可以是不規(guī)則的形狀，如點(diǎn)、線、面等。文物研究領(lǐng)域一般選擇含有一定像素的面作為感興趣區(qū)，選取的感興趣區(qū)通常用來(lái)提取分類的統(tǒng)計(jì)信息及其他操作。根據(jù)圖2中紋理特征明顯的PC-3圖像選取四個(gè)感興趣區(qū)（圖3），每個(gè)感興趣區(qū)由100～150個(gè)像素點(diǎn)組成，這樣選取的玉璧表面感興趣區(qū)域更具代表性。經(jīng)過(guò)遙感數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算輸出每個(gè)感興趣區(qū)的特征光譜曲線（圖4），之后對(duì)特征光譜曲線進(jìn)行比對(duì)觀察，分析玉璧的成分種類。

通過(guò)圖4觀察輸出的四條特征光譜曲線發(fā)現(xiàn)：T1、T2、T3、T4四條曲線都在950nm波段處表現(xiàn)出光譜吸收，此現(xiàn)象可能是玉璧的獨(dú)有特征；T4曲線與T1、T2和T3曲線有明顯區(qū)別，T4曲線在近紅外波段區(qū)域反射值明顯高于其他三條曲線；T2曲線與T3曲線相近，但兩條曲線在600nm～750nm區(qū)間的局部極大值有少許差別，T1曲線的局部極大值在625nm～775nm區(qū)間，而且與T2和T3曲線的局部極大值差別明顯；因此通過(guò)特征光譜曲線的分析可以將整塊玉璧分為四種成分。

七、光譜角填圖

光譜角填圖是一種光譜自動(dòng)監(jiān)督分類的方法，它將像元的波譜響應(yīng)看作向量空間中的矢量，向量維度等于波段數(shù)，通過(guò)影像波譜同單一波譜進(jìn)行比較，計(jì)算兩個(gè)波譜之間的廣義夾角來(lái)確定兩者之間的匹配程度。光譜角填圖提供了一種物質(zhì)波譜填圖的捷徑和更多的分類細(xì)節(jié)，能夠更好地顯示不同成分的區(qū)域分布，極大地方便了文物研究和分析檢測(cè)。通過(guò)感興趣區(qū)輸出的四條特征光譜曲線對(duì)整件玉璧進(jìn)行光譜角填圖處理，所得的圖像（圖5）除采集高光譜數(shù)據(jù)時(shí)高亮的部分外，其余區(qū)域基本被填滿，四條特征光譜曲線所代表的物質(zhì)成分在整件玉璧的區(qū)域分布清晰、明確。在光譜角填圖的基礎(chǔ)上，使用微區(qū)檢測(cè)方法對(duì)玉璧進(jìn)行成分分析，檢測(cè)過(guò)程更具目的性，區(qū)域性更加準(zhǔn)確，結(jié)果更具代表性。

八、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)高光譜成像系統(tǒng)采集了紅山文化牛河梁遺址出土的一件玉璧的高光譜數(shù)據(jù)，為了分析整件玉璧的成分種類及成分的區(qū)域分布，筆者采用主成分分析法提取玉璧表面紋理特征，根據(jù)紋理特征選取感興趣區(qū)輸出特征光譜曲線，通過(guò)對(duì)特征光譜曲線比對(duì)分析，判斷玉璧主要有四種成分，最后利用特征光譜曲線進(jìn)行光譜角填圖，得到整件玉璧完整的成分分布圖。結(jié)果表明，以上處理可以清晰地顯示整塊玉璧的各成分分布區(qū)域，該方法可以為其他現(xiàn)代微區(qū)檢測(cè)方法提供明確的成分區(qū)域指引。本研究只采用了一件紅山文化玉璧進(jìn)行初步研究，雖然取得了比較理想的結(jié)果，但后續(xù)諸如如何獲取玉璧的純凈像元、段元光譜提取及輸出，確認(rèn)段元光譜的物質(zhì)成分等還需要進(jìn)一步的探索。

作者簡(jiǎn)介

栗榮賀，男，漢族，文博副研究館員，研究方向?yàn)榭梢苿?dòng)文物分析檢測(cè)及保護(hù)修復(fù)。

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