基于高光谱的模拟壁画盐含量反演

壁画蕴含政治、经济、文化、科学技术及生产工艺等历史信息，具有重要的研究价值。但由于壁画生存环境的温度与湿度的剧烈变化，导致壁画支撑体与地仗层中的水盐不断运移，处于结晶与游离态的硫酸钠体积相变，反复膨胀松弛，使得颜料表层出现酥碱、盐霜，甚至发展为起甲、 脱落病害，造成壁画的永久损伤。因此利用非接触式的高光谱技术对壁画所含可溶性盐进行定量反演具有重要意义。高光谱遥感凭借光谱分辨率高､光谱连续的优势，可以定量反演研究对象中的盐含量，目前大多聚焦于土壤与植被中盐分的定量反演。

1、数据采集

参照壁画制作工艺配制不同含盐量的模拟壁画地仗样本。我国原址保存壁画大多为干壁画，即文字图案绘制在干燥的地仗表层。地仗层下粘支撑体，上接颜料层，是盐分变化的主要位置，其性质的优劣直接影响壁画能否长期保存。本实验以寺观壁画为原型，壁画地仗层为研究对象。细泥层与粗泥层通过混合细黄土､麦草秸秆､粗粒土､细麻纤维､敦煌沙等制作。将样本下垫硫酸纸，放置于直径9cm，高1.8cm的铁圈模具。根据盐分含量同壁画酥碱病害发展速率关系，配置含盐率为0~1%的模拟壁画地仗样本，设置级差为0.05%。

选用地物波谱仪测定样本表面光谱反射率。波长范围为350~2500nm，采样间隔为1.4nm(350~1000nm)与2nm(1001~2500nm)。为避免其他光线影响，选择在夜晚无其他光源的室内封闭条件下进行测量。

2、含盐壁画样本反射率光谱特征

含盐壁画样本反射光谱特征主要由有机物含量､沙土比､盐分占比等因素共同决定。其特征波段的提取为盐分含量反演提供支持。样本光谱反射曲线如图3所示，不同盐分壁画样本的反射率曲线相对平行，曲线形态和变化趋势基本一致，而其反射率值整体有明显差异。

含盐壁画样本反射率在不同波段具有明显特征，在可见光波段内反射率随波长迅速提高，自800nm后上升趋势开始平缓。在1400~2500nm近红外范围内波动性强，整体呈下降趋势。在1410和1940nm左右处出现不对称吸收谷，后者的宽度深度更明显，未发现明显峰谷偏移。随着盐浓度增加，反射率先降低后大幅上升。其原因可能是在低浓度的水盐运移中，钠离子由于半径较大对水分子吸附能力强，形成稳定的含水化合物，加强对电磁波吸收。随着浓度增大，盐分趋于饱和析出，亮度指数占据主导，导致反射率增高。

结论

为了高效无损反演壁画中盐分含量，揭示反射光谱与盐分浓度变化的相关性，在实验室制得不同盐浓度模拟壁画样本，利用地物波谱仪测定350~2500nm样本反射率，分析了盐浓度与反射光谱的相关性，通过对光谱特征提取､波段组合运算，应用多种回归分析，构建了单波段线性回归模型､抛物线回归模型与高光谱壁画盐分指数模型，分别对壁画中Na2SO4浓度进行反演预测并得出以下结论:

（１）分析光谱反射特性发现，随着壁画样本盐浓度增加，反射光谱整体先降后升，在0.3%~0.6%浓度盐分内反射率降低，在0.7%~1%浓度范围中反射率急剧上升。

（２）分析反射光谱与盐分浓度相关性发现，Na2SO4含量变化敏感波段存在于415､1420､1940与2210nm处。

实验中影响反演精度的主要因素是盐分含量变化特征波段受水分因素影响大，盐分浓度单因子物理响应难以保证，此外现场图谱采集条件､传感器波段对盐分浓度变化敏感程度与特征波段提取方式也会间接影响其精度。壁画中盐分光谱的特征发掘与定量反演有重要意义，可为壁画的保护与修复提供决策支撑。同时，围绕壁画光谱增强､盐分变化特征信息智能提取的深入探索十分必要。

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审核编辑 黄宇