壁画高光谱数字化与虚拟修复
2025年4月15日，本课题组成功举办中国文化遗产保护与修复通识课讲座，本次讲座由北京建筑大学测绘学院教授，硕士生导师吕书强以“壁画高光谱数字化与虚拟修复”为题进行分享。讲座主持人为北京建筑大学侯妙乐教授、常新峰博士。
个人介绍
吕书强
北京建筑大学测绘学院教授，硕士生导师
1.高光谱遥感技术原理
吕书强教授长期致力于高光谱遥感与彩绘文物保护的交叉研究。讲座中，他深入浅出地介绍了什么是“高光谱成像”技术——其能够采集比人眼可见光更宽的电磁波范围，甚至可以“看见”肉眼难以分辨的材质和颜色信息。
“如果说三维激光扫描记录的是文物的空间形态，那么高光谱记录的就是它的色彩灵魂。”吕教授详细介绍了高光谱成像技术的原理与优势。他指出，传统相机只能采集红、绿、蓝三个波段，而高光谱相机则可以在350nm至2500nm的范围内将电磁波切分成上百甚至上千个连续波段，获得物体反射光谱的完整信息。高光谱图像不仅能够反映壁画表面的颜色信息，还可揭示肉眼不可见的材质特征与历史痕迹，实现无损、精准的信息提取，对文物颜料种类进行无损识别与分析，并借此反推出绘制年代与修复线索。他以山西关帝庙壁画、青海雀坛寺、延庆清代壁画等实际案例为例，展示了高光谱影像在壁画残损检测、颜料成分判断等方面的应用成果。这种技术已经广泛应用于矿物识别、农作物监测与环境遥感等领域。
二、壁画高光谱关键技术
吕教授介绍了其团队目前在壁画数字化保护中形成的四个主要方向：颜料分析、隐含信息提取、病害信息提取、虚拟修复。
在颜料分析方面，团队通过购买古代常用矿物颜料原材料，制成标准样本后进行高光谱扫描，建立起专属的颜料光谱标准库。实际应用中，通过对壁画高光谱数据与库中光谱进行比对，可以推测原始绘制所使用的具体颜料种类，例如朱砂、石青、雌黄等，从而辅助断代研究和修复材料的选取。吕教授特别指出，该技术在鉴别清代重绘与原作界线方面尤为有效，能够发现以往肉眼难以辨别的再绘痕迹。
图 1 大同华严寺合掌露齿菩萨颜料含量空间分布
在隐含信息提取方面，吕教授提出将图像处理技术与高光谱数据结合，采用主成分分析、光谱角匹配、混合像元分解等算法，从海量波段中提取关键病害特征，如壁画表面褪色、重绘、发霉区域的自动识别。这种方式相较人工勾描具有更高的客观性与效率。吕教授分享了学生在延庆后黑龙庙村清代壁画上的应用实例，借助红外波段与图像融合方法，成功识别出被随意涂改的现代痕迹，辅助后续修复决策。
图 2《瞿昙寺大黑天殿图》隐含信息提取
病害信息提取则着眼于壁画表面及基底层的物理劣化现象识别，包括盐渍迁移、潮湿发霉、颜料剥落、空鼓等。通过对高光谱图像进行统计分析与数学建模，团队开发了多种基于光谱差异的自动化病害检测方法，可用于绘制病害分布图，辅助保护单位制定局部修复与整体维护方案。吕教授指出，当前病害识别仍以人工经验为主，结合高光谱的自动化提取技术有望显著提升效率与科学性。
图 3 瞿昙寺壁画病害信息提取
关于虚拟修复，吕教授介绍了当前文物数字化修复的两个基本思路：一是基于科学依据的算法模拟修复，通过高精度扫描建模、图像补全等方式还原壁画缺损部分的形态与色彩；二是当缺失信息过多、算法难以复原时，结合文史资料与美术逻辑，由修复人员进行合理推演与视觉再创作。吕教授指出，目前其团队已完成多个文物三维重建与纹理复原项目，尝试建立多源数据融合修复流程，为数字化保存、展示和再利用提供可能。
图 4 故宫养心殿地毯彩色虚拟修复效果图
在系统介绍四个主要研究方向之后，吕书强教授还简要介绍了团队近年来在高光谱遥感文物应用中的若干新探索领域，这些方向包括盐分迁移检测、年代推演技术以及不规则表面的高光谱成像方法等。
其中，在盐分检测方面，吕教授指出，文物壁画由于长期处于湿度波动较大的环境中，容易发生盐分迁移与结晶，导致颜料层起鼓、剥落。团队尝试通过特定波段组合与光谱特征曲线，识别壁画表面与基底层中潜在的可溶性盐类，辅助判断病害发展趋势。在年代推演方面，吕教授介绍了一种结合高光谱数据与历史颜料演变资料的方法，利用不同时期常用颜料的反射光谱特征差异，对壁画不同绘制层次的先后顺序进行分析与重建，辅助推断壁画成型的时间框架及后期修补痕迹。吕教授还重点介绍了在不规则表面高光谱成像技术方面的最新进展。
三、具体案例
接下来吕书强教授重点介绍了其团队近年来承担的多个文物壁画数字化保护工作，覆盖区域广泛，内容类型丰富，体现了高光谱成像与数字技术在多种文物环境中的可行性与适应性。其中包括西藏拉萨大昭寺、北京延庆后黑龙庙村、青海大通瞿昙寺、山西大同关帝庙以及北京万寿寺等重要文化遗产地的壁画保护与修复项目。
在西藏拉萨大昭寺壁画保护项目中，吕书强教授团队利用高光谱成像技术，成功识别出曾使用“香蕉水”清洗处理过的壁画区域。
图 5 探测香蕉水清洗壁画的区域轮廓
在后黑龙庙村壁画保护项目中，吕书强教授团队聚焦于因烟熏导致的图像遮蔽问题，通过图像融合与特定波段组合分析，成功提取出被烟熏遮蔽的绘画内容。项目收集并产出多类壁画基础数据以及成果，包括正射影像图、高光谱信息增强图等。
图 6 壁画烟熏病害修复前后视觉对比
在北京万寿寺项目中，吕书强教授团队主要围绕山门券顶区域的曲面壁画及彩塑开展工作。由于该区域属于非规则曲面，团队提出了针对性的高光谱成像技术方案，以应对复杂表面的图像获取与分析难题。项目团队克服冬季户外作业的不利条件，完成了该区域的正射影像获取、颜料识别与静态虚拟修复工作。通过光谱匹配方法识别出壁画与彩塑上的主要颜料类型，并对大殿内彩塑表面的矿物成分进行了点状光谱采样分析。
讲座最后，吕教授分享了他带领学生连续多年参与“挑战杯”竞赛的经历——用科研作品讲好文化遗产的现代故事。他鼓励同学们将技术专长与文化热情相结合，参与到“让文物活起来”的创新实践中来，鼓励大家积极探索数字图像处理、人工智能与文化遗产保护的融合路径。
个人简介
吕书强，博士，北京建筑大学测绘学院教授，硕士生导师。2013年入选北京市青年拔尖人才培育计划。兼任中国测绘学会文化遗产保护专业委员会委员，《工程勘察》编委。主要从事摄影测量与遥感领域研究，研究方向为高光谱遥感、彩绘文物高光谱数字化保护。主持科研项目16项，其中主持国家自然科学基金面上项目1项，国际合作项目1项，省部级项目3项。参与国家级、省部级项目多项。发表论文近50余篇，其中SCI/EI检索论文30余篇，获授权发明专利4项，出版专著3部，获省部级科研奖励3项，北京市教学成果奖1项。获校级“十三五”期间学科建设与研究生培养先进个人荣誉称号。多次指导学生参与国家级省部级专业竞赛，2019年、2023年“挑战杯” 全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖、三等奖，2025年入围首都挑战杯竞赛。
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供稿：魏圣男
排版：闫俊琳
审核 ：潘玥含、邓艳萍、马 顺