文物承载灿烂文明，传承历史文化，维系民族精神，是老祖宗留给我们的宝贵财富。云冈石窟代表着公元5世纪至6世纪中国杰出的佛教石窟艺术，展现了中华民族的文化胸怀和杰出创造，其作为我国最大的古代石窟群之一，也是研究中国社会史、佛教史、艺术史的珍贵实物。

数据支撑

数字化技术作为新时代文物保护利用的重要技术手段，在实体文物保护和文化传播方面发挥着不可或缺的作用。云冈研究院历来重视文物数字化技术发展，通过十几年的研究与探索取得了历史性进步和全方位跃升，推动中华优秀传统文化与现代科技的融合发展。利用数字化技术定量测定砂岩质文物的风化速度，为文物实体保护提供了精准的数据支撑。

目前云冈研究院利用三维激光扫描、近景摄影测量等数字化技术实现了石窟由物质形态向数字形态的转变，建立了洞窟高精度数字档案，为石窟保护、修复、考古、展览、教育提供了宝贵的数字资源。但这些手段目前仅能实现对石窟形态及表面信息的提取与解读，如何能实现石窟内部、色彩、材质等信息的记录与研究，并将这些信息形成可以跨模态间的关联，一直是科研人员攻关的难题。

高光谱技术具有“图谱合一”的优势，能够快速无损地获取文物材质、颜料和加工痕迹等信息，为文物资源数字化提供相应支持，已成为传统文物数字化手段的重要补充。2025年，在国家文物局、山西省文物局的支持下，云冈研究院通过国家文物保护专项“云冈石窟第7、8窟数字化保护项目”，完成了云冈石窟第7、8窟的三维高光谱数据采集，实现了对大型不可移动立体文物的高光谱数据的采集、处理与分析，并尝试将三维激光点云数据与三维高光谱数据进行多模态数据的融合，打通了数据间的“技术壁垒”。

技术框架

目前技术应用还存在难点。一是目前市场投入使用的高光谱设备均以二维高光谱影像为成像结果，对于文物类型也多以古书画、字画、壁画、印章、唐卡等平面文物为主，即使一些研究团队完成的立体文物高光谱采集，也仅针对小型可移动文物。因此，受到当前设备和技术的限制，尚不能完成如云冈石窟这类大型不可移动立体文物的高光谱数据采集与分析。二是采集完成的三维点云数据与光谱信息，形成了海量的文物数字资源，但是数据间尚未建立联系，造成了数据“孤岛”的局面，无法形成数据间的联动与分析。

基于以上难点与文保单位的需求，项目团队通过设备研发、技术创新，并以云冈石窟第7、8窟为研究对象，对研发的设备及技术进行应用验证，研究成果有力地推动了三维高光谱技术在大型立体文物数据采集与分析中的发展，为文化遗产的数字化保护提供有力的技术支持。

创新实践

设备研发与数据采集。针对大型不可移动立体文物的高光谱数据采集，团队自主研发了3D高光谱多模态数字化采集设备，设备搭载了3D传感器与高光谱相机，在实现采集石窟高光谱数据的同时，采集洞窟的三维点云数据。数据采集过程中，数据质量很大程度受到光源的影响，由于卤素灯在400纳米至1000纳米范围内有完整的覆盖率和较强的辐射强度，是高光谱数据采集中常用光源。然而，卤素灯包含有对文物有害的紫外光和红外热辐射光。其中，紫外光有可能会加速石窟颜料的老化，红外热辐射光可能使被照物表面及内部温度急剧上升，由此产生内应力，出现翘曲、龟裂现象。除此之外，卤素灯由于能量转换效率低，工作过程中会产生较大的热量，温度变化导致其照明的稳定性较差，并且每间隔一段时间需要关机冷却，严重影响数据采集的效率。

本案例创新之处在于设备搭载了自主研发的恒温宽光谱冷光源，光源由多种不同波长的LED发光芯片组成，从设计上大大地减少了对文物有害的紫外光和热红外光，利用恒温控制的宽光谱LED冷光源实现稳定照明，有效消除环境温度与光源波动对光谱测量的影响，保障了长周期、大面积文物表面的高稳定性数据获取。相较于卤素灯光源，宽光谱LED冷光源能够在覆盖工作波长范围的同时，从设计上减少紫外线与红外线产生，大大降低其对文物的紫外老化与红外热辐射损害。光源内置半导体制冷器调控温度，维持恒定工作温度。开机即稳，无需预热；可持续运行，无需中途关机冷却。该光源自开机后连续工作8小时，其辐照度相对于初始状态的波动范围始终小于2.5%。光源前设匀光透镜，可有效提升光源照明均匀度。有效照明范围内，光照空间均匀性超过95%。照明光源以12颗至16颗光源构成环形照明系统，进一步提升照射强度、面积与均匀性，大幅提高数据采集效率。

技术创新与数据处理。针对采集的三维高光谱数据，后期数据处理同等重要。目前所有的数据处理手段仅能满足平面的高光谱数据处理，因此对三维高光谱数据处理具有很大的挑战，主要体现在三维跨模态数据融合、数据配准与光谱反射率校正三个方面。第一，跨模态数据融合是将同步采集到的高光谱图像和3D点云（深度图像）数据进行配准与融合，形成同时包含有空间结构、图像纹理和光谱指纹特征的全新数据形式。跨模态数据融合是后续数据处理的重要基础，其主要目的是形成模态上高度统一的数据形式，为后续三维数据拼接和光谱校正提供额外的空间结构信息，从而建立更高精度和易于展示的全新高光谱数据成果。第二，数据配准。由于单次拍摄的高光谱数据视野范围有限，为了获取大范围的高光谱影像，需要对若干不同点位和视角下拍摄的局部高光谱影像进行拼接。传统的高光谱数据拼接方法是基于2D正射模板影像进行镶嵌，形成大面幅高光谱图像。这种拼接方法存在很大的局限性：在进行立体文物的高光谱影像拼接时，相邻高光谱影像之间、高光谱影像和正射模板影像之间由于“视差”原因，导致显著的空间特征差异，配准时出现严重的错位和拉伸问题。本案例创新采用基于3D模板点云的拼接方式，将三维高光谱数据配准到同一模板点云上，实现三维高光谱数据的拼接，从而解决配准时出现严重的错位和拉伸问题。第三，光谱反射率校正。高光谱相机采集到的原始高光谱数据除了包含物体反射率信息外，还受多种复杂因素的影响，包括光源强度及光谱分布、被测物体表面的几何角度、传感器响应等。光谱反射率校正的目标是：将相机采集到的辐射亮度值转换为与外界照明条件、成像系统无关的物体表面反射率，使光谱曲线具有可比性，可用于后续的分析（如成分识别、光谱匹配和分类等）。传统的光谱反射率校正方法是“黑—白参考校正法”。当被摄物体表面并非平整（平面），而存在较大的景深时，传统的白板校正方法无法有效校正物体表面光谱信息。

本案例创新采用三维光谱校正技术，通过将三维形貌数据与高光谱图像进行空间映射，校正由于曲面结构、入射角变化及光照不均导致的光谱偏移与失真，实现了对复杂非平面表面的真实、稳定、高保真光谱测量。该技术显著提升了立体文物高光谱图像采集的准确性与可比性。在此基础上，团队利用先验知识，对洞窟的颜料成分与空间分布，裂隙、褪色、起翘等病害进行了智能算法的识别与分析；模拟了不同色温下的石窟色彩，进行了洞窟的虚拟修复，为后续石窟的保护与研究提供了数据支持。

系统开发与数据展示。针对3D高光谱这一全新数据形态，项目团队开发了首款用于3D高光谱融合数据分析与展示的软件平台。该软件支持3D高光谱数据查看、光谱曲线显示、单波段显示、真彩色合成显示、任意三波段合成显示、颜料分布显示、病害分布显示和虚拟修复等功能。

未来展望

三维高光谱技术应用于云冈石窟第7、8窟，实现了从几何形态到物质成分的全维度数字化记录，标志着石窟寺保护迈入“光谱时代”。本案例研发的三维高光谱设备和技术解决了“大型立体文物难以进行光谱分析与展示”的难题，构建了从采集、标定、校正、融合、可视化分析到数据存档的完整标准化流程，形成了可推广的三维高光谱数字化技术体系，形成的三维高光谱数据库、真彩色影像库、光谱颜料数据库、病害数据库等全方位数据资料库，支持后续科学研究、文物修复、展示教育等多场景应用，实现了文物数字资产的长期保存与价值延伸，为后续石窟寺、彩塑文物、古建筑等立体文物的高光谱数字化应用提供了可复制范式。

（供稿：云冈研究院）