2021年初,重启后的三星堆考古工作再次引起世界瞩目。与以往相比,这次考古工作不仅发掘有大量的精美器物,现代科学技术在考古工作中的运用也是此次发掘工作的亮点之一,比如高光谱成像系统。人眼之所以能够看到各种各样的颜色,是由于视网膜上有三种具有不同光谱响应曲线的视锥细胞,能够在大脑中产生红绿蓝(RGB)三种不同色彩的视觉信号,我们看到的颜色就是通过这三组颜色按不同比例混合产生的。
这个过程中复杂光谱会被简并为三个通道的不同权重,因此会缺损大量的信息。日常使用的彩色照相机为了模拟人眼对色彩的感知,会在感光元件表面覆盖红绿蓝三种滤光片。具有三个色彩通道的相机可满足人们的日常需求,但在科研过程中,仅有三个色彩通道远远不够,还需要多光谱乃至高光谱成像系统(高光谱成像系统的通道数目远多于多光谱成像系统)。
无论是高光谱还是多光谱成像,其本质是将不同光谱通道的像在空间或时间上分离,再通过计算机汇总成“数据立方”进行分析,从而获得远超普通彩色照片的信息。高光谱成像近年来被广泛应用于遥感、医疗、矿物探测、农业环保等领域。例如,将紫外/红外光谱分为成百上千个通道,每个通道都拍摄一张照片。如此一来,所获得的照片就不再是一张平面照片,而是一个“数据立方”。
对这个“数据立方”可以进行多个维度的对比分析,从而获得常规照片难以表现出来的丰富信息。某个通道或多个通道的组合可以形成“指纹特征”,用来表征特定的物质组分、密度或应力分布等。需要强调的一点是,高光谱成像技术首先是一种成像技术,在实现成像功能的前提下引入高光谱信息,增加了信息分析的维度,对物质组分等提供了定性或半定量分析手段,更关注特定类型物质的分布。
常见用于光谱分析的有紫外/红外吸收谱、反射谱、激光诱导等离子体光谱以及拉曼光谱等。光谱分析技术可以对物质进行较为精确的定量分析,尤其是对物质成分和含量的分析精度往往优于高光谱成像技术。但大多数光谱分析技术不具备成像功能,或依赖其他技术(如扫描成像等)才能够实现成像功能。
在实际科研过程中,这两类技术也是相辅相成、互相补充的,例如可以通过高光谱成像技术确定物质分布,再通过更精确的光谱分析手段对特定目标位置进行定量分析,确定物质成分和含量。另外,要注意的是,由于高光谱或多光谱成像系统的通道数目远多于人眼的三通道,因此高光谱或多光谱图像已经无法用正常的色彩来表示,而是会将识别出的不同物质成分、密度、应力等物化参数人工添加“伪彩色”,以区分不同目标的分布,如上图所示。
高光谱成像技术在此次三星堆考古发掘中发挥着重要作用。例如,考古人员通过对灰烬层样品的高光谱数据进行分析,发现特定灰烬物质在样品中的分散并不均匀,从而初步推断古人的一些祭祀活动流程。这些信息通过一般的光学照片是难以获得的。