解密千年石窟的“光谱指纹”

科技日报记者 赵向南

“三维高光谱成像技术可透视物质成分。我们借此完整记录了云冈石窟第7、8窟的几何形态、物质成分与病害分布，解密出千年石窟独一无二的‘光谱指纹’。”山西云冈研究院数字化保护中心文博副研究馆员李丽红接受科技日报记者采访时说。

近日，《世界互联网大会文化遗产数字化案例集（2026）》发布，展示全球文化遗产数字化最新成果，13个国家和地区的45项优秀案例入围。云冈研究院申报的“解密千年石窟的‘指纹’——云冈石窟第7、8窟三维高光谱数据采集”项目成功入选。这是全球首次将高光谱技术系统性应用于大型立体石质文物数字化保护的典型案例。

自研装备破采集困局

云冈石窟现存主要洞窟45个，2001年被列入世界文化遗产名录。2003年，云冈石窟启动数字化保护工程，但当时工程主要聚焦于平面几何形态记录，大型立体石窟存在“看不清、测不准、留不全”等问题。

“数字化全息档案缺失、光谱采集技术瓶颈及多模态数据孤岛，是云冈石窟数字化保护面临的难题。”李丽红说，石窟保护需从“拍照片、凭经验”转向“做CT、靠数据”。这要求保护工作中，设备不仅要能看清几何图像，还要能看清雕刻起伏、裂隙走向与剥落边缘，并且有效识别岩体矿物成分、病害分布与颜料痕迹。

“高光谱成像技术兼具光谱分辨与图像分辨能力，可解析石窟内部成分及肉眼不可见的隐含信息。”李丽红介绍，这一技术虽已问世多年，但在大型立体石窟中尚无成功应用先例。

云冈石窟曲面结构复杂、空间体量巨大，若对其进行数字化保护，无现成可用设备与方案。为此，云冈研究院联合中山大学、广州光信科技有限公司组成项目团队，自主研发专用采集装备，构建涵盖数据采集、校正、融合与分析的全流程技术体系，形成以恒温宽光谱冷光源采集设备为核心的立体石窟全息数字化保护新模式，为全球石窟数字化保护探索出新路径。

其中，恒温宽光谱冷光源采集设备集成了高光谱相机与3D成像传感器，可消除环境温度与光源波动干扰，保障长周期、大面积文物表面数据获取的稳定性。“3D+高光谱”双传感器融合技术通过同步标定与三维空间配准，实现了几何、光谱、纹理的高精度跨模态融合。三维光谱校正技术将三维形貌与高光谱图像进行空间映射，实现了复杂非平面表面的真实、高保真光谱测量。全球首个3D高光谱融合数据分析与展示平台，实现了三维模型与高光谱数据的深度融合与一体化展示，以及颜料组成与病害分布的三维空间可视化。

留住文物“形”与“魂”

2025年，云冈研究院首次使用三维高光谱技术对云冈石窟第7、8窟进行采集。“从实验室到第7、8窟现场，设备与真实文物环境之间经历了一场艰苦磨合。”广州光信科技有限公司研发工程师郭宇晨坦言。

“云冈六美人”是云冈石窟第7窟的一组六尊供养天人造像，雕刻精美，但造像位置高、凹陷多、遮挡严重。“如果只用地面扫描，死角太多。为此，项目团队采用地面激光扫描大场景，手持扫描仪补全细节，再把两套数据进行后期融合，补齐扫描盲区。”云冈研究院数字化保护中心技术员王家鑫介绍，石刻表面风化后残留的彩绘不能用强光，需改用柔和的LED补光，再搭配色卡校准色彩。这样，既可以保护颜料，又能准确还原色彩。考虑到两套设备数据容易拼错，他们在现场进行实时检查、当场补采，避免二次进场。项目团队多次调整采集方案，最终完成高精度三维高光谱数据采集。

第7、8窟是云冈第一组双窟，融合了希腊式立柱、印度犍陀罗佛像与中原传统建筑元素，石窟内部空间复杂、温湿度和光照变化大，文物极为脆弱。采集过程中，项目团队优化光源方案，滤除易引发热损伤的热红外波段光线，并集成高精度温控系统，保障设备可在复杂环境下长期稳定运行。此外，他们反复优化三维坐标、高光谱与影像数据的标定与配准，确保每个光谱信息精准落到三维模型对应位置，并根据不同类型造像和空间位置进行参数调整，通过多视角数据补充遮挡区域。郭宇晨说，项目团队经过持续试验与参数优化，将实验室阶段的三维高光谱技术打磨形成具备工程落地能力的完整技术体系。

云冈研究院耗时5个月，秉持无接触、少打扰原则，完成了第7、8窟三维高光谱数据采集。采集面积约1465平方米，数据量29.2太字节。项目团队不仅留存下了石窟毫米级三维几何形态，而且精准捕捉到岩体物质成分的“光谱指纹”。

现场参观第7、8窟时，人们抬头仅能看清塑像大致轮廓，衣褶凹槽色泽暗沉，细微雕刻痕迹难以辨识。而依托三维数据模型，研究人员可开展旋转、剖切观测，对阴影区域进行提亮处理，令磨损淡化的线条重新显现，还能发掘肉眼无法察觉的隐藏信息。李丽红介绍，高光谱技术能够采集岩石表面数百个连续波段的光谱信息，精准识别矿物成分、盐分、水渍乃至早期病害，颜料遗存与修复痕迹均可依靠光谱“指纹”逐一识别。

目前，云冈研究院正利用这些数据建立洞窟光谱数据库、颜料色彩光谱库及病害数据库，还将开展色彩颜料智能分析、病害识别，并将其与三维激光点云数据融合，为石窟保护研究提供系统数据支撑。今年，云冈研究院启动了“第38至45窟及其附属洞窟数字化保护项目”，利用三维高光谱技术解密更多石窟“指纹”，为云冈石窟建立覆盖主要洞窟的“全息数字档案”，让这一人类瑰宝在数字世界中永续留存。