Hyperspektrální snímkování a jeho pozemní aplikace

Abstract

Cílem práce je porovnání a zhodnocení využití několika metod používaných pro určení složení historických materiálů, zejména těch využívajících odrazivostní spektrometrii a hyperspektrálním snímkování. Tyto metody jsou ve své podstatě neinvazivní, a proto velmi zajímavé pro dokumentaci historických památek. Složení materiálů, jejich analýza a rozpoznání bylo zaměřeno zejména na historické objekty – konkrétně malby, omítky a malty. Dále bylo zkoumáno i biologické znečištění kamenů. Bylo zjištěno, že pomocí výše zmíněných metod lze získat nové informace o zkoumaných objektech, které mohou být následně použity například pro restaurátorské práce. Základní informací je použitý rozsah vlnových délek – rozmezí mezi viditelným a blízkým infračerveným pásmem je vhodné zejména pro analýzu biologických pokryvů, zatímco střední infračervená pásma se hodí spíše pro určení složení materiálů. V této práci bylo použito hyperspektrální snímkování v rozsahu 400 – 1000nm a metoda odrazivostní spektrometrie v rozsahu 900 – 2500nm. V rozsahu 1000 – 2500nm byla v rámci práce vytvořena spektrální knihovna materiálů nazvaná “CTU material spectral library”, která je určena zejména pro určení složení historických malt a omítek. Knihovna byla vytvořena pro středoevropský region a následně využita pro analýzy jedenácti vzorků. Tyto výsledky byly pro kontrolu porovnány s výsledky z elektronového mikroskopu (Scanning Electron Microscope). Bylo zjištěno, že za pomoci vhodných analýz je možné určit složení neznámých vzorků, pokud je k dispozici vhodná spektrální knihovna. Vzhledem k vysoké míře podobnosti jednotlivých směsí malt a omítek je tento úkol velmi náročný, a proto byl pro tuto úlohu testován i přístup založený na tzv. rozhodovacím stromu.

The goal of this thesis is to compare and evaluate various exact methods of historical material determination, with special interest to methods based on reflectance spectroscopy and hyperspectral imaging. These methods are non-invasive and therefore very interesting for historic preservation. The material decomposition was oriented to several historical objects like paintings, plasters and mortars, but biological contamination of stone was also tested. It was found that these methods can provide new information about historic materials and therefore help with object identification and restoration works. The key issue is the used spectral range where the visible near infrared spectral region gives information mainly for biological purposes and the short-wave for material determination. In this work, hyperspectral imaging was used in the spectral range 400-1000nm and reflectance spectroscopy in 900-2500nm. In the 1000 – 2500nm region, the new material spectral library was created for the material decomposition of historical plasters and mortars. This library is produced with respect to the Central Europe region and then applied for eleven historical samples analysis using various algorithms. Final results were then compared to the Scanning electron microscope findings. It was ascertained that classification analysis can be used for material decomposition of samples when a convenient spectral library is available, although the similarity of plaster and mortar mixture makes the task very challenging. Due to this fact, a decision tree approach was successfully tested.