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中科院研發(fā)高光譜掃描儀提高光譜儀器制造能力
[2017/2/14]
人們日常生活中所見(jiàn)的光，是由多種顏色構成的復色光，通過(guò)棱鏡等分光后顯現的是單色光。這些單色光按不同波長(cháng)(或頻率)大小依次排列形成的圖案，就是光譜。
中科院研發(fā)高光譜掃描儀提高光譜儀器制造能力
光譜分析是人類(lèi)借助光認知世界的重要方式，地球上不同的元素及其化合物都有自己獨特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”。如果說(shuō)肉眼光學(xué)成像能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，光譜分析則能獲取物質(zhì)的成分信息。
不同物質(zhì)有它獨屬的“指紋光譜”，高光譜遙感技術(shù)可準確捕獲這一重要信息，提高人眼及遙感觀(guān)測能力。
看過(guò)紀錄片《我在故宮修文物》的觀(guān)眾或許會(huì )對如下場(chǎng)景有印象：技術(shù)人員用一臺儀器掃描古字畫(huà)，掃描信息經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)處理后，文物修復專(zhuān)家就能發(fā)現字畫(huà)上肉眼看不見(jiàn)的信息，甚至還能分析出繪畫(huà)技法和當時(shí)用的顏料。
這臺神奇的儀器就是中科院遙感與數字地球研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科院遙感地球所)研發(fā)的高光譜掃描儀。高光譜遙感為何有如此的超能力？除文物檢測修復外還有哪些應用？我國在高光譜遙感領(lǐng)域的研發(fā)水平又如何？
利用高光譜技術(shù)能提取古畫(huà)的顏料信息，推算顏料產(chǎn)地，從而能在修復時(shí)精準選用顏料
要獲取更豐富、精細的物質(zhì)成分信息，除了提升分光系統性能外，還可以改進(jìn)分光方法、呈現方式等——高光譜遙感就是這樣一種思路。中科院遙感地球所高光譜遙感研究室主任張立福介紹說(shuō)，高光譜遙感的特點(diǎn)是能在可見(jiàn)光到短波紅外的光譜區間連續成像，傳統的彩色相機只能記錄紅綠藍三個(gè)通道的影像，且每個(gè)通道的帶寬很寬，而高光譜成像所記錄的通道數量可以達到數百個(gè)，且光譜通道很窄，分辨率很高，其光譜探測范圍遠遠超過(guò)了人類(lèi)肉眼的感知范圍，能夠探測人眼無(wú)法看到的大量信息，提高人們對自然和物質(zhì)的認識。
因為能在非常窄的光譜波段內獲取豐富的信息，利用高光譜技術(shù)獲取的信息分辨率很高，甚至能分辨出觀(guān)測物質(zhì)的分子和原子結構，這是普通的光學(xué)遙感所達不到的。
如何運用高光譜技術(shù)鑒定、修復古字畫(huà)？在中科院遙感地球所高光譜研究室實(shí)驗室，張立福畫(huà)了一張圖，并為記者解釋高光譜遙感成像的原理：高光譜儀器掃描字畫(huà)表面，獲取圖像上每個(gè)點(diǎn)的光譜數據；因為高光譜連續成像的特征，能夠獲得目標數百張不同波長(cháng)的圖像，這些圖像疊加起來(lái)，在三維空間上就能形成一個(gè)圖像立方體，將每個(gè)像素對應的數百張數字圖像的數值連接起來(lái)，就成為一條光譜曲線(xiàn)。
“不同物質(zhì)甚至不同年代的物質(zhì)反映出的光譜信息也有差異，也就是有一條獨屬于它的‘指紋’光譜。如果兩個(gè)物體的成分信息一致，得出來(lái)的曲線(xiàn)應該基本吻合；如果某一條曲線(xiàn)的局部有較大波動(dòng)，就能推算出其中有異常�！睆埩⒏Ｕf(shuō)。
以故宮藏品《崇慶皇太后八旬萬(wàn)壽圖》為例，該畫(huà)描繪的是乾隆皇帝的母親崇慶皇太后八十大壽時(shí)現場(chǎng)祝壽的實(shí)景，歷經(jīng)250多年之后非常殘破，絹面有缺損斷裂，甚至還有霉跡。要想恢復原作風(fēng)貌，修復該畫(huà)時(shí)就要了解當時(shí)所用的顏料。中科院遙感地球所高光譜研究團隊利用高光譜掃描儀對古畫(huà)顏料進(jìn)行了掃描，提取了古畫(huà)顏料信息，由此推算出當初繪畫(huà)所用礦物原料的種類(lèi)。根據不同顏料產(chǎn)地光譜曲線(xiàn)的差異，科技人員甚至還能反推出顏料的產(chǎn)地——這就為修復選用精準顏料提供了依據。
張立福說(shuō)，中國古書(shū)畫(huà)所用材料，大多為絹和紙，質(zhì)地纖薄，年代久遠容易破損、掉色。高光譜分析技術(shù)不損害文物本體，能幫助修復專(zhuān)家了解古書(shū)畫(huà)的顏料組成、繪畫(huà)技法，甚至能及早發(fā)現書(shū)畫(huà)潛在的病害信息。
借助高光譜技術(shù)可檢測果蔬農藥殘留，未來(lái)還可能隨時(shí)檢測霧霾
高光譜這雙“火眼金睛”的本領(lǐng)可不僅僅是幫助鑒定、修復文物。因其能呈現人眼看不到的細節、辨別不同成分的物質(zhì)，因此該技術(shù)在國防軍事、精準農業(yè)、水環(huán)境監測、地礦勘察等領(lǐng)域都有廣闊應用價(jià)值。
在中科院遙感地球所高光譜研究室實(shí)驗室，張立福向記者展示了一盆綠蘿。從表面看，這盆綠蘿的葉子沒(méi)有什么特別之處，但經(jīng)過(guò)高光譜儀的“眼睛”觀(guān)察，一塊白色區域就在電子屏上顯示出來(lái)�！熬G蘿中有幾片塑料做的葉子，肉眼幾乎難以發(fā)現，但由于它和正常葉子的光譜信息有很大差別，就躲不過(guò)高光譜的‘眼睛’�！睆埩⒏Ｕf(shuō)。
利用該原理，高光譜還能用在果蔬農藥殘留的檢測上。有沒(méi)有殘留農藥、殘留多少農藥，呈現的光譜特征會(huì )有細微的差別，通過(guò)分析這些差別，專(zhuān)業(yè)人員就能做出科學(xué)的判斷。
張立福說(shuō)，相較于傳統食品安全取樣化驗等檢測方式，高光譜技術(shù)檢測具有無(wú)接觸、無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升檢測效率。此外，根據不同生長(cháng)日期或產(chǎn)地的果蔬光譜特征也不同的原理，高光譜技術(shù)還能用于檢測果蔬新鮮度、進(jìn)行產(chǎn)地溯源等。
張立福介紹，基于高光譜原理，科研人員目前正在研發(fā)可供智能手機使用的高光譜檢測應用系統。他希望未來(lái)手機有高光譜檢測功能，結合云計算、大數據，人們能夠隨時(shí)隨地用手機快速檢測食品安全問(wèn)題。這樣，農民拿手機就能檢測果蔬病蟲(chóng)害信息，并把這些數據發(fā)送到云端，后方科研人員可以根據這些信息預知哪里可能爆發(fā)病蟲(chóng)害。
“從果蔬農藥殘留檢測到化妝品重金屬檢測，水體、土壤等環(huán)境污染監測，再到牙齒、皮膚等醫學(xué)檢測，高光譜技術(shù)應用有很大的想象空間�！睆埩⒏Ｕf(shuō)，不同空氣顆粒反射的光譜不同，未來(lái)人們甚至都能通過(guò)手機及時(shí)、準確地監測霧霾。
高光譜技術(shù)屬于遙感技術(shù)范疇。通常人們提到遙感，就往往聯(lián)想到衛星遙感、航空遙感等，認為遙感和老百姓的日常生活沒(méi)有直接關(guān)系，其實(shí)不然。3S技術(shù)(地理信息系統、全球定位系統、遙感)中，前兩個(gè)“S”已經(jīng)與人們的生活息息相關(guān)，人們已在手機中普遍應用，現在缺少的是第三個(gè)“S”與老百姓的生活關(guān)聯(lián)起來(lái)。高光譜遙感技術(shù)的應用，表明遙感技術(shù)正在走進(jìn)人們的生活�！拔覀兯龅�，就是要使高光譜遙感技術(shù)飛入尋常百姓家。遙感與智能手機的結合，將使‘遙感’無(wú)處不在�！睆埩⒏Ｕf(shuō)。
我國在高光譜遙感研究上處于國際領(lǐng)先地位
巨大的應用前景，使高光譜遙感技術(shù)成為當前國際上遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域。
據專(zhuān)家介紹，我國在高光譜遙感研究上，處于國際領(lǐng)先地位。
上世紀90年代，中國科學(xué)院遙感應用研究所與上海技術(shù)物理研究所合作，研制了系列航空高光譜傳感器，并前往日本、澳大利亞、馬來(lái)西亞等國進(jìn)行國際合作，為當地環(huán)境、農業(yè)、海洋、地質(zhì)等領(lǐng)域的研究提供了重要數據，受到高度評價(jià)。
張立福說(shuō)，受制于科研經(jīng)費支持等原因，本世紀初我國高光譜研究一度發(fā)展緩慢。近年來(lái)我國加大了對高光譜的支持力度，科研人員也取得了一系列成果。他介紹，我國在高光譜基礎研究及信息數據積累等方面走在國際前列；同時(shí)，科研人員不斷擴大高光譜的應用領(lǐng)域，在成像光譜地面測量與光譜圖像模擬、高光譜圖像智能處理與信息提取、新的應用領(lǐng)域拓展等多方面取得了系列國際領(lǐng)先的研究。
“我國在高光譜技術(shù)方面有較強的積累，但光譜儀器的一些關(guān)鍵器件還需要進(jìn)口，一定程度上影響了我國高光譜技術(shù)應用的自主性�！睆埩⒏Ｕf(shuō)，高端科學(xué)儀器設備制造方面的不足與我國在材料學(xué)、制造工藝等方面整體水平不高有關(guān)，他呼吁我國有更多的、不同領(lǐng)域的科研人員參與到高光譜的研發(fā)中，提高光譜儀器制造能力，使我國成為高光譜研究強國。
中科院研發(fā)高光譜掃描儀提高光譜儀器制造能力
光譜分析是人類(lèi)借助光認知世界的重要方式，地球上不同的元素及其化合物都有自己獨特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”。如果說(shuō)肉眼光學(xué)成像能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，光譜分析則能獲取物質(zhì)的成分信息。
不同物質(zhì)有它獨屬的“指紋光譜”，高光譜遙感技術(shù)可準確捕獲這一重要信息，提高人眼及遙感觀(guān)測能力。
看過(guò)紀錄片《我在故宮修文物》的觀(guān)眾或許會(huì )對如下場(chǎng)景有印象：技術(shù)人員用一臺儀器掃描古字畫(huà)，掃描信息經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)處理后，文物修復專(zhuān)家就能發(fā)現字畫(huà)上肉眼看不見(jiàn)的信息，甚至還能分析出繪畫(huà)技法和當時(shí)用的顏料。
這臺神奇的儀器就是中科院遙感與數字地球研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科院遙感地球所)研發(fā)的高光譜掃描儀。高光譜遙感為何有如此的超能力？除文物檢測修復外還有哪些應用？我國在高光譜遙感領(lǐng)域的研發(fā)水平又如何？
利用高光譜技術(shù)能提取古畫(huà)的顏料信息，推算顏料產(chǎn)地，從而能在修復時(shí)精準選用顏料
要獲取更豐富、精細的物質(zhì)成分信息，除了提升分光系統性能外，還可以改進(jìn)分光方法、呈現方式等——高光譜遙感就是這樣一種思路。中科院遙感地球所高光譜遙感研究室主任張立福介紹說(shuō)，高光譜遙感的特點(diǎn)是能在可見(jiàn)光到短波紅外的光譜區間連續成像，傳統的彩色相機只能記錄紅綠藍三個(gè)通道的影像，且每個(gè)通道的帶寬很寬，而高光譜成像所記錄的通道數量可以達到數百個(gè)，且光譜通道很窄，分辨率很高，其光譜探測范圍遠遠超過(guò)了人類(lèi)肉眼的感知范圍，能夠探測人眼無(wú)法看到的大量信息，提高人們對自然和物質(zhì)的認識。
因為能在非常窄的光譜波段內獲取豐富的信息，利用高光譜技術(shù)獲取的信息分辨率很高，甚至能分辨出觀(guān)測物質(zhì)的分子和原子結構，這是普通的光學(xué)遙感所達不到的。
如何運用高光譜技術(shù)鑒定、修復古字畫(huà)？在中科院遙感地球所高光譜研究室實(shí)驗室，張立福畫(huà)了一張圖，并為記者解釋高光譜遙感成像的原理：高光譜儀器掃描字畫(huà)表面，獲取圖像上每個(gè)點(diǎn)的光譜數據；因為高光譜連續成像的特征，能夠獲得目標數百張不同波長(cháng)的圖像，這些圖像疊加起來(lái)，在三維空間上就能形成一個(gè)圖像立方體，將每個(gè)像素對應的數百張數字圖像的數值連接起來(lái)，就成為一條光譜曲線(xiàn)。
“不同物質(zhì)甚至不同年代的物質(zhì)反映出的光譜信息也有差異，也就是有一條獨屬于它的‘指紋’光譜。如果兩個(gè)物體的成分信息一致，得出來(lái)的曲線(xiàn)應該基本吻合；如果某一條曲線(xiàn)的局部有較大波動(dòng)，就能推算出其中有異常�！睆埩⒏Ｕf(shuō)。
以故宮藏品《崇慶皇太后八旬萬(wàn)壽圖》為例，該畫(huà)描繪的是乾隆皇帝的母親崇慶皇太后八十大壽時(shí)現場(chǎng)祝壽的實(shí)景，歷經(jīng)250多年之后非常殘破，絹面有缺損斷裂，甚至還有霉跡。要想恢復原作風(fēng)貌，修復該畫(huà)時(shí)就要了解當時(shí)所用的顏料。中科院遙感地球所高光譜研究團隊利用高光譜掃描儀對古畫(huà)顏料進(jìn)行了掃描，提取了古畫(huà)顏料信息，由此推算出當初繪畫(huà)所用礦物原料的種類(lèi)。根據不同顏料產(chǎn)地光譜曲線(xiàn)的差異，科技人員甚至還能反推出顏料的產(chǎn)地——這就為修復選用精準顏料提供了依據。
張立福說(shuō)，中國古書(shū)畫(huà)所用材料，大多為絹和紙，質(zhì)地纖薄，年代久遠容易破損、掉色。高光譜分析技術(shù)不損害文物本體，能幫助修復專(zhuān)家了解古書(shū)畫(huà)的顏料組成、繪畫(huà)技法，甚至能及早發(fā)現書(shū)畫(huà)潛在的病害信息。
借助高光譜技術(shù)可檢測果蔬農藥殘留，未來(lái)還可能隨時(shí)檢測霧霾
高光譜這雙“火眼金睛”的本領(lǐng)可不僅僅是幫助鑒定、修復文物。因其能呈現人眼看不到的細節、辨別不同成分的物質(zhì)，因此該技術(shù)在國防軍事、精準農業(yè)、水環(huán)境監測、地礦勘察等領(lǐng)域都有廣闊應用價(jià)值。
在中科院遙感地球所高光譜研究室實(shí)驗室，張立福向記者展示了一盆綠蘿。從表面看，這盆綠蘿的葉子沒(méi)有什么特別之處，但經(jīng)過(guò)高光譜儀的“眼睛”觀(guān)察，一塊白色區域就在電子屏上顯示出來(lái)�！熬G蘿中有幾片塑料做的葉子，肉眼幾乎難以發(fā)現，但由于它和正常葉子的光譜信息有很大差別，就躲不過(guò)高光譜的‘眼睛’�！睆埩⒏Ｕf(shuō)。
利用該原理，高光譜還能用在果蔬農藥殘留的檢測上。有沒(méi)有殘留農藥、殘留多少農藥，呈現的光譜特征會(huì )有細微的差別，通過(guò)分析這些差別，專(zhuān)業(yè)人員就能做出科學(xué)的判斷。
張立福說(shuō)，相較于傳統食品安全取樣化驗等檢測方式，高光譜技術(shù)檢測具有無(wú)接觸、無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升檢測效率。此外，根據不同生長(cháng)日期或產(chǎn)地的果蔬光譜特征也不同的原理，高光譜技術(shù)還能用于檢測果蔬新鮮度、進(jìn)行產(chǎn)地溯源等。
張立福介紹，基于高光譜原理，科研人員目前正在研發(fā)可供智能手機使用的高光譜檢測應用系統。他希望未來(lái)手機有高光譜檢測功能，結合云計算、大數據，人們能夠隨時(shí)隨地用手機快速檢測食品安全問(wèn)題。這樣，農民拿手機就能檢測果蔬病蟲(chóng)害信息，并把這些數據發(fā)送到云端，后方科研人員可以根據這些信息預知哪里可能爆發(fā)病蟲(chóng)害。
“從果蔬農藥殘留檢測到化妝品重金屬檢測，水體、土壤等環(huán)境污染監測，再到牙齒、皮膚等醫學(xué)檢測，高光譜技術(shù)應用有很大的想象空間�！睆埩⒏Ｕf(shuō)，不同空氣顆粒反射的光譜不同，未來(lái)人們甚至都能通過(guò)手機及時(shí)、準確地監測霧霾。
高光譜技術(shù)屬于遙感技術(shù)范疇。通常人們提到遙感，就往往聯(lián)想到衛星遙感、航空遙感等，認為遙感和老百姓的日常生活沒(méi)有直接關(guān)系，其實(shí)不然。3S技術(shù)(地理信息系統、全球定位系統、遙感)中，前兩個(gè)“S”已經(jīng)與人們的生活息息相關(guān)，人們已在手機中普遍應用，現在缺少的是第三個(gè)“S”與老百姓的生活關(guān)聯(lián)起來(lái)。高光譜遙感技術(shù)的應用，表明遙感技術(shù)正在走進(jìn)人們的生活�！拔覀兯龅�，就是要使高光譜遙感技術(shù)飛入尋常百姓家。遙感與智能手機的結合，將使‘遙感’無(wú)處不在�！睆埩⒏Ｕf(shuō)。
我國在高光譜遙感研究上處于國際領(lǐng)先地位
巨大的應用前景，使高光譜遙感技術(shù)成為當前國際上遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域。
據專(zhuān)家介紹，我國在高光譜遙感研究上，處于國際領(lǐng)先地位。
上世紀90年代，中國科學(xué)院遙感應用研究所與上海技術(shù)物理研究所合作，研制了系列航空高光譜傳感器，并前往日本、澳大利亞、馬來(lái)西亞等國進(jìn)行國際合作，為當地環(huán)境、農業(yè)、海洋、地質(zhì)等領(lǐng)域的研究提供了重要數據，受到高度評價(jià)。
張立福說(shuō)，受制于科研經(jīng)費支持等原因，本世紀初我國高光譜研究一度發(fā)展緩慢。近年來(lái)我國加大了對高光譜的支持力度，科研人員也取得了一系列成果。他介紹，我國在高光譜基礎研究及信息數據積累等方面走在國際前列；同時(shí)，科研人員不斷擴大高光譜的應用領(lǐng)域，在成像光譜地面測量與光譜圖像模擬、高光譜圖像智能處理與信息提取、新的應用領(lǐng)域拓展等多方面取得了系列國際領(lǐng)先的研究。
“我國在高光譜技術(shù)方面有較強的積累，但光譜儀器的一些關(guān)鍵器件還需要進(jìn)口，一定程度上影響了我國高光譜技術(shù)應用的自主性�！睆埩⒏Ｕf(shuō)，高端科學(xué)儀器設備制造方面的不足與我國在材料學(xué)、制造工藝等方面整體水平不高有關(guān)，他呼吁我國有更多的、不同領(lǐng)域的科研人員參與到高光譜的研發(fā)中，提高光譜儀器制造能力，使我國成為高光譜研究強國。
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