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高光譜技術高在哪?

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不同物質有它獨屬的“指紋光譜”,高光譜遙感技術可準確捕獲這一重要信息,提高人眼及遙感觀測能力。中科院遙感地球所岑奕繪圖

看過紀錄片《我在故宮修文物》的觀眾或許會對如下場景有印象:技術人員用一臺儀器掃描古字畫,掃描信息經過專業處理后,文物修復專家就能發現字畫上肉眼看不見的信息,甚至還能分析出繪畫技法和當時用的顏料。

這臺神奇的儀器就是中科院遙感與數字地球研究所(以下簡稱中科院遙感地球所)研發的高光譜掃描儀。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域的研發水平又如何?

利用高光譜技術能提取古畫的顏料信息,推算顏料產地,從而能在修復時精準選用顏料

人們日常生活中所見的光,是由多種顏色構成的復色光,通過棱鏡等分光后顯現的是單色光。這些單色光按不同波長(或頻率)大小依次排列形成的圖案,就是光譜。

光譜分析是人類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的“指紋”。如果說肉眼光學成像能看到物質的形狀、尺寸等信息,光譜分析則能獲取物質的成分信息。

要獲取更豐富、精細的物質成分信息,除了提升分光系統性能外,還可以改進分光方法、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,高光譜遙感的特點是能在可見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通道的影像,且每個通道的帶寬很寬,而高光譜成像所記錄的通道數量可以達到數百個,且光譜通道很窄,分辨率很高,其光譜探測范圍遠遠超過了人類肉眼的感知范圍,能夠探測人眼無法看到的大量信息,提高人們對自然和物質的認識。

因為能在非常窄的光譜波段內獲取豐富的信息,利用高光譜技術獲取的信息分辨率很高,甚至能分辨出觀測物質的分子和原子結構,這是普通的光學遙感所達不到的。

如何運用高光譜技術鑒定、修復古字畫?在中科院遙感地球所高光譜研究室實驗室,張立福畫了一張圖,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表面,獲取圖像上每個點的光譜數據;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的圖像,這些圖像疊加起來,在三維空間上就能形成一個圖像立方體,將每個像素對應的數百張數字圖像的數值連接起來,就成為一條光譜曲線。

“不同物質甚至不同年代的物質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。如果兩個物體的成分信息一致,得出來的曲線應該基本吻合;如果某一條曲線的局部有較大波動,就能推算出其中有異常。”張立福說。

以故宮藏品《崇慶皇太后八旬萬壽圖》為例,該畫描繪的是乾隆皇帝的母親崇慶皇太后八十大壽時現場祝壽的實景,歷經250多年之后非常殘破,絹面有缺損斷裂,甚至還有霉跡。要想恢復原作風貌,修復該畫時就要了解當時所用的顏料。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顏料進行了掃描,提取了古畫顏料信息,由此推算出當初繪畫所用礦物原料的種類。根據不同顏料產地光譜曲線的差異,科技人員甚至還能反推出顏料的產地——這就為修復選用精準顏料提供了依據。

張立福說,中國古書畫所用材料,大多為絹和紙,質地纖薄,年代久遠容易破損、掉色。高光譜分析技術不損害文物本體,能幫助修復專家了解古書畫的顏料組成、繪畫技法,甚至能及早發現書畫潛在的病害信息。

借助高光譜技術可檢測果蔬農藥殘留,未來還可能隨時檢測霧霾

高光譜這雙“火眼金睛”的本領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,因此該技術在國防軍事、精準農業、水環境監測、地礦勘察等領域都有廣闊應用價值。

在中科院遙感地球所高光譜研究室實驗室,張立福向記者展示了一盆綠蘿。從表面看,這盆綠蘿的葉子沒有什么特別之處,但經過高光譜儀的“眼睛”觀察,一塊白色區域就在電子屏上顯示出來。“綠蘿中有幾片塑料做的葉子,肉眼幾乎難以發現,但由于它和正常葉子的光譜信息有很大差別,就躲不過高光譜的‘眼睛’。”張立福說。

利用該原理,高光譜還能用在果蔬農藥殘留的檢測上。有沒有殘留農藥、殘留多少農藥,呈現的光譜特征會有細微的差別,通過分析這些差別,專業人員就能做出科學的判斷。

張立福說,相較于傳統食品安全取樣化驗等檢測方式,高光譜技術檢測具有無接觸、無損傷的優點,可以大大提升檢測效率。此外,根據不同生長日期或產地的果蔬光譜特征也不同的原理,高光譜技術還能用于檢測果蔬新鮮度、進行產地溯源等。

張立福介紹,基于高光譜原理,科研人員目前正在研發可供智能手機使用的高光譜檢測應用系統。他希望未來手機有高光譜檢測功能,結合云計算、大數據,人們能夠隨時隨地用手機快速檢測食品安全問題。這樣,農民拿手機就能檢測果蔬病蟲害信息,并把這些數據發送到云端,后方科研人員可以根據這些信息預知哪里可能爆發病蟲害。

“從果蔬農藥殘留檢測到化妝品重金屬檢測,水體、土壤等環境污染監測,再到牙齒、皮膚等醫學檢測,高光譜技術應用有很大的想象空間。”張立福說,不同空氣顆粒反射的光譜不同,未來人們甚至都能通過手機及時、準確地監測霧霾。

高光譜技術屬于遙感技術范疇。通常人們提到遙感,就往往聯想到衛星遙感、航空遙感等,認為遙感和老百姓的日常生活沒有直接關系,其實不然。3S技術(地理信息系統、全球定位系統、遙感)中,前兩個“S”已經與人們的生活息息相關,人們已在手機中普遍應用,現在缺少的是第三個“S”與老百姓的生活關聯起來。高光譜遙感技術的應用,表明遙感技術正在走進人們的生活。“我們所做的,就是要使高光譜遙感技術飛入尋常百姓家。遙感與智能手機的結合,將使‘遙感’無處不在。”張立福說。

我國在高光譜遙感研究上處于國際領先地位

巨大的應用前景,使高光譜遙感技術成為當前國際上遙感技術的前沿領域。

據專家介紹,我國在高光譜遙感研究上,處于國際領先地位。

上世紀90年代,中國科學院遙感應用研究所與上海技術物理研究所合作,研制了系列航空高光譜傳感器,并前往日本、澳大利亞、馬來西亞等國進行國際合作,為當地環境、農業、海洋、地質等領域的研究提供了重要數據,受到高度評價。

張立福說,受制于科研經費支持等原因,本世紀初我國高光譜研究一度發展緩慢。近年來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,科研人員不斷擴大高光譜的應用領域,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、新的應用領域拓展等多方面取得了系列國際領先的研究。

“我國在高光譜技術方面有較強的積累,但光譜儀器的一些關鍵器件還需要進口,一定程度上影響了我國高光譜技術應用的自主性。”張立福說,高端科學儀器設備制造方面的不足與我國在材料學、制造工藝等方面整體水平不高有關,他呼吁我國有更多的、不同領域的科研人員參與到高光譜的研發中,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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責任編輯: 閆月

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