光譜成像技術(shù)及其應(yīng)用

高光譜成像

葉綠素?zé)晒獬上?/p>

紅外熱成像

一、Specim高光譜成像技術(shù)

芬蘭Specim公司，國際高光譜成像技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，其產(chǎn)品技術(shù)涵蓋可見光-近紅外（VNIR）、短波紅外（SWIR）、中波紅外（MWIR）及長波紅外LWIR高光譜成像，廣泛應(yīng)用于植物/作物科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、中藥學(xué)、地質(zhì)地球科學(xué)、生態(tài)與環(huán)境科學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域等。

• 植物/作物表型組學(xué)研究分析

• 作物育種與種子品質(zhì)檢測

• 食品檢測

• 植物/作物脅迫生理響應(yīng)

• 作物病理學(xué)分析與病原檢測

• 中藥成分分析與品質(zhì)檢測

1. Specim IQ 手持式VNIR高光譜成像儀

IQ手持式高光譜成像儀是Specim于2017年研制生產(chǎn)的最新輕便型高光譜成像儀，集高光譜數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和處理結(jié)果可視化于一體，一經(jīng)問世即引起全球的關(guān)注，并榮獲德國設(shè)計(jì)協(xié)會(huì)“紅點(diǎn)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)”——國際公認(rèn)的全球工業(yè)設(shè)計(jì)頂級獎(jiǎng)項(xiàng)、連續(xù)兩年獲得“inVISION全球頂級創(chuàng)意獎(jiǎng)”（inVISION Top Innovations 2018 award）。IQ同時(shí)在相機(jī)中直接集成了操作控制系統(tǒng)，通過相機(jī)自帶的觸摸屏就可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)的采集和分析過程，實(shí)現(xiàn)智能化操作，克服了市場上高光譜相機(jī)操作復(fù)雜、使用不便等缺點(diǎn)。

主要技術(shù)性能指標(biāo)：

1) 機(jī)身小巧輕便，只有1.3kg，實(shí)現(xiàn)輕松手持操作；

2) 具備光譜和取景器雙鏡頭

3) 一體式設(shè)計(jì)，內(nèi)置自動(dòng)推掃、數(shù)據(jù)采集處理、操作系統(tǒng)、觸摸屏及操作鍵、GPS等

4) 現(xiàn)場實(shí)時(shí)快速檢測、全自動(dòng)智能分析、高質(zhì)量光譜大數(shù)據(jù)

5) 波段范圍400-1000nm，7nm光譜分辨率，204個(gè)波段

6) 圖像分辨率512x512像素，像素大小17.58um

7) 視野31度，物距15cm至無窮遠(yuǎn)，1m視野55x55cm

8) 數(shù)據(jù)格式：Specim數(shù)據(jù)集，與ENVI等兼容

9) 32GB SD存儲卡，可通過USB輸出

10) 5200mAh鋰電電池

11) 防護(hù)級別：IP5x，可選配防護(hù)外套

應(yīng)用案例：

Specim公司與德國波恩大學(xué)等機(jī)構(gòu)合作，利用Specim IQ高光譜成像儀，對作物病害與表型進(jìn)行了研究分析，并發(fā)表論文“Specim IQ: Evaluation of a New, Miniaturized Handheld Hyperspectral Camera and Its Application for Plant Phenotyping and Disease Detection”(Sensor, 2018)

2. Specim FX10/FX17輕便型高光譜成像儀

FX10/FX17高光譜成像儀為Specim 2016年研制生產(chǎn)，是世界上成像速度最快的輕便型高光譜成像儀，涵蓋400-1000nm（FX10）和900-1700nm（FX17）兩個(gè)波段，2017年被inVISION雜志評為“機(jī)器視覺最佳創(chuàng)新獎(jiǎng)”。

SPECIM FX10&FX17高光譜成像系統(tǒng)將可見光近紅外（VNIR或NIR）光譜與高分辨率成像相結(jié)合，采用推掃式（pushbroom）成像技術(shù)對運(yùn)動(dòng)的樣品或在運(yùn)動(dòng)中對靜止的樣品進(jìn)行逐線全波段光譜采集并同步生成圖像，獲取樣品化學(xué)成分的量化數(shù)據(jù)以及空間分布等詳細(xì)信息，圖像中每一象素都記錄了其對應(yīng)樣品點(diǎn)的化學(xué)組成、質(zhì)量、顏色等信息的光譜特征，用于對樣品進(jìn)行定性、定量分析。

功能特點(diǎn)：

1) 擁有GigE Vision和CameraLink兩種接口選擇，配置軟件開發(fā)包，滿足用戶的多樣化需求

2) 線陣推掃成像方式，在具有高速成像的同時(shí)，同一時(shí)間獲得目標(biāo)區(qū)域的所有光譜信息數(shù)據(jù)，保證每一個(gè)空間像素的光譜純潔度，為客戶提供更加真實(shí)準(zhǔn)確的高光譜數(shù)據(jù)

3) 采用高透光率的光學(xué)設(shè)計(jì)（F/1.7），把相機(jī)的聚光能力提升到了一個(gè)嶄新的標(biāo)準(zhǔn)，并且只需要一個(gè)線光源就可滿足設(shè)備需求

4)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一進(jìn)行波長標(biāo)定，保障每臺設(shè)備都可產(chǎn)生相同的可重復(fù)光譜數(shù)據(jù)，方便安裝和替換，無需返廠再次標(biāo)定

5) 高靈敏度快速光學(xué)結(jié)構(gòu)，成像速度快，全譜段采集速度為330行/秒

6) 采集方式靈活，具備多區(qū)域選擇功能（MRO），波段可選，既可選擇采集全部220波段，也可選擇感興趣的任一波段

7) 結(jié)構(gòu)緊湊小巧，操作簡便

8) 高速成像、高信噪比

9) 可選配不同掃描平臺對植物、種子等進(jìn)行高光譜掃描成像分析，包括旋轉(zhuǎn)式掃描支架、實(shí)驗(yàn)室掃描平臺（有40x20cm和100x50cm兩種規(guī)格）等

主要技術(shù)指標(biāo)：

3. sisuCHEMA高光譜成像分析系統(tǒng)

sisuCHEMA高光譜成像分析系統(tǒng)是一套完整的高光譜成像分析工作站，整合了VNIR至SWIR高光譜成像技術(shù)、自動(dòng)掃描技術(shù)及高光譜物質(zhì)分析技術(shù)（軟件），使用者只需要將放置在樣品盤中的待檢樣品置于推掃臺上，即可通過軟件進(jìn)行掃描控制，實(shí)時(shí)進(jìn)行光譜二維影像信息的獲取和保存，可同時(shí)對大量的樣品或不同形狀的樣品進(jìn)行光譜成像測量分析，包括組成成分/化學(xué)組成量化數(shù)據(jù)及其分布信息等，樣品最大為200x300x45mm，對10mm以下樣品其分辨率可達(dá)30μm。

• 植物表型組學(xué)研究分析

• 蛋白組學(xué)研究分析

• 代謝組學(xué)研究分析

• 藻類表型研究分析

• 種子品質(zhì)檢測、活力檢測

• 植物病理、病原檢測

• 中草藥檢測研究

• 根系分析

• 食品檢測分析

• 海洋科學(xué)研究

主要技術(shù)指標(biāo)：

應(yīng)用案例：

Priscila S.R.Aries、Everaldo P. Medeiros等利用近紅外sisuCHEMA高光譜成像分析系統(tǒng)（波段范圍1000-2500nm），對棉花炭疽病等病原進(jìn)行了研究，論文發(fā)表在2018年J.Spectral Imaging（Near infrared hyperspectral images and pattern recognition techniques used?to identify etiological agents of cotton anthracnose and ramulosis）

MaxleeneSandasi、Alvaro Viljoen等，利用sisuCHEMA高光譜成像分析技術(shù)，對不同品種人參進(jìn)行了定性分析研究，認(rèn)為是一種簡單快速非損傷性鑒定檢測技術(shù)。論文發(fā)表在2016年Molecules（The Application of Vibrational Spectroscopy Techniques in the Qualitative Assessment of Material Traded as Ginseng）

Paul J.Williams等利用sisuCHEMA高光譜成像技術(shù)，對鐮刀霉屬生長特性及其品種差異進(jìn)行了研究，論文發(fā)表在2012年Anal Bioanal Chem.上（Near-infrared (NIR) hyperspectral imaging and multivariate image analysis to study growth characteristics and differences between species and strains of members of the genus Fusarium）。

二、FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)

PSI公司首席科學(xué)家Nedbal教授與公司總裁Trtilek博士等首次將PAM葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)與CCD技術(shù)結(jié)合在一起，研制成功了FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)（Nedbal等，2000），并于1997年為美國華盛頓大學(xué)提供了第一臺商業(yè)FluorCam系統(tǒng)。FluorCam葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)成為上世紀(jì)90年代葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的重要突破，使科學(xué)家們對光合作用與葉綠素?zé)晒獾难芯恳幌伦舆M(jìn)入二維世界，并成為現(xiàn)代基因組學(xué)、表型組學(xué)及遺傳育種研究的有力工具。（詳細(xì)介紹參見“FluorCam葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)及其應(yīng)用”）

易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供全面葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)方案：

1) FKM葉綠素?zé)晒鈩?dòng)態(tài)顯微成像與光譜分析系統(tǒng)——細(xì)胞與亞細(xì)胞水平葉綠素?zé)晒馀c多光譜熒光動(dòng)態(tài)成像（參見上圖）

2) FluorCam便攜式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)——野外便攜式葉綠素?zé)晒獬上穹治龅淖罴堰x擇

3) FluorCam封閉式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)——植物生理生態(tài)研究、臺式高通量表型分析

4) FluorCam模塊式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)——有13x13cm標(biāo)準(zhǔn)版和20x20大型版，可選配多激發(fā)光多光譜熒光成像

5) FluorCam大型版葉綠素?zé)晒獬上衿脚_，有實(shí)驗(yàn)室版和野外版供選配，成像面積35x35cm

6) FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)方案

7) FluorCam樣帶掃描式葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)

8) FluorCam光合聯(lián)用葉綠素?zé)晒獬上裣到y(tǒng)

9) FluorCam葉綠素?zé)晒馀c高光譜成像聯(lián)用系統(tǒng)

10) FluorCam葉綠素?zé)晒獬上衽c紅外熱成像聯(lián)用系統(tǒng)

三、紅外熱成像技術(shù)

所有高于絕對零度（-273攝氏度）的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射（熱量），這種輻射熱可以用紅外輻射傳感器測量到，如易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供的Spectra-Thermo光譜與熱輻射監(jiān)測系統(tǒng)，可以用于監(jiān)測光合有效輻射、NDVI/PRI及葉片、冠層、樹干等的溫度。

紅外熱成像則可以對視野內(nèi)物體發(fā)出的紅外輻射熱進(jìn)行成像（參見上右圖），使物體表面溫度分布可視化（一般用偽彩顯示二維溫度變化）。

易科泰生態(tài)技術(shù)公司為植物科學(xué)研究提供紅外熱成像測量分析全面解決方案：

• 科研級紅外熱成像，多點(diǎn)黑體和環(huán)境溫度校準(zhǔn)并具備校準(zhǔn)證書，保障每個(gè)像素都給出精確的溫度值

• 波段7.5-13.5μm，分辨率640x512像素，溫度靈敏度可達(dá)0.03攝氏度（30mk）

• 強(qiáng)大的軟件分析功能，可即時(shí)顯示任意點(diǎn)的點(diǎn)溫、線性范圍溫度分布曲線、任意區(qū)域范圍平均溫度及最大最小溫度、溫度分布頻率直方圖、3D溫度分布等等

• 手持式、在線式、固定監(jiān)測式等不同選配方案

• 紅外熱成像與葉綠素?zé)晒獬上窦夹g(shù)集成方案

• 紅外熱成像與高光譜成像技術(shù)集成方案

• 紅外熱成像與RGB融合成像分析技術(shù)方案

• 無人機(jī)紅外熱成像遙感技術(shù)方案

• 應(yīng)用于植物氣孔導(dǎo)度研究、植物脅迫特別是干旱脅迫成像分析研究等

左圖：野外紅外熱成像監(jiān)測；右圖：稻田干旱脅迫紅外熱成像分析研究

左圖：小麥抗旱性監(jiān)測；右圖：無人機(jī)紅外熱成像遙感監(jiān)測作物干旱脅迫