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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?nèi)粘Ｉ钪兴姷墓，是由多種顏色構(gòu)成的復(fù)色光，通過棱鏡等分光后顯現(xiàn)的是單色光。這些單色光按不同波長(zhǎng)(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
　　
　　光譜分析是人類借助光認(rèn)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(dú)特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”。如果說肉眼光學(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(dú)屬的“指紋光譜”，高光譜遙感技術(shù)可準(zhǔn)確捕獲這一重要信息，提高人眼及遙感觀測(cè)能力。
　　
　　看過紀(jì)錄片《我在故宮修文物》的觀眾或許會(huì)對(duì)如下場(chǎng)景有印象：技術(shù)人員用一臺(tái)儀器掃描古字畫，掃描信息經(jīng)過專業(yè)處理后，文物修復(fù)專家就能發(fā)現(xiàn)字畫上肉眼看不見的信息，甚至還能分析出繪畫技法和當(dāng)時(shí)用的顏料。
　　
　　這臺(tái)神奇的儀器就是中科院遙感與數(shù)字地球研究所(以下簡(jiǎn)稱中科院遙感地球所)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(cè)修復(fù)外還有哪些應(yīng)用？我國(guó)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)能提取古畫的顏料信息，推算顏料產(chǎn)地，從而能在修復(fù)時(shí)精準(zhǔn)選用顏料
　　
　　要獲取更豐富、精細(xì)的物質(zhì)成分信息，除了提升分光系統(tǒng)性能外，還可以改進(jìn)分光方法、呈現(xiàn)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(diǎn)是能在可見光到短波紅外的光譜區(qū)間連續(xù)成像，傳統(tǒng)的彩色相機(jī)只能記錄紅綠藍(lán)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(shù)量可以達(dá)到數(shù)百個(gè)，且光譜通道很窄，分辨率很高，其光譜探測(cè)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人類肉眼的感知范圍，能夠探測(cè)人眼無法看到的大量信息，提高人們對(duì)自然和物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。
　　
　　因?yàn)槟茉诜浅Ｕ墓庾V波段內(nèi)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，甚至能分辨出觀測(cè)物質(zhì)的分子和原子結(jié)構(gòu)，這是普通的光學(xué)遙感所達(dá)不到的。
　　
　　如何運(yùn)用高光譜技術(shù)鑒定、修復(fù)古字畫？在中科院遙感地球所高光譜研究室實(shí)驗(yàn)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(gè)點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)；因?yàn)楦吖庾V連續(xù)成像的特征，能夠獲得目標(biāo)數(shù)百張不同波長(zhǎng)的圖像，這些圖像疊加起來，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(duì)應(yīng)的數(shù)百張數(shù)字圖像的數(shù)值連接起來，就成為一條光譜曲線。
　　
　　“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(dú)屬于它的‘指紋’光譜。如果兩個(gè)物體的成分信息一致，得出來的曲線應(yīng)該基本吻合；如果某一條曲線的局部有較大波動(dòng)，就能推算出其中有異常！睆埩⒏Ｕf。
　　
　　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(shí)現(xiàn)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(fù)原作風(fēng)貌，修復(fù)該畫時(shí)就要了解當(dāng)時(shí)所用的顏料。中科院遙感地球所高光譜研究團(tuán)隊(duì)利用高光譜掃描儀對(duì)古畫顏料進(jìn)行了掃描，提取了古畫顏料信息，由此推算出當(dāng)初繪畫所用礦物原料的種類。根據(jù)不同顏料產(chǎn)地光譜曲線的差異，科技人員甚至還能反推出顏料的產(chǎn)地——這就為修復(fù)選用精準(zhǔn)顏料提供了依據(jù)。
　　
　　張立福說，中國(guó)古書畫所用材料，大多為絹和紙，質(zhì)地纖薄，年代久遠(yuǎn)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(fù)專家了解古書畫的顏料組成、繪畫技法，甚至能及早發(fā)現(xiàn)書畫潛在的病害信息。
　　
　　借助高光譜技術(shù)可檢測(cè)果蔬農(nóng)藥殘留，未來還可能隨時(shí)檢測(cè)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(fù)文物。因其能呈現(xiàn)人眼看不到的細(xì)節(jié)、辨別不同成分的物質(zhì)，因此該技術(shù)在國(guó)防軍事、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、地礦勘察等領(lǐng)域都有廣闊應(yīng)用價(jià)值。
　　
　　在中科院遙感地球所高光譜研究室實(shí)驗(yàn)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(jīng)過高光譜儀的“眼睛”觀察，一塊白色區(qū)域就在電子屏上顯示出來！熬G蘿中有幾片塑料做的葉子，肉眼幾乎難以發(fā)現(xiàn)，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’！睆埩⒏Ｕf。
　　
　　利用該原理，高光譜還能用在果蔬農(nóng)藥殘留的檢測(cè)上。有沒有殘留農(nóng)藥、殘留多少農(nóng)藥，呈現(xiàn)的光譜特征會(huì)有細(xì)微的差別，通過分析這些差別，專業(yè)人員就能做出科學(xué)的判斷。
　　
　　張立福說，相較于傳統(tǒng)食品安全取樣化驗(yàn)等檢測(cè)方式，高光譜技術(shù)檢測(cè)具有無接觸、無損傷的優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升檢測(cè)效率。此外，根據(jù)不同生長(zhǎng)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(cè)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(jī)使用的高光譜檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)。他希望未來手機(jī)有高光譜檢測(cè)功能，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，人們能夠隨時(shí)隨地用手機(jī)快速檢測(cè)食品安全問題。這樣，農(nóng)民拿手機(jī)就能檢測(cè)果蔬病蟲害信息，并把這些數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，后方科研人員可以根據(jù)這些信息預(yù)知哪里可能爆發(fā)病蟲害。
　　
　　“從果蔬農(nóng)藥殘留檢測(cè)到化妝品重金屬檢測(cè)，水體、土壤等環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，再到牙齒、皮膚等醫(yī)學(xué)檢測(cè)，高光譜技術(shù)應(yīng)用有很大的想象空間！睆埩⒏Ｕf，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(jī)及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)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(wèi)星遙感、航空遙感等，認(rèn)為遙感和老百姓的日常生活沒有直接關(guān)系，其實(shí)不然。3S技術(shù)(地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、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(jī)中普遍應(yīng)用，現(xiàn)在缺少的是第三個(gè)“S”與老百姓的生活關(guān)聯(lián)起來。高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用，表明遙感技術(shù)正在走進(jìn)人們的生活！拔覀兯龅模褪且垢吖庾V遙感技術(shù)飛入尋常百姓家。遙感與智能手機(jī)的結(jié)合，將使‘遙感’無處不在！睆埩⒏Ｕf。
　　
　　我國(guó)在高光譜遙感研究上處于國(guó)際領(lǐng)先地位
　　
　　巨大的應(yīng)用前景，使高光譜遙感技術(shù)成為當(dāng)前國(guó)際上遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域。
　　
　　據(jù)專家介紹，我國(guó)在高光譜遙感研究上，處于國(guó)際領(lǐng)先地位。
　　
　　上世紀(jì)90年代，中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)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、馬來西亞等國(guó)進(jìn)行國(guó)際合作，為當(dāng)?shù)丨h(huán)境、農(nóng)業(yè)、海洋、地質(zhì)等領(lǐng)域的研究提供了重要數(shù)據(jù)，受到高度評(píng)價(jià)。
　　
　　張立福說，受制于科研經(jīng)費(fèi)支持等原因，本世紀(jì)初我國(guó)高光譜研究一度發(fā)展緩慢。近年來我國(guó)加大了對(duì)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(guó)在高光譜基礎(chǔ)研究及信息數(shù)據(jù)積累等方面走在國(guó)際前列；同時(shí)，科研人員不斷擴(kuò)大高光譜的應(yīng)用領(lǐng)域，在成像光譜地面測(cè)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(yīng)用領(lǐng)域拓展等多方面取得了系列國(guó)際領(lǐng)先的研究。
　　
　　“我國(guó)在高光譜技術(shù)方面有較強(qiáng)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(guó)高光譜技術(shù)應(yīng)用的自主性！睆埩⒏Ｕf，高端科學(xué)儀器設(shè)備制造方面的不足與我國(guó)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(guó)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(guó)成為高光譜研究強(qiáng)國(guó)。