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高光谱技术高在哪?

不合物质有它独属的“指纹光谱”,高光谱遥感技巧可准确捕获这一紧张信息,前进人眼及遥感不雅测能力。中科院遥感地球所岑奕绘图

看过记载片《我在故宫修文物》的不雅众或许会对如了局景有印象:技巧职员用一台仪器扫描古书画,扫描信息颠末专业处置惩罚后,文物修复专家就能发明书画上肉眼看不见的信息,以致还能阐发出绘画技法和当时用的颜料。

这台神奇的仪器便是中科院遥感与数字地球钻研所(以下简称中科院遥感地球所)研发的高光谱扫描仪。高光谱遥感为何有如斯的超能力?除文物检测修复外还有哪些利用?我国在高光谱遥感领域的研发水平又若何?

使用高光谱技巧能提取古画的颜料信息,推算颜料产地,从而能在修复时精准选用颜料

人们日常生活中所见的光,是由多种颜色构成的复色光,经由过程棱镜中分光后显现的是单色光。这些单色光按不合波长(或频率)大年夜小依次排列形成的图案,便是光谱。

光谱阐发是人类借助光认知天下的紧张要领,地球上不合的元素及其化合物都有自己独特的光谱特性,光谱是以被视为辨别物质的“指纹”。假如说肉目光学成像能看到物质的外形、尺寸等信息,光谱阐发则能获取物质的因素信息。

要获取更富厚、精细的物质因素信息,除了提升分光系统机能外,还可以改进分光措施、出现要领等——高光谱遥感便是这样一种思路。中科院遥感地球所高光谱遥感钻研室主任张立福先容说,高光谱遥感的特征是能在可见光到短波红外的光谱区间继续成像,传统的彩色相机只能记录红绿蓝三个通道的影像,且每个通道的带宽很宽,而高光谱成像所记录的通道数量可以达到数百个,且光谱通道很窄,分辨率很高,其光谱探测范围远远跨越了人类肉眼的感知范围,能够探测人眼无法看到的大年夜量信息,前进人们对自然和物质的熟识。

由于能在异常窄的光谱波段内获取富厚的信息,使用高光谱技巧获取的信息分辨率很高,以致能分辨出不雅测物质的分子和原子布局,这是通俗的光学遥感所达不到的。

若何运用高光谱技巧剖断、修复古书画?在中科院遥感地球所高光谱钻研室实验室,张立福画了一张图,并为记者解释高光谱遥感成像的道理:高光谱仪器扫描书画外面,获取图像上每个点的光谱数据;由于高光谱继续成像的特性,能够得到目标数百张不合波长的图像,这些图像叠加起来,在三维空间上就能形成一个图像立方体,将每个像素对应的数百张数字图像的数值连接起来,就成为一条光谱曲线。

“不合物质以致不合年代的物质反应出的光谱信息也有差异,也便是有一条独属于它的‘指纹’光谱。假如两个物体的因素信息同等,得出来的曲线应该基础吻合;假如某一条曲线的局部有较大年夜颠簸,就能推算出此中有非常。”张立福说。

以故宫藏品《崇庆皇太后八旬万寿图》为例,该画描画的是乾隆天子的母亲崇庆皇太后八十大年夜寿时现场祝寿的实景,历经250多年之后异常残破,绢面出缺损断裂,以致还有霉迹。要想恢回覆再起气势派头貌,修复该画时就要懂得当时所用的颜料。中科院遥感地球所高光谱钻研团队使用高光谱扫描仪对古画颜料进行了扫描,提取了古画颜料信息,由此推算出当初绘画所用矿物质料的种类。根据不合颜料产地光谱曲线的差异,科技职员以致还能反推出颜料的产地——这就为修复选用精准颜料供给了依据。

张立福说,中国古字画所用材料,大年夜多为绢和纸,质地纤薄,年代久远轻易破损、掉落色。高光谱阐发技巧不侵害文物本体,能赞助修复专家懂得古字画的颜料组成、绘画技法,以致能赶早发明字画潜在的病害信息。

借助高光谱技巧可检测果蔬农药残留,未来还可能随时检测雾霾

高光谱这双“火眼金睛”的本领可不仅仅是赞助剖断、修复文物。因其能出现人眼看不到的细节、辨别不合因素的物质,是以该技巧在国防军事、精准农业、水情况监测、地矿勘察等领域都有广阔利用代价。

在中科院遥感地球所高光谱钻研室实验室,张立福向记者展示了一盆绿萝。从外面看,这盆绿萝的叶子没有什么分外之处,但颠末高光谱仪的“眼睛”察看,一块白色区域就在电子屏上显示出来。“绿萝中有几片塑料做的叶子,肉眼险些难以发明,但因为它和正常叶子的光谱信息有很大年夜区别,就躲不过高光谱的‘眼睛’。”张立福说。

使用该道理,高光谱还能用在果蔬农药残留的检测上。有没有残留农药、残留若干农药,出现的光谱特性会有细微的区别,经由过程阐发这些区别,专业职员就能做出科学的判断。

张立福说,相较于传统食物安然取样化验等检测要领,高光谱技巧检测具有无打仗、无损伤的优点,可以大年夜大年夜提升检测效率。此外,根据不合发展日期或产地的果蔬光谱特性也不合的道理,高光谱技巧还能用于检测果蔬新鲜度、进行产地溯源等。

张立福先容,基于高光谱道理,科研职员今朝正在研发可供智妙手机应用的高光谱检测利用系统。他盼望未来手机有高光谱检测功能,结合云谋略、大年夜数据,人们能够随时随地用手机快速检测食物安然问题。这样,农夷易近拿手机就能检测果蔬病虫害信息,并把这些数据发送到云端,后方科研职员可以根据这些信息预知哪里可能爆发病虫害。

“从果蔬农药残留检测到化妆品重金属检测,水体、土壤等情况污染监测,再到牙齿、皮肤等医学检测,高光谱技巧利用有很大年夜的想象空间。”张立福说,不合空气颗粒反射的光谱不合,未来人们以致都能经由过程手机及时、准确地监测雾霾。

高光谱技巧属于遥感技巧范畴。通凡人们提到遥感,就每每遐想到卫星遥感、航空遥感等,觉得遥感和老庶夷易近的日常生活没有直接关系,着实不然。3S技巧(地舆信息系统、举世定位系统、遥感)中,前两个“S”已经与人们的生活相互关注,人们已在手机中普遍利用,现在缺少的是第三个“S”与老庶夷易近的生活关联起来。高光谱遥感技巧的利用,注解遥感技巧正在走进人们的生活。“我们所做的,便是要使高光谱遥感技巧飞入平常庶夷易近家。遥感与智妙手机的结合,将使‘遥感’无处不在。”张立福说。

我国在高光谱遥感钻研上处于国际领先职位地方

伟大年夜的利用前景,使高光谱遥感技巧成为当前国际上遥感技巧的前沿领域。

据专家先容,我国在高光谱遥感钻研上,处于国际领先职位地方。

上世纪90年代,中国科学院遥感利用钻研所与上海技巧物理钻研所相助,研制了系列航空高光谱传感器,并前昔日本、澳大年夜利亚、马来西亚等国进行国际相助,为当地情况、农业、海洋、地质等领域的钻研供给了紧张数据,受到高度评价。

张立福说,受制于科研经费支持等缘故原由,本世纪初我国高光谱钻研一度成长迟钝。近年来我国加大年夜了对高光谱的支持力度,科研职员也取得了一系列成果。他先容,我国在高光谱根基钻研及信息数据积累等方面走在国际前列;同时,科研职员赓续扩大年夜高光谱的利用领域,在成像光谱地面丈量与光谱图像模拟、高光谱图像智能处置惩罚与信息提取、新的利用领域拓展等多方面取得了系列国际领先的钻研。

“我国在高光谱技巧方面有较强的积累,但光谱仪器的一些关键器件还必要入口,必然程度上影响了我国高光谱技巧利用的自立性。”张立福说,高端科学仪器设备制造方面的不够与我国在材料学、制造工艺等方面整体水平不高有关,他呼吁我国有更多的、不合领域的科研职员介入到高光谱的研发中,前进光谱仪器制造能力,使我国成为高光谱钻研强国。

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