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                高光谱仪器发展前景可期 未来可用于检测雾霾
                1970年01月01日 08:00 分析仪器产业网

                  不同物质有它独→属的“指纹光谱”,高光谱遥感技术可准确捕获这一重要信息,提高人眼及遥感观测能力。

                  看过纪录片《我在故宫修文●物》的观众或许会对如下场景有印象:技术人员用一台仪器扫描︻古字画,扫描信息经过专业处理后,文物▃修复专家就能发现字画上肉眼看不见的信息,甚至还能分析出绘画技法和当时用的颜料。

                  这台神奇的仪器就是中科院遥感与数字地球研究所(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此的超能力?除文物检测修复外还有哪些应用?我国在高光谱遥感领域的研发水平又如何?

                  利用高光谱技术能提取古ξ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,通过棱镜等分光后显现的是单色光。这些单色『光按不同波长(或频率)大小依次排列形成的图案,就是光谱。

                  光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式,地球上不同的元素及其化合物都有自己的♀光谱特征,光谱因此被视为辨别物质的“指纹”。如果说肉眼光学成像能看到物质的形状、尺寸等信息,光谱分析则能获ξ 取物质的成分信息。

                  要获取更丰富、精◥细的物质成分信息,除了提升分光系统性能外,还可以改进分光方法、呈现方式等——高光谱遥感就是这样一种思路。中科院遥感地球所高光谱遥感研究室主任张立福介绍说,高光谱遥感的特点是能在可见光到短波红外的『光谱区间连续成像,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超过了人类肉眼的感知范围,能够探测人眼无法看到的大量信息∮,提高人们对自然和物质的认识。

                  因为能在非常窄的光谱波段内获取丰富的信息,利用︽高光谱技术获取的信息分辨率很高,甚至能分辨出观测物质的分子和原子结构,这是普通的光学遥感所达不到的。

                  如何运用高光谱技术鉴定、修复古字画?在中科院遥→感地球所高光谱研究室实验室,张立福画了一张图,并为记者解释高光谱遥感成像的原理:高光谱仪器扫描字画表面,获取图像上每个点的光谱数据;因为高光谱连续成像的特征》,能够获得目♀标数百张不同波长的图像,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。

                  “不同物质甚至不同年代的物质反映出的光谱信息也有差异,也就是有一条独属于它的‘指纹’光谱。如果两个物体的成分信息一致,得出来的曲线应该基本吻合;如果某一条曲线的局部有较大波动,就能推算出其中有异常。”张立福说。

                  以故宫藏▅品《崇庆皇太后八旬万寿图》为例,该画描绘的⊙是乾隆皇帝的母亲崇庆皇太后八十大寿时现场祝寿的实景,历经250多年之后非常残破,绢面有缺损断裂,甚至还有霉迹。要想恢复原作风貌,修复该画时就要了解当时所用的颜料。中科院遥感地球所高光谱研究团队利用高光谱╱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》当初绘画所用矿物原料的种类。根据不同颜料产地光谱曲线的差异,科技人员甚至还能反推出颜料的产地——这就为修复选用精准颜料提供了依据。

                  张立福说,中国古书画所用材料,大多为绢和纸,质地纤薄,年代久远容易破损、掉色。高光谱分析技术不损害文物本体,能帮助修〒复专家了解古书画的颜料组成、绘画技法,甚至能及早发现书画潜在的病害信息。

                  借助高光谱技术可检测果蔬农药残留,未来还可能随时检测雾霾

                ###值。

                  在中科院遥感地球所高光谱研究室实验室,张立福向记者展示了一盆绿萝。从表面看,这盆绿萝的叶子没有@ 什么特别之处,但经过高光谱仪的“眼睛”观察,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,肉眼几乎难以发现,但由于它和正常叶子的光谱信息有很大差别,就躲不过高光谱的‘眼睛’。”张立福说。

                  利用该原理,高光谱还能用在果蔬农药残留的卐检测上。有没有残■留农药、残留多少农药,呈现的光谱特征会有细微的差别,通过分析这些差别,专业人员就能做出科学的判断。

                  张立福说,相较于传统食品安全▽取样化验等检测方式,高光谱技术检测##有无接触、无损伤的##点,可以大大提升检测效率。此外,根据不同生长日期或产地的果蔬光谱特征也不同的原〓理,高光谱技术还能用于检测果蔬##鲜度、进行产地溯源等。

                  张立福介绍,基于高光谱原理,科研人员目前正在研发可供智能手机使用的︻高光谱检测应用系统。他希望未来手机有高光谱检测功能,结合云计算、大数据,人们能够随时随地用手机快速检测食品安全问题。这样,农民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,后方科研人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、土壤等环境『污染监测,再到牙齿、皮肤等医学检测,高光谱技术应用有很大的想象空间。”张立福说,不同空气颗粒反射的光谱不同,未来人们甚至都能通过手机及时、准确地监测雾霾。

                  高光谱技术属于遥感技术范畴。通常人们提到遥感,就往▲往联想到##遥感、航空遥感等,认为遥感和老百姓的日常生活没有直接关系,其实不然。3S技术(地理信息系统、定位系统、遥感)中,前两个“S”已经与人们的生活息息相关,人们已在手机中普遍应用,现在缺少的是第三个“S”与老百姓的生活关联起来。高光谱遥感技术的应用,表明遥感技术正在走进人们的生活。“我们所做的,就是要使高光谱遥感技术飞入寻常百姓家。遥感与智能手机的结合,将使‘遥感’无处不在。”张立福说。

                  我国在高光谱遥感研究上处于国际地位

                  巨大↓的应用前景,使高光谱遥感技术▲成为当前国际上遥感〓技术的前沿领域。

                  据专家介绍,我国在高光谱遥感研究上,处于国际地位。

                ###。

                  张立福说,受制于科研经费支持等原因,本世纪初我国高光谱研究一度发展缓慢。近年来我国加大了对高光谱的支持力度,科研人员也取得了一系列成果。他介绍,我国在高光谱基础研究及信∞息数据积累等方面走在国际前列;同时,科研人员不断扩大高光谱的←应用领域,在成像光谱地面测量与光谱图像模拟、高光谱图像智能处理与信息提取、##的应用领域拓展等多方面取得了系列国际的研究。

                  “我国在高光谱技术方面有较强的积累,但光谱仪器的一些关键器件还需要进口,一定程度上影响了我国高光谱技术应用的自主性。”张立福说,###科学仪器设备制造方面的不足与我国在材料学、制造工艺等方面整体水平不高有关,他呼吁我国有更【多的、不同♀领域的科研人员参与到高光谱的研发中,提高光谱仪器制造能力,使我国成为高光谱研究强国。

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