光譜成像技術(shù)及其應(yīng)用

高光譜成像

葉綠素熒光成像

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

 

 

• 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)計協(xié)會“紅點設(shè)計獎”——國際公認的全球工業(yè)設(shè)計頂級獎項、連續(xù)兩年獲得“inVISION全球頂級創(chuàng)意獎”（inVISION Top Innovations 2018 award）。IQ同時在相機中直接集成了操作控制系統(tǒng)，通過相機自帶的觸摸屏就可實時實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)的采集和分析過程，實現(xiàn)智能化操作，克服了市場上高光譜相機操作復(fù)雜、使用不便等缺點。

 

主要技術(shù)性能指標：

1) 機身小巧輕便，只有1.3kg，實現(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，內(nèi)置自動推掃、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)場實時快速檢測、全自動智能分析、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，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) 防護級別：IP5x，可選配防護外套

 

應(yīng)用案例：

        Specim公司與德國波恩大學(xué)等機構(gòu)合作，利用Specim IQ高光譜成像儀，對作物病害與表型進行了研究分析，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)

 

•  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）兩個波段，2017年被inVISION雜志評為“機器視覺最佳創(chuàng)新獎”。

 

        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)對運動的樣品或在運動中對靜止的樣品進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信息，圖像中每一象素都記錄了其對應(yīng)樣品點的化學(xué)組成、質(zhì)量、顏色等信息的光譜特征，用于對樣品進行定性、定量分析。

 

功能特點：

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，同一時間獲得目標區(qū)域的所有光譜信息數(shù)據(jù)，保證每一個空間像素的光譜純潔度，為客戶提供更加真實準確的高光譜數(shù)據(jù)

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

4) 經(jīng)過實驗室統(tǒng)一進行波長標定，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、種子等進行高光譜掃描成像分析，包括旋轉(zhuǎn)式掃描支架、實驗室掃描平臺（有40x20cm和100x50cm兩種規(guī)格）等

主要技術(shù)指標：

	FX10	FX17
波段范圍	400-1000nm	950-1700nm
波段數(shù)量	224	224
光譜分辨率 FWHM	5.5nm	8nm
空間分辨率	1024像素	640像素
幀頻	330 FPS	670 FPS
視野（FOV）	38度	38度
光圈	F/1.7	F/1.7
信噪比（SNR）	600:1	1000:1
端口	CameraLink/GigE	CameraLink/GigE
尺寸規(guī)格	150x85x71mm	150x85x71
重量	1.26kg	1.56kg

• 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，即可通過軟件進行掃描控制，實時進行光譜二維影像信息的獲取和保存，可同時對大量的樣品或不同形狀的樣品進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30 μm。

• 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：

	VNIR	NIR	SWIR
波段范圍	400-1000nm	900-1700nm	1000-2500nm
光譜分辨率 FWHM	2.8nm	6nm	10nm
空間分辨率/行	1312像素	320像素	384像素
像素大小	38 - 152 μm	30 - 600 μm	24 - 600 μm
視野	50-200mm	10-200mm	10-200mm
掃描速度	最大100行/秒，對應(yīng)3mm/s@30 μm像素、30mm/s@300 μm像素
掃描時間	320x320分辨率@256波段情況下小于7秒
照明	Specim 線性散射光源
數(shù)據(jù)格式	BIL格式，與ENVI兼容
校準	光譜出廠前已校準，每次掃描分析前自動參照標定

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）

        Maxleene Sandasi、Alvaro Viljoen等，利用sisuCHEMA高光譜成像分析技術(shù)，對不同品種人參進行了定性分析研究，認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葉綠素熒光成像技術(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葉綠素熒光技術(shù)與CCD技術(shù)結(jié)合在一起，研制成功了FluorCam葉綠素熒光成像技術(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葉綠素熒光成像技術(shù)成為上世紀90年代葉綠素熒光技術(shù)的重要突破，使科學(xué)家們對光合作用與葉綠素熒光的研究一下子進入二維世界，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。（詳細介紹參見“FluorCam葉綠素熒光技術(shù)及其應(yīng)用”）

 

易科泰生態(tài)技術(shù)公司提供全面葉綠素熒光成像技術(shù)方案：

• FKM葉綠素熒光動態(tài)顯微成像與光譜分析系統(tǒng)——細胞與亞細胞水平葉綠素熒光與多光譜熒光動態(tài)成像（參見上圖）
• FluorCam便攜式葉綠素熒光成像系統(tǒng)——野外便攜式葉綠素熒光成像分析的最佳選擇
• FluorCam封閉式葉綠素熒光成像系統(tǒng)——植物生理生態(tài)研究、臺式高通量表型分析
• FluorCam模塊式葉綠素熒光成像系統(tǒng)——有13x13cm標準版和20x20大型版，可選配多激發(fā)光多光譜熒光成像
• FluorCam大型版葉綠素熒光成像平臺，有實驗室版和野外版供選配，成像面積35x35cm
• FluorCam多光譜熒光成像技術(shù)方案
• FluorCam樣帶掃描式葉綠素熒光成像系統(tǒng)
• FluorCam光合聯(lián)用葉綠素熒光成像系統(tǒng)
• FluorCam葉綠素熒光與高光譜成像聯(lián)用系統(tǒng)
• FluorCam葉綠素熒光成像與紅外熱成像聯(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，多點黑體和環(huán)境溫度校準并具備校準證書，保障每個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0.03攝氏度（30mk）
• 強大的軟件分析功能，可即時顯示任意點的點溫、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熒光成像技術(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：無人機紅外熱成像遙感監(jiān)測作物干旱脅迫