光譜成像技術及其應用

光譜成像技術及其應用

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

芬蘭Specim公司，國際高光譜成像技術的領導者，其產品技術涵蓋可見光-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，廣泛應用于植物/作物科學、農業科學、中藥學、地質地球科學、生態與環境科學及工業領域等。

• 植物/作物表型組學研究分析

• 作物育種與種子品質檢測

• 食品檢測

• 植物/作物脅迫生理響應

• 作物病理學分析與病原檢測

• 中藥成分分析與品質檢測

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年研制生產的最新輕便型高光譜成像儀，集高光譜數據采集、數據處理和處理結果可視化于一體，一經問世即引起全球的關注，并榮獲德國設計協會“紅點設計獎”——國際公認的全球工業設計頂級獎項、連續兩年獲得“inVISION全球頂級創意獎”（inVISION Top Innovations 2018 award）。IQ同時在相機中直接集成了操作控制系統，通過相機自帶的觸摸屏就可實時實現基本數據的采集和分析過程，實現智能化操作，克服了市場上高光譜相機操作復雜、使用不便等缺點。

主要技術性能指標：

1) 機身小巧輕便，只有1.3kg，實現輕松手持操作；

2) 具備光譜和取景器雙鏡頭

3) 一體式設計，內置自動推掃、數據采集處理、操作系統、觸摸屏及操作鍵、GPS等

4) 現場實時快速檢測、全自動智能分析、高質量光譜大數據

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) 數據格式：Specim數據集，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

應用案例：

Specim公司與德國波恩大學等機構合作，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，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“機器視覺最佳創新獎”。

SPECIM FX10&FX17高光譜成像系統將可見光近紅外（VNIR或NIR）光譜與高分辨率成像相結合，采用推掃式（pushbroom）成像技術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，獲取樣品化學成分的量化數據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樣品點的化學組成、質量、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域的所有光譜信息數據，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據

3) 采用高透光率的光學設計（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備需求

4)

經過實驗室統一進行波長標定，保障每臺設備都可產生相同的可重復光譜數據，方便安裝和替換，無需返廠再次標定

5) 高靈敏度快速光學結構，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) 結構緊湊小巧，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，包括旋轉式掃描支架、實驗室掃描平臺（有40x20cm和100x50cm兩種規格）等

主要技術指標：

3. sisuCHEMA高光譜成像分析系統

sisuCHEMA高光譜成像分析系統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、自動掃描技術及高光譜物質分析技術（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/化學組成量化數據及其分布信息等，樣品最大為200x300x45mm，對10mm以下樣品其分辨率可達30μm。

• 植物表型組學研究分析

• 蛋白組學研究分析

• 代謝組學研究分析

• 藻類表型研究分析

• 種子品質檢測、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

• 海洋科學研究

主要技術指標：

應用案例：

Priscila S.R.Aries、Everaldo P. Medeiros等利用近紅外sisuCHEMA高光譜成像分析系統（波段范圍1000-2500nm），對棉花炭疽病等病原進行了研究，論文發表在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，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。論文發表在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，對鐮刀霉屬生長特性及其品種差異進行了研究，論文發表在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

PSI公司首席科學家Nedbal教授與公司總裁Trtilek博士等首次將PAM葉綠素熒光技術與CCD技術結合在一起，研制成功了FluorCam葉綠素熒光成像技術（Nedbal等，2000），并于1997年為美國華盛頓大學提供了第一臺商業FluorCam系統。FluorCam葉綠素熒光成像技術成為上世紀90年代葉綠素熒光技術的重要突破，使科學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，并成為現代基因組學、表型組學及遺傳育種研究的有力工具。（詳細介紹參見“FluorCam葉綠素熒光技術及其應用”）

易科泰生態技術公司提供全面葉綠素熒光成像技術方案：

1) FKM葉綠素熒光動態顯微成像與光譜分析系統——細胞與亞細胞水平葉綠素熒光與多光譜熒光動態成像（參見上圖）

2) FluorCam便攜式葉綠素熒光成像系統——野外便攜式葉綠素熒光成像分析的最佳選擇

3) FluorCam封閉式葉綠素熒光成像系統——植物生理生態研究、臺式高通量表型分析

4) FluorCam模塊式葉綠素熒光成像系統——有13x13cm標準版和20x20大型版，可選配多激發光多光譜熒光成像

5) 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

6) FluorCam多光譜熒光成像技術方案

7) FluorCam樣帶掃描式葉綠素熒光成像系統

8) FluorCam光合聯用葉綠素熒光成像系統

9) FluorCam葉綠素熒光與高光譜成像聯用系統

10) FluorCam葉綠素熒光成像與紅外熱成像聯用系統

三、紅外熱成像技術

所有高于絕對零度（-273攝氏度）的物體都會發出紅外輻射（熱量），這種輻射熱可以用紅外輻射傳感器測量到，如易科泰生態技術公司提供的Spectra-Thermo光譜與熱輻射監測系統，可以用于監測光合有效輻射、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物體發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）。

易科泰生態技術公司為植物科學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、固定監測式等不同選配方案

• 紅外熱成像與葉綠素熒光成像技術集成方案

• 紅外熱成像與高光譜成像技術集成方案

• 紅外熱成像與RGB融合成像分析技術方案

• 無人機紅外熱成像遙感技術方案

• 應用于植物氣孔導度研究、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：小麥抗旱性監測；右圖：無人機紅外熱成像遙感監測作物干旱脅迫