實驗室用高光譜成像儀 | ATH8500 |
總體描述：
ATH8500是一款全新的、經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的、具有突破性特點的實驗室用高光譜成像系統(tǒng)，它具有高分辨率、高清、高質(zhì)量等特點，由高光譜成像儀、平掃結(jié)構(gòu)、光源、成像相機、數(shù)據(jù)處理工作站等組成。它是采用多功能機箱、高穩(wěn)定性實驗平臺，并內(nèi)置高穩(wěn)定性光源、不同波長范圍高光譜成像儀、高清晰可見光相機、防抖線性平動平臺等部件，并采取了多種消雜散光處理方法，以獲得高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)，特別適合實驗室高光譜掃描適用。ATH8500具有高空間分辨率、高頻譜分辨率、寬成像范圍等特點。
實驗室高光譜系統(tǒng)由高光譜成像儀、線光源、高清相機、樣品臺、調(diào)焦裝置和標準白板組成。線光源與高光譜成像儀線視場共線，通過樣品臺的平移實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。高清相機拍攝樣品臺零位全局高清圖片用于與高光譜數(shù)據(jù)進行圖像融合彌補其空間分辨率不足的缺點。標準白板用于在空間和時間雙重尺度上進行反射率校正，提高數(shù)據(jù)反演精度。企業(yè)的實驗研究設(shè)備。
ATH8500將高光譜成像技術(shù)與高清拍照技術(shù)相結(jié)合，所采集數(shù)據(jù)兼具高光譜分辨率和高空間分辨率，能夠充分挖掘物質(zhì)自身的光譜特性和空間特性。可以應用于物質(zhì)分選（煙草、藥品、食品、礦石等）、刑偵文檢、真?zhèn)舞b定等領(lǐng)域。
特征：
l 波段范圍：400~5300nm（多段可選）
l 空間波段數(shù)：2048X2048（每個型號不同）
l 光譜波段數(shù)：1088（每個型號不同）
l 超群的成像性能
l 數(shù)據(jù)格式兼容ENVI；
l 體積緊湊：162cm x 80cm x 60cm；
l 重量輕：60 Kg（每個型號不同）；
l 內(nèi)置智能校準白版
l 多種消雜散光設(shè)計，成像質(zhì)量高；
l 高清可見光相機，可進行圖像融合；
l 可靠性高；
應用領(lǐng)域：
l 藝術(shù)品和古畫
l 刑偵與文檢作業(yè)；
l 制藥企業(yè)：中藥材的防偽
l 紡織：花紋的拷貝、圖畫的復制
l 礦物質(zhì)的篩查
l 司法鑒定：文檢鑒定
l 農(nóng)業(yè)：樹葉、煙葉掃描
l 文物掃描修復，壁畫修復
1. 選型指南
ATH8500系列 | 特征 | 主要應用領(lǐng)域 |
ATH8500 | 400-1000nm可見近紅外高光譜成像儀 | 精準農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選等 |
ATH8500-17 | 1.0~1.7μm短波紅外高光譜成像儀 | 半導體、工業(yè)分選、食品分選、建筑垃圾分選、肉類分選、塑料分選、文物鑒定、司法鑒定、文檢 |
ATH8500-25 | 1.2~2.5μm短波紅外高光譜成像儀 | 精準農(nóng)業(yè)與食品分析、深色塑料分選、地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)勘查、工、文物鑒定、司法鑒定、文檢、含水量分析、藥品和材料分選、礦物填圖、醫(yī)學鑒定、廢品回收； |
ATH8500-50 | 2.5~5.0μm中波紅外高光譜成像儀 | 地質(zhì)勘察、工、、礦物分選 |
ATH8500-12-50 | 1.2~5.0μm短波中波紅外高光譜成像儀 | 地質(zhì)勘察、工、、礦物分選、 |
ATH8500-04-17 | 0.4~1.7μm可見近紅外短波紅外高光譜成像儀 | 精準農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測等 |
ATH8500-04-25 | 0.4~2.5μm可見近紅外短波紅外高光譜成像儀 | 精準農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測等 |
2. 實驗室高光譜工作原理
ATH8500實驗室高光譜成像分析系統(tǒng)，由高光譜成像儀、平掃結(jié)構(gòu)、光源、成像相機、數(shù)據(jù)處理工作站等組成。它是采用多功能機箱、高穩(wěn)定性實驗平臺，并內(nèi)置高穩(wěn)定性光源、不同波長范圍高光譜成像儀、高清晰可見光相機、防抖線性平動平臺等部件，并采取了多種消雜散光處理方法，以獲得高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)，特別適合實驗室高光譜掃描適用。
4. ATH8500 的設(shè)計細節(jié)圖
l 時空輻射強度校正，顯著提高輻射標定精度
圖2 ATH8500內(nèi)的載物臺，樣品放置于該臺面上
l 光源設(shè)計，匹配線視場，提高光能利用率
l 輔助對焦，據(jù)樣品厚度調(diào)節(jié)升降以保證成像清晰度
l 自動積分時間推薦，根據(jù)樣品反射率推薦曝光時間
l 自動掃描，自動完成數(shù)據(jù)采集
l 集成高清相機，提高空間分辨率，海量數(shù)據(jù)下便于按圖索驥
5. ATH8500的成像案例
圖3 ATH8500拍攝的高光譜圖；(a) 493nm譜圖；(b) 654nm譜圖；
6.配件清單：
序號 | 物品 | 數(shù)量 | 選配 |
1 | 實驗室高光譜成像儀主機 | 1臺 | 標配 |
2 | 輻射度標定 | 1套 | 標配 |
3 | 高光譜成像系統(tǒng)服務(wù)工作站（包含操作控制器及控制軟件） | 1套 | 標配 |
4 | 大功率適配器 | 1個 | 標配 |
7. ATH1500系列高光譜成像儀（其他擴展型號）
ATH1500系列 | 特征 | 主要應用領(lǐng)域 |
ATH1500 | 400-1000nm可見近紅外高光譜成像儀 | 精準農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、植被分析、種植面積評估、農(nóng)作物產(chǎn)量評估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測等 |
ATH1500-17 | 1.0~1.7μm短波紅外高光譜成像儀 | 半導體、工業(yè)分選、食品分選、建筑垃圾分選、肉類分選、塑料分選、地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)勘查、文物鑒定、司法鑒定、文檢 |
ATH1500-25 | 1.2~2.5μm短波紅外高光譜成像儀 | 精準農(nóng)業(yè)與食品分析、深色塑料分選、地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)勘查、工、文物鑒定、司法鑒定、文檢、含水量分析、藥品和材料分選、礦物填圖、醫(yī)學鑒定、廢品回收； |
ATH1500-50 | 2.5~5.0μm中波紅外高光譜成像儀 | 地質(zhì)勘察、工、氣體分析、VOCs巡查、水溫探測、土地覆蓋類型識別、、礦物分選、 |
ATH1500-12-50 | 1.2~5.0μm短波中波紅外高光譜成像儀 | 地質(zhì)勘察、工、氣體分析、VOCs巡查、水溫探測、土地覆蓋類型識別、、礦物分選、 |
ATH1500-04-17 | 0.4~1.7μm可見近紅外短波紅外高光譜成像儀 | 精準農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、植被分析、種植面積評估、農(nóng)作物產(chǎn)量評估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測等 |
ATH1500-04-25 | 0.4~2.5μm可見近紅外短波紅外高光譜成像儀 | 精準農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、植被分析、種植面積評估、農(nóng)作物產(chǎn)量評估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測等 |
8. 高光譜應用舉例
圖4 高光譜成像儀拍攝的數(shù)據(jù)立方
圖5 無人機掛載實驗示意圖
圖6 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景1
圖7 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景2
圖8 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景3
圖9 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景4
圖10 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景5
8.1.高光譜成像儀在工業(yè)分選的應用
隨著近紅外高光譜技術(shù)發(fā)展，JIANG 等嘗試采用近紅外高光譜技術(shù)檢測棉花中的雜質(zhì)，特別是短波近紅外高光譜技術(shù)的應用，使得塑料膜的檢出率相比常規(guī)方法有明顯的提高。高光譜成像技術(shù)是基于非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，樣本成像的同時能夠獲得樣本的圖像信息與光譜信息。常用的高光譜數(shù)據(jù)處理方法包括偏最小二乘法
(Partial least squares，PLS) 、支持向量機(Support vector machine，SVM) 和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial neural network，ANN) 。
圖11 高光譜成像儀在籽棉分選的應用；(a) 系統(tǒng)功能組成；(b) 不同物質(zhì)的反射光譜曲線
圖12 高光譜成像儀在籽棉分選的應用；(a) 人工標記；(b) 高光譜成像儀識別結(jié)果
蘋果的外部品質(zhì)是蘋果最直觀的品質(zhì)特征，直接影響蘋果的價格和消費者的偏愛。針對蘋果外部檢測的難點和關(guān)鍵點，基于機器視覺技術(shù)、高光譜成像技術(shù)和多光譜成像技術(shù)，綜合圖像處理技術(shù)、模式識別方法、化學計量學方法和光譜分析技術(shù)研究了蘋果外部物理品質(zhì)（形狀和尺寸）和表面常見缺陷的檢測方法?；谏鲜鲅芯康幕A(chǔ)上開發(fā)的檢測系統(tǒng)和算法為我國研發(fā)基于機器視覺技術(shù)和多光譜機器視覺技術(shù)的蘋果外部品質(zhì)快速在線檢測分級裝備奠定了基礎(chǔ)。
圖13 上海交大張保華博士研制的高光譜成像系統(tǒng)原理圖和實物圖；(a) 原理圖；(b)實物圖
圖14 蘋果表面早期損傷檢測算法流程圖
圖15 部分蘋果早期腐爛的識別結(jié)果以及中間處理過程 (a)腐爛分割結(jié)果 (b)最終結(jié)果
圖16 1000-2500 nm 高光譜成像儀在玉米種子分選上的應用（西北農(nóng)林大學王超鵬博士）
圖17 自然綠植、人工綠葉、綠色塑料、紅蘋果的光譜圖
8.2.高光譜成像技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應用
圖18 奧譜天成生產(chǎn)的無人機高光譜遙感系統(tǒng)
圖19 高光譜成像儀測綠色植物的光譜圖
1) 農(nóng)作物生長監(jiān)測和產(chǎn)量預估：農(nóng)作物在其生長發(fā)育的各個階段，由于外部因素的不同，其內(nèi)部組成及外部形態(tài)等都會存在一定的差別，最主要的差別是葉面積指數(shù)。葉面積指數(shù)是反映農(nóng)作物長勢的個體特征與群體特征的綜合指數(shù)。
2) 農(nóng)作物病蟲害防治：遙感技術(shù)能夠監(jiān)測病蟲害對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響，并跟蹤農(nóng)作物的生長發(fā)育狀況，分析估算災情損失，同時能夠監(jiān)測害蟲的分布及活動習性，進而能夠預防蟲害的發(fā)生。
3) 3 農(nóng)作物旱情監(jiān)測：遙感技術(shù)通過農(nóng)作物植被指數(shù)及冠層參數(shù)進而監(jiān)測農(nóng)作物旱情。
4) 土壤水分含量和分布監(jiān)測：在熱慣量條件不同的情況下，遙感光譜間的區(qū)別非常明顯，故可以通過建立熱慣量與土壤水分含量之間的數(shù)學模型，遙感技術(shù)利用該模型，進行分析土壤水分含量及分布
5) 農(nóng)作物養(yǎng)分監(jiān)測：遙感技術(shù)監(jiān)測到農(nóng)作物中氮元素含量的精度比監(jiān)測其它營養(yǎng)元素含量的精度高
利用 450～882 nm 范圍內(nèi)單波段和任意兩個波段構(gòu)建歸一化光譜指數(shù)（normalized difference spectral index，NDSI），比值光譜指數(shù)（ratio spectral index，RSI）和簡單光譜指數(shù)（simple spectral index，SSI），計算 CGI 與光譜指數(shù)的相關(guān)性，篩選出相關(guān)性好的光譜指數(shù)，結(jié)合偏最小二乘回歸（partial least squares regression，PLSR）建立反演模型。以 CGI 為指標，運用無人機高光譜影像對 2015 年小麥多生育期的長勢監(jiān)測。無人機高光譜影像反演 CGI 精度較高，能夠判斷出小麥總體的長勢差異，可為監(jiān)測小麥長勢提供參考。
圖20 小麥長勢指標 CGI 反演
8.3. 林木健康情況的應用
用于病蟲害監(jiān)測、森林資源評估
原理：植被健康狀況與綠度指數(shù)、葉面積指數(shù)、葉片水分含量和光利用效率有關(guān)；
圖21 基于無人機高光譜遙感的柑橘黃龍病植株的監(jiān)測與分類（華南農(nóng)業(yè)大學蘭玉彬等人設(shè)計）
圖22 電子科技大學王霜用高光譜成像儀研究的馬尾松健康程度分布圖
8.4. 高光譜成像儀在地質(zhì)勘探的應用
光譜遙感技術(shù)是由以 Landsat 為代表的多光譜遙感技術(shù)演化發(fā)展而成，于上世紀 80年代中期初步成型(Goets et al., 1985，童慶禧等，2006)。因其光譜分辨率高和圖譜合一的優(yōu)點，高光譜遙感技術(shù)具備從空間大尺度上精細探測和分析地表巖石礦物成分的能力。其不僅能提供地面宏觀影像，而且可在像元級別的細節(jié)上確定地質(zhì)體中礦物的種類和豐度、甚至某些礦物的化學成分等信息(等，2010)。近年來，隨著與成像光譜儀有關(guān)的硬件和數(shù)據(jù)處理方法及軟件的持續(xù)發(fā)展，高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域的應用得到了加速推廣。從大型成礦區(qū)帶到中型規(guī)模的礦田，高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)填圖、熱液蝕變帶的界定劃分、和礦化異常區(qū)的圈定和判別等方面，都起了重要作用(如 Bierwirth et al., 2002；連長云等，2005；Kruse et al, 2006；Cudahy et al., 2007；等，2010；劉德長等，2011；閆柏琨等，2014；楊自安等，2015；Graham et al., 2017)。隨著成礦系統(tǒng)理論(Wyborn et al., 1994)更深入地成為找礦實踐的指導思想，大型礦集區(qū)和成礦帶規(guī)模的專題性礦物填圖將為預測性找礦勘探提供關(guān)鍵的區(qū)域性物質(zhì)成分信息。
礦物填圖所用的光譜波長區(qū)間包括了可見光(400-700nm)、近紅外(700-1000nm)、短波紅外(1000-2500nm)、和熱紅外(7000-15000nm)。目前礦業(yè)應用的是短波紅外區(qū)域(1000-2500nm)。由于與礦物晶格中化學鍵振動的協(xié)頻和組合頻的頻率接近，在短波紅外波長范圍內(nèi)，可以觀測含水或含 OH-的礦物(主要為層狀硅酸鹽和粘土類)以及某些硫酸鹽和碳酸鹽類礦物。
圖23 高光譜成像儀在探礦方面的應用
土壤鹽漬化是干旱、半干旱區(qū)所面臨的重要生態(tài)環(huán)境問題之一，土壤鹽漬化引起的土壤板結(jié)、肥力下降、酸堿失衡、土地退化等后果，嚴重制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展，影響當前我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略大局。遙感技術(shù)因其尺度大、范圍廣、時效性強、經(jīng)濟性強等特點，很好的彌補了傳統(tǒng)鹽漬化現(xiàn)象監(jiān)測方法的不足，為定量監(jiān)測土壤鹽漬化現(xiàn)象提供了嶄新的途徑。
圖24 某鹽場周邊區(qū)域
8.5. 高光譜在公共安全方面的應用
圖25 高光譜成像儀在搜索非法種植方面的應用
圖26 高光譜成像儀在文檢方面的應用
8.6. 科研顯微成像光譜應用
應用目標：腫瘤手術(shù)術(shù)中在線檢測及導航定位
圖27 科研顯微成像光譜儀光路示意圖
圖中所示是科研顯微成像光譜儀的原理示意圖，上的待測目標經(jīng)物鏡、顯微透鏡組后分為三路，一路供主刀醫(yī)生目視觀測，一路供助手輔助目視觀測，一路由成像光譜儀探測接收，成像光譜儀由電機帶動對待測目標進行空間維掃描，得到待測目標的成像光譜信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)分析圖像處理后，通過顯示器顯示給醫(yī)生。
圖28 科研顯微成像光譜儀實物圖
圖29 科研顯微成像光譜儀數(shù)據(jù)
8.7. 機載成像光譜應用
圖30 奧譜天成的無人機高光譜成像系統(tǒng)
應用目標：機載遙感
應用簡介：圖中所示是機載成像光譜儀，該儀器由高光譜成像儀、穩(wěn)定平臺及POS模塊組成。圖 30、圖 31所示是獲取的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過幾何校正、航帶拼接及輻射校正之后的偽彩圖像，圖 31所示為典型地物的光譜曲線。
圖31 機載遙感應用
圖32 機載應用數(shù)據(jù)-偽彩圖像
圖33 機載應用數(shù)據(jù)-光譜曲線
圖34 森林遙感，機載高光譜觀測森林病蟲害
8.8. 高光譜成像儀在水質(zhì)與環(huán)保方面的應用
圖35 高光譜數(shù)據(jù)的反演算法流程
圖36 (a) 太湖總磷濃度空間分布圖，總磷濃度空間差異明顯，值為 0.38mg/L，值為 0.06mg/L；(b) 不同湖區(qū)的總磷濃度月變化規(guī)律，湖區(qū)也基本上在 6 月至 9 月之間達到總磷濃度的值。竺山灣、梅梁灣及太湖西岸的總磷濃度在一年中的 3 月至 10 月期間高于全湖濃度均值，并明顯大于太湖的其余區(qū)域，貢湖灣只有在 6 月份的時候大于全湖的總磷濃度，太湖南岸和大太湖總磷濃度全年相對較低。
圖37 高光譜拍攝的粵東柘林灣溶解氧和葉綠素濃度分布圖
