ATH8500_實(shí)驗室用高光譜成像儀

總體描述：

ATH8500是一款全新的、經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計的、具有突破性特點(diǎn)的實(shí)驗室用高光譜成像系統，它具有高分辨率、高清、高質(zhì)量等特點(diǎn)，由高光譜成像儀、平掃結構、光源、成像相機、數據處理工作站等組成。它是采用多功能機箱、高穩定性實(shí)驗平臺，并內置高穩定性光源、不同波長(cháng)范圍高光譜成像儀、高清晰可見(jiàn)光相機、防抖線(xiàn)性平動(dòng)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)量的高光譜數據，特別適合實(shí)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(diǎn)。

實(shí)驗室高光譜系統由高光譜成像儀、線(xiàn)光源、高清相機、樣品臺、調焦裝置和標準白板組成。線(xiàn)光源與高光譜成像儀線(xiàn)視場(chǎng)共線(xiàn)，通過(guò)樣品臺的平移實(shí)現數據采集。高清相機拍攝樣品臺零位全局高清圖片用于與高光譜數據進(jìn)行圖像融合彌補其空間分辨率不足的缺點(diǎn)。標準白板用于在空間和時(shí)間雙重尺度上進(jìn)行反射率校正，提高數據反演精度。企業(yè)的實(shí)驗研究設備。

ATH8500將高光譜成像技術(shù)與高清拍照技術(shù)相結合，所采集數據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?？梢詰糜谖镔|(zhì)分選（煙草、藥品、食品、礦石等）、刑偵文檢、真偽鑒定等領(lǐng)域。

特征：

l 波段范圍：400~5300nm（多段可選）

l 空間波段數：2048X2048（每個(gè)型號不同）

l 光譜波段數：1088（每個(gè)型號不同）

l 超群的成像性能

l 數據格式兼容ENVI；

l 體積緊湊：162cm x 80cm x 60cm；

l 重量輕：60 Kg（每個(gè)型號不同）；

l 內置智能校準白版

l 多種消雜散光設計，成像質(zhì)量高；

l 高清可見(jiàn)光相機，可進(jìn)行圖像融合；

l 可靠性高；

應用領(lǐng)域：

l 藝術(shù)品和古畫(huà)

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(huà)的復制

l 礦物質(zhì)的篩查

l 司法鑒定：文檢鑒定

l 農業(yè)：樹(shù)葉、煙葉掃描

l 文物掃描修復，壁畫(huà)修復

1. 選型指南

2. 實(shí)驗室高光譜工作原理

ATH8500實(shí)驗室高光譜成像分析系統，由高光譜成像儀、平掃結構、光源、成像相機、數據處理工作站等組成。它是采用多功能機箱、高穩定性實(shí)驗平臺，并內置高穩定性光源、不同波長(cháng)范圍高光譜成像儀、高清晰可見(jiàn)光相機、防抖線(xiàn)性平動(dòng)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)量的高光譜數據，特別適合實(shí)驗室高光譜掃描適用。

      4. ATH8500 的設計細節圖

   l 時(shí)空輻射強度校正，顯著(zhù)提高輻射標定精度

圖2 ATH8500內的載物臺，樣品放置于該臺面上

   l 光源設計，匹配線(xiàn)視場(chǎng)，提高光能利用率

l 輔助對焦，據樣品厚度調節升降以保證成像清晰度

l 自動(dòng)積分時(shí)間推薦，根據樣品反射率推薦曝光時(shí)間

l 自動(dòng)掃描，自動(dòng)完成數據采集

   l 集成高清相機，提高空間分辨率，海量數據下便于按圖索驥

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：

7. ATH1500系列高光譜成像儀（其他擴展型號）

8. 高光譜應用舉例

圖4 高光譜成像儀拍攝的數據立方

圖5 無(wú)人機掛載實(shí)驗示意圖

圖6 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗場(chǎng)景1

圖7 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗場(chǎng)景2

圖8 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗場(chǎng)景3

圖9 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗場(chǎng)景4

圖10 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗場(chǎng)景5

   8.1.高光譜成像儀在工業(yè)分選的應用

隨著(zhù)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據技術(shù)，樣本成像的同時(shí)能夠獲得樣本的圖像信息與光譜信息。常用的高光譜數據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) 系統功能組成；(b) 不同物質(zhì)的反射光譜曲線(xiàn)

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果

蘋(píng)果的外部品質(zhì)是蘋(píng)果最直觀(guān)的品質(zhì)特征，直接影響蘋(píng)果的價(jià)格和消費者的偏愛(ài)。針對蘋(píng)果外部檢測的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，基于機器視覺(jué)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(xué)計量學(xué)方法和光譜分析技術(shù)研究了蘋(píng)果外部物理品質(zhì)（形狀和尺寸）和表面常見(jiàn)缺陷的檢測方法?；谏鲜鲅芯康幕A上開(kāi)發(fā)的檢測系統和算法為我國研發(fā)基于機器視覺(jué)技術(shù)和多光譜機器視覺(jué)技術(shù)的蘋(píng)果外部品質(zhì)快速在線(xiàn)檢測分級裝備奠定了基礎。

圖13 上海交大張保華博士研制的高光譜成像系統原理圖和實(shí)物圖；(a) 原理圖；(b)實(shí)物圖

圖14 蘋(píng)果表面早期損傷檢測算法流程圖

圖15 部分蘋(píng)果早期腐爛的識別結果以及中間處理過(guò)程   (a)腐爛分割結果   (b)最終結果

圖16   1000-2500 nm 高光譜成像儀在玉米種子分選上的應用（西北農林大學(xué)王超鵬博士）

圖17 自然綠植、人工綠葉、綠色塑料、紅蘋(píng)果的光譜圖

   8.2.高光譜成像技術(shù)在精準農業(yè)中的應用

圖18 奧譜天成生產(chǎn)的無(wú)人機高光譜遙感系統

圖19 高光譜成像儀測綠色植物的光譜圖

1) 農作物生長(cháng)監測和產(chǎn)量預估：農作物在其生長(cháng)發(fā)育的各個(gè)階段，由于外部因素的不同，其內部組成及外部形態(tài)等都會(huì )存在一定的差別，最主要的差別是葉面積指數。葉面積指數是反映農作物長(cháng)勢的個(gè)體特征與群體特征的綜合指數。

2) 農作物病蟲(chóng)害防治：遙感技術(shù)能夠監測病蟲(chóng)害對農作物生長(cháng)發(fā)育的影響，并跟蹤農作物的生長(cháng)發(fā)育狀況，分析估算災情損失，同時(shí)能夠監測害蟲(chóng)的分布及活動(dòng)習性，進(jìn)而能夠預防蟲(chóng)害的發(fā)生。

3) 3 農作物旱情監測：遙感技術(shù)通過(guò)農作物植被指數及冠層參數進(jìn)而監測農作物旱情。

4) 土壤水分含量和分布監測：在熱慣量條件不同的情況下，遙感光譜間的區別非常明顯，故可以通過(guò)建立熱慣量與土壤水分含量之間的數學(xué)模型，遙感技術(shù)利用該模型，進(jìn)行分析土壤水分含量及分布

5) 農作物養分監測：遙感技術(shù)監測到農作物中氮元素含量的精度比監測其它營(yíng)養元素含量的精度高

利用 450～882 nm 范圍內單波段和任意兩個(gè)波段構建歸一化光譜指數（normalized difference spectral index，NDSI），比值光譜指數（ratio spectral index，RSI）和簡(jiǎn)單光譜指數（simple spectral index，SSI），計算 CGI 與光譜指數的相關(guān)性，篩選出相關(guān)性好的光譜指數，結合偏最小二乘回歸（partial least squares regression，PLSR）建立反演模型。以 CGI 為指標，運用無(wú)人機高光譜影像對 2015 年小麥多生育期的長(cháng)勢監測。無(wú)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(cháng)勢差異，可為監測小麥長(cháng)勢提供參考。

圖20 小麥長(cháng)勢指標 CGI 反演

8.3. 林木健康情況的應用

用于病蟲(chóng)害監測、森林資源評估

原理：植被健康狀況與綠度指數、葉面積指數、葉片水分含量和光利用效率有關(guān)；

圖21 基于無(wú)人機高光譜遙感的柑橘黃龍病植株的監測與分類(lèi)（華南農業(yè)大學(xué)蘭玉彬等人設計）

圖22 電子科技大學(xué)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(diǎn)，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(guān)影像，而且可在像元級別的細節上確定地質(zhì)體中礦物的種類(lèi)和豐度、甚至某些礦物的化學(xué)成分等信息(等，2010)。近年來(lái)，隨著(zhù)與成像光譜儀有關(guān)的硬件和數據處理方法及軟件的持續發(fā)展，高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)調查領(lǐng)域的應用得到了加速推廣。從大型成礦區帶到中型規模的礦田，高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)填圖、熱液蝕變帶的界定劃分、和礦化異常區的圈定和判別等方面，都起了重要作用(如 Bierwirth et al., 2002；連長(cháng)云等，2005；Kruse et al, 2006；Cudahy et al., 2007；等，2010；劉德長(cháng)等，2011；閆柏琨等，2014；楊自安等，2015；Graham et al., 2017)。隨著(zhù)成礦系統理論(Wyborn et al., 1994)更深入地成為找礦實(shí)踐的指導思想，大型礦集區和成礦帶規模的專(zhuān)題性礦物填圖將為預測性找礦勘探提供關(guān)鍵的區域性物質(zhì)成分信息。

礦物填圖所用的光譜波長(cháng)區間包括了可見(jiàn)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域(1000-2500nm)。由于與礦物晶格中化學(xué)鍵振動(dòng)的協(xié)頻和組合頻的頻率接近，在短波紅外波長(cháng)范圍內，可以觀(guān)測含水或含 OH-的礦物(主要為層狀硅酸鹽和粘土類(lèi))以及某些硫酸鹽和碳酸鹽類(lèi)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、半干旱區所面臨的重要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，土壤鹽漬化引起的土壤板結、肥力下降、酸堿失衡、土地退化等后果，嚴重制約我國農業(yè)發(fā)展，影響當前我國可持續發(fā)展的戰略大局。遙感技術(shù)因其尺度大、范圍廣、時(shí)效性強、經(jīng)濟性強等特點(diǎn)，很好的彌補了傳統鹽漬化現象監測方法的不足，為定量監測土壤鹽漬化現象提供了嶄新的途徑。

圖24 某鹽場(chǎng)周邊區域

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(xiàn)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，一路供主刀醫生目視觀(guān)測，一路供助手輔助目視觀(guān)測，一路由成像光譜儀探測接收，成像光譜儀由電機帶動(dòng)對待測目標進(jìn)行空間維掃描，得到待測目標的成像光譜信息，再經(jīng)數據分析圖像處理后，通過(guò)顯示器顯示給醫生。

圖28 科研顯微成像光譜儀實(shí)物圖

圖29 科研顯微成像光譜儀數據

8.7. 機載成像光譜應用

圖30 奧譜天成的無(wú)人機高光譜成像系統

應用目標：機載遙感

應用簡(jiǎn)介：圖中所示是機載成像光譜儀，該儀器由高光譜成像儀、穩定平臺及POS模塊組成。圖 30、圖 31所示是獲取的數據，并經(jīng)過(guò)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(xiàn)。

圖31 機載遙感應用

圖32 機載應用數據-偽彩圖像

圖33 機載應用數據-光譜曲線(xiàn)

圖34 森林遙感，機載高光譜觀(guān)測森林病蟲(chóng)害

8.8. 高光譜成像儀在水質(zhì)與環(huán)保方面的應用

圖35 高光譜數據的反演算法流程

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) 不同湖區的總磷濃度月變化規律，湖區也基本上在 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域，貢湖灣只有在 6 月份的時(shí)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