光譜(pu)成像(xiang)技術(shu)及(ji)其(qi)應用(yong)

高光譜(pu)成像(xiang)

葉綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)

紅(hong)外熱(re)成(cheng)像

壹(yi)、Specim高(gao)光譜(pu)成像(xiang)技術(shu)

    芬蘭(lan)Specim公(gong)司(si)，高光譜(pu)成像(xiang)技術(shu)的者(zhe)，其(qi)產品(pin)技術(shu)涵(han)蓋(gai)可見光-近紅(hong)外（VNIR）、短(duan)波紅(hong)外（SWIR）、中(zhong)波紅(hong)外（MWIR）及(ji)長(chang)波紅(hong)外LWIR高(gao)光譜(pu)成像(xiang)，廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)植(zhi)物/作(zuo)物(wu)科(ke)學、農業科學、中藥(yao)學(xue)、地(di)質地(di)球科學(xue)、生態(tai)與環(huan)境(jing)科學(xue)及工(gong)業領域等(deng)。

• 植(zhi)物/作(zuo)物(wu)表(biao)型組學(xue)研(yan)究(jiu)分(fen)析
• 作(zuo)物(wu)育(yu)種與種子(zi)品質檢測(ce)
• 食(shi)品(pin)檢測(ce)
• 植(zhi)物(wu)/作(zuo)物(wu)脅(xie)迫(po)生理(li)響應(ying)
• 作(zuo)物(wu)病(bing)理學(xue)分(fen)析與病(bing)原檢測(ce)
• 中(zhong)藥(yao)成分(fen)分(fen)析與品(pin)質檢測(ce)

1.Specim IQ 手(shou)持式(shi)VNIR高(gao)光譜(pu)成像(xiang)儀(yi)

    IQ手(shou)持式(shi)高(gao)光譜(pu)成像(xiang)儀(yi)是Specim於(yu)2017年研制生產的輕(qing)便(bian)型高光譜(pu)成像(xiang)儀(yi)，集(ji)高(gao)光譜(pu)數(shu)據(ju)采集(ji)、數(shu)據(ju)處(chu)理(li)和處(chu)理(li)結果可視化於(yu)壹(yi)體，壹(yi)經(jing)問世(shi)即(ji)引(yin)起(qi)的關(guan)註(zhu)，並榮獲(huo)德國(guo)設(she)計(ji)協(xie)會(hui)“紅(hong)點設(she)計(ji)獎”——*的工(gong)業設(she)計(ji)獎項(xiang)、連續兩年獲得(de)“inVISION創(chuang)意獎”（inVISION Top Innovations 2018 award）。IQ同時(shi)在(zai)相機(ji)中(zhong)直接集(ji)成(cheng)了操(cao)作(zuo)控(kong)制系統，通過相機(ji)自(zi)帶的觸(chu)摸屏(ping)就(jiu)可(ke)實(shi)時(shi)實(shi)現(xian)基(ji)本(ben)數(shu)據(ju)的采集(ji)和(he)分(fen)析過程，實(shi)現(xian)智(zhi)能(neng)化(hua)操(cao)作(zuo)，克服(fu)了市(shi)場上高光譜(pu)相機(ji)操(cao)作(zuo)復(fu)雜(za)、使(shi)用不便(bian)等(deng)缺點。

主(zhu)要(yao)技術(shu)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)：

1) 機身小巧(qiao)輕(qing)便，只(zhi)有(you)1.3kg，實(shi)現(xian)輕(qing)松(song)手(shou)持操作(zuo)；

2) 具備光譜(pu)和(he)取(qu)景(jing)器(qi)雙(shuang)鏡頭(tou)

3) 壹體式(shi)設(she)計(ji)，內(nei)置自動(dong)推(tui)掃、數(shu)據(ju)采集(ji)處(chu)理(li)、操作(zuo)系統、觸(chu)摸屏(ping)及操(cao)作(zuo)鍵(jian)、GPS等(deng)

4) 現場實(shi)時(shi)快速(su)檢測(ce)、全自(zi)動(dong)智(zhi)能(neng)分(fen)析、高質量(liang)光譜(pu)大(da)數(shu)據(ju)

5) 波段範圍400-1000nm，7nm光譜(pu)分(fen)辨率，204個波段

6) 圖像分(fen)辨率512x512像(xiang)素，像素大(da)小(xiao)17.58um

7) 視(shi)野31度，物距(ju)15cm至無(wu)窮(qiong)遠，1m視野55x55cm

8) 數(shu)據(ju)格(ge)式(shi)：Specim數(shu)據(ju)集(ji)，與ENVI等(deng)兼(jian)容

9) 32GB SD存儲(chu)卡，可(ke)通(tong)過USB輸出

10) 5200mAh鋰(li)電電池(chi)

11) 防護級別(bie)：IP5x，可選配防護外套(tao)

應(ying)用(yong)案(an)例：

    Specim公(gong)司(si)與德(de)國(guo)波恩大(da)學(xue)等(deng)機(ji)構合作(zuo)，利用Specim IQ高光譜(pu)成像(xiang)儀(yi)，對作(zuo)物(wu)病(bing)害與表(biao)型進(jin)行了研(yan)究(jiu)分(fen)析，並發表(biao)論(lun)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(qing)便(bian)型(xing)高光譜(pu)成像(xiang)儀(yi)

    FX10/FX17高(gao)光譜(pu)成像(xiang)儀(yi)為Specim 2016年研制生產，是世(shi)界上成像(xiang)速(su)度快的輕(qing)便(bian)型高光譜(pu)成像(xiang)儀(yi)，涵蓋(gai)400-1000nm（FX10）和900-1700nm（FX17）兩(liang)個波段，2017年被(bei)inVISION雜(za)誌評(ping)為(wei)“機器(qi)視(shi)覺創(chuang)新獎”。

    SPECIM FX10&FX17高(gao)光譜(pu)成像(xiang)系統將可(ke)見光近紅(hong)外（VNIR或(huo)NIR）光譜(pu)與高(gao)分(fen)辨率成(cheng)像(xiang)相結合，采用推(tui)掃式(shi)（pushbroom）成(cheng)像(xiang)技術(shu)對運動(dong)的樣(yang)品(pin)或(huo)在(zai)運動(dong)中(zhong)對靜(jing)止的樣(yang)品(pin)進(jin)行逐線全波段光譜(pu)采集(ji)並同步生(sheng)成圖(tu)像(xiang)，獲(huo)取(qu)樣(yang)品(pin)化(hua)學成分(fen)的量(liang)化(hua)數(shu)據(ju)以(yi)及(ji)空間(jian)分(fen)布(bu)等(deng)詳(xiang)細信息，圖像中每(mei)壹象(xiang)素都(dou)記錄(lu)了其(qi)對應樣品點的化(hua)學(xue)組成、質量(liang)、顏色等(deng)信息的光譜(pu)特征(zheng)，用於(yu)對樣品進(jin)行定性、定(ding)量(liang)分(fen)析。 

功能(neng)特點：

1) 擁有(you)GigE Vision和CameraLink兩(liang)種接口選擇，配置軟件開(kai)發(fa)包(bao)，滿足用(yong)戶的多(duo)樣化(hua)需(xu)求(qiu)

2) 線陣推(tui)掃成(cheng)像方式(shi)，在(zai)具有(you)高速(su)成(cheng)像的同時(shi)，同壹時(shi)間(jian)獲得(de)目(mu)標(biao)區(qu)域(yu)的所(suo)有(you)光譜(pu)信息數(shu)據(ju)，保證(zheng)每(mei)壹個空間(jian)像素的光譜(pu)純潔(jie)度，為客(ke)戶(hu)提(ti)供更加(jia)真實(shi)準確的高(gao)光譜(pu)數(shu)據(ju)

3) 采用高(gao)透(tou)光率(lv)的光學(xue)設(she)計(ji)（F/1.7），把(ba)相機(ji)的聚(ju)光能(neng)力(li)提(ti)升(sheng)到了壹(yi)個嶄新的標(biao)準，並且(qie)只需(xu)要(yao)壹個線光源(yuan)就(jiu)可(ke)滿足設(she)備(bei)需求(qiu)

4) 經過實(shi)驗(yan)室(shi)統壹進(jin)行波長標(biao)定(ding)，保障(zhang)每(mei)臺(tai)設(she)備(bei)都(dou)可產生(sheng)相同的可(ke)重(zhong)復(fu)光譜(pu)數(shu)據(ju)，方便安(an)裝(zhuang)和替換，無(wu)需(xu)返(fan)廠(chang)再(zai)次(ci)標定(ding)

5) 高(gao)靈敏度快速(su)光學(xue)結構，成(cheng)像(xiang)速(su)度快，全譜(pu)段采集(ji)速(su)度為330行/秒

6) 采集(ji)方式(shi)靈(ling)活(huo)，具(ju)備多(duo)區域(yu)選擇功能(neng)（MRO），波段可選，既可(ke)選擇采集(ji)全部220波段，也可(ke)選擇感(gan)興(xing)趣的任(ren)壹(yi)波段

7) 結構緊(jin)湊(cou)小(xiao)巧，操作(zuo)簡(jian)便(bian)

8) 高速(su)成(cheng)像、高信噪(zao)比(bi)

9) 可(ke)選配不同掃描(miao)平(ping)臺(tai)對植物、種子(zi)等(deng)進(jin)行高光譜(pu)掃描(miao)成像(xiang)分(fen)析，包(bao)括(kuo)旋(xuan)轉式(shi)掃描(miao)支(zhi)架(jia)、實(shi)驗(yan)室(shi)掃描(miao)平(ping)臺(tai)（有(you)40x20cm和(he)100x50cm兩種規(gui)格(ge)）等(deng) 

主(zhu)要(yao)技術(shu)指(zhi)標：

3. sisuCHEMA高(gao)光譜(pu)成像(xiang)分(fen)析系統

    sisuCHEMA高光譜(pu)成像(xiang)分(fen)析系統是壹(yi)套(tao)完(wan)整(zheng)的高(gao)光譜(pu)成像(xiang)分(fen)析工(gong)作(zuo)站，整(zheng)合(he)了VNIR至(zhi)SWIR高光譜(pu)成像(xiang)技術(shu)、自(zi)動(dong)掃描(miao)技術(shu)及(ji)高光譜(pu)物質分(fen)析技術(shu)（軟件），使(shi)用者只(zhi)需(xu)要(yao)將放(fang)置(zhi)在(zai)樣品(pin)盤中(zhong)的待(dai)檢樣品置於(yu)推(tui)掃臺(tai)上，即可(ke)通過軟件進(jin)行掃描(miao)控制，實(shi)時(shi)進(jin)行光譜(pu)二維影像信息的獲(huo)取(qu)和(he)保存(cun)，可(ke)同時(shi)對大(da)量(liang)的樣(yang)品(pin)或(huo)不同形(xing)狀(zhuang)的樣(yang)品(pin)進(jin)行光譜(pu)成像(xiang)測(ce)量(liang)分(fen)析，包(bao)括(kuo)組(zu)成成分(fen)/化學組(zu)成(cheng)量化數(shu)據(ju)及(ji)其(qi)分(fen)布(bu)信息等(deng)，樣(yang)品大(da)為(wei)200x300x45mm，對10mm以下(xia)樣品(pin)其(qi)分(fen)辨率可(ke)達(da)30 μm。

• 植物表(biao)型組學(xue)研(yan)究(jiu)分(fen)析
• 蛋(dan)白(bai)組學(xue)研究(jiu)分(fen)析
• 代(dai)謝組學(xue)研究(jiu)分(fen)析
• 藻類表(biao)型研究(jiu)分(fen)析
• 種子(zi)品質檢測(ce)、活(huo)力(li)檢測(ce)
• 植(zhi)物(wu)病理、病原檢測(ce)
• 中(zhong)草(cao)藥檢測(ce)研(yan)究(jiu)
• 根系分(fen)析
• 食(shi)品檢測(ce)分(fen)析
• 海(hai)洋(yang)科(ke)學(xue)研(yan)究(jiu)

主(zhu)要(yao)技術(shu)指(zhi)標：

應(ying)用(yong)案(an)例：

    Priscila S.R.Aries、Everaldo P. Medeiros等(deng)利用近紅(hong)外sisuCHEMA高(gao)光譜(pu)成像(xiang)分(fen)析系統（波段範圍(wei)1000-2500nm），對棉花炭疽(ju)病(bing)等(deng)病(bing)原進(jin)行了研(yan)究(jiu)，論(lun)文發(fa)表(biao)在(zai)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(deng)，利用sisuCHEMA高光譜(pu)成像(xiang)分(fen)析技術(shu)，對不同品種人(ren)參(can)進(jin)行了定(ding)性分(fen)析研究(jiu)，認(ren)為(wei)是壹(yi)種簡單快速(su)非(fei)損傷性(xing)鑒定檢測(ce)技術(shu)。論(lun)文發(fa)表(biao)在(zai)2016年Molecules（The Application of Vibrational Spectroscopy Techniques in the Qualitative Assessment of Material Traded as Ginseng）

    Paul J.Williams等(deng)利用sisuCHEMA高光譜(pu)成像(xiang)技術(shu)，對鐮(lian)刀黴(mei)屬生長(chang)特性及(ji)其(qi)品種差異進(jin)行了研(yan)究(jiu)，論(lun)文發(fa)表(biao)在(zai)2012年Anal Bioanal Chem.上（Near-infrared (NIR) hyperspectral imaging and m*riate image analysis to study growth characteristics and differences between species and strains of members of the genus Fusarium）。

二(er)、FluorCam葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)技術(shu)

    PSI公(gong)司(si)科學家(jia)Nedbal教授(shou)與公(gong)司(si)總(zong)裁Trtilek博士(shi)等(deng)將PAM葉(ye)綠(lv)素熒光技術(shu)與CCD技術(shu)結合在(zai)壹起(qi)，研制成功了FluorCam葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)技術(shu)（Nedbal等(deng)，2000），並於(yu)1997年為美(mei)國(guo)華(hua)盛頓大(da)學(xue)提(ti)供了臺(tai)商(shang)業FluorCam系統。FluorCam葉綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)技術(shu)成(cheng)為上世紀(ji)90年代(dai)葉綠(lv)素熒光技術(shu)的重(zhong)要(yao)突破，使(shi)科學家(jia)們對光合(he)作(zuo)用(yong)與葉(ye)綠(lv)素熒光的研(yan)究(jiu)壹下(xia)子(zi)進(jin)入(ru)二(er)維世界(jie)，並成為(wei)現代(dai)基(ji)因(yin)組學、表(biao)型組學(xue)及(ji)遺(yi)傳(chuan)育(yu)種研究(jiu)的有(you)力(li)工(gong)具。（詳(xiang)細介(jie)紹(shao)參(can)見“FluorCam葉綠(lv)素熒光技術(shu)及(ji)其(qi)應用(yong)”）

易科(ke)泰生(sheng)態(tai)技術(shu)公(gong)司(si)提供全面葉綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)技術(shu)方案(an)：

• FKM葉(ye)綠(lv)素熒光動(dong)態(tai)顯微成像(xiang)與光譜(pu)分(fen)析系統——細胞與亞(ya)細(xi)胞水(shui)平(ping)葉(ye)綠(lv)素熒光與多(duo)光譜(pu)熒光動(dong)態(tai)成像（參(can)見上圖）
• FluorCam便(bian)攜(xie)式(shi)葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)系統——野外(wai)便(bian)攜(xie)式(shi)葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)分(fen)析的選擇
• FluorCam封閉(bi)式(shi)葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)系統——植物生(sheng)理生態(tai)研(yan)究(jiu)、臺(tai)式(shi)高(gao)通(tong)量(liang)表(biao)型分(fen)析
• FluorCam模塊(kuai)式(shi)葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)系統——有13x13cm標準版和20x20大(da)型(xing)版，可選配多(duo)激發(fa)光多(duo)光譜(pu)熒光成(cheng)像(xiang)
• FluorCam大(da)型(xing)版葉綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)平(ping)臺(tai)，有(you)實(shi)驗(yan)室(shi)版和野外(wai)版供選配，成像(xiang)面積(ji)35x35cm
• FluorCam多(duo)光譜(pu)熒光成(cheng)像(xiang)技術(shu)方案(an)
• FluorCam樣(yang)帶掃描(miao)式(shi)葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)系統
• FluorCam光合(he)聯(lian)用葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)系統
• FluorCam葉(ye)綠(lv)素熒光與高(gao)光譜(pu)成像(xiang)聯(lian)用(yong)系統
• FluorCam葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)與紅(hong)外熱(re)成(cheng)像聯(lian)用系統

三(san)、紅(hong)外熱(re)成(cheng)像技術(shu)

    所有(you)高於(yu)零度（-273攝氏(shi)度）的物(wu)體(ti)都(dou)會(hui)發(fa)出(chu)紅(hong)外輻(fu)射(she)（熱(re)量(liang)），這(zhe)種輻(fu)射(she)熱(re)可(ke)以用(yong)紅(hong)外輻(fu)射(she)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)到，如(ru)易科(ke)泰生(sheng)態(tai)技術(shu)公(gong)司(si)提供的Spectra-Thermo光譜(pu)與熱(re)輻(fu)射(she)監測(ce)系統，可以用(yong)於(yu)監(jian)測(ce)光合(he)有(you)效輻(fu)射(she)、NDVI/PRI及葉(ye)片、冠層、樹(shu)幹等(deng)的溫度。

    紅(hong)外熱(re)成(cheng)像則可(ke)以對視野內(nei)物體發出的紅(hong)外輻(fu)射(she)熱(re)進(jin)行成像（參(can)見上右圖(tu)），使(shi)物體表(biao)面溫度分(fen)布(bu)可視化(hua)（壹(yi)般(ban)用(yong)偽彩(cai)顯示二維溫度變(bian)化(hua)）。

易科(ke)泰生(sheng)態(tai)技術(shu)公(gong)司(si)為植物科學研究(jiu)提供紅(hong)外熱(re)成(cheng)像測(ce)量(liang)分(fen)析全面解決(jue)方案(an)：

• 科(ke)研級(ji)紅(hong)外熱(re)成(cheng)像，多(duo)點黑(hei)體和(he)環(huan)境(jing)溫度校準並具備(bei)校準證(zheng)書，保障(zhang)每(mei)個像素都(dou)給出(chu)的溫度值
• 波段7.5-13.5μm，分(fen)辨率640x512像(xiang)素，溫度靈敏度可達(da)0.03攝氏(shi)度（30mk）
• 強(qiang)大(da)的軟件分(fen)析功能(neng)，可(ke)即(ji)時(shi)顯示任(ren)意點的點(dian)溫、線(xian)性(xing)範圍(wei)溫度分(fen)布(bu)曲線、任(ren)意區域範圍(wei)平(ping)均溫度及大(da)小(xiao)溫度、溫度分(fen)布(bu)頻(pin)率(lv)直方圖、3D溫度分(fen)布(bu)等(deng)等(deng)
• 手(shou)持式(shi)、在(zai)線式(shi)、固(gu)定監(jian)測(ce)式(shi)等(deng)不(bu)同選配方案(an)
• 紅(hong)外熱(re)成(cheng)像與葉(ye)綠(lv)素熒光成(cheng)像(xiang)技術(shu)集(ji)成(cheng)方案(an)
• 紅(hong)外熱(re)成(cheng)像與高(gao)光譜(pu)成像(xiang)技術(shu)集(ji)成(cheng)方案(an)
• 紅(hong)外熱(re)成(cheng)像與RGB融(rong)合(he)成像(xiang)分(fen)析技術(shu)方案(an)
• 無(wu)人(ren)機紅(hong)外熱(re)成(cheng)像遙(yao)感(gan)技術(shu)方案(an)
• 應(ying)用於(yu)植(zhi)物氣(qi)孔導(dao)度研究(jiu)、植物(wu)脅(xie)迫(po)特別(bie)是幹旱(han)脅迫(po)成像(xiang)分(fen)析研究(jiu)等(deng)

左(zuo)圖：野外(wai)紅(hong)外熱(re)成(cheng)像監(jian)測(ce)；右(you)圖(tu)：稻(dao)田幹旱(han)脅迫(po)紅(hong)外熱(re)成(cheng)像分(fen)析研究(jiu)

左(zuo)圖(tu)：小麥抗旱(han)性監(jian)測(ce)；右(you)圖(tu)：無(wu)人(ren)機紅(hong)外熱(re)成(cheng)像遙(yao)感(gan)監(jian)測(ce)作(zuo)物(wu)幹旱(han)脅迫(po)