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高光谱技术厉害在哪些方面?

发布时间:2023-08-07
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利用高光谱技术能提取古画的颜料信息,推算颜料产地,从而能在修复时精准选用颜料。

高光谱技术厉害在哪些方面?

看过纪录片《我在故宫修文物》的观众或许会对如下场景有印象:技术人员用一台仪器扫描古字画,扫描信息经过专业处理后,文物修复专家就能发现字画上肉眼看不见的信息,甚至还能分析出绘画技法和当时用的颜料。


这款神奇的设备正是由中科院遥感与数字地球研究所(以下简称中科院遥感地球所)所研制出的高光谱扫描仪。高光谱遥感为何有如此的超能力?除文物检测修复外还有哪些应用?我国在高光谱遥感领域的研发水平又如何?


利用高光谱技术能提取古画的颜料信息,推算颜料产地,从而能在修复时精准选用颜料


人们日常生活中所见的光,是由多种颜色构成的复色光,通过棱镜等分光后显现的是单色光。光谱是由按照不同的波长(或频率)大小依次排列形成的一组单色光所组成的图案。

光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式,地球上不同的元素及其化合物都有自己独特的光谱特征,光谱因此被视为辨别物质的“指纹”。肉眼光学成像能够观察并获取物质的形状、尺寸等信息,而光谱分析则可以获得物质的成分信息。


要获取更丰富、精细的物质成分信息,除了提升分光系统性能外,还可以改进分光方法、呈现方式等——高光谱遥感就是这样一种思路。中国科学院遥感地球科学研究所的高光谱遥感研究室主任张主任指出,高光谱遥感具有一些特点。首先,它能够在可见光到短波红外的光谱范围内进行连续成像。相比之下,传统彩色相机只能记录红、绿、蓝这三个通道的图像。而且,每个通道的带宽都很宽。而高光谱成像可以记录数百个通道的影像,而且光谱通道很窄,分辨率很高。高光谱遥感的光谱探测范围远远超过了人眼的感知范围,能够探测到人眼无法察觉的大量信息,从而提高人们对自然和物质的了解。

因为能在非常窄的光谱波段内获取丰富的信息,利用高光谱技术获取的信息分辨率很高,甚至能分辨出观测物质的分子和原子结构,这是普通的光学遥感所达不到的。


如何运用高光谱技术鉴定、修复古字画?在中国科学院遥感地球科学研究所的高光谱实验室,张主任绘制了一幅图,并向记者解释了高光谱遥感成像的原理:高光谱仪器会扫描绘图表面,获取每个像素点的光谱数据;由于高光谱成像的连续特性,可以获取目标的数百个不同波长的图像;这些图像叠加在一起,形成一个三维空间中的图像立方体,其中每个像素对应的数百个数字图像的数值连接起来,就形成了一条光谱曲线。


“不同物质甚至不同年代的物质反映出的光谱信息也有差异,也就是有一条独属于它的‘指纹’光谱。如果两个物体的成分信息一致,得出来的曲线应该基本吻合;如果某一条曲线的局部有较大波动,就能推算出其中有异常。”张主任说。


以故宫藏品《崇庆皇太后八旬万寿图》为例,该画描绘的是乾隆皇帝的母亲崇庆皇太后八十大寿时现场祝寿的实景,历经250多年之后非常残破,绢面有缺损断裂,甚至还有霉迹。要想恢复原作风貌,修复该画时就要了解当时所用的颜料。中科院遥感地球所高光谱研究团队利用高光谱扫描仪对古画颜料进行了扫描,提取了古画颜料信息,由此推算出当初绘画所用矿物原料的种类。根据不同颜料产地光谱曲线的差异,科技人员甚至还能反推出颜料的产地——这就为修复选用精准颜料提供了依据。

张主任说,中国古书画所用材料,大多为绢和纸,质地纤薄,年代久远容易破损、掉色。高光谱分析技术不损害文物本体,能帮助修复专家了解古书画的颜料组成、绘画技法,甚至能及早发现书画潜在的病害信息。


借助高光谱技术可检测果蔬农药残留,未来还可能随时检测雾霾


高光谱这双“火眼金睛”的本领可不仅仅是帮助鉴定、修复文物。因其能呈现人眼看不到的细节、辨别不同成分的物质,因此该技术在国防军事、精准农业、水环境监测、地矿勘察等领域都有广阔应用价值。

在中科院遥感地球所高光谱研究室实验室,张主任向记者展示了一盆绿萝。从表面看,这盆绿萝的叶子没有什么特别之处,但经过高光谱仪的“眼睛”观察,一块白色区域就在电子屏上显示出来。“绿萝中有几片塑料做的叶子,肉眼几乎难以发现,但由于它和正常叶子的光谱信息有很大差别,就躲不过高光谱的‘眼睛’。”张立福说。


利用该原理,高光谱还能用在果蔬农药残留的检测上。有没有残留农药、残留多少农药,呈现的光谱特征会有细微的差别,通过分析这些差别,专业人员就能做出科学的判断。

张主任说,相较于传统食品安全取样化验等检测方式,高光谱技术检测具有无接触、无损伤的优点,可以大大提升检测效率。此外,根据不同生长日期或产地的果蔬光谱特征也不同的原理,高光谱技术还能用于检测果蔬新鲜度、进行产地溯源等。


张主任介绍,基于高光谱原理,科研人员目前正在研发可供智能手机使用的高光谱检测应用系统。他希望未来手机有高光谱检测功能,结合云计算、大数据,人们能够随时随地用手机快速检测食品安全问题。这样,农民拿手机就能检测果蔬病虫害信息,并把这些数据发送到云端,后方科研人员可以根据这些信息预知哪里可能爆发病虫害。


“从果蔬农药残留检测到化妆品重金属检测,水体、土壤等环境污染监测,再到牙齿、皮肤等医学检测,高光谱技术应用有很大的想象空间。”张主任说,不同空气颗粒反射的光谱不同,未来人们甚至都能通过手机及时、准确地监测雾霾。


高光谱技术属于遥感技术范畴。通常人们提到遥感,就往往联想到卫星遥感、航空遥感等,认为遥感和老百姓的日常生活没有直接关系,其实不然。3S技术(地理信息系统、全球定位系统、遥感)中,前两个“S”已经与人们的生活息息相关,人们已在手机中普遍应用,现在缺少的是第三个“S”与老百姓的生活关联起来。高光谱遥感技术的应用,表明遥感技术正在走进人们的生活。“我们所做的,就是要使高光谱遥感技术飞入寻常百姓家。遥感与智能手机的结合,将使‘遥感’无处不在。”张主任说。


中国在高光谱遥感研究上处于国际领先地位


巨大的应用前景,使高光谱遥感技术成为当前国际上遥感技术的前沿领域。


据专家介绍,中国在高光谱遥感研究上,处于国际领先地位。


上世纪90年代,中国科学院遥感应用研究所与上海技术物理研究所合作,研制了系列航空高光谱传感器,并前往日本、澳大利亚、马来西亚等国进行国际合作,为当地环境、农业、海洋、地质等领域的研究提供了重要数据,受到高度评价。


张主任说,受制于科研经费支持等原因,本世纪初我国高光谱研究一度发展缓慢。近年来我国加大了对高光谱的支持力度,科研人员也取得了一系列成果。他介绍,我国在高光谱基础研究及信息数据积累等方面走在国际前列;同时,科研人员不断扩大高光谱的应用领域,在成像光谱地面测量与光谱图像模拟、高光谱图像智能处理与信息提取、新的应用领域拓展等多方面取得了系列国际领先的研究。


“中国在高光谱技术方面有较强的积累,但光谱仪器的一些关键器件还需要进口,一定程度上影响了我国高光谱技术应用的自主性。”张主任说,高端科学仪器设备制造方面的不足与中国在材料学、制造工艺等方面整体水平不高有关,他呼吁我国有更多的、不同领域的科研人员参与到高光谱的研发中,提高光谱仪器制造能力,使我国成为高光谱研究强国。

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