高光谱分析

高光谱图像是将成像技术和光谱技术相结合的多维信息检测技术，它能够同时探测目标的二维几何空间与一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。我们可以根据获得的高光谱数据，分析得到具有诊断性意义的物质光谱特征，建立代表物质特性的“指纹光谱”（每种物质都有的自己独特的光谱特征），接着便可以针对高光谱图像中每个像元的光谱反射率曲线，基于光谱匹配与特征分析，利用光谱信息直接识别目标物质。文物中，消失的文字、脱落的颜料，由于他们拥有自己独特的光谱特征，而高光谱图像的特点在于极高的光谱分辨率和空间分辨率，只要其留有微弱的信号，我们就可以根据光谱特征将其探测出来、并标明在什么位置；在政策的推动下，我国文物修复工作取得了明显突破，一批质量上乘的科学分析仪器被运用到了修复工作中。高光谱拥有着可捕获物质的“指纹光谱”这一特性，在文物修复过程中发挥着越来越重要的作用。本文将介绍一些美国SOC系列文物高光谱成像系统在国外文物保护领域的一些典型应用范例。一、毕加索名画“Blue Room”涂料成分分析英文名称：Reflectance imaging spectroscopy and synchrotron radiation X?ray fluorescence mapping used in a technical study of The Blue Room by Pablo Picasso美国菲利普斯收藏馆 / 美国阿姆斯特丹国立博物馆自然保护部图1 毕加索名画“Blue Room”平面图图2 毕加索名画“Blue Room”斜面纹理图图3 a为1500-1650nm处显示的隐藏图像；b为2100-2400nm处纹理特性图4 Prussian blue, ultramarine blue, lead white, zinc white, viridian green, and vermilion red等不同色素灰度图像图4 Prussian blue, ultramarine blue, lead white, zinc white, viridian green, and vermilion red等不同色素灰度图像二、梵高名画鸢尾花与玫瑰”(Van Gogh: Irises and Roses) 材料分析研究英文名称：Van Gogh’s Irises and Roses: the contribution of chemical analyses and imaging to the assessment of color changes in the red lake pigments美国纽约大都会艺术博物馆画作简介：文森特梵高：《鸢尾花》(Irises)(1890)；尺寸：73.7x92.1 cm，纽约大都会艺术博物馆馆藏；文森特梵高：《玫瑰》(Roses)(1890)；尺寸：93 x 74 cm，纽约大都会艺术博物馆馆藏。 图1 《鸢尾花》 图2 《玫瑰》图3 《鸢尾花》平面图(a)；基于荧光光谱的 Pb (b)、Zn (c)、Co (d)、and Br (e)等元素的图像分割图4 《玫瑰》平面图(a)；基于荧光光谱的 Pb (b)、Zn (c)、Co (d)、and Br (e)等元素的图像分割图5 a、b、c、d分别展示不同区域的细节成分与对应漫反射光谱三、毕加索名画“Harlequin Musician”《丑角音乐家》与TheTragedy《悲剧》材料鉴别分析英文名称：Visible and Infrared Reflectance Imaging Spectroscopy of Paintings: Pigment Mapping and Improved Infrared Reflectography美国华盛顿区国家画廊 / 美国陆军夜视和电子传感器理事会画作简介：Harlequin Musician《丑角音乐集》 作者：（西班牙）巴勃罗鲁伊斯毕加索创作年代：1924年The Tragedy《悲剧》 作者：（西班牙）巴勃罗鲁伊斯毕加索创作年代：1903年 布面油画 【规格】105.4 ×69cm 收藏地：美国华盛顿区国家画廊 画作《悲剧》创作于1903年，是毕加索忧郁时期的作品。当时，毕加索的画卖不出去，生活异常艰苦。生活的不顺使毕加索心情低落，也表现在他的画作之中。《悲剧》一画描绘的是一家三口的生活困苦、无家可归的悲剧。这是西班牙乃至整个欧洲社会动荡生活贫穷落后的悲剧，是世纪交替时期一代人痛苦沉沦的象征。图1 Harlequin Musician《丑角音乐家》 The Tragedy《悲剧》图2 Harlequin Musician《丑角音乐家》可见光到短波红外高光谱立方体3D显示 图3 Harlequin Musician《丑角音乐家》高光谱成像数据与光纤光谱仪数据对比图4 The Tragedy《悲剧》三个不同部位基于特征波段的假彩色合成图 左侧 人体：1000, 1150, 1200 nm 中部 马: 1300, 1350, 1400 nm 右侧 草图：1600, 1625, 1660 nm四、毕加索名画“Harlequin Musician”《丑角音乐家》材料鉴别分析英文名称：Visible and Infrared Imaging Spectroscopy of Picasso’s Harlequin Musician: Mapping and Identification of Artist Materials in Situ美国国家美术馆科学研究部画作简介：Harlequin Musician《丑角音乐集》 作者：（西班牙）巴勃罗鲁伊斯毕加索创作年代：1924年图1 Harlequin Musician《丑角音乐家》RGB图像、高光谱3D图像显示、光谱曲线、分类结果图图2 Harlequin Musician《丑角音乐家》 A：假彩色700, 750, 800 nm； B：基于中值滤波的影像提取；C：可见光参考图像；D：基于SAM的影像提取表1 不同涂料的成分配置图图3 白色涂料的不同种类分类提取结果图4 基于高光谱与荧光光谱的微弱差异涂料成分的鉴别分析五、毕加索名画“Picasso’s Peonies”《牡丹》材料鉴别分析英文名称：Visible and infrared imaging spectroscopy of paintings and improved reflectography美国国家美术馆科学研究部画作简介：Picasso’ s Peonies《牡丹》 作者：（西班牙）巴勃罗鲁伊斯毕加索 创作年代：1901年图1 a：Picasso’ s Peonies《牡丹》彩色图；b：不同涂料的分类提取图；c：不同涂料的反射光谱图图2 a：Picasso’ s Peonies《牡丹》彩色图；b：800, 750, and 700 nm 假彩色图像；c：不同标记点的光谱图3：Madonna and Child with Four Angels 画像处理目前文物鉴定的传统方法中很多是有损或微损的，需取样才能分析；而且，有损测试的分析结果只局限于测试点或取样点，而不能完全代表未测试部位的信息。高光谱成像技术能同时提供待测物整体的图像和光谱信息，可以对目标物进行高光谱识别和分类；其具有快速测量、能进行精细分类与识别等优点，且对文物无损伤，在文物分析领域具有广阔的应用前景。SOC710CR高光谱文物成像系统具有独特的内置推扫技术、双CCD可预览、一键式测量等特点，可提供实验室暗箱、实验室平台及显微测量等多种操作模式。后期光谱提取与特征提取等技术可最大程度上满足用户的需求，在文物保护、修复、真伪识别等方面具有重要作用。

据相关研究机构的数据显示，2021年全球高光谱成像系统市场154亿美元，预计到2026年该市场将增至358亿美元，复合年增长率为18.4%。随着技术的进步，当前，高光谱成像系统的应用领域也从最初的地球卫星成像，覆盖到农业、环境、制药、食品测试、医疗诊断、艺术研究、环境等更多领域，为各学科、各领域带来了新的机遇，成为科学研究中必不可少的工具和手段。为了展现高光谱仪器和应用的最新发展态势，仪器信息网邀请杭州高谱成像技术有限公司市场营销部主管 吴水龙就“异军突起的高光谱技术”主题活动参与投稿分享，了解高光谱的最新进展情况。以下为杭州高谱成像技术有限公司投稿内容：仪器信息网：如何评价目前全球及我国高光谱技术和应用的发展现状？相较国外，我国高光谱发展历程有什么不同？吴水龙：总的来说处于求同存异，目前正处于中外合作共同扩大高光谱市场的规模和增加各类行业应用数量阶段，技术已经成熟，产品尚未成熟，技术规范和行业标准尚未建立起来。我国高光谱发展核心配件受禁售中国限制，导致需要自建全套高光谱所需核心配件，而国外在高光谱谱段范围上不受任何限制，相比之下国产高光谱的可选择性不多，成熟化推广因此受限。目前国内只有250-1700nm已经成熟，900nm-2500nm开始的短波红外高光谱受相机类配件供应限售原因无法有效展开，急需国产化供应能提供此类或更高谱段的红外相机。仪器信息网：从技术的角度而言，当前高光谱技术发展是否成熟？还有哪些新的技术亟待发展？吴水龙：光学类技术发展缓慢，单纯的高光谱技术原理层面已经多年未有大的变化，或更好的理论提出。高光谱技术从原理到实现层面来看，已经非常成熟，而且已经被越来越多的科研和工业客户用实际的应用价值证明。但是高光谱技术要从科研走向商用尚有许多工作要做，比如小(微)型化，小(微)型化是C端客户重要门槛；比如轻量化，轻量化是无人机载模式高效率使用的一个考量，沉重的设备会影响滞空时间；比如数据呈现行业化，因高光谱技术出现晚和发展时间短，各行各业的应用尚处于探索阶段，很多客户拿到设备还需要自己有应用软件研发能力，这是一个很大的制约因素；再比如数据降维，高光谱数据信息量大，同一个数据可提供给不同行业的客户进行分析使用，但是单一客户不需要如此丰富的数据，仅需对他有用数据即可，在什么环节进行数据降维，如何根据行业需求进行降维也是未来高光谱设备配套的必须软件；再比如融合应用，高光谱数据与孔径雷达数据、激光点云数据、高清图像数据等多源数据精细化融合及利用彼此数据的优势形成高质量的结果分析等也是未来技术发展的趋势；再如谱系融合应用，高光谱不同谱段相机数据融合使用和分析。仪器信息网：从应用的角度而言，目前成熟的应用领域有哪些？最具前景的应用体现在哪些方面？ 吴水龙：杭州高谱成像技术有限公司目前在环保类的高光谱水质监测领域，农林类树种识别，枯死树、植被养分长势等监测，国防公安类的反伪装、罂粟识别等，工业分拣类的食品酸甜度无损监测，塑料分拣，食品包装完整性、漏液等检测，矿石分拣等应用很多。目前来看工业类最有前景。仪器信息网：贵公司什么时候进入高光谱领域？为什么会选择这一赛道？吴水龙：杭州高谱成像技术有限公司成立于2019年，立足于用光学类技术解决方案服务于各类客户。因公司创始人在高光谱相关领域已经有近20年的学习和从业经验，是国内为数不多的高光谱的软硬件综合解决能力拥有者，有着丰富的高光谱行业应用解决经验，因此选择此赛道进行创业。仪器信息网：当前，贵公司在高光谱仪器产品线方面是如何布局的？主推的产品有那几款？吴水龙：杭州高谱成像技术有限公司紧紧围绕自研的高光谱光机电研发技术，全力打造全谱系高光谱相机，积极研发基于应用场景的高光谱产品。目前高光谱相机谱段能做到国产自研的是250-2500nm，分紫外高光谱相机（250-490nm），可见近红外高光谱相机（400nm-1000nm），近红外高光谱相机（900-1700nm），短波红外高光谱相机（1000-2500nm），上述几款已经可以做到国产化生产。基于上述的高光谱相机品类结合国内外客户需求研发推出了以下品类市场化产品：• 高光谱相机。250-2500nm各谱段高光谱相机，提供给各类具备后续研发和集成能力的客户。•无人机载型高光谱成像系统。全国产化研发生产，因此能根据客户需求进行全新光路设计和产品形态设计，能适配各类客户要求机型。从多旋翼无人机到固定翼无人机再到有人机，只要负重够、空间足，我们能解决高光谱挂载全部问题。• 实验室高光谱成像系统。专为实验室研究人员设计，能有效降低环境光对实验数据的影响，具备高质量采集数据的能力。• 显微高光谱成像系统。为专门做微观研究的用户准备，特别是芯片研制，生物医药等领域，是今年爆款产品。•内窥镜高光谱成像系统。内部狭隘空间检测利器，传统检测设备无法满足的检测性能，内窥镜高光谱能做替代方案。•便携式高光谱成像系统。方便用户随时随地展开数据采集试验。具备自动对焦，独立电源，可长时间户外使用。仪器信息网：目前中国高光谱相关仪器品牌的竞争情况怎么样？贵单位的优势体现在哪些方面?有哪些成功案例？吴水龙：竞争情况可以说是群雄争霸，但良莠不齐，部分友商恶意报价。杭州高谱成像技术有限公司优势有：①全国产化。不怕卡脖子，交货底气足，交货可靠性和时间承诺有保障。售后维修等都非常简单。②具备定制能力。深厚的自研能力决定了能解决所有能用钱解决的问题。③性价比与同类国外品牌相比，高出一筹。④采集数据相比竞品略胜一筹。目前合作的客户有：北京核工业研究所，浙江大学，北京理工大学，浙江农林大学，浙江农科院，上海技物所太仓中心等。仪器信息网：对中国高光谱市场规模和增长有什么样的预期？理由是什么？吴水龙：未来已来，随着科研市场普及和工业市场兴起，高光谱成像仪市场会变得越来越大。因为市场反馈出现积极的信号，各类科研和行业客户的咨询量出现了明显增长。仪器信息网：基于此，贵公司未来高光谱方面的发展规划？吴水龙：本着成为全球光学应用和技术方案解决商的定位出发，做足做深高光谱相机技术，扩大应用领域范畴。目标是：①努力加强高光谱相机技术。②积极在工业、农业、环保等应用发展行业应用。

近年来，高光谱市场发展越来越吸引业界的关注。据相关研究机构的数据显示，2021年全球高光谱成像系统市场154亿美元，预计到2026年该市场将增至358亿美元，复合年增长率为18.4%。多位业内人士分析，我国高光谱市场的复合年增长率要高于全球平均水平。基于当前市场发展态势，近年来，高光谱相关企业也备受资本青睐。据仪器信息网统计，近年来，高光谱等关企业的融资案例频发。比如：日前，联光元和完成1亿元天使轮融资，将用于超光谱成像仪等的研发。据悉，联光元和首台超光谱成像仪原型机将于2022年9月问世，涵盖瞬态／稳态、能级寿命、散射／振动谱、高光谱／光谱等分析功能；2022年初，深圳市海谱纳米光学科技有限公司完成数千万元A轮融资，未来将聚焦微型高光谱MEMS芯片研发。信息显示，2019年，海谱纳米光学开启第一款微型高光谱MEMS芯片的研发设计与流片，2020年第二款微型高光谱MEMS芯片样片开发成功，2022年初正式量产第一代微型高光谱MEMS芯片；2021年末，天津中科谱光信息技术有限公司接连完成Pre-A轮、A轮数千万元人民币融资。据悉，两轮融资款将主要用于加大高光谱核心算法研发投入，提升光谱大数据云服务平台技术壁垒，加速水质监测系列产品创新迭代，加强团队建设和市场推广… … 随着技术的进步，当前，高光谱成像系统已经变得紧凑，价格也有所降低，可以更好地适用于不同的领域，其应用领域也从最初的地球卫星成像，覆盖到农业、制药、食品测试、医疗诊断、艺术研究、环境等更多领域。2022年上半年中国政府采购网中标信息显示（以“高光谱”为关键词搜索，不完全统计），中国海洋大学、福建师范大学、中国医学科学院药用植物研究所、广东省农业科学院环境园艺研究所、上海市测绘院、中国文化遗产研究院、重庆市生态环境科学研究院等多类型的单位均在进行相关的仪器及服务采购，双利合谱、奥谱天成等仪器品牌在列。中标信息摘录如下：采购单位项目名称采购内容仪器型号品牌中国海洋大学中国海洋大学三亚海洋研究院水面高光谱辐射自动测量系统设备采购项目水面高光谱辐射自动测量系统USRAMS海星福建师范大学福建师范大学无人机载高光谱成像系统等设备货物类采购无人机载高光谱成像系统仪器Gaiasky-mini2-VN双利合谱中国医学科学院药用植物研究所改善科研条件专项项目（中药资源保护与可持续利用研究平台设备购置）纳米高光谱显微成像系统CytoVivaHSCytoViva广东省农业科学院环境园艺研究所构建“环境-植物”大数据监测平台与智能控制系统高光谱成像仪GaiaSky-Mini3-VN双利合谱上海市测绘院长三角一体化示范区高光谱数据采集项目长三角一体化示范区高光谱数据采集项目中国文化遗产研究院布达拉宫高光谱扫描及数据处理布达拉宫高光谱扫描及数据处理重庆市生态环境科学研究院环科院2022年环境科研监测设备能力建设（第一部分）机载高光谱激光雷达一体化成像系统ATHL9010奥谱天成佛山市生态环境局南海分局南海区重点河涌入河排污口核查及规范化管理重点河涌无人机高光谱监测分析深圳职业技术学院水环境遥感和同位素监测设备便携式高光谱成像仪Pika LRESONON福建省福州环境监测中心站福建省福州环境监测中心站填平补齐项目（实验室能力建设）机载高光谱成像系统Pika LRESONON上海市测绘院航空摄影项目入围供应商名录上海市测绘院航空摄影项目入围供应商名录 （包括机载高光谱数据获取服务）鄂尔多斯市生态环境局鄂托克前旗分局综合监管平台升级改造项目（污染源在线监控平台升级改造）数据加工处理服务（含高光谱）北京市农林科学院事业国家数字农业装备创新中心试点建设项目作物便携式高光谱成像仪Image-λ-V10E-HR 1全自动、多尺度高光谱成像仪SOC710-VP作物组分荧光高光谱成像仪IMA-VIS-INV-447-DIA/EPI广东省国土资源测绘院东省国土资源测绘院自动变化检测能力建设与数据生产服务及生态状况调查评价服务采购项目数据加工处理服务-样本数据采集，含精准采集卫星影像（多光谱、高光谱、SAR）四川农业大学川农业大学第三批省级共建与发展专项显微镜及成像设备采购项目机载高光谱成像系统PIKA中国科学院地理科学与资源研究所中国科学院2021年度野外观测网络移动观测平台采购项目机载高光谱相机Pika LRESONON西南民族大学西南民族大学若尔盖湿地生态站湿地水土气生要素观测与监测设备购置项目第二批设备采购项目湿地高光谱成像监测系统ATH9010W奥谱天成从逐利的角度而言，资本看中的企业要么正在解决新兴技术和趋势带来的新挑战，要么专注于已经成熟的颠覆性行业，而能得到资本市场的青睐也在很大程度上彰显了这些技术或者市场巨大的诱惑力。近年来，我国高光谱的市场表现已经引起学术和产业界的共同关注，在食品农产品检测、作物表型监测、农业遥感等多方面都取得了一定的进展。另外，不少仪器公司也开始布局或者重视高光谱仪器的开发。多位业内人士表示，未来市场可期！为了更深入了解高光谱的技术和应用进展，第十一届光谱网络会议（7月19-22日）特别邀请了中科院上海技物所王建宇院士介绍《高光谱技术发展与空间应用展望》。此外，还在7月22日上午专门设立了高光谱专场（新技术与新方法三），邀请了多位高光谱相关的专家现场分享。立即报名》》》07月22日光谱新技术与新方法（三） 09:00--09:30光谱技术前沿进展张立福中国科学院空天信息创新研究院 研究员09:30--10:00基于光谱技术的空天地一体化水环境动态监测马宗伟无锡谱视界科技有限公司 副总经理/助理研究员10:00--10:30高光谱成像技术在农作物种子质量检测中的应用探索吴静珠北京工商大学 教授10:30--11:00“智慧农业”作物多维光谱学感知关键技术与装备研发孙红中国农业大学 教授11:00--11:30多尺度果品光谱与成像定量检测技术研究罗华平塔里木大学 教授