光谱成像技术及其应用

高光谱成像

叶绿素荧光成像

红外热成像

一、Specim高光谱成像技术

    芬兰Specim公司，高光谱成像技术的者，其产品技术涵盖可见光-近红外（VNIR）、短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR）及长波红外LWIR高光谱成像，广泛应用于植物/作物科学、农业科学、中药学、地质地球科学、生态与环境科学及工业领域等。

• 植物/作物表型组学研究分析
• 作物育种与种子品质检测
• 食品检测
• 植物/作物胁迫生理响应
• 作物病理学分析与病原检测
• 中药成分分析与品质检测

1.Specim IQ 手持式VNIR高光谱成像仪

    IQ手持式高光谱成像仪是Specim于2017年研制生产的轻便型高光谱成像仪，集高光谱数据采集、数据处理和处理结果可视化于一体，一经问世即引起的关注，并荣获德国设计协会“红点设计奖”——*的工业设计奖项、连续两年获得“inVISION创意奖”（inVISION Top Innovations 2018 award）。IQ同时在相机中直接集成了操作控制系统，通过相机自带的触摸屏就可实时实现基本数据的采集和分析过程，实现智能化操作，克服了市场上高光谱相机操作复杂、使用不便等缺点。

主要技术性能指标：

1) 机身小巧轻便，只有1.3kg，实现轻松手持操作；

2) 具备光谱和取景器双镜头

3) 一体式设计，内置自动推扫、数据采集处理、操作系统、触摸屏及操作键、GPS等

4) 现场实时快速检测、全自动智能分析、高质量光谱大数据

5) 波段范围400-1000nm，7nm光谱分辨率，204个波段

6) 图像分辨率512x512像素，像素大小17.58um

7) 视野31度，物距15cm至无穷远，1m视野55x55cm

8) 数据格式：Specim数据集，与ENVI等兼容

9) 32GB SD存储卡，可通过USB输出

10) 5200mAh锂电电池

11) 防护级别：IP5x，可选配防护外套

应用案例：

    Specim公司与德国波恩大学等机构合作，利用Specim IQ高光谱成像仪，对作物病害与表型进行了研究分析，并发表论文“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轻便型高光谱成像仪

    FX10/FX17高光谱成像仪为Specim 2016年研制生产，是世界上成像速度快的轻便型高光谱成像仪，涵盖400-1000nm（FX10）和900-1700nm（FX17）两个波段，2017年被inVISION杂志评为“机器视觉创新奖”。

    SPECIM FX10&FX17高光谱成像系统将可见光近红外（VNIR或NIR）光谱与高分辨率成像相结合，采用推扫式（pushbroom）成像技术对运动的样品或在运动中对静止的样品进行逐线全波段光谱采集并同步生成图像，获取样品化学成分的量化数据以及空间分布等详细信息，图像中每一象素都记录了其对应样品点的化学组成、质量、颜色等信息的光谱特征，用于对样品进行定性、定量分析。 

功能特点：

1) 拥有GigE Vision和CameraLink两种接口选择，配置软件开发包，满足用户的多样化需求

2) 线阵推扫成像方式，在具有高速成像的同时，同一时间获得目标区域的所有光谱信息数据，保证每一个空间像素的光谱纯洁度，为客户提供更加真实准确的高光谱数据

3) 采用高透光率的光学设计（F/1.7），把相机的聚光能力提升到了一个崭新的标准，并且只需要一个线光源就可满足设备需求

4) 经过实验室统一进行波长标定，保障每台设备都可产生相同的可重复光谱数据，方便安装和替换，无需返厂再次标定

5) 高灵敏度快速光学结构，成像速度快，全谱段采集速度为330行/秒

6) 采集方式灵活，具备多区域选择功能（MRO），波段可选，既可选择采集全部220波段，也可选择感兴趣的任一波段

7) 结构紧凑小巧，操作简便

8) 高速成像、高信噪比

9) 可选配不同扫描平台对植物、种子等进行高光谱扫描成像分析，包括旋转式扫描支架、实验室扫描平台（有40x20cm和100x50cm两种规格）等 

主要技术指标：

3. sisuCHEMA高光谱成像分析系统

    sisuCHEMA高光谱成像分析系统是一套完整的高光谱成像分析工作站，整合了VNIR至SWIR高光谱成像技术、自动扫描技术及高光谱物质分析技术（软件），使用者只需要将放置在样品盘中的待检样品置于推扫台上，即可通过软件进行扫描控制，实时进行光谱二维影像信息的获取和保存，可同时对大量的样品或不同形状的样品进行光谱成像测量分析，包括组成成分/化学组成量化数据及其分布信息等，样品大为200x300x45mm，对10mm以下样品其分辨率可达30 μm。

• 植物表型组学研究分析
• 蛋白组学研究分析
• 代谢组学研究分析
• 藻类表型研究分析
• 种子品质检测、活力检测
• 植物病理、病原检测
• 中草药检测研究
• 根系分析
• 食品检测分析
• 海洋科学研究

主要技术指标：

应用案例：

    Priscila S.R.Aries、Everaldo P. Medeiros等利用近红外sisuCHEMA高光谱成像分析系统（波段范围1000-2500nm），对棉花炭疽病等病原进行了研究，论文发表在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，利用sisuCHEMA高光谱成像分析技术，对不同品种人参进行了定性分析研究，认为是一种简单快速非损伤性鉴定检测技术。论文发表在2016年Molecules（The Application of Vibrational Spectroscopy Techniques in the Qualitative Assessment of Material Traded as Ginseng）

    Paul J.Williams等利用sisuCHEMA高光谱成像技术，对镰刀霉属生长特性及其品种差异进行了研究，论文发表在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、FluorCam叶绿素荧光成像技术

    PSI公司科学家Nedbal教授与公司总裁Trtilek博士等将PAM叶绿素荧光技术与CCD技术结合在一起，研制成功了FluorCam叶绿素荧光成像技术（Nedbal等，2000），并于1997年为美国华盛顿大学提供了台商业FluorCam系统。FluorCam叶绿素荧光成像技术成为上世纪90年代叶绿素荧光技术的重要突破，使科学家们对光合作用与叶绿素荧光的研究一下子进入二维世界，并成为现代基因组学、表型组学及遗传育种研究的有力工具。（详细介绍参见“FluorCam叶绿素荧光技术及其应用”）

易科泰生态技术公司提供全面叶绿素荧光成像技术方案：

• FKM叶绿素荧光动态显微成像与光谱分析系统——细胞与亚细胞水平叶绿素荧光与多光谱荧光动态成像（参见上图）
• FluorCam便携式叶绿素荧光成像系统——野外便携式叶绿素荧光成像分析的选择
• FluorCam封闭式叶绿素荧光成像系统——植物生理生态研究、台式高通量表型分析
• FluorCam模块式叶绿素荧光成像系统——有13x13cm标准版和20x20大型版，可选配多激发光多光谱荧光成像
• FluorCam大型版叶绿素荧光成像平台，有实验室版和野外版供选配，成像面积35x35cm
• FluorCam多光谱荧光成像技术方案
• FluorCam样带扫描式叶绿素荧光成像系统
• FluorCam光合联用叶绿素荧光成像系统
• FluorCam叶绿素荧光与高光谱成像联用系统
• FluorCam叶绿素荧光成像与红外热成像联用系统

三、红外热成像技术

    所有高于零度（-273摄氏度）的物体都会发出红外辐射（热量），这种辐射热可以用红外辐射传感器测量到，如易科泰生态技术公司提供的Spectra-Thermo光谱与热辐射监测系统，可以用于监测光合有效辐射、NDVI/PRI及叶片、冠层、树干等的温度。

    红外热成像则可以对视野内物体发出的红外辐射热进行成像（参见上右图），使物体表面温度分布可视化（一般用伪彩显示二维温度变化）。

易科泰生态技术公司为植物科学研究提供红外热成像测量分析全面解决方案：

• 科研级红外热成像，多点黑体和环境温度校准并具备校准证书，保障每个像素都给出的温度值
• 波段7.5-13.5μm，分辨率640x512像素，温度灵敏度可达0.03摄氏度（30mk）
• 强大的软件分析功能，可即时显示任意点的点温、线性范围温度分布曲线、任意区域范围平均温度及大小温度、温度分布频率直方图、3D温度分布等等
• 手持式、在线式、固定监测式等不同选配方案
• 红外热成像与叶绿素荧光成像技术集成方案
• 红外热成像与高光谱成像技术集成方案
• 红外热成像与RGB融合成像分析技术方案
• 无人机红外热成像遥感技术方案
• 应用于植物气孔导度研究、植物胁迫特别是干旱胁迫成像分析研究等

左图：野外红外热成像监测；右图：稻田干旱胁迫红外热成像分析研究

左图：小麦抗旱性监测；右图：无人机红外热成像遥感监测作物干旱胁迫