實驗室用高光譜成像儀 | ATH8500 |
總體描述：
ATH8500是一款全新的、經過優化設計的、具有突破性特點的實驗室用高光譜成像系統，它具有高分辨率、高清、高質量等特點，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、高穩定性實驗平臺，并內置高穩定性光源、不同波長范圍高光譜成像儀、高清晰可見光相機、防抖線性平動平臺等部件，并采取了多種消雜散光處理方法，以獲得高質量的高光譜數據，特別適合實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。
實驗室高光譜系統由高光譜成像儀、線光源、高清相機、樣品臺、調焦裝置和標準白板組成。線光源與高光譜成像儀線視場共線，通過樣品臺的平移實現數據采集。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行圖像融合彌補其空間分辨率不足的缺點。標準白板用于在空間和時間雙重尺度上進行反射率校正，提高數據反演精度。企業的實驗研究設備。
ATH8500將高光譜成像技術與高清拍照技術相結合，所采集數據兼具高光譜分辨率和高空間分辨率，能夠充分挖掘物質自身的光譜特性和空間特性。可以應用于物質分選（煙草、藥品、食品、礦石等）、刑偵文檢、真偽鑒定等領域。
特征：
l 波段范圍：400~5300nm（多段可選）
l 空間波段數：2048X2048（每個型號不同）
l 光譜波段數：1088（每個型號不同）
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，成像質量高；
l 高清可見光相機，可進行圖像融合；
l 可靠性高；
應用領域：
l 藝術品和古畫
l 刑偵與文檢作業；
l 制藥企業：中藥材的防偽
l 紡織：花紋的拷貝、圖畫的復制
l 礦物質的篩查
l 司法鑒定：文檢鑒定
l 農業：樹葉、煙葉掃描
l 文物掃描修復，壁畫修復
1. 選型指南
ATH8500系列 | 特征 | 主要應用領域 |
ATH8500 | 400-1000nm可見近紅外高光譜成像儀 | 精準農業、農林業病蟲害、藝術品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業分選等 |
ATH8500-17 | 1.0~1.7μm短波紅外高光譜成像儀 | 半導體、工業分選、食品分選、建筑垃圾分選、肉類分選、塑料分選、文物鑒定、司法鑒定、文檢 |
ATH8500-25 | 1.2~2.5μm短波紅外高光譜成像儀 | 精準農業與食品分析、深色塑料分選、地質勘探、礦產勘查、工、文物鑒定、司法鑒定、文檢、含水量分析、藥品和材料分選、礦物填圖、醫學鑒定、廢品回收； |
ATH8500-50 | 2.5~5.0μm中波紅外高光譜成像儀 | 地質勘察、工、、礦物分選 |
ATH8500-12-50 | 1.2~5.0μm短波中波紅外高光譜成像儀 | 地質勘察、工、、礦物分選、 |
ATH8500-04-17 | 0.4~1.7μm可見近紅外短波紅外高光譜成像儀 | 精準農業、農林業病蟲害、藝術品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業分選、油污檢測等 |
ATH8500-04-25 | 0.4~2.5μm可見近紅外短波紅外高光譜成像儀 | 精準農業、農林業病蟲害、藝術品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業分選、油污檢測等 |
2. 實驗室高光譜工作原理
ATH8500實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、高穩定性實驗平臺，并內置高穩定性光源、不同波長范圍高光譜成像儀、高清晰可見光相機、防抖線性平動平臺等部件，并采取了多種消雜散光處理方法，以獲得高質量的高光譜數據，特別適合實驗室高光譜掃描適用。
4. ATH8500 的設計細節圖
l 時空輻射強度校正，顯著提高輻射標定精度
圖2 ATH8500內的載物臺，樣品放置于該臺面上
l 光源設計，匹配線視場，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 自動積分時間推薦，根據樣品反射率推薦曝光時間
l 自動掃描，自動完成數據采集
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：
序號 | 物品 | 數量 | 選配 |
1 | 實驗室高光譜成像儀主機 | 1臺 | 標配 |
2 | 輻射度標定 | 1套 | 標配 |
3 | 高光譜成像系統服務工作站（包含操作控制器及控制軟件） | 1套 | 標配 |
4 | 大功率適配器 | 1個 | 標配 |
7. ATH1500系列高光譜成像儀（其他擴展型號）
ATH1500系列 | 特征 | 主要應用領域 |
ATH1500 | 400-1000nm可見近紅外高光譜成像儀 | 精準農業、農林業病蟲害、植被分析、種植面積評估、農作物產量評估、水質分析、藝術品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業分選、油污檢測等 |
ATH1500-17 | 1.0~1.7μm短波紅外高光譜成像儀 | 半導體、工業分選、食品分選、建筑垃圾分選、肉類分選、塑料分選、地質勘探、礦產勘查、文物鑒定、司法鑒定、文檢 |
ATH1500-25 | 1.2~2.5μm短波紅外高光譜成像儀 | 精準農業與食品分析、深色塑料分選、地質勘探、礦產勘查、工、文物鑒定、司法鑒定、文檢、含水量分析、藥品和材料分選、礦物填圖、醫學鑒定、廢品回收； |
ATH1500-50 | 2.5~5.0μm中波紅外高光譜成像儀 | 地質勘察、工、氣體分析、VOCs巡查、水溫探測、土地覆蓋類型識別、、礦物分選、 |
ATH1500-12-50 | 1.2~5.0μm短波中波紅外高光譜成像儀 | 地質勘察、工、氣體分析、VOCs巡查、水溫探測、土地覆蓋類型識別、、礦物分選、 |
ATH1500-04-17 | 0.4~1.7μm可見近紅外短波紅外高光譜成像儀 | 精準農業、農林業病蟲害、植被分析、種植面積評估、農作物產量評估、水質分析、藝術品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業分選、油污檢測等 |
ATH1500-04-25 | 0.4~2.5μm可見近紅外短波紅外高光譜成像儀 | 精準農業、農林業病蟲害、植被分析、種植面積評估、農作物產量評估、水質分析、藝術品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業分選、油污檢測等 |
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 無人機掛載實驗示意圖
圖6 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景1
圖7 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景2
圖8 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景3
圖9 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景4
圖10 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景5
8.1.高光譜成像儀在工業分選的應用
隨著近紅外高光譜技術發展，JIANG 等嘗試采用近紅外高光譜技術檢測棉花中的雜質，特別是短波近紅外高光譜技術的應用，使得塑料膜的檢出率相比常規方法有明顯的提高。高光譜成像技術是基于非常多窄波段的影像數據技術，樣本成像的同時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) 和人工神經網絡(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) 不同物質的反射光譜曲線
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
蘋果的外部品質是蘋果最直觀的品質特征，直接影響蘋果的價格和消費者的偏愛。針對蘋果外部檢測的難點和關鍵點，基于機器視覺技術、高光譜成像技術和多光譜成像技術，綜合圖像處理技術、模式識別方法、化學計量學方法和光譜分析技術研究了蘋果外部物理品質（形狀和尺寸）和表面常見缺陷的檢測方法。基于上述研究的基礎上開發的檢測系統和算法為我國研發基于機器視覺技術和多光譜機器視覺技術的蘋果外部品質快速在線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物圖；(a) 原理圖；(b)實物圖
圖14 蘋果表面早期損傷檢測算法流程圖
圖15 部分蘋果早期腐爛的識別結果以及中間處理過程 (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（西北農林大學王超鵬博士）
圖17 自然綠植、人工綠葉、綠色塑料、紅蘋果的光譜圖
8.2.高光譜成像技術在精準農業中的應用
圖18 奧譜天成生產的無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) 農作物生長監測和產量預估：農作物在其生長發育的各個階段，由于外部因素的不同，其內部組成及外部形態等都會存在一定的差別，最主要的差別是葉面積指數。葉面積指數是反映農作物長勢的個體特征與群體特征的綜合指數。
2) 農作物病蟲害防治：遙感技術能夠監測病蟲害對農作物生長發育的影響，并跟蹤農作物的生長發育狀況，分析估算災情損失，同時能夠監測害蟲的分布及活動習性，進而能夠預防蟲害的發生。
3) 3 農作物旱情監測：遙感技術通過農作物植被指數及冠層參數進而監測農作物旱情。
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，故可以通過建立熱慣量與土壤水分含量之間的數學模型，遙感技術利用該模型，進行分析土壤水分含量及分布
5) 農作物養分監測：遙感技術監測到農作物中氮元素含量的精度比監測其它營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）和簡單光譜指數（simple spectral index，SSI），計算 CGI 與光譜指數的相關性，篩選出相關性好的光譜指數，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，運用無人機高光譜影像對 2015 年小麥多生育期的長勢監測。無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勢差異，可為監測小麥長勢提供參考。
圖20 小麥長勢指標 CGI 反演
8.3. 林木健康情況的應用
用于病蟲害監測、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；
圖21 基于無人機高光譜遙感的柑橘黃龍病植株的監測與分類（華南農業大學蘭玉彬等人設計）
圖22 電子科技大學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勘探的應用
光譜遙感技術是由以 Landsat 為代表的多光譜遙感技術演化發展而成，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點，高光譜遙感技術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影像，而且可在像元級別的細節上確定地質體中礦物的種類和豐度、甚至某些礦物的化學成分等信息(等，2010)。近年來，隨著與成像光譜儀有關的硬件和數據處理方法及軟件的持續發展，高光譜遙感技術在地質調查領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，高光譜遙感技術在地質填圖、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；連長云等，2005；Kruse et al, 2006；Cudahy et al., 2007；等，2010；劉德長等，2011；閆柏琨等，2014；楊自安等，2015；Graham et al., 2017)。隨著成礦系統理論(Wyborn et al., 1994)更深入地成為找礦實踐的指導思想，大型礦集區和成礦帶規模的專題性礦物填圖將為預測性找礦勘探提供關鍵的區域性物質成分信息。
礦物填圖所用的光譜波長區間包括了可見光(400-700nm)、近紅外(700-1000nm)、短波紅外(1000-2500nm)、和熱紅外(7000-15000nm)。目前礦業應用的是短波紅外區域(1000-2500nm)。由于與礦物晶格中化學鍵振動的協頻和組合頻的頻率接近，在短波紅外波長范圍內，可以觀測含水或含 OH-的礦物(主要為層狀硅酸鹽和粘土類)以及某些硫酸鹽和碳酸鹽類礦物。
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環境問題之一，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，嚴重制約我國農業發展，影響當前我國可持續發展的戰略大局。遙感技術因其尺度大、范圍廣、時效性強、經濟性強等特點，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：腫瘤手術術中在線檢測及導航定位
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，上的待測目標經物鏡、顯微透鏡組后分為三路，一路供主刀醫生目視觀測，一路供助手輔助目視觀測，一路由成像光譜儀探測接收，成像光譜儀由電機帶動對待測目標進行空間維掃描，得到待測目標的成像光譜信息，再經數據分析圖像處理后，通過顯示器顯示給醫生。
圖28 科研顯微成像光譜儀實物圖
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 奧譜天成的無人機高光譜成像系統
應用目標：機載遙感
應用簡介：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，并經過幾何校正、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。
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
圖34 森林遙感，機載高光譜觀測森林病蟲害
8.8. 高光譜成像儀在水質與環保方面的應用
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
