微型高光谱成像仪与数据分析系统成功研制
[2017/10/25]
世间万物均会呈现自己独有的光谱曲线，利用这一特性，科研人员可以根据光谱信息识别物质。然而，能够被人眼或是普通仪器捕捉到的光谱波段是有限的，可见光波段之外的许多光谱，如近红外、短波红外等，只能借助高光谱成像仪采集。
提到地质勘探、环境调查，人们脑海中呈现出的往往是研究人员现场取样、送到实验室检测的场景。如果能有孙悟空的“火眼金睛”，只需看一眼便能识别出大面积区域内待检测物质的成分，岂不节省时间和精力?南京理工大学的一项产学研成果将这个设想变成了现实。在日前举行的第二届中国军民两用技术创新应用大赛中，这项成果获铜奖，成为全国816个项目中高校获奖的3项成果之一。
世间万物均会呈现自己独有的光谱曲线，利用这一特性，科研人员可以根据光谱信息识别物质。然而，能够被人眼或是普通仪器捕捉到的光谱波段是有限的，可见光波段之外的许多光谱，如近红外、短波红外等，只能借助高光谱成像仪采集。近年来，高光谱成像仪的研制一直是科研人员们倾力攻关的热门领域，但仍存在两大难题：一是提高光谱分辨率的难度大，低分辨率下不同物质的光谱曲线相似度高，很难区分，会误导鉴别结果;二是在采集大面积待测区域的光谱信息时，单位像素中多种物质混杂，不易得到各类纯物质的光谱信息。
南京理工大学与南京地质调查中心联合建设的江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，经过5年努力，以“微型高光谱成像仪与数据分析系统”成功攻克了这两大难题。
整套系统由硬件设备和软件系统两部分组成，前者应用先进的探测器和独特的电子学设计，使光谱分辨率大幅提高，兼顾了“看得广”又“看得清”;后者凭借先进的算法，实现了多种物质光谱信息的分解，并可根据使用环境经纬度、大气、光照等因素自我校正，保证分析结果的准确性。
团队还将这些创新成果巧妙地整合为一个小型、轻量的整体，硬件设备总重不足4.5公斤，仅相当于两台笔记本电脑的重量，既可搭载在直升机上，在2000米高空对整座山林进行大面积扫描拍摄;也可搭载在无人机上进行低空作业，1小时内就可完成对1万平方米农田的土壤分析。
“目前系统已经在中国国土资源航空物探遥感中心、紫金矿业集团等单位投入使用，对比地面实测数据识别精度大于80%，为进一步进行精确地质矿物分析带来极大便利。”团队成员肖亮教授介绍，该系统在发展精准农业、环境污染物调查、物品鉴定等行业也能大显身手，只需一张图像，便能探明待测水域的污染物成分;或是待测土壤的成分、是否存在病虫害，为研究土壤特性与作物生长间关系提供科学依据;抑或是通过将待测物的光谱信息与标准光谱数据库进行比对，鉴别珠宝首饰的真伪等等。
提到地质勘探、环境调查，人们脑海中呈现出的往往是研究人员现场取样、送到实验室检测的场景。如果能有孙悟空的“火眼金睛”，只需看一眼便能识别出大面积区域内待检测物质的成分，岂不节省时间和精力?南京理工大学的一项产学研成果将这个设想变成了现实。在日前举行的第二届中国军民两用技术创新应用大赛中，这项成果获铜奖，成为全国816个项目中高校获奖的3项成果之一。
世间万物均会呈现自己独有的光谱曲线，利用这一特性，科研人员可以根据光谱信息识别物质。然而，能够被人眼或是普通仪器捕捉到的光谱波段是有限的，可见光波段之外的许多光谱，如近红外、短波红外等，只能借助高光谱成像仪采集。近年来，高光谱成像仪的研制一直是科研人员们倾力攻关的热门领域，但仍存在两大难题：一是提高光谱分辨率的难度大，低分辨率下不同物质的光谱曲线相似度高，很难区分，会误导鉴别结果;二是在采集大面积待测区域的光谱信息时，单位像素中多种物质混杂，不易得到各类纯物质的光谱信息。
南京理工大学与南京地质调查中心联合建设的江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，经过5年努力，以“微型高光谱成像仪与数据分析系统”成功攻克了这两大难题。
整套系统由硬件设备和软件系统两部分组成，前者应用先进的探测器和独特的电子学设计，使光谱分辨率大幅提高，兼顾了“看得广”又“看得清”;后者凭借先进的算法，实现了多种物质光谱信息的分解，并可根据使用环境经纬度、大气、光照等因素自我校正，保证分析结果的准确性。
团队还将这些创新成果巧妙地整合为一个小型、轻量的整体，硬件设备总重不足4.5公斤，仅相当于两台笔记本电脑的重量，既可搭载在直升机上，在2000米高空对整座山林进行大面积扫描拍摄;也可搭载在无人机上进行低空作业，1小时内就可完成对1万平方米农田的土壤分析。
“目前系统已经在中国国土资源航空物探遥感中心、紫金矿业集团等单位投入使用，对比地面实测数据识别精度大于80%，为进一步进行精确地质矿物分析带来极大便利。”团队成员肖亮教授介绍，该系统在发展精准农业、环境污染物调查、物品鉴定等行业也能大显身手，只需一张图像，便能探明待测水域的污染物成分;或是待测土壤的成分、是否存在病虫害，为研究土壤特性与作物生长间关系提供科学依据;抑或是通过将待测物的光谱信息与标准光谱数据库进行比对，鉴别珠宝首饰的真伪等等。
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