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ATH8500_實(shí)驗(yàn)室用高光譜成像儀

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實(shí)驗(yàn)室用高光譜成像儀ATH8500總體描述：ATH8500是一款全新的、經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的、具有突破性特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室用高光譜成像系統(tǒng)，它具有高分辨率、高清、高質(zhì)量等特點(diǎn)，由高光譜成像儀、平掃結(jié)構(gòu)、光源、成像相機(jī)、數(shù)據(jù)處理工作站等組成

詳細(xì)介紹

實(shí)驗(yàn)室用高光譜成像儀

ATH8500

總體描述：

ATH8500是一款全新的、經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的、具有突破性特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)室用高光譜成像系統(tǒng)，它具有高分辨率、高清、高質(zhì)量等特點(diǎn)，由高光譜成像儀、平掃結(jié)構(gòu)、光源、成像相機(jī)、數(shù)據(jù)處理工作站等組成。它是采用多功能機(jī)箱、高穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并內(nèi)置高穩(wěn)定性光源、不同波長(zhǎng)范圍高光譜成像儀、高清晰可見光相機(jī)、防抖線性平動(dòng)平臺(tái)等部件，并采取了多種消雜散光處理方法，以獲得高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)，特別適合實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)室高光譜系統(tǒng)由高光譜成像儀、線光源、高清相機(jī)、樣品臺(tái)、調(diào)焦裝置和標(biāo)準(zhǔn)白板組成。線光源與高光譜成像儀線視場(chǎng)共線，通過(guò)樣品臺(tái)的平移實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。高清相機(jī)拍攝樣品臺(tái)零位全局高清圖片用于與高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像融合彌補(bǔ)其空間分辨率不足的缺點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)白板用于在空間和時(shí)間雙重尺度上進(jìn)行反射率校正，提高數(shù)據(jù)反演精度。企業(yè)的實(shí)驗(yàn)研究設(shè)備。

ATH8500將高光譜成像技術(shù)與高清拍照技術(shù)相結(jié)合，所采集數(shù)據(jù)兼具高光譜分辨率和高空間分辨率，能夠充分挖掘物質(zhì)自身的光譜特性和空間特性?？梢詰?yīng)用于物質(zhì)分選（煙草、藥品、食品、礦石等）、刑偵文檢、真?zhèn)舞b定等領(lǐng)域。

特征：

l 波段范圍：400~5300nm（多段可選）

l 空間波段數(shù)：2048X2048（每個(gè)型號(hào)不同）

l 光譜波段數(shù)：1088（每個(gè)型號(hào)不同）

l 超群的成像性能

l 數(shù)據(jù)格式兼容ENVI；

l 體積緊湊：162cm x 80cm x 60cm；

l 重量輕：60 Kg（每個(gè)型號(hào)不同）；

l 內(nèi)置智能校準(zhǔn)白版

l 多種消雜散光設(shè)計(jì)，成像質(zhì)量高；

l 高清可見光相機(jī)，可進(jìn)行圖像融合；

l 可靠性高；

應(yīng)用領(lǐng)域：

l 藝術(shù)品和古畫

l 刑偵與文檢作業(yè)；

l 制藥企業(yè)：中藥材的防偽

l 紡織：花紋的拷貝、圖畫的復(fù)制

l 礦物質(zhì)的篩查

l 司法鑒定：文檢鑒定

l 農(nóng)業(yè)：樹葉、煙葉掃描

l 文物掃描修復(fù)，壁畫修復(fù)

1. 選型指南

ATH8500系列	特征	主要應(yīng)用領(lǐng)域
ATH8500	400-1000nm可見近紅外高光譜成像儀	精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選等
ATH8500-17	1.0~1.7μm短波紅外高光譜成像儀	半導(dǎo)體、工業(yè)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)與食品分析、深色塑料分選、地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)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(yī)學(xué)鑒定、廢品回收；
ATH8500-50	2.5~5.0μm中波紅外高光譜成像儀	地質(zhì)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(zhì)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測(cè)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測(cè)等

2. 實(shí)驗(yàn)室高光譜工作原理

ATH8500實(shí)驗(yàn)室高光譜成像分析系統(tǒng)，由高光譜成像儀、平掃結(jié)構(gòu)、光源、成像相機(jī)、數(shù)據(jù)處理工作站等組成。它是采用多功能機(jī)箱、高穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并內(nèi)置高穩(wěn)定性光源、不同波長(zhǎng)范圍高光譜成像儀、高清晰可見光相機(jī)、防抖線性平動(dòng)平臺(tái)等部件，并采取了多種消雜散光處理方法，以獲得高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)，特別適合實(shí)驗(yàn)室高光譜掃描適用。

4. ATH8500 的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)圖

l 時(shí)空輻射強(qiáng)度校正，顯著提高輻射標(biāo)定精度

圖2 ATH8500內(nèi)的載物臺(tái)，樣品放置于該臺(tái)面上

l 光源設(shè)計(jì)，匹配線視場(chǎng)，提高光能利用率

l 輔助對(duì)焦，據(jù)樣品厚度調(diào)節(jié)升降以保證成像清晰度

l 自動(dòng)積分時(shí)間推薦，根據(jù)樣品反射率推薦曝光時(shí)間

l 自動(dòng)掃描，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集

l 集成高清相機(jī)，提高空間分辨率，海量數(shù)據(jù)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(hào)	物品	數(shù)量	選配
1	實(shí)驗(yàn)室高光譜成像儀主機(jī)	1臺(tái)	標(biāo)配
2	輻射度標(biāo)定	1套	標(biāo)配
3	高光譜成像系統(tǒng)服務(wù)工作站（包含操作控制器及控制軟件）	1套	標(biāo)配
4	大功率適配器	1個(gè)	標(biāo)配

7. ATH1500系列高光譜成像儀（其他擴(kuò)展型號(hào)）

ATH1500系列	特征	主要應(yīng)用領(lǐng)域
ATH1500	400-1000nm可見近紅外高光譜成像儀	精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、植被分析、種植面積評(píng)估、農(nóng)作物產(chǎn)量評(píng)估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測(cè)等
ATH1500-17	1.0~1.7μm短波紅外高光譜成像儀	半導(dǎo)體、工業(yè)分選、食品分選、建筑垃圾分選、肉類分選、塑料分選、地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)與食品分析、深色塑料分選、地質(zhì)勘探、礦產(chǎn)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(yī)學(xué)鑒定、廢品回收；
ATH1500-50	2.5~5.0μm中波紅外高光譜成像儀	地質(zhì)勘察、工、氣體分析、VOCs巡查、水溫探測(cè)、土地覆蓋類型識(shí)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(zhì)勘察、工、氣體分析、VOCs巡查、水溫探測(cè)、土地覆蓋類型識(shí)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、植被分析、種植面積評(píng)估、農(nóng)作物產(chǎn)量評(píng)估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測(cè)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)林業(yè)病蟲害、植被分析、種植面積評(píng)估、農(nóng)作物產(chǎn)量評(píng)估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測(cè)等

8. 高光譜應(yīng)用舉例

圖4 高光譜成像儀拍攝的數(shù)據(jù)立方

圖5 無(wú)人機(jī)掛載實(shí)驗(yàn)示意圖

圖6 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景1

圖7 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景2

圖8 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景3

圖9 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景4

圖10 奧譜天成高光譜成像儀外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景5

8.1.高光譜成像儀在工業(yè)分選的應(yīng)用

隨著近紅外高光譜技術(shù)發(fā)展，JIANG 等嘗試采用近紅外高光譜技術(shù)檢測(cè)棉花中的雜質(zhì)，特別是短波近紅外高光譜技術(shù)的應(yīng)用，使得塑料膜的檢出率相比常規(guī)方法有明顯的提高。高光譜成像技術(shù)是基于非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，樣本成像的同時(shí)能夠獲得樣本的圖像信息與光譜信息。常用的高光譜數(shù)據(jù)處理方法包括偏最小二乘法

(Partial least squares，PLS) 、支持向量機(jī)(Support vector machine，SVM) 和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial neural network，ANN) 。

圖11 高光譜成像儀在籽棉分選的應(yīng)用；(a) 系統(tǒng)功能組成；(b) 不同物質(zhì)的反射光譜曲線

圖12 高光譜成像儀在籽棉分選的應(yīng)用；(a) 人工標(biāo)記；(b) 高光譜成像儀識(shí)別結(jié)果

蘋果的外部品質(zhì)是蘋果最直觀的品質(zhì)特征，直接影響蘋果的價(jià)格和消費(fèi)者的偏愛。針對(duì)蘋果外部檢測(cè)的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，基于機(jī)器視覺技術(shù)、高光譜成像技術(shù)和多光譜成像技術(shù)，綜合圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別方法、化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和光譜分析技術(shù)研究了蘋果外部物理品質(zhì)（形狀和尺寸）和表面常見缺陷的檢測(cè)方法?；谏鲜鲅芯康幕A(chǔ)上開發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)和算法為我國(guó)研發(fā)基于機(jī)器視覺技術(shù)和多光譜機(jī)器視覺技術(shù)的蘋果外部品質(zhì)快速在線檢測(cè)分級(jí)裝備奠定了基礎(chǔ)。

圖13 上海交大張保華博士研制的高光譜成像系統(tǒng)原理圖和實(shí)物圖；(a) 原理圖；(b)實(shí)物圖

圖14 蘋果表面早期損傷檢測(cè)算法流程圖

圖15 部分蘋果早期腐爛的識(shí)別結(jié)果以及中間處理過(guò)程 (a)腐爛分割結(jié)果 (b)最終結(jié)果

圖16 1000-2500 nm 高光譜成像儀在玉米種子分選上的應(yīng)用（西北農(nóng)林大學(xué)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(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

圖18 奧譜天成生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)

圖19 高光譜成像儀測(cè)綠色植物的光譜圖

1) 農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和產(chǎn)量預(yù)估：農(nóng)作物在其生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段，由于外部因素的不同，其內(nèi)部組成及外部形態(tài)等都會(huì)存在一定的差別，最主要的差別是葉面積指數(shù)。葉面積指數(shù)是反映農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)的個(gè)體特征與群體特征的綜合指數(shù)。

2) 農(nóng)作物病蟲害防治：遙感技術(shù)能夠監(jiān)測(cè)病蟲害對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，并跟蹤農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，分析估算災(zāi)情損失，同時(shí)能夠監(jiān)測(cè)害蟲的分布及活動(dòng)習(xí)性，進(jìn)而能夠預(yù)防蟲害的發(fā)生。

3) 3 農(nóng)作物旱情監(jiān)測(cè)：遙感技術(shù)通過(guò)農(nóng)作物植被指數(shù)及冠層參數(shù)進(jìn)而監(jiān)測(cè)農(nóng)作物旱情。

4) 土壤水分含量和分布監(jiān)測(cè)：在熱慣量條件不同的情況下，遙感光譜間的區(qū)別非常明顯，故可以通過(guò)建立熱慣量與土壤水分含量之間的數(shù)學(xué)模型，遙感技術(shù)利用該模型，進(jìn)行分析土壤水分含量及分布

5) 農(nóng)作物養(yǎng)分監(jiān)測(cè)：遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)到農(nóng)作物中氮元素含量的精度比監(jiān)測(cè)其它營(yíng)養(yǎng)元素含量的精度高

利用 450～882 nm 范圍內(nèi)單波段和任意兩個(gè)波段構(gòu)建歸一化光譜指數(shù)（normalized difference spectral index，NDSI），比值光譜指數(shù)（ratio spectral index，RSI）和簡(jiǎn)單光譜指數(shù)（simple spectral index，SSI），計(jì)算 CGI 與光譜指數(shù)的相關(guān)性，篩選出相關(guān)性好的光譜指數(shù)，結(jié)合偏最小二乘回歸（partial least squares regression，PLSR）建立反演模型。以 CGI 為指標(biāo)，運(yùn)用無(wú)人機(jī)高光譜影像對(duì) 2015 年小麥多生育期的長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)。無(wú)人機(jī)高光譜影像反演 CGI 精度較高，能夠判斷出小麥總體的長(zhǎng)勢(shì)差異，可為監(jiān)測(cè)小麥長(zhǎng)勢(shì)提供參考。

圖20 小麥長(zhǎng)勢(shì)指標(biāo) CGI 反演

8.3. 林木健康情況的應(yīng)用

用于病蟲害監(jiān)測(cè)、森林資源評(píng)估

原理：植被健康狀況與綠度指數(shù)、葉面積指數(shù)、葉片水分含量和光利用效率有關(guān)；

圖21 基于無(wú)人機(jī)高光譜遙感的柑橘黃龍病植株的監(jiān)測(cè)與分類（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)蘭玉彬等人設(shè)計(jì)）

圖22 電子科技大學(xué)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(zhì)勘探的應(yīng)用

光譜遙感技術(shù)是由以 Landsat 為代表的多光譜遙感技術(shù)演化發(fā)展而成，于上世紀(jì) 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(yōu)點(diǎn)，高光譜遙感技術(shù)具備從空間大尺度上精細(xì)探測(cè)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(jí)別的細(xì)節(jié)上確定地質(zhì)體中礦物的種類和豐度、甚至某些礦物的化學(xué)成分等信息(等，2010)。近年來(lái)，隨著與成像光譜儀有關(guān)的硬件和數(shù)據(jù)處理方法及軟件的持續(xù)發(fā)展，高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用得到了加速推廣。從大型成礦區(qū)帶到中型規(guī)模的礦田，高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)填圖、熱液蝕變帶的界定劃分、和礦化異常區(qū)的圈定和判別等方面，都起了重要作用(如 Bierwirth et al., 2002；連長(zhǎng)云等，2005；Kruse et al, 2006；Cudahy et al., 2007；等，2010；劉德長(zhǎng)等，2011；閆柏琨等，2014；楊自安等，2015；Graham et al., 2017)。隨著成礦系統(tǒng)理論(Wyborn et al., 1994)更深入地成為找礦實(shí)踐的指導(dǎo)思想，大型礦集區(qū)和成礦帶規(guī)模的專題性礦物填圖將為預(yù)測(cè)性找礦勘探提供關(guān)鍵的區(qū)域性物質(zhì)成分信息。

礦物填圖所用的光譜波長(zhǎng)區(qū)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(yè)應(yīng)用的是短波紅外區(qū)域(1000-2500nm)。由于與礦物晶格中化學(xué)鍵振動(dòng)的協(xié)頻和組合頻的頻率接近，在短波紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)，可以觀測(cè)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(yīng)用

土壤鹽漬化是干旱、半干旱區(qū)所面臨的重要生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一，土壤鹽漬化引起的土壤板結(jié)、肥力下降、酸堿失衡、土地退化等后果，嚴(yán)重制約我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展，影響當(dāng)前我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略大局。遙感技術(shù)因其尺度大、范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，很好的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鹽漬化現(xiàn)象監(jiān)測(cè)方法的不足，為定量監(jiān)測(cè)土壤鹽漬化現(xiàn)象提供了嶄新的途徑。

圖24 某鹽場(chǎng)周邊區(qū)域

8.5. 高光譜在公共安全方面的應(yīng)用

圖25 高光譜成像儀在搜索非法種植方面的應(yīng)用

圖26 高光譜成像儀在文檢方面的應(yīng)用

8.6. 科研顯微成像光譜應(yīng)用

應(yīng)用目標(biāo)：腫瘤手術(shù)術(shù)中在線檢測(cè)及導(dǎo)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(cè)目標(biāo)經(jīng)物鏡、顯微透鏡組后分為三路，一路供主刀醫(yī)生目視觀測(cè)，一路供助手輔助目視觀測(cè)，一路由成像光譜儀探測(cè)接收，成像光譜儀由電機(jī)帶動(dòng)對(duì)待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行空間維掃描，得到待測(cè)目標(biāo)的成像光譜信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)分析圖像處理后，通過(guò)顯示器顯示給醫(yī)生。

圖28 科研顯微成像光譜儀實(shí)物圖

圖29 科研顯微成像光譜儀數(shù)據(jù)

8.7. 機(jī)載成像光譜應(yīng)用

圖30 奧譜天成的無(wú)人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)

應(yīng)用目標(biāo)：機(jī)載遙感

應(yīng)用簡(jiǎn)介：圖中所示是機(jī)載成像光譜儀，該儀器由高光譜成像儀、穩(wěn)定平臺(tái)及POS模塊組成。圖 30、圖 31所示是獲取的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)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(jī)載遙感應(yīng)用

圖32 機(jī)載應(yīng)用數(shù)據(jù)-偽彩圖像

圖33 機(jī)載應(yīng)用數(shù)據(jù)-光譜曲線

圖34 森林遙感，機(jī)載高光譜觀測(cè)森林病蟲害

8.8. 高光譜成像儀在水質(zhì)與環(huán)保方面的應(yīng)用

圖35 高光譜數(shù)據(jù)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(qū)的總磷濃度月變化規(guī)律，湖區(qū)也基本上在 6 月至 9 月之間達(dá)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(qū)域，貢湖灣只有在 6 月份的時(shí)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(duì)較低。