帶你探秘高光譜技術(shù)世界

看過(guò)紀(jì)錄片《我在故宮修文物》的觀眾或許會(huì)對(duì)如下場(chǎng)景有印象：技術(shù)人員用一臺(tái)儀器掃描古字畫(huà)，掃描信息經(jīng)過(guò)專業(yè)處理后，文物修復(fù)專家就能發(fā)現(xiàn)字畫(huà)上肉眼看不見(jiàn)的信息，甚至還能分析出繪畫(huà)技法和當(dāng)時(shí)用的顏料。

這臺(tái)神奇的儀器就是中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所研發(fā)的高光譜掃描儀。高光譜遙感為何有如此的超能力？除文物檢測(cè)修復(fù)外還有哪些應(yīng)用？

利用高光譜技術(shù)能提取古畫(huà)的顏料信息，推算顏料產(chǎn)地，從而能在修復(fù)時(shí)精準(zhǔn)選用顏料

人們?nèi)粘Ｉ钪兴?jiàn)的光，是由多種顏色構(gòu)成的復(fù)色光，通過(guò)棱鏡等分光后顯現(xiàn)的是單色光。這些單色光按不同波長(zhǎng)（或頻率）大小依次排列形成的圖案，就是光譜。

光譜分析是人類借助光認(rèn)知世界的重要方式，地球上不同的元素及其化合物都有自己獨(dú)特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”。如果說(shuō)肉眼光學(xué)成像能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，光譜分析則能獲取物質(zhì)的成分信息，得到更豐富、精細(xì)的物質(zhì)成分信息，且光譜通道很窄，分辨率很高，其光譜探測(cè)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人類肉眼的感知范圍，能夠探測(cè)人眼無(wú)法看到的大量信息，提高人們對(duì)自然和物質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

如何運(yùn)用高光譜技術(shù)鑒定、修復(fù)古字畫(huà)？在中科院遙感地球所高光譜研究室實(shí)驗(yàn)室，張立福畫(huà)了一張圖，并為記者解釋高光譜遙感成像的原理：高光譜儀器掃描字畫(huà)表面，獲取圖像上每個(gè)點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)；因?yàn)楦吖庾V連續(xù)成像的特征，能夠獲得目標(biāo)數(shù)百?gòu)埐煌ㄩL(zhǎng)的圖像，這些圖像疊加起來(lái)，在三維空間上就能形成一個(gè)圖像立方體，將每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的數(shù)百?gòu)垟?shù)字圖像的數(shù)值連接起來(lái)，就成為一條光譜曲線。

“不同物質(zhì)甚至不同年代的物質(zhì)反映出的光譜信息也有差異，也就是有一條獨(dú)屬于它的‘指紋光譜。如果兩個(gè)物體的成分信息一致，得出來(lái)的曲線應(yīng)該基本吻合；如果某一條曲線的局部有較大波動(dòng)，就能推算出其中有異常?！睆埩⒏Ｕf(shuō)。

以故宮藏品《崇慶皇太后八旬萬(wàn)壽圖》為例，該畫(huà)描繪的是乾隆皇帝的母親崇慶皇太后八80大壽時(shí)現(xiàn)場(chǎng)祝壽的實(shí)景，歷經(jīng)250多年之后非常殘破，絹面有缺損斷裂，甚至還有霉跡。要想恢復(fù)原作風(fēng)貌，修復(fù)該畫(huà)時(shí)就要了解當(dāng)時(shí)所用的顏料。中科院遙感地球所高光譜研究團(tuán)隊(duì)利用高光譜掃描儀對(duì)古畫(huà)顏料進(jìn)行了掃描，提取了古畫(huà)顏料信息，由此推算出當(dāng)初繪畫(huà)所用礦物原料的種類。根據(jù)不同顏料產(chǎn)地光譜曲線的差異，科技人員甚至還能反推出顏料的產(chǎn)地——這就為修復(fù)選用精準(zhǔn)顏料提供了依據(jù)。

張立福說(shuō)，中國(guó)古書(shū)畫(huà)所用材料，大多為絹和紙，質(zhì)地纖薄，年代久遠(yuǎn)容易破損、掉色。高光譜分析技術(shù)不損害文物本體，能幫助修復(fù)專家了解古書(shū)畫(huà)的顏料組成、繪畫(huà)技法，甚至能及早發(fā)現(xiàn)書(shū)畫(huà)潛在的病害信息。

借助高光譜技術(shù)可檢測(cè)果蔬農(nóng)藥殘留，未來(lái)還可能隨時(shí)檢測(cè)霧霾

高光譜這雙“火眼金睛”的本領(lǐng)可不僅僅是幫助鑒定、修復(fù)文物。因其能呈現(xiàn)人眼看不到的細(xì)節(jié)、辨別不同成分的物質(zhì)，因此該技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、地礦勘察等領(lǐng)域都有廣闊應(yīng)用價(jià)值。

在中科院遙感地球所高光譜研究室實(shí)驗(yàn)室，張立福向我們展示了一盆綠蘿。從表面看，這盆綠蘿的葉子沒(méi)有什么特別之處，但經(jīng)過(guò)高光譜儀的“眼睛”觀察，一塊白色區(qū)域就在電子屏上顯示出來(lái)?！熬G蘿中有幾片塑料做的葉子，肉眼幾乎難以發(fā)現(xiàn)，但由于它和正常葉子的光譜信息有很大差別，就躲不過(guò)高光譜的‘眼睛?！睆埩⒏Ｕf(shuō)。

利用該原理，高光譜還能用在果蔬農(nóng)藥殘留的檢測(cè)上。有沒(méi)有殘留農(nóng)藥、殘留多少農(nóng)藥，呈現(xiàn)的光譜特征會(huì)有細(xì)微的差別，通過(guò)分析這些差別，專業(yè)人員就能做出科學(xué)的判斷。

相較于傳統(tǒng)食品安全取樣化驗(yàn)等檢測(cè)方式，高光譜技術(shù)檢測(cè)具有無(wú)接觸、無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)，可以大大提升檢測(cè)效率。此外，根據(jù)不同生長(zhǎng)日期或產(chǎn)地的果蔬光譜特征也不同的原理，高光譜技術(shù)還能用于檢測(cè)果蔬新鮮度、進(jìn)行產(chǎn)地溯源等。

張立福介紹，基于高光譜原理，科研人員目前正在研發(fā)可供智能手機(jī)使用的高光譜檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)。他希望未來(lái)手機(jī)有高光譜檢測(cè)功能，結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)，人們能夠隨時(shí)隨地用手機(jī)快速檢測(cè)食品安全問(wèn)題。這樣，農(nóng)民拿手機(jī)就能檢測(cè)果蔬病蟲(chóng)害信息，并把這些數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，后方科研人員可以根據(jù)這些信息預(yù)知哪里可能爆發(fā)病蟲(chóng)害。

“從果蔬農(nóng)藥殘留檢測(cè)到化妝品重金屬檢測(cè)，水體、土壤等環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，再到牙齒、皮膚等醫(yī)學(xué)檢測(cè)，高光譜技術(shù)應(yīng)用有很大的想象空間?！睆埩⒏Ｕf(shuō)，不同空氣顆粒反射的光譜不同，未來(lái)人們甚至都能通過(guò)手機(jī)及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)霧霾。

高光譜技術(shù)屬于遙感技術(shù)范疇。通常人們提到遙感，就往往聯(lián)想到衛(wèi)星遙感、航空遙感等，認(rèn)為遙感和老百姓的日常生活沒(méi)有直接關(guān)系，其實(shí)不然。3S技術(shù)（地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感）中，前兩個(gè)“S”已經(jīng)與人們的生活息息相關(guān)，人們已在手機(jī)中普遍應(yīng)用，現(xiàn)在缺少的是第三個(gè)“S”與老百姓的生活關(guān)聯(lián)起來(lái)。高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用，表明遙感技術(shù)正在走進(jìn)人們的生活?！拔覀兯龅?，就是要使高光譜遙感技術(shù)飛入尋常百姓家。遙感與智能手機(jī)的結(jié)合，將使‘遙感無(wú)處不在?！睆埩⒏Ｕf(shuō)。