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  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合作研制了“遥感地质应用微型高光谱成像仪与数据分析系统”。

  提到地质勘探、环境调查,人们首先联想到的往往是研究人员在现场取样,在实验室运用物理化学方法进行检测的场景。如果能有《西游记》中孙悟空的“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,将大大节省投入到传统检测过程中的时间和精力。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研制的“遥感地质应用微型高光谱成像仪与数据分析系统”便将这一设想变为了现实。近日,该系统在第二届中国军民两用技术创新应用大赛中获铜奖,全国816个项目中,以高校为单位申报的项目仅有3项获奖。

  世间万物在光下均会呈现自己独有的光谱曲线,它们像“身份证”一样标识了不同的物质。利用这一特性,科研人员可以反推光谱信息来源于哪些物质。然而,能够被人眼或是普通相机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、短波红外等则只能借助高光谱成像仪这样的设备采集。

  近年来,高光谱成像仪器的研制一直是科研人员们倾力攻关的热门领域,但仍存在着两大难题难以破解,一是提高光谱分辨率的难度高,低分辨率下不同物质的光谱曲线相似度高,科研人员很难区分不同光谱信息间的细微差别,这可能会误导物质鉴别的结果;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。

  江苏省光谱成像与智能感知重点实验室科研团队经过5年的努力,以“微型高光谱成像仪与数据分析系统”成功攻克了两大难题。整套系统由硬件设备和软件系统两部分组成,前者应用了先进探测器和独特的电子学设计,将人眼的可见波段范围由400-760纳米拓展到400-2500纳米,更以创新工艺制造出的专有分光器件,使光谱分辨率最大可达4纳米,仅仅相当于一张纸厚度的万分之一,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“解混”,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。

  此外,团队独创的光电系统设计思路,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,如此“小巧玲珑”,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,而传统的测试方法需要多名科研人员耗时数日;还可以在桌面上对地质勘探样本进行分析,可谓“上天入地、无所不适”。

  据团队肖亮教授介绍,整套系统是学校与南京地质调查中心产学研合作与协同创新的成果,体现了实际应用需求与高校科研能力的完美契合。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。此外,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;亦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。未来,整套系统还将不断提升智能分析、机器学习的能力,简化科研人员解读光谱信息的过程,实现“一键式”得出分析结果。

  拍张照就能识别出大面积区域内待检测物质的成分?这在过去人工勘探地质的时代想都不敢想。如今这项“遥感地质应用微型高光谱成像仪与数据分析系统”的诞生实现了这样的设想,更为我国未来遥感地质勘探攻克技术难题,推动了我国地质应用的发展。

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