看過紀(jì)錄片《我在故宮修文物》的觀眾或許會對如下場景有印象：技術(shù)人員用一臺儀器掃描古字畫，掃描信息經(jīng)過專業(yè)處理后，文物修復(fù)專家就能發(fā)現(xiàn)字畫上肉眼看不見的信息，甚至還能分析出繪畫技法和當(dāng)時用的顏料。

這款神奇的設(shè)備正是由中科院遙感與數(shù)字地球研究所(以下簡稱中科院遙感地球所)所研制出的高光譜掃描儀。高光譜遙感為何有如此的超能力?除文物檢測修復(fù)外還有哪些應(yīng)用?我國在高光譜遙感領(lǐng)域的研發(fā)水平又如何?

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

人們?nèi)粘Ｉ钪兴姷墓?，是由多種顏色構(gòu)成的復(fù)色光，通過棱鏡等分光后顯現(xiàn)的是單色光。光譜是由按照不同的波長(或頻率)大小依次排列形成的一組單色光所組成的圖案。

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特的光譜特征，光譜因此被視為辨別物質(zhì)的“指紋”。肉眼光學(xué)成像能夠觀察并獲取物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，而光譜分析則可以獲得物質(zhì)的成分信息。

要獲取更豐富、精細(xì)的物質(zhì)成分信息，除了提升分光系統(tǒng)性能外，還可以改進(jìn)分光方法、呈現(xiàn)方式等——高光譜遙感就是這樣一種思路。中國科學(xué)院遙感地球科學(xué)研究所的高光譜遙感研究室主任張主任指出，高光譜遙感具有一些特點。首先，它能夠在可見光到短波紅外的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)成像。相比之下，傳統(tǒng)彩色相機(jī)只能記錄紅、綠、藍(lán)這三個通道的圖像。而且，每個通道的帶寬都很寬。而高光譜成像可以記錄數(shù)百個通道的影像，而且光譜通道很窄，分辨率很高。高光譜遙感的光譜探測范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人眼的感知范圍，能夠探測到人眼無法察覺的大量信息，從而提高人們對自然和物質(zhì)的了解。

因為能在非常窄的光譜波段內(nèi)獲取豐富的信息，利用高光譜技術(shù)獲取的信息分辨率很高，甚至能分辨出觀測物質(zhì)的分子和原子結(jié)構(gòu)，這是普通的光學(xué)遙感所達(dá)不到的。

如何運用高光譜技術(shù)鑒定、修復(fù)古字畫?在中國科學(xué)院遙感地球科學(xué)研究所的高光譜實驗室，張主任繪制了一幅圖，并向記者解釋了高光譜遙感成像的原理：高光譜儀器會掃描繪圖表面，獲取每個像素點的光譜數(shù)據(jù);由于高光譜成像的連續(xù)特性，可以獲取目標(biāo)的數(shù)百個不同波長的圖像;這些圖像疊加在一起，形成一個三維空間中的圖像立方體，其中每個像素對應(yīng)的數(shù)百個數(shù)字圖像的數(shù)值連接起來，就形成了一條光譜曲線。

“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，也就是有一條獨屬于它的‘指紋’光譜。如果兩個物體的成分信息一致，得出來的曲線應(yīng)該基本吻合;如果某一條曲線的局部有較大波動，就能推算出其中有異常?！?span style="text-wrap: wrap;">張主任說。

以故宮藏品《崇慶皇太后八旬萬壽圖》為例，該畫描繪的是乾隆皇帝的母親崇慶皇太后八十大壽時現(xiàn)場祝壽的實景，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)該畫時就要了解當(dāng)時所用的顏料。中科院遙感地球所高光譜研究團(tuán)隊利用高光譜掃描儀對古畫顏料進(jìn)行了掃描，提取了古畫顏料信息，由此推算出當(dāng)初繪畫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)。

張主任說，中國古書畫所用材料，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)專家了解古書畫的顏料組成、繪畫技法，甚至能及早發(fā)現(xiàn)書畫潛在的病害信息。

借助高光譜技術(shù)可檢測果蔬農(nóng)藥殘留，未來還可能隨時檢測霧霾

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)在國防軍事、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、水環(huán)境監(jiān)測、地礦勘察等領(lǐng)域都有廣闊應(yīng)用價值。

在中科院遙感地球所高光譜研究室實驗室，張主任向記者展示了一盆綠蘿。從表面看，這盆綠蘿的葉子沒有什么特別之處，但經(jīng)過高光譜儀的“眼睛”觀察，一塊白色區(qū)域就在電子屏上顯示出來。“綠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，就躲不過高光譜的‘眼睛’。”張立福說。

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

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

張主任介紹，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)使用的高光譜檢測應(yīng)用系統(tǒng)。他希望未來手機(jī)有高光譜檢測功能，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)，人們能夠隨時隨地用手機(jī)快速檢測食品安全問題。這樣，農(nóng)民拿手機(jī)就能檢測果蔬病蟲害信息，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)病蟲害。

“從果蔬農(nóng)藥殘留檢測到化妝品重金屬檢測，水體、土壤等環(huán)境污染監(jiān)測，再到牙齒、皮膚等醫(yī)學(xué)檢測，高光譜技術(shù)應(yīng)用有很大的想象空間?！?span style="text-wrap: wrap;">張主任說，不同空氣顆粒反射的光譜不同，未來人們甚至都能通過手機(jī)及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測霧霾。

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有直接關(guān)系，其實不然。3S技術(shù)(地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、遙感)中，前兩個“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“S”與老百姓的生活關(guān)聯(lián)起來。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龅模褪且垢吖庾V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’無處不在?！?span style="text-wrap: wrap;">張主任說。

中國在高光譜遙感研究上處于國際領(lǐng)先地位

巨大的應(yīng)用前景，使高光譜遙感技術(shù)成為當(dāng)前國際上遙感技術(shù)的前沿領(lǐng)域。

據(jù)專家介紹，中國在高光譜遙感研究上，處于國際領(lǐng)先地位。

上世紀(jì)90年代，中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所與上海技術(shù)物理研究所合作，研制了系列航空高光譜傳感器，并前往日本、澳大利亞、馬來西亞等國進(jìn)行國際合作，為當(dāng)?shù)丨h(huán)境、農(nóng)業(yè)、海洋、地質(zhì)等領(lǐng)域的研究提供了重要數(shù)據(jù)，受到高度評價。

張主任說，受制于科研經(jīng)費支持等原因，本世紀(jì)初我國高光譜研究一度發(fā)展緩慢。近年來我國加大了對高光譜的支持力度，科研人員也取得了一系列成果。他介紹，我國在高光譜基礎(chǔ)研究及信息數(shù)據(jù)積累等方面走在國際前列;同時，科研人員不斷擴(kuò)大高光譜的應(yīng)用領(lǐng)域，在成像光譜地面測量與光譜圖像模擬、高光譜圖像智能處理與信息提取、新的應(yīng)用領(lǐng)域拓展等多方面取得了系列國際領(lǐng)先的研究。

“中國在高光譜技術(shù)方面有較強(qiáng)的積累，但光譜儀器的一些關(guān)鍵器件還需要進(jìn)口，一定程度上影響了我國高光譜技術(shù)應(yīng)用的自主性?！?span style="text-wrap: wrap;">張主任說，高端科學(xué)儀器設(shè)備制造方面的不足與中國在材料學(xué)、制造工藝等方面整體水平不高有關(guān)，他呼吁我國有更多的、不同領(lǐng)域的科研人員參與到高光譜的研發(fā)中，提高光譜儀器制造能力，使我國成為高光譜研究強(qiáng)國。