導(dǎo)讀 

    高光譜成像傳感器是近幾年研究用于監(jiān)測(cè)不同環(huán)境中農(nóng)作物和植被的有效工具。植物的生理學(xué)，形態(tài)學(xué)或生物化學(xué)信息可以通過(guò)非接觸的方式以及不同尺度下評(píng)估。例如，用高光譜傳感器用于植物表型分析或農(nóng)業(yè)中的生理脅迫研究。截至目前，市面上有各種非成像和成像高光譜傳感器可供選擇，這些儀器進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。因此，現(xiàn)代化檢測(cè)及研究中對(duì)易于用戶操作的高光譜傳感器的需求日益增加。芬蘭發(fā)布的款新型小型手持式智能型高光譜相機(jī)——SPECIM IQ，就是基于用戶的現(xiàn)代化便攜操作而設(shè)計(jì)的。SPECIM IQ的機(jī)身小巧輕便，只有1.3kg，實(shí)現(xiàn)輕松手持操作；同時(shí)在相機(jī)中直接集成了操作控制系統(tǒng)，通過(guò)相機(jī)自帶的觸摸屏就可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)的采集和分析過(guò)程（如預(yù)處理和分類例程），實(shí)現(xiàn)智能化操作。便攜手持、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)、全自動(dòng)智能分析、高質(zhì)量數(shù)據(jù)，相信 SPECIM IQ 如此多的現(xiàn)代化征會(huì)讓您的高光譜研究更加得心應(yīng)手！

    以下我們將SPECIM IQ采集的高光譜數(shù)據(jù)與已經(jīng)十分成熟高光譜成像儀技術(shù)SPECIM V10E 進(jìn)行定性對(duì)比，發(fā)現(xiàn)SPECIM IQ便攜手持的設(shè)計(jì)并未影響到相機(jī)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，致地獲得了高質(zhì)量高光譜數(shù)據(jù)。同時(shí)，手持智能型SPECIM IQ還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物表型的鑒定以及病害研究檢測(cè)等，在植物科學(xué)研究及其他域具有無(wú)限可能。

1、手持智能型高光譜相機(jī)SPECIM IQ與SPECIM V10E的定性對(duì)比

    通過(guò)與性能的SPECIM V10E相機(jī)對(duì)比，我們?cè)u(píng)估了新型SPECIM IQ的成像質(zhì)量。SPECIM V10E在推掃式高光譜相機(jī)域是款具有代表性且*的產(chǎn)品，與SPECIM IQ具有相同的光譜范圍（400-1000nm）。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)采用4倍的光譜合并，達(dá)到與SPECIM IQ相似的光譜采集，共有211個(gè)波段，每行數(shù)據(jù)具有1600個(gè)像素。研究人員用兩款設(shè)備分別在室內(nèi)（鹵素?zé)艄庠矗┖褪彝猓ㄗ匀还夤庠矗?duì)具有不同顏色的樣本：紙片和聚乙烯膠片，進(jìn)行了高光譜數(shù)據(jù)采集和對(duì)比。

 圖1 智能型高光譜相機(jī)SPECIM IQ（207mm*91mm*74mm） 

    經(jīng)過(guò)對(duì)比，得到如圖2所示結(jié)果。對(duì)相同樣本，兩款設(shè)備采集的光譜形狀高度重合：實(shí)驗(yàn)室的平均值是0.009，室外平均值為0.043。SPECIM IQ和SPECIM V10E的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為室內(nèi)（0.017和0.021）和室外相同（0.029和0.029），但SPECIM IQ更為均，SPECIM V10E在光譜邊界處具有更高的噪聲水平（400 -450nm和400-450nm）900-1000nm，見(jiàn)圖2）。研究表明，除了925-970nm范圍內(nèi)的大氣水汽吸收帶之外，周圍光譜的原始信號(hào)較弱，導(dǎo)致反射信號(hào)的快速增加。

圖2 平均光譜包含綠色紙片（A）和紫色聚乙烯片（B）的標(biāo)準(zhǔn)差，C表示室內(nèi)測(cè)試的不同顏色的樣本  

圖3 室外數(shù)據(jù)的光譜對(duì)比（A-D）：綠色紙片、暗黃色紙片、紫色聚乙烯膠片以及藍(lán)色聚乙烯膠片

2、手持智能型高光譜相機(jī)SPECIM IQ對(duì)擬南芥的生理脅迫研究

    通過(guò)植被指數(shù)可評(píng)估不同狀態(tài)下植被的生理結(jié)構(gòu)和功能性，包括生物量、冠層結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)、葉綠素含量以及植物冠層的光用效率等。研究人員用SPECIM IQ對(duì)擬南芥的兩個(gè)變種在脅迫狀態(tài)下的生理狀態(tài)分別進(jìn)行了研究。由于缺乏PsbS蛋白質(zhì)和紫黃質(zhì)脫環(huán)氧化酶，擬南芥的變種樣本對(duì)光能量用能力減弱（非光化學(xué)淬滅），但在室溫條件下可正常發(fā)育，在高光照條件下，突變體可能受光損傷，這些都是肉眼無(wú)法察覺(jué)的。用SPECIM IQ對(duì)18個(gè)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行植被指數(shù)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，對(duì)樣本的葉綠素含量和類胡蘿卜素轉(zhuǎn)化的敏感程度進(jìn)行了評(píng)估（圖4）。 

圖4  在非脅迫適應(yīng)（NSA）和脅迫適應(yīng)（SA）擬南芥野生型（Col-0）和PQ缺陷突變體（npq1和npq4）之間觀察到的差異。 左側(cè)面板顯示選定感興趣區(qū)域的假彩色圖像（A）; NDVI（C）; REIP（E）; 和由SPECIM IQ采集數(shù)據(jù)計(jì)算的PRI（G）。 右側(cè)面板顯示計(jì)算出的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（B）; NDVI（D）; REIP（F）; 和PRI（H）從三個(gè)單的植物隨機(jī)分布在成像框架，不同的字母表示基于LSD的顯著差異（a = 0.05）。 

    研究表明，SPECIM IQ可用于擬南芥中葉綠素（NDVI）和葉黃素（PRI）的含量的檢測(cè)，并能評(píng)估植株樣本的狀態(tài)。通過(guò)驗(yàn)證具有代表性的植被指數(shù)，可為其它植被指數(shù)的評(píng)估計(jì)算提供樣例，并為在植被研究域獲得更多生理信息奠定了基礎(chǔ)。

3、手持智能型高光譜相機(jī)SPECIM IQ對(duì)大麥白粉病的研究 

    高光譜成像作為非接觸式的測(cè)量傳感器，在植物疾病嚴(yán)重程度與宿主植物對(duì)定植物病原體的易感性的評(píng)估方面有很大的應(yīng)用。本研究用SPECIM IQ評(píng)估了不同大麥品種在冠層尺度上的白粉病嚴(yán)重程度，并對(duì)品種Milford和Tocada進(jìn)行了4個(gè)和7個(gè)不同的白粉病易感性等的比較。研究準(zhǔn)確地檢測(cè)了兩個(gè)品種的白粉病癥狀，并通過(guò)高光譜成像結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法評(píng)估品種的不同疾病嚴(yán)重程度。

    研究人員用SPECIM IQ對(duì)在溫室中培養(yǎng)的360個(gè)大麥植物樣本（穩(wěn)定的漫射光條件下培養(yǎng)）進(jìn)行檢測(cè)，并使用的白色參考板（見(jiàn)圖5）和SPECIM IQ的內(nèi)置功能對(duì)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行歸化。研究人員用SPECIM IQ Studio的光譜角匹配方法（SAM）進(jìn)行感染檢測(cè)并與支持向量機(jī)分類（SVM）方法進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)到上部葉中具有類似病狀的區(qū)域。

圖5 使用光譜角匹配（SAM）和支持向量機(jī)（SVM）對(duì)白粉病進(jìn)行分類，圖像左側(cè)包含白色參考面板

    研究表明，大麥白粉病的樣本檢測(cè)到的疾病癥狀分別為所有植物像素的25.8％和4.4％，而健康部分只有2.0％和2.2％。現(xiàn)有的錯(cuò)誤分類主要是白色參考邊界處（看起來(lái)像葉面上的白色菌絲體）混合像素的影響。為了消除這種系統(tǒng)偏差，通過(guò)減去錯(cuò)誤分類像素量來(lái)確定疾病嚴(yán)重程度，預(yù)測(cè)分析的品種的2.2％至23.7％的強(qiáng)烈差異。因此，SPECIM IQ可用來(lái)測(cè)量評(píng)估復(fù)雜冠層的疾病嚴(yán)重性，控制光源照明條件保證高信號(hào)質(zhì)量，此項(xiàng)研究也證明SPECIM IQ空間分辨率足以確定大麥葉片上的單癥狀。

4、總結(jié)

    手持智能型SPECIM IQ相機(jī)在植物生理和病害檢測(cè)中具有巨大潛力。通過(guò)SPECIM IQ與SPECIM V10E室內(nèi)和室外環(huán)境中對(duì)不同材質(zhì)色卡輻射測(cè)量評(píng)估，得到兩者的光譜性高度致性。根據(jù)植被指數(shù)分析得到的結(jié)果表明手持智能型SPECIM IQ在植物研究和表型分型策略的背景下的應(yīng)用潛力：對(duì)于白粉病的評(píng)估，表明SPECIM IQ具有足夠的測(cè)量能力，并且與SVM相結(jié)合，在量化中對(duì)視覺(jué)評(píng)估的高度致性。

    作為智能型的高光譜相機(jī)設(shè)備，手持式SPECIM IQ除具有高精度的數(shù)據(jù)質(zhì)量外，其設(shè)備本身具有高緊湊性、可移動(dòng)性強(qiáng)和快速集成處理能力，為科技新域的應(yīng)用創(chuàng)造了有條件。手持智能型SPECIM IQ的發(fā)布讓高光譜傳感器技術(shù)以實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的質(zhì)量水平傳輸?shù)綔厥液同F(xiàn)場(chǎng)，而無(wú)需任何載體平臺(tái)或控制和存儲(chǔ)設(shè)備，因此，該款設(shè)備的誕生無(wú)疑可以支持各個(gè)場(chǎng)景下的不同應(yīng)用，并推動(dòng)現(xiàn)代高光譜技術(shù)在更多域的發(fā)展和影響。