ATH9500_無人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)
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無人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng) |
ATH9500 |
總體描述：
ATH9500是一系列體積小、重量輕的無人機(jī)載微型高光譜成像儀，由六旋翼高穩(wěn)定性無人機(jī)、高穩(wěn)定性云臺、高光譜成像儀、大容量存儲系統(tǒng)、無線圖像系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、地面接收工作站、地面控制系統(tǒng)等組成。
ATH9500采用高性能CCD成像器件，成像清晰、噪點少；內(nèi)部集成了獨創(chuàng)的高壓縮比圖像壓縮算法，使得存儲續(xù)航時間得到極大地提升，可以達(dá)到3小時以上，完全滿足無人機(jī)的需要。
ATH9500可用于實時測量植物、水體、土壤等地物的光譜信息，并獲得光譜圖像，通過分析光譜圖像，可與植物等的理化性質(zhì)建立關(guān)系，用于植物分類，植物生長狀況等研究。整個系統(tǒng)設(shè)計緊湊，成像光譜儀主機(jī)光譜分辨率高，同時采用外置推掃成像方式，可與野外旋轉(zhuǎn)平臺及室內(nèi)線性掃描平臺分別組成獨立的測量系統(tǒng)，也可掛載無人機(jī)，進(jìn)行航空遙感作業(yè)。
特征：
l 最大波段范圍：400~5300nm（多段可選）
l 最大空間波段數(shù)：2048X2048（每個型號不同）
l 最大光譜波段數(shù)：1088（每個型號不同）
l 超群的成像性能
l 數(shù)據(jù)格式兼容ENVI；
l 體積緊湊，重量輕：<4 Kg（每個型號不同）；
l 內(nèi)置校準(zhǔn)光譜儀，可對輻射光譜進(jìn)行實時校準(zhǔn)
l 高清可見光相機(jī)，可進(jìn)行圖像融合；
應(yīng)用領(lǐng)域：
l 地質(zhì)與礦產(chǎn)資源勘察；
l 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、農(nóng)作物長勢與產(chǎn)量評估；
l 森林病蟲害監(jiān)測與防火監(jiān)測；
l 海岸線與海洋環(huán)境監(jiān)測；
l 草場生產(chǎn)力及草場監(jiān)測；
l 湖泊與流域環(huán)境監(jiān)測；
l 遙感教學(xué)與科研；
l 氣象研究；
l 生態(tài)環(huán)境保護(hù)及礦山環(huán)境監(jiān)控；
l 水質(zhì)檢測，土壤監(jiān)測；
l 農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)檢測
l 軍事、國防和國土安全；
l 災(zāi)害防治；
1. 選型指南
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ATH9500系列 |
特征 |
主要應(yīng)用領(lǐng)域 |
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ATH9500 |
默認(rèn)配置，多旋翼無人機(jī)，速度較慢5 m/s（約20km/s），飛行時間較短（20分鐘） |
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ATH9500FW |
垂直起降固定翼無人機(jī)，飛行時間達(dá)2小時，飛行速度18-20 m/s（約70 Km/h），直線往返工作距離（70km），帶防震云臺系統(tǒng)，成像穩(wěn)定，帶前向避障系統(tǒng)，避免撞機(jī)， |
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ATH9500 |
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 |
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ATH9500-17 |
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 |
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ATH9500-25 |
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、國防軍工、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； |
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ATH9500-50 |
2.5~5.0μm中波紅外高光譜成像儀 |
地質(zhì)勘察、國防軍工、偽裝偵查、礦物分選 |
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ATH9500-12-50 |
1.2~5.0μm短波中波紅外高光譜成像儀 |
地質(zhì)勘察、國防軍工、偽裝偵查、礦物分選、 |
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ATH9500-04-17 |
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、油污檢測等 |
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ATH9500-04-25 |
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、油污檢測等 |
注：
l FW為Fix Wing（固定翼）的縮寫；
l 默認(rèn)為多旋翼無人機(jī)，如需長距離垂直起降固定翼無人機(jī)，則訂購型號為ATH9500FW；
例如：ATH9500FW-17，則為固定翼無人機(jī)，工作波段范圍為1.0~1.7μm；
2. 無人機(jī)高光譜工作原理
ATH9500無人機(jī)載高光譜成像分析系統(tǒng)，由六旋翼高穩(wěn)定性無人機(jī)、高穩(wěn)定性云臺、高光譜成像儀、大容量存儲系統(tǒng)、無線圖像系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、地面接收工作站、地面控制系統(tǒng)等組成。
4. ATH9500 的實物圖
圖5 無人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)
圖6 地面飛航控制系統(tǒng)及無人機(jī)載系統(tǒng)
圖7 無人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)飛行實驗（地點：廈門市集美區(qū)軟件園三期）
圖8 ATH9012無人機(jī)高光譜成像儀在河道污染的飛行示例，準(zhǔn)確度超過80%，飛行地點：江蘇昆山，飛行時間：2019年7月25日10:57am，飛行高度：100米，飛行速度：4.6m/s，架次編號：20190725103410
5. ATH9500的成像實例
圖3 ATH9500成像實例1
圖4 ATH9500成像實例2
圖5 福建省三明市某林區(qū)（2019年6月13日）
圖6 實時三維建模圖
圖7 實時三維建模圖
6. 配件清單：
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序號 |
物品 |
數(shù)量 |
選配 |
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1 |
高光譜成像儀（400-1000nm）主機(jī) |
1臺 |
標(biāo)配 |
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2 |
6旋翼無人機(jī) |
1臺 |
標(biāo)配 |
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3 |
高可靠性無人機(jī)云臺及起落架 |
1個 |
標(biāo)配 |
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4 |
機(jī)載數(shù)據(jù)采集與大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng) |
1臺 |
標(biāo)配 |
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5 |
電池組 |
6塊 |
標(biāo)配 |
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6 |
物鏡及輻射度標(biāo)定 |
1套 |
標(biāo)配 |
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7 |
高光譜成像系統(tǒng)工作站（包含操作控制器及控制軟件） |
1套 |
標(biāo)配 |
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8 |
50cm直徑的95%野外校準(zhǔn)白板 |
1個 |
標(biāo)配 |
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9 |
高精度室內(nèi)掃描云臺 |
1 套 |
選配 |
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10 |
高藍(lán)穩(wěn)流鹵素?zé)?/p> |
4 個 |
選配 |
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11 |
標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)板 |
1 塊 |
選配 |
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12 |
原廠進(jìn)口野外專用校準(zhǔn)布（1.2m×1.2m） |
1 個 |
選配 |
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13 |
360 度野外旋轉(zhuǎn)平臺 |
1個 |
選配 |
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14 |
三腳架 |
1個 |
選配 |
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15 |
野外專用大容量鋰電池 |
2塊 |
選配 |
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16 |
測量暗室 |
1 個 |
選配 |
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17 |
野外便攜式運輸箱 |
1 個 |
選配 |
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18 |
推掃裝置 |
1臺 |
選配 |
7. ATH1500系列高光譜成像儀（其他擴(kuò)展型號）
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ATH1500系列 |
特征 |
主要應(yīng)用領(lǐng)域 |
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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、種植面積評估、農(nóng)作物產(chǎn)量評估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測等 |
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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 |
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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、國防軍工、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； |
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ATH1500-50 |
2.5~5.0μm中波紅外高光譜成像儀 |
地質(zhì)勘察、國防軍工、氣體分析、VOCs巡查、水溫探測、土地覆蓋類型識別、偽裝偵查、礦物分選、 |
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ATH1500-12-50 |
1.2~5.0μm短波中波紅外高光譜成像儀 |
地質(zhì)勘察、國防軍工、氣體分析、VOCs巡查、水溫探測、土地覆蓋類型識別、偽裝偵查、礦物分選、 |
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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、種植面積評估、農(nóng)作物產(chǎn)量評估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測等 |
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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、種植面積評估、農(nóng)作物產(chǎn)量評估、水質(zhì)分析、藝術(shù)品掃描、文物鑒定、圖案掃描、工業(yè)分選、油污檢測等 |
8. 高光譜成像分析的應(yīng)用舉例
圖4 高光譜成像儀拍攝的數(shù)據(jù)立方
圖5 無人機(jī)掛載實驗示意圖
圖6 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景1
圖7 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景2
圖8 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景3
圖9 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景4
圖10 奧譜天成高光譜成像儀外場實驗場景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，直接影響蘋果的價格和消費者的偏愛。針對蘋果外部檢測的難點和關(guān)鍵點，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)、模式識別方法、化學(xué)計量學(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方法。基于上述研究的基礎(chǔ)上開發(fā)的檢測系統(tǒng)和算法為我國研發(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)快速在線檢測分級裝備奠定了基礎(chǔ)。
圖13 上海交大張保華博士研制的高光譜成像系統(tǒng)原理圖和實物圖；(a) 原理圖；(b)實物圖
圖14 蘋果表面早期損傷檢測算法流程圖
圖15 部分蘋果早期腐爛的識別結(jié)果以及中間處理過程 (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)的無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)
圖19 高光譜成像儀測綠色植物的光譜圖
1) 農(nóng)作物生長監(jiān)測和產(chǎn)量預(yù)估：農(nóng)作物在其生長發(fā)育的各個階段，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)作物長勢的個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)測病蟲害對農(nóng)作物生長發(fā)育的影響，并跟蹤農(nóng)作物的生長發(fā)育狀況，分析估算災(zāi)情損失，同時能夠監(jiān)測害蟲的分布及活動習(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：遙感技術(shù)通過農(nóng)作物植被指數(shù)及冠層參數(shù)進(jìn)而監(jiān)測農(nóng)作物旱情。
4) 土壤水分含量和分布監(jiān)測：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：遙感技術(shù)監(jiān)測到農(nóng)作物中氮元素含量的精度比監(jiān)測其它營養(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）和簡單光譜指數(shù)（simple spectral index，SSI），計算 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)，運用無人機(jī)高光譜影像對 2015 年小麥多生育期的長勢監(jiān)測。無人機(jī)高光譜影像反演 CGI 精度較高，能夠判斷出小麥總體的長勢差異，可為監(jiān)測小麥長勢提供參考。
圖20 小麥長勢指標(biāo) CGI 反演
8.3. 林木健康情況的應(yīng)用
用于病蟲害監(jiān)測、森林資源評估
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 基于無人機(jī)高光譜遙感的柑橘黃龍病植株的監(jiān)測與分類（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)蘭玉彬等人設(shè)計）
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，高光譜遙感技術(shù)具備從空間大尺度上精細(xì)探測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(王潤生等，2010)。近年來，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；連長云等，2005；Kruse et al, 2006；Cudahy et al., 2007；王潤生等，2010；劉德長等，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)用最廣的是短波紅外區(qū)域(1000-2500nm)。由于與礦物晶格中化學(xué)鍵振動的協(xié)頻和組合頻的頻率接近，在短波紅外波長范圍內(nèi)，可以觀測含水或含 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)重制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展，影響當(dāng)前我國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略大局。遙感技術(shù)因其尺度大、范圍廣、時效性強、經(jīng)濟(jì)性強等特點，很好的彌補了傳統(tǒng)鹽漬化現(xiàn)象監(jiān)測方法的不足，為定量監(jiān)測土壤鹽漬化現(xiàn)象提供了嶄新的途徑。
圖24 某鹽場周邊區(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罌粟種植方面的應(yīng)用
圖26 高光譜成像儀在文檢方面的應(yīng)用
8.6. 醫(yī)用顯微成像光譜應(yīng)用
應(yīng)用目標(biāo)：腫瘤手術(shù)術(shù)中在線檢測及導(dǎo)航定位
圖27 醫(yī)用顯微成像光譜儀光路示意圖
圖中所示是醫(yī)用顯微成像光譜儀的原理示意圖，手術(shù)臺上的待測目標(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，一路供助手輔助目視觀測，一路由成像光譜儀探測接收，成像光譜儀由電機(jī)帶動對待測目標(biāo)進(jìn)行空間維掃描，得到待測目標(biāo)的成像光譜信息，再經(jīng)數(shù)據(jù)分析圖像處理后，通過顯示器顯示給醫(yī)生。
圖28 醫(yī)用顯微成像光譜儀實物圖
圖29 醫(yī)用顯微成像光譜儀數(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)定平臺及POS模塊組成。圖 30、圖 31所示是獲取的數(shù)據(jù)，并經(jīng)過幾何校正、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，最高值為 0.38mg/L，最低值為 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)到總磷濃度的最大值。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較低。
圖37 高光譜拍攝的粵東柘林灣溶解氧和葉綠素濃度分布圖
