高光谱成像仪项目申请报告(编辑修改稿)

高光谱成像仪项目申请报告(编辑修改稿)内容摘要：

高光谱成像仪项目 14 项有关光谱成像技术的研究课题，研制成功了空间调制型干涉光谱成像仪原理样机、机载空间调制干涉光谱成像仪、环境减灾卫星超光谱成像仪、静态大孔径干涉光谱成像仪原理样机等多种形式的光谱成像仪。 目前，项目组已经完成了三款光谱成像仪的产品研制工作。 一款为便携式多光谱成像仪；一款为警用痕迹探测光谱分析仪；另一款为基于MZ 干涉仪的高分辨率光谱成像仪。 研制的便携式多光谱成像仪可以获取可见光（ 400720nm）数据，谱段数最大为 33 个，分辨率为 10nm，像元 数为 1024 768。 便携式多光谱成像仪小巧轻便，便于携带，可以在室内和户外快速获取目标的光谱信息，并进行数据处理和光谱分析。 研制的警用痕迹探测光谱分析仪，谱段范围覆盖了部分可见光至近红外区域（ 6501100nm），光谱分辨率为 10nm，像元数 1280 960。 警用痕迹探测光谱分析仪可完全脱离电脑工作，自带可充电电池及触摸屏，适合于野外应用。 研制的基于 MZ 干涉仪的高分辨率光谱成像仪为高光谱成像设备，谱段范围覆盖了部分可见光至近红外区域（ 6501100nm），光谱分辨率为 7~10nm，像元数 1024768。 基于 MZ 干涉仪的高分辨率光谱成像仪具有较高的光谱分辨率，覆盖到近红外谱段，可以分析目标的近红外光谱信息。 软件技术积累 黄旻等技术核心项目组先后承担了总装预研项目“高光谱图谱数据分析与处理技术研究”、中科院创新方向性项目“中国典型地区特征波谱数据库技术研究”、中科院创新方向性项目“超光谱成像仪数据高精度反演技术研究”、“干涉型超光谱成像仪数据处理技术研究”、 “ 绕 高光谱成像仪项目 15 月探测工程干涉成像光谱仪地面处理系统研制 ” ，完成并开发了干涉型超光谱成像仪数据处理软件、多光谱数据分析与处理软件，获 得了相应的软件著作权。 开发的光谱数据处理与分析软件架构如下图所示，可以实现如下功能： （ 1） 光谱数据采集控制：设置采集参数、采集并存储数据； （ 2） 光谱数据可视化：波段数据显示、伪彩色显示、多位量化显示； （ 3） 光谱数据预处理：图像去噪、不均匀光照处理、数据归一化； （ 4） 光谱特征提取与选择： PCA、 ICA 算法； （ 5） 光谱模式分类：聚类分析、监督分类； （ 6） 光谱解混合：基于线性模型的最小二乘法； （ 7） 光谱数据反演：傅立叶反变换实现数据还原，形成数据立方体。 高光谱成像仪项目 16 图 光谱分析软件架构图 本项目研究小组的成员分别来自自动控制、精密光学、精密机械、电子技术、生物、化学等各个学科方向，充分体现了多学科交叉的研究优势。 本项目研究成员均有成功研制大型仪器设备的经历。 总体发展规划 宗旨和目的 基础  依托核心光电和激光测绘项目，围绕做强做大目标，紧抓核心要素（技术、资源、人才、资本），发展产业链。 发展思路  合理规划、合作共赢、量力而行 程序启动 就绪 参数设置 数据快视 数据存储为BSQ 序列 读 取原始光谱数据 格式转换 光谱曲线实时显示 读取原始光谱数据 监督分类、聚类分析、光谱辨别、光谱解混合 保存结果数据 读取图像数据 伪彩色处理 保存结果图像 结束 光谱数据采集 光谱数据预处理 光谱数据分析 图像处理 高光谱成像仪项目 17 定性 和定 量  定性：核心光谱技术、激光雷达、数字信号处理、图形图像处理、材料等跨学科跨行业合作与融合  定量：核心技术层次的高度、投资的强度 、达产销售规模 、销售利润率、销售税收贡献率、每股利润。 高光谱的产业发展思路 从宏观应用走向微观应用  当前的高光谱技术领先、主要应用在宏观勘测和国防运用，即将走向医疗卫生、材料科学、安全侦查、食品卫生、农业环保等微观应用，难度在于市场拓展。 需要跨学科与跨行业合作  需要跨学科的研究：生物生化、材料鉴别、图形图像、数字信号分析、材料图谱、数据库等。 需要大量的基础材料数据库积累和应用研究积累。  需要跨领域的合作：核心技术、关键生产制造、项目管理、市场与服务、投融资服务、人才服务。 为形成产业格局，需要把握关键工艺 和关键部件的整合  园区内就关键工艺和关键部件设立产业链整合与合作；  非关键工艺和部件立足与外包。 激光雷达的产业发展思路 从空间测量走向更多 3D 应用 高光谱成像仪项目 18  确保当前激光雷达设备研发的高精密性和宽应用性是关键。  主要应用于交通、运输、地形地貌等方面的测量和工程化运用、以及 3D 信息运用和媒体运用。 需要跨学科与跨行业合作  需要跨学科的研究和跨领域的合作  需要大量的 3D 数据库积累和应用研究积累。 紧抓设备与运营相关产业链的整合  园区内就关键部件设立产业链整合与合作  非关键工艺和部件立足与外包  建立运营机制， 扩大创新应用的范围。 指导原则 产业发展的环境因素 重中之重  法规、政策、财税和宏微观经济趋势  参与的企业之间、人才之间、投资方之间和融资渠道之间的关系  核心项目与产业上下游之间的关系  有所为有所不为的准则 共赢与均衡策略 核心思路  合作共赢是唯一可以优化环境，促进发展的途径  发展速度与环境应该相协调 高光谱成像仪项目 19  量力而行原则 产业链取舍原则 抓大放小  核心把握：光源、先进光学制造、光谱和测量之间的相互促进关系  产业链上下游整合规则与合作原则：  扩大微观应用领域：医疗、材料、测量、勘测、应用计算于预测  定性 与定量并举考核原则 以人为本原则 动力源泉  一切事物发展，都以发挥人的主观能动性为第一原则  产业化需要合适的人才组合和队伍，是基础环节  树立各分支领头人或领军人物 强调资源、资本和核心竞争力的匹配 量力而行  园区用地，量力而行。  按照规划逐步推进。 高光谱成像仪项目 20 第四章 市场分析与产品方案 产品概述 建设初期，本团队从市场容量大小、市场需求迫切性两个方面，对可利用既有高技术转化为产品进行了研究和分析，选择市场容量大、技术难度适宜、研发周期相对短和市场容易接受的如下产品，并投入开发和推广： 警用痕迹探测仪 ：在目前可用 痕迹检测的基础上进行了升级，同时可利用把产生不可见光的各种痕迹识别出来，可很好的提供证据和提高破案率。 例如在交通肇事案件中，受害人衣服上经常沾有犯罪嫌疑人驾驶的嫌疑车辆上的油漆。 鉴别两种油漆是否同一是此类案件中最常遇到的问题之一。 以往的油漆鉴定，一般是采用红外光谱、拉曼光谱、原子吸收光谱等仪器分析方法，分析其有机、无机成分的异同，其分析过程复杂、耗时耗力，而且鉴定结论表述繁琐，需要专业人员进行解释。 如果采用光谱成像技术，可直接收集两种油漆的 图像及 光谱，如果二者成分相同，则在计算机终端显示为一种颜色；如果二者 不同，则在计算机终端显示为不同颜色。 检验过程快捷，结论直观易懂。 另外，在文件检验、指纹物证提取等方面也有广泛应用。 此仪器可扭转完全依赖进口的局面。 价格适中。 产品如下图所示： 高光谱成像仪项目 21 图 警用痕迹探测仪 生物医学用光谱显微成像仪 ：作为无创无损可视化成像技术新的方法和手段，光谱成像技术在本质上可以反映分子调控所引发的生物体生理分子水平和整体机能的变化，因此在生物医学领域具有极重要的学术和应用价值，具备极广泛的应用前景。 在病理学领域 , 主要研究对象仍然是组织切片固定和染色的显微镜检测。 细胞病理学样品经常使用RowmanoskyGiemsa 和巴氏染料染色，相对于经典的 Hamp。 E 染料，这些染料具有更丰富的颜色。 伴随着炎症的出现、肿瘤的形成和其他生理学、病理学过程，细胞成分将会发生变化，因而影响到染料的分布、强度和颜色。 由于对诊断具有重要意义光谱特征的变化可能是微小的，因而通过普通显微镜是很难觉察得到的，然而 , 利用光谱成像技术，人们能够区分细胞相互之间的类型，包括同一种细胞体系中肿瘤细胞和正常细胞之间的差异。 因而利用光谱成像技术可以为各种疾病的成因和更精确的诊断提供新的标准和依据；在组织学和免疫组织化学领域，光谱成 像技术结合荧光标记技术组成的光谱成像系统，除了可获得空间形态上的信息外，还可获得细胞丰富的结构、化学组成、生理行为等生物学特性信息。 用于组织学的大多数染料一般具有很宽的吸收光谱，正是由于这一特征而限制了传统显微镜的应用。 染料的吸收光谱在可见光范围缓慢地 高光谱成像仪项目 22 交叉，具有大于 20nm 带宽的光谱结构，而光谱成像正是利用各种染料不同的光谱外形，来挖掘这些特征而染料的浓度是与样品的成分和含量密切相关的，因而可以在病理学和免疫组织化学中对组织样品进行定量分析。 此仪器可解决进口替代，价格高，需求旺。 产品如下图所示： 图 生物医学用光谱显微成像仪 考古文物高光谱成像系 统 ： 文物 是文化的产物，是人类社会发展过程中的珍贵历史遗存物。 它从不同的领域和侧面反映出历史上人们改造世界的状况，是研究人类社会历史的实物资料。 通过对文物的分析，可以获得文物所处时代的历史信息、制作文物的技术应用、修复文物的 高光谱成像仪项目 23 材料信息等，从而我们可以推断文物所处的时代、推动技术的发展和对文物的修复。 对于文物的分析，其中最重要的任务之一是要保护文物的完整性，理想的文物分析技术应该是无损的，而光谱成像分析技术正具备了这一特点，和常用的 XRD、 XRF 等文物分析方法 比较，无需从文物上取样，从而避免对文物所产生的破坏。 此高光谱成像系统可应用于 文物修复 ,文物鉴别 ,考古等 领域。 产品如下图所示： 图 考古文物高光谱成像系统 农用土壤肥力光谱分析仪 ：土壤中的氮、磷、钾等养分是植物生长的重要基础，要实施科学施肥，必须根据土壤和植物的养分需求进行相应的供给，即测土配方施肥方法，传统土壤肥力的测试方法主要包括由 比色盒组成的土壤养分速测箱 、 基于离子选择电极和场效应管设计的电子土壤测试仪 、 基于分光和滤光的光电比色仪 、 采用反射计试纸交换法 等，这些方法操作比较复杂费时，需要专业 人员操作。 而土壤中氮、磷、钾等养分在特定光谱谱段含有敏感的光谱信息，基于光谱技术的土壤肥力分析仪，通过建立一阶微分光谱的光谱吸光度与氮、磷、钾含量之间的定量分析模型，可以准确、方便、动态的分析土壤缺肥的情况，指导农民施肥，不仅可节约 30%的用肥，而且可大幅度改善环保保护的 高光谱成像仪项目 24 压力，且使用价格低廉。 农用土壤水分光谱测定 仪 ： 土壤水分是土壤的重要组成部分，对作物的生长 、 节水灌溉等有着非常重要的作用， 应用光谱分析技术，结合特征识别、特征提取的光谱图像数据处理方法，不破坏样品，不需要化学试剂，可实现土壤水分的实时快 速检测。 为差异化的节水灌概提供科学的依据，同时精确的供水也有利于提高作物的产量和品质。 农用叶绿素光谱成像分析仪 ： 根据 叶绿素对特定光谱的吸收特点，结合数据挖掘及数据融合技术， 叶绿素光谱成像分析仪 可以即时 直观的 测量 显示 植物的叶绿素相对含量或 “ 绿色程度 ” ，植物叶片中的叶绿。