数字经济离不开技术支撑。现代化农业的发展呼唤技术的创新，人们对美好生活的向往也需要不断进步的科学技术为其保驾护航。高光谱遥感技术作为一项基于融合光谱和遥感两项技术的新兴科技，正在数字经济的发展中彰显出无限的可能性与活力。

专家话万物“指纹”

在日前召开的空天信息与数字经济创新发展论坛上，澳大利亚工程院院士张立人对高光谱遥感技术及应用进行了介绍，并表示在学科交叉融合的背景下，高光谱遥感技术研究将融合5G 物联网和云计算综合平台不断为产业发展和市场需求服务。

1、高光谱遥感技术 解码万物“指纹”

光谱分析是自然科学分析的重要手段。光谱是复色光经过色散系统分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案。其中除了包含有人眼可见的可见光外，更有人眼无法识别的光，通过光谱分析，能够极大地拓展人类视觉以外的感知能力。

传统光谱分析一般针对单点位置开展，通过待测物自发光或者与光源的相互作用而进行分析。而高光谱成像技术则结合了光谱技术和成像技术，将光谱分辨能力和图形分辨能力相结合，造就空间维度上的面光谱分析。其高光谱具有的更多光谱频带也让材料上的微小特征更加容易分辨，由此得到与以往相比更加复杂、更加精确的物体图像。

而遥感技术是指非接触的、远距离的探测技术。一般指运用传感器/ 遥感器对物体的电磁波的辐射、反射特性的探测。遥感是通过遥感器这类对电磁波敏感的仪器，在远离目标和非接触目标物体条件下探测目标地物。获取其反射、辐射或散射的电磁波信息（如电场、磁场、电磁波、地震波等信息），并进行提取、判定、加工处理、分析与应用的一门科学和技术。

借助遥感技术对物体进行高光谱成像分析，形成每一个物体独一无二的“指纹”，借助这一“指纹”，物体的物理结构、化学成分等指标得以进行独一无二的呈现。

在此项技术的基础之上，张立人团队研发出了深蓝智谱高光谱遥感平台。“这项技术多机协同、灵活机动并且成本较低；运用5G 物联网平台+ 云计算+ 数据库，打破地域限制，大大缩短了数据处理时间；除此之外，根据不同需求，30~500米之内灵活可测。”张立人介绍道。除此之外，团队还实现了GPS网格化同步，将亚米级卫星图谱拓展至了厘米级精度。

2、监测小麦条锈病 “指纹”用途多又广

在张立人看来，技术一定要应用于实际，在市场中实现不断完善。目前，张立人团队将高光谱遥感技术应用于小麦的田野上，实现了让小麦条锈病“无处遁形”。

小麦条锈病是典型的气传性真菌病害，对温度要求严格，适宜发病温度为5~12℃，田间温度低于-7℃或高于23℃时则不能存活，越冬、越夏、随气流长距离传播。温度、湿度、风，是发病的加大要素。小麦条锈病菌的浸染过程分为4个阶段：接触期、侵入期、潜伏期和发病期。早期病原菌在寄主体内吸取营养、蔓延和繁殖，无法通过肉眼直接观察病症，所以早期识别变得尤为关键。如果错过了这一环节，条锈病将危害叶片及叶鞘、茎秆，也侵染穗部、颖壳和芒等组织。并将破坏叶绿素，叶片上产生鲜黄色斑点，造成光和效率下降，并掠夺植株养分和水分，增加蒸腾量，导致灌浆受阻，一般减产20%~30%，严重的将达50%以上；成株期刚发病时，在叶片的正面形成很多鲜黄色的夏孢子堆，发病后期叶片表皮破裂，出现锈色粉状物，最后叶片干枯死亡。

小麦条锈病是世界范围内最重要的小麦病害之一，也是影响中国小麦安全生产的重要生物灾害，在中国主要发生在河北、河南、山东、山西、陕西等地。有报道显示，小麦条锈病对小麦生产具有毁灭性的影响，大流行年份可导致小麦减产40%以上，甚至绝收。在小麦的生产上, 由小麦条锈病对其造成的损失一直以来备受关注。而小麦条锈病具有潜伏侵染的特点, 所以若能对其潜育期实现快速识别及检测, 则对病害的防控、农药的安全使用、环境的保护等具有重大意义。

过去防治条锈病的措施多为大田喷药、带药侦察等，现有的侦察技术不仅病害诊断和识别技术具有滞后性，在神经网络的收敛速度和精度上也有待提高，不仅数理统计模型和预测效果不确定，基于病菌孢子时空动态的广域测报也尚未成型。换言之，过去的条锈病防治较为滞后，也较为粗糙。

“于是我们想到了用高光谱遥感技术对早期的小麦条锈病进行识别，”张立人进一步介绍到，“早期小麦叶片上用肉眼看不见的东西，在光谱的帮助下无处遁形。”首先通过对目标区麦田进行遥感成像，再预处理综合光谱特征，消除光照角度、阴影、背景、水雾、抖动、风吹等因素，得到目标区的高光谱图像，进一步利用超级像素团分割不同类似条锈病的高光谱数据，对提取分割后的目标物光谱特征的能量概率分布进行归一化处理，融合得到条锈病的高光谱特征，以此作为标准，就能迅速匹配识别出早期的条锈病小麦株。

“在此过程中，团队创造并使用了三项核心技术。”张立人指出，采用窗口滚动式的多模态数据取样，进一步增强了有效性和实时性；运用多元贝叶斯学习模型动态估算温度、湿度、风向等干扰因素权重，有利于提高分布式稀疏估值的精确度；这也是首次将时- 频域跳转算法应用于小型无人机载的高光谱遥感成像，因为光谱是频域的，图像则是时空的，将这两者有机结合，能够更好地利用高光谱遥感的测量数据，实现小麦条锈病菌的精准捕捉。

肉眼无法分辨的颜色区域，以550~700纳米和750~940纳米的敏感波段进行了一目了然的呈现。研究团队发现，因为叶绿素含量对反射光谱非常敏感这一特性，利用条锈病侵染时间与叶片叶绿素含量的对应关系早期识别条锈病侵染，能够准确地把握住条锈病发病的区域。在发病早期找到病源，并进行有效的防治。

除了广袤的麦田，高光谱遥感技术在南半球的葡萄田间也发挥着妙用。在澳大利亚的布诺萨山谷里，就有张立人团队高光谱遥感技术的身影。葡萄的丹宁成分含量高低是影响葡萄酒品质高低的重要因素，通过高光谱遥感技术对葡萄属的含氮量进行分析，再反演出葡萄的丹宁含量分布，实现了从人工品尝到用高光谱技术推演的跨越，让葡萄的含丹宁量更加可视，也让葡萄酒的品质更加可控。“除此之外，还能用高光谱遥感技术结合无人机进行水质遥感检测，从陆地到河海，从农业到工业，万物的‘指纹’用途十分广泛。”张立人总结道。

3、更小更轻更便捷 让高光谱走进千家万户

下一步，团队打算开发微型高光谱测量仪，在深蓝智谱微型高光谱检测技术发展项目基础上，让高光谱走进千家万户。

基于高光谱遥感能分辨出观测物质分子或元素的光谱特性，张立人团队致力于将微型高光谱遥感结合5G物联网和云计算综合平台进行研发和应用，使其更加机动灵活、方便快捷、安全可靠并成本低廉。进一步让测量仪更加便捷轻便，走进人民大众的日常生活，有助于让更多的家庭享受到技术的便利。

微型高光谱遥感的应用将非常广泛，通过将微型化的设备嵌入智能手机系统。在进行光谱采集和储存传输的预处理技术后，再在数据分析和云处理的帮助下实现数据处理，最终通过手机APP让技术在终端得以实现。“在未来，微型高光谱遥感设备在检测食品的添加剂含量、辨识真酒假酒、测量农药残留、进行文物鉴定等场景下都将发挥出巨大的作用。”张立人总结道。

在水果市场上，利用高光谱遥感技术明确水果甜度，便利了消费者的购物行为的同时，也有利于水果商提前规划运输周期，以防治出现因为甜度过高运输过程中自然腐烂的情况等。高光谱加美容也是未来的一大发展方向，通过高光谱成像检测人脸的瑕疵，进一步对其化妆品适宜性进行测评，从而提出个性化的护肤养颜建议。试想在未来，通过一个小小的机器就可以清楚地看到食品新鲜与否、物品是真是假、水质是好是坏，无疑能进一步优化人们的生活质量。

张立人进一步强调：“商业成功是检验技术成功的唯一标准，永远要重视市场，将技术应用在市场中。”这是他的信念，更是他对高光谱遥感技术研发和发展的要求。

专门研究高光谱的实验室

“我曾经爬过珠峰，但海拔停留在6400米，距离顶峰很近。”中国科学院院士、中科院空天信息创新研究院研究员童庆禧用亲身经历引出我国高光谱技术所处的阶段：技术先进，或并跑，或领跑；正处爬坡关键期，但距顶峰已近。

童庆禧院士是在高光谱技术创新应用联合实验室揭牌仪式上说这番话的。当天，由浪潮云信息技术有限公司（以下简称“浪潮云”）与中科谱光科技(天津)有限公司（以下简称“中科谱光”）共建的“高光谱技术创新应用联合实验室”正式成立。该实验室定位为高光谱技术研发中心、创新应用中心、高端智库三重角色，将推动高光谱技术在工业互联网、数字农业、“双碳”业务等领域的落地。

专家认为，此举将为我国高光谱技术的研发应用按下“加速键”。

地球上的不同元素及其化合物都有自己独特的光谱特征，光谱被看作是辨别物质的“指纹”。而高光谱则是协助人类看清这些“指纹”的“有色眼镜”。在业内，中科院被视为高光谱领域的“黄埔军校”，这其中的“带头人”之一便是童庆禧院士。

在接受科技日报记者专访时，童庆禧列举了高光谱技术的典型应用场景：

例如，在文物保护领域，专家通过高光谱扫描成像、色彩融合等处理技术，可进行文物印鉴提取、真假识别、墨迹提取、颜料识别等工作，为记录历史、保留历史提供有效技术支撑。在数字农业领域，专家们基于庞大的地物光谱数据库对收集到的高光谱数据（如生物量、叶面积指数、叶绿素等关键生理参数）进行波段运算、分析、处理、保存，实现对农作物的精细分类、估产及长势监测、病虫病监测、活性监测等实时、高效、精准监测和管理。

除此之外，高光谱技术还可用于材料鉴别、目标探测识别、矿物识别及水质、土壤污染等环境监测领域。

张立福向科技日报记者透露，实验室聚焦“工业互联网、数字农业、双碳业务”三大方向，例如在工业互联网领域，提供煤炭热值检测和工业设备润滑油检测服务；在智慧农业方面，提供农作物氮磷钾等含量检测、病虫害识别、作物长势监测等服务；同时，也将聚焦“双碳”业务领域，提供碳计量设备及双碳双控等服务。

身为中科院空天信息创新研究院研究员，张立福用创业行动推动科技成果转化。如今，新实验室的成立，让他有了新期待：实验室将肩负起探索高效的科技成果转移转化机制，打造产学研用融通创新样板，抢占科技竞争的制高点的重任。他认为实验室要扮演好三重角色，即人才汇聚的“高地”、科技创新的“阵地”、成果转化的“基地”。

而肖雪的期待是，双方强强联合，将进一步加快推动以云为底座、工业互联网平台为支撑、高光谱技术为关键技术的应用创新与成果转化。

高光谱遥感在文物保护中的应用

高光谱遥感基本上属于无损、非接触式的检测，而文物古迹大多年代久远，有不可复原性，很难承受接触式测量带来的损伤和破坏，在这一点上，高光谱遥感和文物古迹保护不谋而合，将高光谱遥感和文物古迹保护有机的结合起来，是现代科学技术发展的趋势，也是考古界的需求和呼声。

1、高光谱遥感在乐山大佛保护上的应用

很多的文物古迹都历经千百年时间，其表面或者内部都多少有一些损伤、风化或者腐蚀。这些文物又往往具有很高的历史价值，不能够随意进行接触式检测和调研，这对文物受损程度的评判带来了巨大的问题。

乐山大佛已经有了上千年的历史，大佛表面受到的磨损情况十分严重。根据相关专家的推算，现在我们看到的大佛，已经比最初的大佛“清瘦”了许多，也就是说，乐山大佛表面受到的风化和腐蚀情况十分严重。而大佛表面受损的情况，如果采用接触式的方法，一方面难度极大，效果不会很理想；另一方面，会对大佛表面产生伤害，进一步加强其表面的风蚀等。高光谱遥感则可以很好的解决这个问题，高光谱遥感是一种非接触式检测方法，既降低了检测成本，又保护了文物古迹，是一种较为可靠的方法。

我们知道，不同的物质对于高光谱遥感图像的不同波段有着不同的反应，这是基于高光谱遥感的特性。

通过这些特性我们可以获得文物的一些内部信息，这些信息是很难通过文物表面检测而获得的。实际应用中，只要找到对大佛中的隐含信息较为敏感的波段，使用这些波段对其进行深入的研究，就可以获取一些普通方式无法获取的特征，从而可以恢复出一些已经消失的信息。此种技术已经在实际中有过采用的先例，例如，英国《星期日泰晤士报》于2006年5月28日首次向公众披露，塞拉奇尼借助多光谱成像技术成功地发现了达·芬奇的《三博士来朝》这幅世界名画背后的血腥的场面。

因此，如果我们把高光谱遥感应用在乐山大佛的保护上，将会卓有成效。一方面，我们可以通过高光谱遥感的信息，了解大佛本身的受损情况，并针对这些问题做出更好的保护措施，避免大佛受到进一步的伤害；另一方面，我们可以从大佛身上获得更多信息，预测大佛表面一些可能发生的问题，例如何处已经出现裂隙，何处已经出现凹陷，通过这些方面，我们可以防患于未然，在真正发生不可挽回损失之前就发现这些问题。

2、高光谱遥感在文物断代上的应用

高光谱遥感在文物的断代方面也有很好的作用。

根据遥感学知识，即便是同一类型的文物，由于其年代不同，其原材料、加工工艺等方面都是大相径庭的，这些因素反应到成份上就造成了其光谱特征的不同。如果我们采用高光谱遥感对文物进行处理，就可以很容易的发现文物所含的成分特征，进而可以推断出文物大致的年限。但是，使用高光谱遥感对文物进行断代，需要通过测试大量相应的同类型材料样品，进而获得大量的数据，并通过这些数据建立一个丰富的光谱指纹数据库。

通过这个数据库，我们就有了对比的准则，从而可以准确确定文物的年代。因此，如何建立一个数据量足够大的数据库，如何使得数据库的数据尽可能的涵盖各个方面，如何维护这个数据库，这些都是高光谱遥感在文物断代方面的一个现实问题。乐山作为世界闻名的文化遗产丰富地区，拥有着大量的文物储备。但是，专家们对这些文物中的相当一部分的年代仍然存在着争议。

对这些年限尚不明确的文物进行断代时就可以考虑使用高光谱遥感，相较于传统的断代方式，高光谱遥感方法可以更好的保护文物，避免断代时给文物带来的二次伤害，并且，在测量精度方面也有一定的保障。更多的去采用高光谱遥感断代方法，加快建设更完善的光谱指纹数据库，从长远角度来看，是非常有现实意义的。

3、高光谱遥感数字博物馆

在现代社会中，数字化已经成为了我们生活的大势所趋，在文物古迹方面也是如此。目前，已经出现了很多的数字博物馆，例如北京故宫博物院已经出现了数字紫禁城。

但是，我们现在常见的数字博物馆，往往所涉及的都是可见光波段的图像，虽然已经具有很好的效果和实用价值，但是相比较于高光谱遥感，我们还有很多可以进一步研究的地方。与可见光相比较，高光谱遥感拥有更丰富、更立体的光谱信息，把高光谱遥感尝试应用到数字博物馆中，将会是一个很好的选择。

普通的基于可见光的数字立体图像仅仅是对文物的空间信息进行了记录和再现，缺乏对文物的进一步信息的全方位立体的保存和重现，这使得我们在对文物做深入研究时有很大的局限性。高光谱遥感相比较于可见光，可以获得更多的信息，除了三维信息、颜色信息之外，还有光谱信息。光谱信息是一个很广泛的事物，通过光谱信息，我们可以了解许多隐含的信息，例如文物的材质组成、历史变化、三维结构和外观形态等。

总之，高光谱遥感可以通过这些信息了解文物古迹的受损情况、年代推算，还可以对文物进行完好度评估，以及推算出受损文物的原貌等等。

例如，埃及考古学家通过高光谱遥感技术，对已经淹没海底的古亚历山大港进行了数字重现，获得了极好的效果，古亚历山大港已经淹没海底，接触式的测量和评估是不现实的，高光谱遥感则为科学家们提供了很好的评估手段，对沉睡海底千年的古城重新展现在人们眼前。

结合于乐山市，通过高光谱遥感建立数字博物馆也是很必要的选择。如果建立乐山大佛或者峨眉山景区的高光谱遥感数字博物馆，一方面，我们可以利用高光谱遥感获得的文物古迹的光谱信息，对文物进行分析，更好地去保护这些乐山地区的文物古迹；另一方面，我们可以将获得的光谱信息和文物的普通信息一同展示出来，以数字博物馆的形式向人们展示，更大的信息量，更科学的分析和更合理的保护建议，在观众之中一定有更强烈的反响。例如，我们可以将乐山大佛等文物古迹的基于高光谱遥感数字博物馆放在互联网上，让更多的人去了解乐山地区宝贵的历史资源。

无论从文物的保护层面还是所带来的宣传效应，这都是很好的选择。

总结和展望

高光谱的应用范围真的很广，以上只是简略地讲述了很少的一些应用。

另外，在纪录片《我在故宫修文物》中，科研人员使用一种名为高光谱的遥感技术，通过扫描古字画提取墨迹、识别颜料。物质都有独特的光谱特征，就像指纹一样。高光谱遥感技术可以帮助人们更好看清它们，因此可以用于监测自然灾害，给土地利用和农作物做精细分类等。

总的来看，我国遥感技术起步比较晚，高光谱遥感是为数不多与国际发展前沿同步的遥感技术。改革开放初期，中国科学院组织专家利用高光谱遥感技术，开发用于遥感找矿设备。我与上海技术物理所等单位的一批优秀专家共事，参与了这项工作。从当时科技水平实际出发，我们自主研制出了第一代红外细分光谱扫描仪。虽然现在看来，这个仪器比较简单，但它迈出了我国高光谱遥感发展重要一步。

随后，中国科学院引进了两架“奖状”型遥感飞机。我们对这两架飞机做了全面遥感改装，让它们在新疆这片广袤大地上空翱翔。两年多的时间里，我们识别出多处黄金蚀变带和矿化带，圈定了一些找矿靶区。这些工作让我国高光谱遥感技术进入一个较快的发展阶段。在30多年的服役期里，这两架飞机还在黄土高原水土流失监测、三北防护林和国家土地资源调查等工作上发挥了重要作用。

进入21世纪，我国高光谱遥感快速发展。环境系列卫星、神舟飞船和“高分辨率对地观测”国家重大专项卫星等都搭载了高光谱遥感载荷。近年来，“可见短波红外高光谱相机”等高光谱设备的研制与发展，将我国高光谱遥感技术推进到了一个新的阶段。从起步到蓬勃发展、从探索研究到深入应用，在高光谱遥感技术领域，我国始终和国际前沿保持同步，部分技术领跑全球。

回顾高光谱遥感技术的发展历程，深切感受到国家的支持是技术发展的最大动力，举国体制为许多科技创新提供了强大助力。还记得，当年为了追踪对地观测前沿技术发展，中国科学院从院属各所抽调人员，成立了地球资源卫星调研组，联合全国科研单位，着力发展地球资源卫星有关技术。在国家制定科技攻关计划时，急需开展的、容易见成效的重要研究很多。在当年国家财力并不充裕的条件下，高光谱遥感作为一项前沿技术，仍然获得了不小的支持。

面向未来，高光谱遥感技术在技术成熟度、应用的广度和深度上还有明显不足，但相信，在新一代研究者的努力下，高光谱遥感技术的发展前景一定会越来越好。

来源：高科技与产业化，科技日报，莱森光学，人民网