儀器信息網(wǎng)專訪：高光譜技術(shù)專家解析發(fā)展機(jī)遇與應(yīng)用障礙

第三屆高光譜成像應(yīng)用研討會暨懷柔光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇期間，儀器信息網(wǎng)編輯特別采訪了5位在不同領(lǐng)域的高光譜專家：北京卓立漢光儀器有限公司陳興海副總經(jīng)理，北京理工大學(xué)李偉教授，長江科學(xué)院張穗正高級工程師，中國科學(xué)院植物研究所嚴(yán)正兵研究員，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)康志亮教授，進(jìn)行了深入探討，一起來看看報道吧！

報道正文

高光譜成像技術(shù)：蓬勃發(fā)展在即，大規(guī)模落地應(yīng)用如何破局？

—訪國內(nèi)不同領(lǐng)域的高光譜專家

高光譜成像技術(shù)以其獨(dú)特的光譜分辨率和圖像信息結(jié)合的能力，為科研和實際應(yīng)用的工作者提供了前所未有的視角。特別是隨著低空經(jīng)濟(jì)的崛起，高光譜技術(shù)作為一項重要的遙感技術(shù)越來越吸引大家的目光。8月12日，第三屆高光譜成像應(yīng)用研討會暨懷柔光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇在北京懷柔成功召開，此次會議涉及食品檢測、植被遙感、分析檢測、農(nóng)業(yè)遙感、地質(zhì)探礦、水體遙感、分析算法、工業(yè)應(yīng)用、林業(yè)遙感、成像技術(shù)、海洋遙感等多個領(lǐng)域，呈現(xiàn)出高光譜遙感技術(shù)和應(yīng)用的“全新”面貌。

在論壇期間，儀器信息網(wǎng)編輯特別采訪了北京卓立漢光儀器有限公司陳興海副總經(jīng)理，北京理工大學(xué)李偉教授，長江科學(xué)院張穗正高級工程師，中國科學(xué)院植物研究所嚴(yán)正兵研究員，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)康志亮教授等高光譜專家。采訪過程中，各位老師基于自己所在的領(lǐng)域，深入探討高光譜技術(shù)的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景。不同領(lǐng)域?qū)＜业挠^點碰撞，不僅給大家展現(xiàn)了高光譜極具誘惑的市場前景，而且給高光譜產(chǎn)業(yè)未來的快速、良性發(fā)展提供了非常有價值的參考意見。

北京卓立漢光儀器有限公司陳興海副總經(jīng)理

長江科學(xué)院張穗正高級工程師

北京理工大學(xué)李偉教授

中科院植物研究所嚴(yán)正兵研究員

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)康志亮教授

高光譜在國內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀如何？

近年來，高光譜技術(shù)在全球范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注。那么，針對這個問題，各位專家發(fā)表了自己的看法。 

從研究角度來看，李偉教授認(rèn)為，國內(nèi)在高光譜領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。“在發(fā)表論文時，我最大感觸就是和國外的共同作者合作發(fā)表的論文越來越少了，我們獨(dú)立科研能力越來越強(qiáng)了，說明我國在高光譜研究方面已具備較強(qiáng)的實力。另一個感觸便是國內(nèi)做高光譜前沿技術(shù)研究的人群越來越壯大。”

張穗高工認(rèn)為，“從技術(shù)研究方面，特別是在高光譜衛(wèi)星層面，中國的技術(shù)處于國際領(lǐng)先地位，不僅如此，在低空傳感器方面，雖然國際上有一些老牌傳感器被認(rèn)為更加穩(wěn)定和成像效果更好，但國內(nèi)技術(shù)近年來也發(fā)展迅速，與國際水平差距不大。” 

從市場應(yīng)用角度分析，張穗高工認(rèn)為，“將高光譜引用到無人機(jī)上是有決定性意義的。高光譜技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用得到了快速發(fā)展，已經(jīng)逐步可以解決實際問題，而不再僅僅局限于科研層面。”

陳興海副總經(jīng)理介紹，“國內(nèi)高光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)、食品、水環(huán)境等領(lǐng)域正在進(jìn)行越來越廣泛的應(yīng)用，在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。特別是近兩年來，工業(yè)分選領(lǐng)域的高光譜應(yīng)用尤為突出?？梢哉f，高光譜正逐步在各大應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)落地，未來也將更加側(cè)重于應(yīng)用導(dǎo)向。

高光譜技術(shù)落地面臨

“成本、技術(shù)、人才”等多重挑戰(zhàn)

采訪過程中，各位專家從不同領(lǐng)域出發(fā)，談了自己的觀點。認(rèn)可并看好高光譜技術(shù)未來應(yīng)用前景的同時，共同提到了應(yīng)用驅(qū)動和應(yīng)用成熟度的問題，而這其中，又涉及了成本、技術(shù)、人才等多種問題。 

（1）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 

農(nóng)產(chǎn)品檢測作為高光譜重要的應(yīng)用方向之一，備受關(guān)注。“目前而言，高光譜在農(nóng)產(chǎn)品檢測方面的應(yīng)用尚未達(dá)到完全成熟的階段。”康志亮教授分析到，相較于工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有更高的復(fù)雜性和多樣性。農(nóng)產(chǎn)品的品種繁多，且生產(chǎn)環(huán)境各異，這為高光譜技術(shù)的應(yīng)用帶來了不小的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)對農(nóng)產(chǎn)品的精準(zhǔn)檢測，需要針對不同的品種和環(huán)境建立相應(yīng)的光譜檢測模型。然而，當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品品種發(fā)生變化時，就需要重新建立模型，這在一定程度上限制了高光譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

“目前，高光譜技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品檢測方面的應(yīng)用主要集中在科研層面，要實現(xiàn)高光譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用和普及，仍需突破一些關(guān)鍵的技術(shù)瓶頸。”康志亮教授結(jié)合自身的研究和思考分析到，“高光譜設(shè)備的價格普遍較高，在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍。其次，泛化能力不強(qiáng)也是亟待解決的問題之一，使其能夠適應(yīng)更多種類的農(nóng)產(chǎn)品和環(huán)境條件是高光譜需要提升的關(guān)鍵。” 

Gaiasky mini3-VN無人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)

HSIA-DB高光譜暗箱

（2）水質(zhì)監(jiān)測的應(yīng)用

隨著我國水質(zhì)監(jiān)測工作的需求發(fā)展，高光譜技術(shù)成為水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的“新寵”。張穗高工一直聚焦于流域的水質(zhì)監(jiān)測工作，她談到，“在水質(zhì)監(jiān)測方面，當(dāng)前高光譜技術(shù)的應(yīng)用顯然還不夠成熟，但慢慢從定性分析向定量分析轉(zhuǎn)變。隨著計算能力的增強(qiáng)以及深度學(xué)習(xí)等算法的發(fā)展，高光譜技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測得到的結(jié)果開始有一定的可信度了。” 

在高光譜技術(shù)推向水質(zhì)監(jiān)測實際應(yīng)用的過程中，張穗高工表示，有幾個關(guān)鍵問題亟待解決。“首先，關(guān)于設(shè)備的成套應(yīng)用方面，當(dāng)前的關(guān)注點主要集中在設(shè)備本身的精度上，但在實際操作中，往往需要考慮多個設(shè)備的聯(lián)合使用及其數(shù)據(jù)間的匹配問題。不同品牌或不同側(cè)重面的高光譜儀器之間的標(biāo)準(zhǔn)不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以有效整合。其次，配套軟件的問題尤為突出。目前市場上提供的配套軟件往往無法滿足特定應(yīng)用的需求，很多時候需要定制開發(fā)。這對于不同行業(yè)的用戶來說，可能會有不同的數(shù)據(jù)處理需求，特別是在軟件方面的需求可能比硬件方面更為迫切。” 

GaiaField (Pro)便攜式光譜成像系統(tǒng)

GaiaSmart便攜式智能型高光譜成像系統(tǒng)

（3）植物生態(tài)學(xué)的應(yīng)用 

深耕植物生態(tài)學(xué)的嚴(yán)正兵研究員表示，“我國在高光譜技術(shù)的植物生態(tài)學(xué)研究方面還處于初級階段。到目前為止，我認(rèn)為還沒有真正意義上從事這方面研究的學(xué)者。” 不過，他也同時指出，高光譜從空間尺度和時間尺度兩個維度拓展了監(jiān)測手段，為植物生態(tài)學(xué)研究提供了新的可能性，未來將大有可為。” 

當(dāng)然，不同的領(lǐng)域推進(jìn)進(jìn)程也不盡相同。嚴(yán)正兵研究員認(rèn)為，高光譜技術(shù)在植物生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用很有潛力，其提及了兩項具有創(chuàng)新性的研究工作，“一是利用高光譜技術(shù)革新植物精細(xì)結(jié)構(gòu)和生理對生態(tài)系統(tǒng)功能的調(diào)控研究；二是探索高光譜技術(shù)在生物多樣性與森林生態(tài)系統(tǒng)功能調(diào)控方面的應(yīng)用，為其提供新的方法和技術(shù)手段。” 

但基于該領(lǐng)域的初級階段，嚴(yán)正兵研究員認(rèn)為主要受限于兩個因素，“一是交叉學(xué)科人才的匱乏，目前精通遙感技術(shù)和生態(tài)學(xué)問題的交叉學(xué)科人才相對缺少；二是平臺資源的限制，高光譜技術(shù)的研究和應(yīng)用需要大量的資金投入，例如高光譜飛行器的使用。而我國在這方面的資金支持相對有限，需要加大投入，來提高研究水平和應(yīng)用能力。” 

GaiaSorter -Dual“蓋亞”雙相機(jī)全波段高光譜分選儀

GaiaSky-SP-SIF 無人機(jī)載日光誘導(dǎo)葉綠素熒光系統(tǒng)

（4）醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

李偉教授已經(jīng)與多家醫(yī)院合作，利用高光譜技術(shù)進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航，幫助醫(yī)生在術(shù)中進(jìn)行實時病理診斷，比如，“在口腔手術(shù)中，高光譜技術(shù)可以幫助醫(yī)生區(qū)分正常組織和病變組織，從而提高手術(shù)精度和效率。” 其表示，“通過不斷的研究和實踐，高光譜技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊。”

李偉教授強(qiáng)調(diào)，為了推動高光譜技術(shù)的發(fā)展，需要從兩個方面著手：“一是降低傳感器的成本；二是提高信息提取和處理的能力。這不僅需要科研人員的努力，也需要企業(yè)和應(yīng)用方的支持與合作。通過多方合作，可以加快高光譜技術(shù)在各個行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)程。”與此同時，李偉教授也指出高光譜技術(shù)的實際應(yīng)用面臨著兩大挑戰(zhàn)：一是成本問題；二是技術(shù)本身存在的局限性。“一臺高光譜設(shè)備的價格大約相當(dāng)于一輛豪華轎車，這對使用和推廣造成了阻礙。由于成本高昂，學(xué)生們甚至不敢輕易操作這些設(shè)備進(jìn)行飛行測試，對技術(shù)的推廣也會有一定的影響。” 

采訪過程中，多位專家表示，“高光譜技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展的前夜，但現(xiàn)在還處于一個瓶頸期，迫切需要應(yīng)用驅(qū)動來打破現(xiàn)狀。”同時，還發(fā)現(xiàn)雖然從不同的領(lǐng)域來看應(yīng)用進(jìn)程不同，面臨的問題也可能各有不同，但是每位專家都提到了一個共性問題“成本”。大家紛紛反饋，當(dāng)前高光譜設(shè)備的價格普遍較高，這在很大程度上限制了其應(yīng)用范圍。因此，降低設(shè)備成本是實現(xiàn)高光譜技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。未來，若將設(shè)備的成本降低到幾百甚至幾千元，使得人人都能用得起、買得起，高光譜定能在各行各業(yè)得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。對此，陳興海副總經(jīng)理也持相同的看法，“高光譜技術(shù)落地面臨的主要問題是成本和數(shù)據(jù)累積，需要大量的應(yīng)用場景適配和數(shù)據(jù)迭代優(yōu)化。”

GaiaMicro系列顯微高光譜系統(tǒng)

應(yīng)用驅(qū)動進(jìn)程中，高光譜前景可期

高光譜技術(shù)以獨(dú)特的優(yōu)勢在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。那么，未來最具前景的?yīng)用方向是什么？ 

為了更好地了解高光譜技術(shù)的未來趨勢，在與眾多專家深入溝通交流的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計了他們認(rèn)為高光譜技術(shù)最具潛力的三個發(fā)展方向，其中環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)檢測和醫(yī)療位列前三甲。除了上述三個領(lǐng)域外，還有部分專家提到了快檢和生態(tài)學(xué)等方向。

近年來，國內(nèi)高光譜技術(shù)的發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，無論是在應(yīng)用還是市場層面，都展現(xiàn)出了巨大的潛力。張穗高工在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景持樂觀態(tài)度，“未來幾年內(nèi)這項技術(shù)有望落地應(yīng)用。”她還強(qiáng)調(diào)了與國內(nèi)廠家合作的重要性，通過長期合作推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。 

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，康志亮教授認(rèn)為，“國家大力發(fā)展農(nóng)業(yè)，每年農(nóng)業(yè)都是寫入中央一號文件的。作為一種非常有潛力的技術(shù)，高光譜技術(shù)能夠做到快速無損的同時檢測多個參數(shù)，智慧農(nóng)業(yè)、智能農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展將為高光譜技術(shù)提供廣闊的市場空間。”同時，康志亮教授提到，“降低成本、設(shè)備的小型化和便攜性、環(huán)境友好、多學(xué)科交叉融合與應(yīng)用拓展等都是未來發(fā)展的方向。”高光譜技術(shù)的發(fā)展需要與人工智能、大數(shù)據(jù)等多學(xué)科進(jìn)行交叉融合。通過結(jié)合這些先進(jìn)技術(shù)，可以開發(fā)出更多具有實際應(yīng)用場景的快檢設(shè)備，還能實現(xiàn)從科研級設(shè)備向?qū)嶋H應(yīng)用級設(shè)備轉(zhuǎn)變。 

李偉教授強(qiáng)調(diào)，“為實現(xiàn)高光譜在各行各業(yè)應(yīng)用遍地開花的目標(biāo)，不僅依賴于科研人員的不懈努力，同時也需要企業(yè)的積極參與和應(yīng)用方的有力支持。通過多方協(xié)同合作，我們將能夠加速高光譜技術(shù)在各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。” 

陳興海副總經(jīng)理對高光譜技術(shù)的未來發(fā)展持樂觀態(tài)度，“隨著成本的降低和技術(shù)的進(jìn)步，高光譜技術(shù)將在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用落地。未來卓立漢光和雙利合譜也將繼續(xù)深耕高光譜技術(shù)，推動核心技術(shù)部件的國產(chǎn)化進(jìn)程，并探索新的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)方向。”

后記

第三屆高光譜成像應(yīng)用研討會暨懷柔光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇由江蘇雙利合譜科技有限公司、北京懷柔儀器和傳感器有限公司、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院主辦，此次研討會正值卓立漢光成立25周年和雙利合譜成立10周年，不僅展示了高光譜技術(shù)在多個領(lǐng)域的研究成果，更為重要的是，它搭建了一個跨學(xué)科交流的平臺，促進(jìn)了科研人員與產(chǎn)業(yè)界之間的溝通與合作。 

與參會專家溝通時，陳興海副總經(jīng)理介紹說，此次研討會相較于前兩屆，本屆研討會規(guī)模更大，吸引了眾多用戶參會。“能得到這么多用戶的支持，不僅是對雙利合譜的認(rèn)可，也體現(xiàn)了高光譜技術(shù)在國內(nèi)的關(guān)注度不斷提高。”  

對此，康志亮教授也表達(dá)了相同的感受：“我覺得研討會規(guī)模很大，更相信通過這次大會，一定能夠促進(jìn)高光譜行業(yè)的健康持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展，也能夠促進(jìn)更多的成果轉(zhuǎn)化以及高光譜研究的應(yīng)用。” 

通過這次會議，張穗高工感受到，高光譜技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，涵蓋了多個行業(yè)，并且正在不斷擴(kuò)展到日常生活中的更多場景中。“最初高光譜主要用于大范圍的環(huán)境監(jiān)測、植被分析和農(nóng)業(yè)管理等領(lǐng)域，而現(xiàn)在它的應(yīng)用變得更加細(xì)致和具體，越來越貼近實際需求。” 

嚴(yán)正兵研究員認(rèn)為，“此次研討會的一大亮點是將不同方向的人聚集在一起，促進(jìn)了思想的碰撞。同時，研討會不僅關(guān)注科學(xué)研究，還考慮了應(yīng)用層面，為科研成果的落地提供了啟示。”

作為第一次參加研討會的李偉教授表示：“遠(yuǎn)超預(yù)期！感受到了企業(yè)在推動行業(yè)發(fā)展的同時，也承擔(dān)著社會責(zé)任，通過搭建這樣的平臺促進(jìn)了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的交流。這對高光譜技術(shù)行業(yè)的促進(jìn)作用是毋庸置疑的。”

▲第三屆高光譜成像應(yīng)用研討會暨懷柔光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇

▲部分產(chǎn)品展