高光谱成像技术的发展现状及应用前景展望

成像光谱仪自上世纪80年代由美国喷气动力实验室正式提出并研制以来，经过数十年的飞速发展，目前已成为非接触光学成像最具代表性的技术。高光谱成像技术的出现和发展使人们观测和认识事物的能力实现了又一次飞跃，续写和完善了光学成像从全色经多光谱到高光谱的全部图像信息链，孕育形成了一门成像光谱学的新兴学科门类，已广泛应用于遥感领域。国际上知名的高光谱成像技术提供商如Specim、Headwall、Cubert和IMEC等绝大多数集中在欧美国家，因此高光谱技术的早期应用探索也率先在欧美地区展开。

我国高光谱遥感技术从20世纪80年代以来，经过几代研究人员的不懈努力，从探索研究到实际应用，始终和国际保持同步发展。但是，近地及无人机遥感高光谱技术在中国的发展起步较晚，特别是民用化的推广应用，更是在近二十年间才逐步为广大科研工作者所知悉。受国内成像传感器、光谱仪等核心器件的技术壁垒限制，真正国产高光谱成像技术的研发更是凤毛麟角，国内大多数企业更多是从国外引进光谱仪等核心器件，在此基础上进行二次开发集成，缺乏核心竞争力，因此，核心技术的国产化应该成为我们国内企业关注的重点。

高光谱技术发展至今，就硬件来说，随着工业4.0时代的到来以及先进制造业的发展，以Specim为代表的高光谱成像技术生产商经过近20年的技术积累，已经具备了从紫外（UV）、可见光（VIS）、近红外（NIR）、短波红外（SWIR）、中波红外（MWIR），到长波红外（LWIR）全波段的高光谱成像产品生产能力。可以说高光谱成像硬件技术的发展已达到先进制造业所能支撑的顶级水平，市场常见的高光谱产品也是百花齐放。

但是，由于高光谱成像技术应用领域的多样化，不同应用分析需求中由定性分析向定量或半定量分析的快速转化，高光谱成像应用解决方案及软件分析技术未得到同步发展，特别是针对某一具体应用领域，缺乏完整的解决方案。而且高光谱图像数据的一个重要特征是超多波段和大数据量，对它的处理也就成为其成功应用的关键问题和难题。高光谱图像数据分析门槛较高，市场上又鲜有专业的分析软件，用户要想更好、更深入地发掘高光谱信息并与自身研究课题结合起来，往往需要从底层入手，且具备图像处理、编程、二次开发等专业基础，而目前高光谱成像技术应用较多的领域如农业遥感、生态环境监测、植物表型分析等领域的用户，并不具备这样跨学科的基础，使得诸多领域的用户望而却步。更需一提的是，具有广阔前景的工业应用领域的用户，往往更关注直接可用的结果，而不注重分析过程，因此，相比高光谱成像硬件技术，针对特定领域的专业分析软件技术成为现如今高光谱成像技术的普及及工业化应用的最大阻碍，是高光谱行业科技公司亟需解决的问题。正因如此，以北京易科泰生态技术公司自主开发的SpectrAPP^©、FluorVision^©等为代表的专业高光谱成像分析软件应运而生，为高光谱技术的发展贡献积极力量。

目前高光谱技术在农业、林业、植被覆盖、生态环境监测、地质矿产、湖泊和海洋水质检测等领域具有广泛的应用。除了以上领域外，高光谱技术最具发展潜力的应用将会体现在工业应用方向，如自动化分选、流水线/产品线品质监控、废弃物循环利用等，另外生物医学、文博考古、刑侦、艺术品鉴定等行业也将是高光谱技术的大显身手的领域。

随着成像传感器技术、机器视觉技术、人工智能技术的发展，尽管高光谱成像技术已越来越多地应用于各行各业，但由于缺乏通用的行业标准，再加上国内外高光谱软硬件质量参差不齐，在全世界范围内没有建立起一套完整的、公认的、权威的规范标准，使得高光谱成像技术缺乏国际一致认可的衡量标准，也催生出许多以次充好、滥竽充数、搅乱市场的现象。

易科泰公司自2002成立以来，便长期致力于生态-农业-健康研究监测技术推广、研发与服务，并与国际知名公司如PSI公司、Specim公司等合作，在光谱成像技术如高光谱成像技术、叶绿素荧光成像技术、红外热成像技术、无人机遥感技术等方面积累了丰富的经验。易科泰生态技术公司为国内遗传育种、植物生理生态研究、作物抗性筛选等提供表型分析技术方案已有10多年的成功技术经验，先后为中科院植物所、中国农科院水稻所、中国农科院生物技术研究所、中国海洋大学、海南大学热带作物学院等科研机构和公司机构提供了几十套高通量作物/植物表型分析平台和藻类表型分析平台，包括高光谱成像技术、叶绿素荧光成像技术等国际先进表型分析技术。近几年来，易科泰公司与国际高光谱成像技术领导者Specim合作，研制生产了Ecodrone^®系列无人机高光谱-激光雷达-红外热成像遥感平台、PhenoTron^®多功能高光谱成像等系列作物/植物表型分析系统、AlgaTech^®藻类表型分析平台等，为植物/作物表型分析、中医药表型组学、生态修复及生态保护、水体与藻类、生态环境监测领域等提供陆空双基、全方位的技术方案。也使得易科泰成为国内高光谱成像技术在农业、林业、生态环境、海洋科学、地质地球科学等领域应用推广的先行者和主要代表。

易科泰公司基于自主研发的SpectraScan^©光谱成像扫描平台技术、成像配置系统、SpectrAPP^©及FluorVision^©软件分析技术，并结合国际先进的Specim高光谱成像、PSI叶绿素荧光成像、Thermo-RGB成像技术，先后推出多种产品系列，以完整的解决方案全方位覆盖高光谱成像技术的主要应用领域。主要有：

• FluorVision叶绿素荧光高光谱成像技术

• UV-MCF生物荧光高光谱成像技术

• SIF太阳光诱导叶绿素荧光高光谱成像技术

• PhenoTron^®植物表型成像产品系列

• PhenoPlot^®近地遥感高光谱成像系列

• AlgaTech^®藻类表型成像系统

• Ecodrone^®无人机高光谱遥感系统（农、林、生态环境方向）

• Geodrone^®无人机高光谱遥感系统（地质地球方向）

• SpectraScan^®高光谱成像扫描系统

• SpectrAPP^©光谱成像技术创新应用项目（合作实验与技术服务）

正如前文所述，受限于国产光谱仪核心部件的技术壁垒，目前主流的国产高光谱产品是基于进口光谱仪如Imspector的二次组装集成，从核心技术成像光谱仪的研发、光学设计到整机集成、出厂校准测试等没有形成一体化、封闭式流程，产品性能较进口产品仍然有不小的差距，高光谱整机解决方案的国产化进程缓慢。但由于随着国家对国产设备的支持力度逐渐加大，且国产设备从市场价位、售后响应等方面存在先天优势，在中国市场，目前的国产集成设备与整机进口设备竞争日趋激烈。

同时，在EcoTech^®实验室、西安易科泰光谱成像与无人机遥感技术研究中心（设立有光谱成像实验室）、表型与种质资源事业部等多方专业技术团队的分工协作、共同努力下，易科泰公司已经走出一条从光谱成像核心技术的引进、专业领域的系统集成，到软件分析技术的自主研发、解决方案的全面整合，再到技术支持服务保障一站式、全流程道路，及用户之所想，解用户之所需，消用户之顾虑，也因此赢得市场的广泛认可，成为高光谱成像技术在国内发展壮大的有力推动者。

2018-2021年间，由易科泰公司和中国海洋大学海洋生命学院研究团队合作，首次将Ecodrone^®无人机遥感技术引入海洋科学领域，建立了一套可靠的紫菜生物量快速评估方法，并在Plant Methods上合作发表文章《Biomass estimation of cultivated red algae Pyropia using unmanned aerial platform based multispectral imaging》，为大型藻类的培育管理、遗传育种、表型学研究及海洋牧场监测管理提供高效、可靠的解决方案。随后，考虑到研究团队对于一站式多传感器表型成像分析的迫切需求，易科泰公司充分发挥自身优势、基于自主专利技术设计研发AlgaTech^®高通量藻类表型成像分析平台，成为目前国内功能完备、技术一流的高通量藻类表型成像分析系统，为藻类及海洋植物生理生态、海水养殖、生物量评估、遗传育种等研究领域提供全方位、一站式解决方案。

有研究数据显示，2022年全球与中国高光谱成像系统市场容量分别为934.73亿元与279.02亿元。基于2018-2022年高光谱成像系统市场发展趋势并结合市场影响因素分析，有预测机构预测全球高光谱成像系统市场规模在2028年达2471.94亿元。由此预计2022至2028年间，中国高光谱市场规模将超过700亿元，可以预测中国必将成为未来全球最大的高光谱成像市场。

面对如此市场机遇，易科泰公司将继续秉持“生态-农业-健康”的战略定位，以自主研发的软硬件技术为基础，以高光谱成像、叶绿素荧光成像、红外热成像等先进传感器技术为依托，全面整合解决方案，在农、林、生态环境、无人机遥感、地质地球等科研领域继续深耕，并逐步向工业生产线、废弃物分拣、食品药品、文博考古、艺术品鉴定等应用领域积极拓展，为高光谱成像技术在中国的全面发展贡献蓬勃力量。

（作者：北京易科泰生态技术有限公司、西安易科泰光谱成像与无人机遥感技术研究中心 王宁）