西湖大学孵化出“千里眼” 高光谱成像“火眼金睛”洞悉万物隐情

一架普通的无人机缓缓升空，机腹下挂载着一个不足1公斤的相机。短短十几分钟，它就能“透视”1.5平方公里大地，包括森林是否有火灾、河流是否被污染、高压线是否有隐患点……你也许会说，这有啥特别？这样的“千里眼”早就习以为常了。但你不知道的是，以前的“千里眼”，只能见“肉眼所见”，现在的“千里眼”，却能看见“肉眼不可见”。该“千里眼”就是西湖智能视觉科技（杭州）有限公司最新研发的高光谱相机。

“它可以精准判断林间冒出的云团，是烟还是雾；它可以指着一条清澈的河流告诉你，有人在排污；它甚至能细微到每一片树叶，告诉你它是否缺水。”创始人、西湖大学工学院感知与计算成像实验室负责人、博士生导师袁鑫说， 它不只是“千里眼”，还是“火眼金睛”。“它采用‘单曝光压缩光谱成像技术’，通过底层光学硬件和算法突破，推动智能成像系统的革新，推出基于人工智能计算成像的新一代机器视觉感知系统。”

从山火预警到水域监测

天刚蒙蒙亮，护林员就准时起床背上“装备”，带上由手柄和橡胶条组成的森林灭火工具，穿行在山间小路，开始一天的巡山工作。清理路边的杂草、枯枝落叶，对可能发生火灾的每一处细节进行预判和处置。但即便护林员经验再丰富，这个行业依然存在尚未被解决的“痛点”。比如，偌大的山林仅依靠几人巡逻，难免有遗漏；比如，肉眼分辨晨雾和山火初期形成的烟雾，特别依赖老手的经验；再比如，24小时应急响应，对护林员的精力、体力都是考验。

如今，困扰森林防护工作多年的难题，被高光谱相机破解。无人机搭载高光谱相机从森林上空飞过，仅需几分钟就能够采集到监测区域森林的高光谱图像信息。山林间由于自然因素形成的薄雾和刚刚冒烟的山火，在高光谱相机的成像中，表现出的光谱波段截然不同，只要对波形稍加观察，就能辨别山火和薄雾。

同样的情景也在水资源监测领域上演。西湖大学云谷校区，袁鑫实验室的科研人员要在不使用任何化学试剂、不采集水样的情况下，完成对整个河道水质的全面体检。“开始扫描。”随着指令下达，搭载高光谱成像相机的无人机缓缓升空。它沿着河道匀速飞行。10分钟后，随着无人机平稳降落，河道的“体检报告”已经生成。

水域监测的原理和山火预警一样，含有污染物的水域与水质清澈的水域，在高光谱相机的成像中，呈现的波形和颜色都不一样，因此只要稍作辨认，水质的变化便可一目了然。

高光谱成像如何做到“火眼金睛”？

其实，无论是卫星云图还是传统的高光谱成像技术，图像采集早已算不上什么新鲜事。而高光谱成像技术相较于过去的图像采集方法，一大突破在于“看得更清”，像是给相机装上了“火眼金睛”。

当气象卫星在距地800公里的轨道上扫描时，它的多光谱传感器仅能通过4-5个宽泛的光谱通道（如可见光、近红外、热红外）来描绘地球轮廓。这种“粗颗粒”的观测方式，虽然能识别云层运动这样的宏观现象，却无法识别地表物质的微观特征。而高光谱相机则能够把光线分成100多种不同的光谱波段，图像分辨率≥1024 x 1024像素，细节十分清晰。

“就像孙悟空用火眼金睛能看穿妖怪的变化，高光谱相机通过解析物质的光谱特征，揭开了肉眼不可见的物质真相。它的每个光谱波段都能捕捉物体对特定波长光的反射特性。”袁鑫介绍，同样是一片水域，高光谱成像相机能解析每一道波光中，哪些是藻类繁殖的征兆，哪些是重金属污染的痕迹，哪些是“肉眼难辨”的化学物质溶解特征。

如果你还对高光谱相机的“火眼金睛”感知不那么真切，那么不妨看看它在文物鉴宝领域的表现。古画挂在那儿，纸黄墨旧，瞧着像是百年老物，其实肉眼真假难辨。此时，高光谱相机上场。它不碰不摸，只需要远远一扫，颜料的底细便可明了。“古人作画，青金石磨蓝，朱砂研红，孔雀石取绿。这些颜料历经百年，在光谱上留下独特的‘指纹’。新造的画作的颜色和纹理，在高光谱成像相机中反射出的光谱波段与古画截然不同，很容易便能发现伪造的痕迹。”袁鑫表示。

据悉，目前该技术已广泛应用于智慧农业、环保监测、电力巡检等领域，并持续向工业质检、医疗科研等方向拓展，展现出巨大的行业变革潜力。