科普講堂

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高光譜儀的應用

高光譜影像資料庫是收集及處理整個跨光譜頻譜的資訊,通過大量的不同波段的電磁頻譜,可以用來探測地表物體,不同的物體會在光譜頻譜中留下具有唯一的光譜特性或是「指紋」。

光譜頻譜(科技部大地的辨識密碼高光譜影像-科技大觀園)光譜頻譜(科技部大地的辨識密碼高光譜影像-科技大觀園)

太陽光照射到物體後有些光線被吸收了,但有些光線會經物體表面反射到人眼,這是我們看到到的顏色;樹葉中因為含有葉綠素可以吸收大部分的可見光,但反射比較多的綠色光,因此我們看到的樹葉會呈現綠色。除此之外,還有人類眼感受不到的波長,例如近紅外線,紫外線等範圍。

水稻的「植物指紋」(高光譜影像儀資料整合與演算-太空中心)水稻的「植物指紋」(高光譜影像儀資料整合與演算-太空中心)

植物指紋看出是健康或者生病的水稻

在太陽光照射之下,利用地表物質對於不同的波長,有特定的光譜的反應,科學家設計能偵測到數百條光譜波段數的儀器,例如能分辨出較窄波段寬度的高光譜儀,用來探測地表物質的種類與狀況。以植物為例子,不同的植物光譜反射,會呈現出其獨特的性質。

除了葉綠素會反射較多的綠色光之外,植物對於近紅外線有很強的反射效應,而且反射強度與植物的種類及健康狀況有關,這個特性常被用來進行森林或植被的分析,下圖是健康與生病的水稻頻譜。

目前國家太空中心、農業委員會農業試驗所以及台灣科技大學的高光譜計畫,使用精密高光譜儀(hyperspectral instrument),利用物體的光譜反射特性,辨識不同的礦物、植物及其他種類等各種地表物種,並建立我國第一個高光譜資料庫。

水稻的「植物指紋」(高光譜影像儀資料整合與演算-太空中心)水稻的「植物指紋」(高光譜影像儀資料整合與演算-太空中心)

大地的指紋

高光譜影像資料庫是收集及處理整個跨光譜頻譜的資訊,通過大量的不同波段的電磁頻譜,可以用來探測地表物體。不同的物體會在光譜頻譜中留下具有唯一的光譜特性或是「指紋」,科學家們利用礦物或植物的「指紋」可以用來確認以及識別物體的組成成分。

礦石的「指紋」(科技部大地的辨識密碼高光譜影像-科技大觀園)礦石的「指紋」(科技部大地的辨識密碼高光譜影像-科技大觀園)
農作物分類(高光譜影像儀資料整合與演算-國家太空中心)農作物分類(高光譜影像儀資料整合與演算-國家太空中心)

精緻農業應用

高光譜影像最為顯著的優勢在用作高精度分類用途,例如土地利用,農作物分類、水質分析等等。土地利用分類通常為建物、道路農地、裸土等分類,右圖是建物 (紅色 )、道路 (青色 )、農地(綠色 )、樹 (藍色 )、裸土(黃色 )。農作物分類,利用高效能演算法,區分種植區域

神奇的高光譜辨識應用

高光譜還可以應用在水質分析,以評估水庫質優養程度,分析水中的透明度、葉綠素以及總磷等三項水質參數之濃度值,應用在偵測土石流,以及比較海岸的變化(圖五)等等,可以說應用非常廣泛。近來國家太空中心完成機載高光譜儀測試以及資料整合與演算法,距離國造高光譜衛星又往前了一大步。

*參考資料*

1. 高光譜影像儀資料整合與演算法發展高光譜影像儀資料整合與演算法發展高光譜影像儀資料整合與演算法發展期末報告,國立台灣科技大學柯正浩教授,p61,62

2. 大地的辨識密碼高光譜影像-科技大觀園,徐百輝教授,成功大學測量及空間資訊學系,20078月。

3. 應用衛星建立「植物指紋」以輔助政府「稻田多元化利用計畫」,中華民國第53屆高中組科學展覽會,桃園中學黃婉榕。