请问生物医学光子学的个人发展前景

生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一。目前几乎所有的科学技术都将环绕人与人类的发展问题，寻求自己的有意义的生长点与发展面，而生命科学的重点研究对象更是直指高等生命活体与人体本身的一些重大问题。近几年来，已形成了光子学与生命科学互相交叉的学科新分支——生物医学光子学(Biomedical Photonics)。这方面的研究工作十分活跃，发展十分迅速，它将开拓生命科学的一个新领域。最近两年美国光学年会的论文中有近三分之二的内容与生命科学有关。国际上也出现了专门的研究机构与杂志，如日本已成立了一个生物医学光子学研究中心，美国几个大学也建立了几个研究小组。Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。多年来，SPIE（国际光学工程学会）于每年年初召开一次规模十分庞大的“生物医学光学”国际性学术会议，并于1996年出版了新的期刊Journal of Biomedical Optics 。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目更名为“ Optical Technology and Biomedical Optics”。 生物医学光子学包括生物光子学和医学光子学两部分。分属于生物学或医学的光子学与光子技术领域至今尚无明确的分界，两者之间存在有相互交叠的范围。其中医学光子学发展迅速，已成雏形。目前，生物医学光子学主要包含以下研究内容：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用。利用光子及其技术对生物系统进行的检测、治疗、加工和改造等也是一项重要的任务。二是医学光子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像术、新颖的激光诊断和激光医疗机理极其作用机理的研究。

生物光子学 早在光子学产生初期，充满发展活力的生物科学就和光子学相互交叉渗透，促使生物光子学这一边缘学科生长点悄然崛起。20世纪80年代初期，这一个新兴领域的提出是基于生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现及其研究成果。迄今为止，人们对BPE已取得了一些初步的认识，例如，认为BPE是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的固有的一种功能。它是在不同的生理、生化条件下生物体综合信息的反映。除了少数低级生物如某些原生生物和藻类外，大多数动植物均能产生BPE。而且生物进化程度高，BPE值越大。BPE的光谱范围从紫外、可见到红外波段。另外，生物进化水平越高、辐射的波长越向红外扩展。BPE具有高度的相干性，并具有泊松相干场的特征，它是生物体量子效率极低的一种低水平化学发光。 如果说光子学是产生和利用以光子作为量化单位的辐射的技术，而且其应用范围从能量的产生和探测扩展到信息的提取、传输与处理等，那么，生物光子学则涉及生物系统以光子形式释放能量和对来自生物系统的光子探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，还包括利用光子对生物系统进行加工改造。

生物系统的光子发射

生物系统的自发超弱发光 只要是活的生物，小至细菌微生物和各种动植物细胞，大到植物，动物甚至人，都存在自发的光子辐射，通常，这种光子发射极其微弱，只有几个到几千个光子/秒每平方厘米，故称为系统自发的超微弱发光。其光谱范围颇宽，从紫外延伸至近红外，必须用灵敏的光电探测器才能探测到。近30年的研究表明：生物超微弱发光与生物的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、光合作用、癌变以及生长的调控等许多基本的生命过程都有着内在的联系，而且正是由于它与活的生物体内发生的生化过程、生物机体的生理和病理状态等有着密切的联系，因此才使其在医学，农业，环境等众多方面都有潜在的诊断价值。

生物系统超弱发光的本质 生物系统超微弱发光的光子来源始终是研究者关注的中心，目前认为它来自以下几个方面： 1生物系统中由于氧化代谢而不断产生活性氧自由基，并由此产生单线态氧和激发碳基，它受生物体内的抗氧化防御系统与免疫系统的影响； 2生物体内酶促反应形成的激发态分子； 3由于集合效应所形成的重要生物大分子（如DNA及其缄基）的激发态和激发态复合物因其能级分布远离玻耳兹曼分布，而使生物系统处于能级高度反转状态，并通过相互作用而发射具有某种相干程度的光子。其相干程度可能是生命的一个特征。生物系统的超弱光子辐射是否携带信息、是否构成生物系统之间及其内部细胞之间通信联系的一种途径？这些都是引人关注的重要问题。深入认识生物超弱发光的本质，开发其应用潜力，是生物光子学的基本任务之一。

生物系统超弱发光的重要应用 生物系统的超弱发光在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境监测功能等方面有重要的应用。 由于超弱发光与生物体的生理病理状态有关，因此使之在临床诊断上有潜在的应用价值。例如，已有研究表明，肿瘤患者与健康人相比，其血液以及许多器官与组织的超弱发光升高。另外，研究还发现，种子与幼芽的超弱发光对温度、湿度、及盐碱度的依赖性在一定程度上反映了作物的抗寒、抗旱与抗盐碱的性能，显示了生物超弱发光在农业上的选种育种等方面的重要应用前景。物理、化学方法的环境监测只能给出当时测量的污染程度。由于生物系统的超弱发光对环境水源与大气中的化学污染极为敏感，因此可利用其作为环境污染的生物指示剂，为环境的监测提供了一种新的简捷手段。

生物超弱发光的成像 利用高灵敏度的光子探测与成像技术，并结合光子统计与光子相关测量技术，在可见或近红外波段获得生物体的超弱发光的二维图像，用以测量人体的代谢功能与抗氧化、抗衰老的机体防御功能。因此可望在疾病与临床诊断方面得到重要应用。

生物系统与细胞之间的光通信 一般认为，细胞间的“通信”总是借助一些特殊的“信使分子”来实现的。“信使分子”包括激素、抗体、生长因子和神经递质，也包括某些无机离子。这种通信从本质上讲都是通过分子间的相互作用（如信使与细胞膜上受体蛋白的相互作用）实现的“化学通信”。细胞间是否存在“物理通信”？即细胞之间是否存在着通过电磁场或光子相互作用来实现现代的信息传递？目前已有实验证据表明：细胞、组织甚至生物体之间有可能通过光子的发散和接收传递信息。细胞之间光通信的研究将会揭示生命现象的一个鲜为人知的方面，并可能在医学、健身和农业等诸多方面得到重要的应用。

生物系统的诱导发光 外界短暂的强光照射可以诱导生物系统的光子发散，这种诱导发光的强度通常大大高于自发发光的强度，且随时间衰减。诱导发光的光谱和强度取决于组成生物系统的可激发分子的种类和含量，还取决于分子间的相互作用及能量传递，因此，诱导发光将能提供生物系统组成的结构的信息，这种发光早已用于植物光合作用的研究。最近研究表明这种诱导发光在疾病的诊断和食品质量的检测方面具有相当诱人的应用前景。

光子技术在生物科学中的应用 随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的飞速发展，它们在生物科学的研究与医学诊断中的应用与医学诊断中的应用越来越深入和广泛，已成为现代生命科学中的重要工具，并为之带来革命性变化。

荧光探剂与激光扫描共焦显微术 激光扫描共焦显微术的基本原理是，在细胞内一个任意选定的深度上将激光束聚焦成线度接近单个分子的极小的斑点，并在细胞内一定深度的层面上进行扫描，通过光学系统，即可得到细胞一个层面的清晰图象。连续改变激光的聚焦深度，在一系列的层面上进行扫描，最后获得整个细胞的三维图象。利用目前已达上千种与细胞内不同分子（或离子）特异性结合的荧光探针，人们就可以直接观测活细胞中各种重要生物分子的位置、运动以及与其它分子的相互作用等。例如观测细胞骨架上的微管、微丝与中间纤维，观察信号转导通路上的各种重要的酶与信使分子，还可利用基因重组技术将自身已有的荧光蛋白引入细胞，用激光扫描共焦显微镜研究基因的表达、细胞内蛋白质的相互作用与细胞内的“交通”等。荧光探针和荧光蛋白与激光共焦显微术的结合，使人们能够看到细胞内一个既复杂又异彩纷呈的世界。

多光子荧光成像技术 目前，共焦显微成像术使用的是可见光波段的氩离子激光器，因此可能引起活细胞的损伤。利用多光子，如多光子激发，至少有以下三个优点：一是由于近红外光激发，故对活细胞的损伤大大减小；二是在组织中由于近红外光比可见光的透光率高，因此可观测样品中更深层的荧光成像；三是许多用在可见区甚至紫区的荧光探剂照样可以使用。这种技术主要是使用高强度红外激光，使双光子的激发效率与短波长的单光子相当。现在已有一些激光器满足这一要求。

光钳和单分子 *** 作 光钳（Optical tweezer）技术诞生于20世纪80年代，发展于90年代。其基本原理是：当一个微粒（如一个与生物大分子结合的硅珠）处于一个强度按高斯分布的激光光束中时，由于光场强度的空间变化，光束将对微粒产生一种梯度压力，驱使其移向光束中心，并使其稳定在那里。这样，激光束就似“钳子”将粒子牢牢地钳住，并令其随光束人为地移动。光钳施加在微粒上的压力取决于光的波长、光束的宽度及功率等。当激光器的功率为几毫瓦到几瓦时，施加于尺寸为微米大小的微粒上的力大约为几个到几百皮(10-10)牛顿。为了不使激光被生物组织强烈吸收，为了不使激光被生物组织强烈吸收，光钳一般使用近红外激光器光源。光钳技术的重要应用是，用以研究和观测与肌肉收缩、细胞分裂、蛋白质合成等密切相关的一类蛋白质——分子马达。研究时，将一个微米大小的硅珠或聚苯乙烯珠与这些分子马达接在一起，在显微镜下用光钳钳住小珠，启动分子马达，就可以测量出分子马达运动时产生的力。德国学者已经用激光在卵细胞膜上打孔，用光钳将精子抓住并送入卵细胞，大大提高了体外受精的成功率。今后，新一代的光钳将具备施力的反馈机制，使光钳加在捕捉的离子上的力能改变其大小，从而研究影响分子马达的各种因素。光钳还可以用来对细胞进行各种加工等。因此，-----光钳将在细胞工程技术方面发挥重要的作用。

医学光子学

当今，医学正处在一个重大的变革时期。医学的重点正由传统的基于症状治疗模式向以信息为依据的治疗模式转变。人们已经认识到，症状仅仅是疾病的被滞后的很粗糙的人体异常反应。当今一些重大医学课题的研究，一开始就把着眼点放在探索导致疾病的生物信息规律上，以控制生物逻辑信息处于健康状态，进而达到治疗疾病的目的。为此，人们从各个学科（磁学、声学、化学、光学等）探索医学诊断和治疗的新方法。目前，人们认为光子学有希望在当今医学的大变革中扮演重要角色。认识光在生物组织中的传播规律，以及激光为代表的高性能光源和高灵敏度光学探测器的研制成功分别是这种认知的理论依据和物质基础。 新兴的光子学和现代医学相结合形成了一个新的交叉学科生长点：医学光子学（Medical photonics）。医学光子学的发展动力主要来源于医学的迫切需要。许多面向临床光治疗以及光诊断的具体应用，如激光医学中的光计量学、光学成像诊断学、肿瘤诊断与治疗等所提出来的各种问题，亟待医学光子学给出满意的回答，由此极大地促进了医学光子学的迅猛发展。医学光子学研究的直接对象是生物组织，特别是活体的生物组织。它的研究成果将直接服务于人类医学，并有可能创造出新的高科技产业，为人类文明和社会进步作出贡献。 医学光子学正处于兴起阶段，我国的研究基础与条件虽然相对较为落后，但我们在实践方面多有优势，且同国外处于一个起跑线上，因此只要组织得力，选题得当，经过努力一定会在某些方面，如理论和计算以及临床方面获得突破，并占据国际领先地位。

医学光子学基础 关于光特别是激光与生物组织的相互作用规律和知识，引起国际瞩目，已成为正在蓬勃发展的激光生物医学的应用基础和前提。例如，当前处在临床应用边缘的肿瘤的光动力学治疗和诊断的关键问题之一，是如何设计并确认人体组织内的光分布情况，这涉及到诸多学科各方面的理论与实验问题，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等等。所有这些研究工作中出现的新问题必须以新的思维和手段加以解决。虽然已初步建立了生物组织中光的传播模型，但是统一的生物组织光学理论却远未成熟。在这样的背景下，“组织光学”（Tissue optics）作为研究生物组织光学性质的专门学科应运而生，它涉及医学光子学中最基础性的理论问题，也是进一步发展光医学（包含光诊断和光治疗）的前提。 组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容。当前的主要研究任务是：研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。前者涉及由测量的光分布和一定的光传播模型确定组织体的光学基本参数，称为“正”问题；后者则从组织体的光学基本参数和光传播模型出发导出组织体内光分布，属于“逆”问题。当前结合考虑国际发展趋势和国内实际所提供的可能性，应在下列几个方面开展研究工作：

光在生物组织中传输理论研究 目前虽借鉴中子传输理论初步建立了光在生物组织中的传播模型，但与建立组织光学的统一理论架构体系尚有较大距离，生物组织的光学理论远未成熟，有许多理论上的空白点有待填补。出现这种状况的原因自然源于生物组织结构本身的多样性和复杂性，另一方面也是理论工具不足的结果。需要有更精细和准确的理论来替代过于简化的现有模型，也就是要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。需要做的工作，其一是：建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；其二是：改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。

光传输的蒙特卡罗模拟计算 蒙特卡罗（Monte Carlo）计算模拟方法，已在许多领域发挥了不可替代的作用。已经有一些比较成功的算法，但还应继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。

组织光学参数的测量方法和技术 在组织中光的传输理论确立后，一项关键工作是确定组织体，尤其是人体的光学性质基本参数，即吸收系数、散射系数和散射相位函数或平均散射余弦g以及折射率n等。一旦已知这些光与组织的相互作用参数，在给定的光照方式和边界条件下，光能流率或其它参量全反射率R全透过率T等分布均可由有关的传输模型唯一地确定。目前有关生物组织光学性质的测量方法尚待进一步发展和完善，其中活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。

生物组织折射率及色散关系 人们在各种情况下使用假设的折射率数据（133-138），但是有关生物组织折射率的研究还是在某种程度上被忽视了。至今人们还未在概念上对生物组织折射率做深入的辨析，也还没有完全掌握活体甚至离体组织折射率的精确测量方法。又因组织体存在强烈散射而造成的精确测量工作困难，人们尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。业已证明生物组织的折射率和色散参数，无论是理论上还是实验上对组织光学的深入研究都是十分重要的。鉴于此，应将生物组织的折射率与色散参数的测量及方法作为重点之一开展研究。

组织光学理论工作的几点思考

综上所述，作为医学光子学基础的组织光学部分，除了要发展测量技术、建立组织光学参数数据库外，在理论上可着重考虑以下几个问题： A继续改进生物组织光传输模型，一要发展受限制少、快速而又精确的模型；二要精确化组织光学模型，使之与生物组织特别是活体组织状态相近似； B研究短脉冲光在组织中的传播行为以及漫散射光的时间变化特性，为光学成像术做充分的理论准备； C研究调制光在生物组织中的传播特点，例如将受振幅调制的光照射到组织上会产生慢散射光子密度波，一样发生反射、折射、衍射、散射、色散等，可以无损地探测组织的光学性质参数，又可以用来成像； D研究生物组织散射和吸收的光学特性对测量荧光及其光谱的影响。数值模拟研究已经初步表明，这种影响是不可忽略的 E对光在复杂组织结构中的传输过程进行计算机模拟，通过大量模拟，找出简单而有效的规律来说明光在组织中传输的基本性质，并在各种参数之间建立联系，为组织光学性质的测量提供依据； F统一生物组织光学性质参数的描述，建立完善的组织光学理论体系。

医学光子技术

医学光子技术分为两大类：光子诊断医学技术与光子治疗医学技术，前者是以光子作为信息载体，后者则以光子作为能量载体。 目前，无论是光诊断还是光治疗技术，多以激光为光源。如果着眼于人体应用为对象，这两种技术则归属于激光医学范畴。激光医学是医学光子技术的一个特有的重要应用领域，也是近多年来迅猛兴起的一个新学科分支（详见本节第3点）。

根据国际、国内的发展情况，以下诸点是医学光子技术的主要研究内容：

医学光谱技术 激光光谱以其极高的光谱和时间分辨率、灵敏度、精确度以及无损、安全、快速等优点而成为医学光子学的重要研究领域。随着激光光谱技术在医学领域应用研究的深入开展，一门有发展潜力和应用前景的“医学光谱学”逐渐形成。

1生物组织的自体荧光与药物荧光光谱。已对激光诱导生物组织自体荧光和药物荧光诊断动脉粥样斑块和恶性肿瘤进行了临床前的研究。内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。在此基础上还研究了用于癌瘤诊断和定位的实时荧光图像处理系统。

激光荧光光谱诊断肿瘤技术的研究一直倍受关注，光谱检验法的灵敏度很高，如能找到肿瘤细胞的特征荧光峰，来诊断癌细胞的存在，则对肿瘤的早期诊断和治疗将起巨大作用。但至今该技术在临床上无法单独作为癌细胞检测的依据，关键原因是尚未找到癌细胞真正的特征荧光峰。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。 目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。 2生物组织的喇曼光谱。近年来，喇曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势，克服了荧光光谱技术区分病变组织是由于生物大分子荧光带较宽、易于重叠对准确诊断带来的影响。目前，这一研究领域尚处于起步阶段，应加紧开展以下研究工作：其一，对重要医学物质的喇曼光谱进行研究，并建立其光谱数据库（包括分子组分与结构相对应的敏感特征谱线及其强度等）；其二，研究疾病的喇曼光谱，分析从正常到病变过程中生物组分的变化与发病机理；其三，开发小型、高效、适用于体表与体内的医用喇曼光谱仪和诊断仪。 3生物组织的超快时间分辨光谱。超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。应抓紧开展原理与技术的研究，以获得有价值的活体光学参数，为光诊断与光治疗技术的发展提供依据。

医学成像技术 人们致力的目标是：发展无辐射损伤、高分辨率的生物组织光学成像方法与技术，同时应具有非侵入式、实时、安全、经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分的特点。目前研究工作主要集中在以下几个方面：

1时间分辨成像技术，它以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。该项技术是光学层析（断层）造影（OT）技术中最主要的一种； 2相干分辨成像技术（OCT）。它采用的是弱相干光光源（如，弱相干脉冲激光或宽带的非相干光光源），其相干长度很短（如20μm）。利用光源的低相干性能通过散射介质来实现成像，实现手段有干涉仪、全息术等； 3漫射光子密度波成像技术。透过生物组织的漫射光占相当大的比例，也可利用它进行医学成像。高频调制的光射入生物组织，被漫射后的光子在生物组织内部呈周期分布，形成漫射光子密度波。这种光子密度波以一定的相速度和振幅衰减系数在生物组织中传播，又被折射、衍射、色散、散射，因而使之出射光携带生物组织内部结构的信息。测量其振幅和相位，再经过计算机数据处理便能够得到生物组织的有关图像。 4图像重建技术。生物散射介质的结构特征信息隐含在漫射光中。若能找到描述光在介质中迁徙规律，通过测试漫射光的有关参数，在眼光的散射路径逆向追溯，则应能重建散射介质结构图像。如采用锁摸激光器作光源，条纹相机测试散射体周围的漫射光的时间分辨参量，再用逆问题算法进行图像重建。目前，逆问题算法大体有两类：一类为蒙特卡罗法，采用这种方法，图像重建精度高，但是计算复杂；另一类是基于光的传输方程，采用优化算法，根据测试周围时间分辨率漫射光的信号进行图像重建。

除了上面四种技术外，近年来还发展了其它一些生物组织成像技术，如空间选通门成像技术、时间分辨荧光成像、受激喇曼散射成像以及光声医学成像技术等。目前，国际上光学医学成像技术尚处于初始研究阶段，离实用化还有相当距离，但人们已经看到它初露曙光。

医用半导体激光及其应用技术 由于半导体激光器具有体积小、效率高、寿命场合多种波长可供选择等一系列显著优点，所以它在激光诊断医疗技术中有逐渐取代其他多种激光器的趋势，从而有可能成为激光医用仪器的最主要光源。目前的状况是：低功率半导体激光器，波长为800nm~900nm，功率为3~10mW，已逐渐替代He-Ne激光器作照射治疗和光针疗法，以及作各种指示光源；中功率器件，波长652nm~690nm，功率1~5W，已逐渐替代染料激光用于光动力疗法，可治疗较深部的肿瘤；高功率半导体激光器，也有可能替代Nd：YAG激光治疗机。如波长为800nm~900，功率为30W的高功率半导体激光，穿透组织深，适用于Nd：YAG激光所能治疗的大部分病种。

其它医用激光技术发展动向 近年来，值得注意的研究动向还有：其一是新工作波长激光医疗仪器的开拓；其二是Ho：YAG和Er：YAG激光手术刀走向实用化；其三是腔内治疗适用的光纤内窥式激光医疗技术的开发；其四是激光医疗设备实现智能化。

激光医学

以激光为光源，着眼于人体应用为对象的光诊断和光治疗技术开辟了激光医学这个重要的新领域。多年来，激光技术已成为临床治疗的有效手段，也成为发展医学诊断的关键技术。它解决了医学中的许多难题，为医学的发展做出了贡献。现在，在基础研究、新技术开发以及新设备研制和生产等诸多方面都保持持续的、强进的发展势头。当前激光医学的出色应用研究主要表现在以下方面：

1光动力疗法（PDT）治癌 治癌光动力学肿瘤治疗是世界范围广泛关注的大课题。肌体注射肿瘤能聚集的光敏剂之后，受激光照射，产生光化学作用，可以选择性的杀死肿瘤细胞。目前存在的主要问题有两个：一是皮肤光敏副反应大，要长时间避光；而是激光透入人体的深度太浅，深层肿瘤无法进行光化作用，因此复发的可能性很大。现正在积极研制开发性能优良的光敏剂和能穿透组织深部且与光敏剂作用良好的激光。此疗法的前景仍然是十分乐观的。

2激光治疗心血管疾病 经皮激光冠状动脉成形术治疗冠状动脉狭窄及阻塞病变的技术已有长足发展。用准分子激光进行冠脉成形术已成为首选方法。但因管腔的再狭窄等问题尚待进一步解决, 因此该项技术目前还难以有效推广。除上述冠状动脉成形术外，心肌血管重建术、激光直接消融心脏的异常节律点，治疗严重心律失常等也是当前的研究热点

我们国家非常重视科学仪器研发和应用方面的工作;“十五”期间国家对仪器拨款总共约一个亿RMB左右;“十二五”期间，国家投资70多亿RMB，有的一个项目就有12亿以上(含自筹);“十三五”国家的支持力度更大，有的一个项目14亿RMB以上(含自筹)。目前，我国科学仪器及其应用的发展，正在蒸蒸日上。

由于科学仪器是“四两拨千斤”的产业，发展前景非常广阔。基于它在国家的科技、经济、国防、民生和社会发展中战略地位的重要性，在“农、轻、重、海、陆、空、吃、穿、用”各行各业，无所不在，无所不有。所以，加速科学仪器产业发展已成为世界各国关注的重点之一。本文简单介绍我国科学仪器和应用发展的有关情况。

一、光谱仪器

从原理角度讲，光谱仪器可以分为：吸收光谱(紫外吸收、可见吸收、紫外可见吸收、气相分子吸收、红外吸收、原子吸收等)、发射光谱(荧光、拉曼、微波等离子体等)、旋光光谱等;从应用角度讲，可分为分子光谱(红外、紫外、可见、紫外可见、旋光、气相分子、荧光、拉曼等)、原子光谱(原子吸收、原子荧光等)。

据作者初步统计，目前国际上的光谱仪器达20多种。但是，使用最多、覆盖面最广、最具有代表性的光谱仪器是紫外光谱、红外光谱、原子吸收光谱等。此外，如今的激光拉曼光谱和近红外光谱的发展也非常火爆。

　1、紫外分光光度计

特别值得提出的是，目前在我国的应用领域中，覆盖面最广的紫外光谱仪器市场情况如下：排名居首的是岛津公司，居第二位的是国产的紫外仪器——北京普析通用，其紫外光谱仪器在中国市场上占比高于安捷伦、日立、珀金埃尔默等;可喜的是在我国应用领域，全球的紫外光谱仪器生产商所占市场的前10名中，我国占4名(40%)，这是一个很值得高兴的现象。

2、拉曼光谱仪

虽说拉曼光谱仪器，目前国内市场还不大，但是目前有近20家在研发生产各类激光拉曼光谱仪器。它在食品药品、环保等领域的测量、质量检验等方面，将很快达到一定规模和水平。

3、近红外光谱仪

从近红外光谱仪器的发展情况看;虽说近红外光谱的市场很大。但是，品牌分布比较分散，呈现众多品牌各有一定市场占有率的情况，而且没有任何一家有超过20%的市场占有率。不过，虽说目前近红外的发展还不尽人意，但是，国产近红外产品发展趋势很好。

　4、原子吸收光谱仪

目前AAS在水质中的微量重金属(As、Hg、Cd、Cr、Cu等)检测方面非常受用户的青睐。例如：水中Cu大于15mg/L会有苦味;Cu对冠心病影响很大;水中Cu超标会抑制藻类生长，影响水产养殖;特别要注意的还有饮用水中的Hg、As等对人类危害特别大，都是致癌的微量元素。

为什么AAS在分析检测工作中倍受青睐一是价格便宜、性价比高;二是 *** 作比较简单;三是灵敏度较高。所以，广大科技工作者应该重视AAS的应用发展情况。很多第三方检测机构都在大量使用AAS，目前发展很快值得大家高度重视。

在整个光谱检测仪器的发展和进展方面，特别应该指出的是，近几年来，我国的新型光谱仪器不断涌现。例如：上海安杰公司具有知识产权的气相分子吸收光谱仪;南京简智公司的便携式差分拉曼光谱仪;北京西派特的ExR510激光拉曼光谱仪;还有，常州盛奥华公司的多种新型的水质检测光谱仪等。总之，我国的光谱仪器研发、应用的进展令人骄傲和自豪。

二、色谱仪器

在国产色谱仪器方面，气相色谱(GC)已经有几十家在生产，并且产品都比较成熟，基本上都能满足使用要求。例如：浙江福立的GC，质量很好，与国外同类产品可以抗衡，他们的HPLC也发展很快;又如：大连的依利特公司，上海的通微、伍丰等公司的产品比较齐全，都能满足使用要求;上海通微的高档色谱仪器(毛细管色谱、电色谱、HPLC等)，主要销往国外，以对研究工作要求很高的国外著名大学为主要对象，他们的液相色谱、电色谱都处于国际领先地位;上海伍丰公司的HPLC，可靠性很好。总之，中国的色谱仪器发展的形势很好。

　1、HPLC仪器及其最新进展

液相色谱仪器，近几年发展特别快，令人耳目一新。许多过去用紫外光谱做的分析工作，纷纷改为HPLC，不管是药品、食品、医疗、卫生、农业、环保等各个领域都是如此。因为它可以对复杂体系进行分离、分析、检测，值得大家重视。

最近几年，HPLC需求量猛增。我国对各类HPLC的年需求量在10000台以上。全球每年需求约55亿美金以上。目前，在我国的、有一定规模的国外生产厂商及代理商有几十家，国内生产厂商20家左右;国产HPLC受外国人青睐，但是，国人迷信外国产品，令人费解。

不过，色谱仪器目前面临三大挑战：高分辨率、高分离速度、高灵敏度。所以，目前新型的HPLC仪器不断涌现。具体体现在：

1)二维及多维HPLC大发展：美国和日本生产的纳升级二维HPLC，组合了纳米微柱和二维HPLC色谱技术，可以直接用于蛋白质组学、基因组学研究工作;

2)毛细管和纳升HPLC的发展，可进行微柱、毛细管柱和纳升柱三种微柱液相色谱分析工作;

3)超高压液相色谱仪(UHPLC )，自从2004年WATERS公司推出 UPLC后，JASCO、AGILENT、THERMO-FISHER SCIENTIFIC、SHIMADZU、HITACHI都先后推出了各自的超高效液相色谱仪。UHPLC每套10万美金左右，去年在我国销售约1000台，共计1亿美金!

4)特别值得提出的是：上海通微公司，近几年成功的完成了《加压毛细管色谱仪》国际首创，还完成了《定量毛细管电泳仪》，也是国际首创(一般毛细管电泳仪，定量分析精度很差)。并且，《高效微流电色谱仪器与应用》的研发项目，被国家科技部列为国家十二五重大攻关项目，目前已经通过国家验收。它可以与UHPLC抗衡，其柱效比UHPLC高10倍，5秒钟可以分离5个芳香烃，总体优于UHPLC，又是一个国际首创。我想，这些业绩，值得分析工作者高兴。

2、GC仪器及其应用最新进展

长期以来，GC久销不衰。最近几年，GC需求量猛增，我国的需求量达到15000台以上。特别在酒类等挥发性的物质分析检测方面使用非常广泛。另外，在联用仪器发展中，GC也大显身手，如GC-IMS(IMS 离子迁移谱)、GC-MS等。

前面讲的浙江福立、上海仪电、北京东西分析等的GC都可以满足使用要求，并且有些完全可以与国外抗衡。

特别值得提出的是色谱数据处理系统，上世纪80年代以前，色谱分析“一天 *** 作三天处理数据”，小峰往往只能“视而不见”;90年代起出现色谱数据处理机，大大减轻工作量但功能有限;而目前的色谱工作站不仅处理数据，更能反控仪器的运行，色谱分析开始进入“傻瓜”时代;结合自动进样器，目前色谱仪器已经步入自动化或智能化时代。随后，以HP-6890N为代表的“网络型”色谱仪开始流行，结合数据库技术，色-质联用分析结果也就有了在线联机检索的便利。我国福立公司的GC-9720型仪器打出了“云”的概念，指标与HP-6890几乎一样。鉴定会上得到了专家们的高度赞扬。从此，色谱分析不再高深莫测、繁杂难耐的时代过去了。

　3、薄层扫描色谱仪器及其应用的最新进展

上海科哲仪器公司是目前世界上薄层扫描色谱仪器研发生产的三大品牌公司之一;他们生产多种型号的薄层扫描色谱仪器，销往国内外有关应用单位，用户反映质量和可靠性很好;科哲公司最新的、最具代表性的品牌是3500Plus型全功能薄层扫描色谱仪器，是目前国际同类产品中的佼佼者。

三、质谱仪器

目前，国内有10多家公司在研发MS、ICP-MS、GC-MS等仪器，不过基本上都与国外同类产品存在一定差距，需要努力赶超。

比如，虽然市场上已有不少国内外ICP-MS生产厂家及产品，但目前ICP-MS绝大部分市场份额被安捷伦、赛默飞、珀金埃尔默三家公司瓜分。

不过值得一提的是，广州禾信公司的飞行时间质谱表现突出，已经销往美国和德国等发达国家。

红外光谱技术是利用红外光和分子作用所产生的分子振动的原理,来记录分子吸收红外光之后所呈现的振动模式,记录吸收光的相对强度对红外光波长所得的谱图,即称为红外光谱。运用红外光谱法对有机物进行检测,当红外光谱仪中发出的红外光线,照射到待检测物体表面后,有机物能产生吸收特性,对发射的红外光进行吸收,然后产生出一个红外光谱图。而技术人员就根据光谱图上不同的吸收峰,找到电脑内存中相对应的化学基团数据库,从而进行对比判断。由于每个有机化合物都有其特定的红外吸收光谱,因此红外光谱是定性分析的有利工具。

随着科学技术的发展,红外光谱技术的应用从中红外、到近红外、再到现在较为热门的傅立叶红外变换光谱(FTIR),技术得到不断的改进,应用领域得到不断的扩充。近年来,其在食品行业的应用研究也已展开,它已成为现代结构化学、分析化学最常用和最不可缺少的工具之一,在目前关于食品中低含量物质的检测中具有极其重要的价值

一方面，高光谱分辨率的成像光谱遥感技术是对多光谱遥感技术的继承、发展和创新，因此，绝大部分多光谱遥感数据处理分析方法，仍然可用于高光谱数据；另一方面，成像光谱技术具有与多光谱技术不一样的技术特点，即高光谱分辨率、超多波段（波段＜1000，通常为100～200个左右）和甚高光谱（Ultra Spectral）分辨率（波段＞1000，主要用于探测大气化学成分）的海量数据。因此，常规多光谱数据处理方法不适合于成像光谱数据的定量分析，于是成像光谱数据处理和分析技术应运而生。在成像光谱数据处理和分析方法中，关键性的技术问题是地物光谱重建，光谱特征的量化及提取，混合像元的分解和定量分析及模型识别。

2321 光谱重建技术

按照不同的模型及算法，从成像光谱数据中把地物的光谱特性反演出来的过程就是地物光谱重建技术。根据不同的工作情况及条件，采取不同反演模型来重建地物光谱，是实现成像光谱数据遥感定量化分析的第一步。若对其不进行反演，则没有一个统一物理量进行对比。目前，光谱反演模型大体可分为三大类型：基于大气传输理论的大气传输模型，基于统计分析的统计模型以及基于地面地物同步观测的经验回归模型。

23211 基于大气传输理论的模型

该模型实质上就是用理论模型消除大气中气体分子、水蒸气、气溶胶及尘埃等分子颗粒对地反射辐射能量吸收与散射以及大气程辐射效应，并将其还原成地物的反射辐射光谱。这是一种比较复杂的同时必须进行地物光谱及大气参量测量的绝对反射率生成方法，也就是对成像光谱数据进行绝对辐射标定的再反演。在这一反演过程中，关键是建立大气传输的模型。自1960年，Chndrasekhar提出了辐射传输理论以来，相继发展了许多方法，如Ordinate方法和Variational方法等来解决辐射传输问题。目前，常见的大气传输模型有5 S（the Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）、6S（the Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Spectrum）、LOWTRAN 7及MODTRAN（Teillet，PM，1989；Vermote，E，Tanṙen，D，Deuże，JLet al，1994，1996；Bo⁃Cai Gao，KBHeidebrecht and AFHGoetz，1997；ZQIN，AKarnieli and PBerliner，2001）。其中，6S模型是由法国Tanré等人研究开发的，是目前世界上发展比较完善的大气辐射校正模型算法之一。该算法既能合理地处理大气散射、吸收，又能产生连续光谱，避免在光谱反演中较大的定量误差。它还充分利用了分析表达式和预选大气模式，使计算时间大大缩短。许多遥感专家使用此模式进行地物光谱反演后认为，该模型较其他模型计算精度高。不足之处是必须开展试验区典型地物光谱反射率观测以及大气环境参量实测，如：大气光学厚度、温度、气压、水蒸气含量、大气分布状况等。相对来说，尽管LOWT⁃RAN 7和MODTRAN模型计算精度低一些，但它不需要地面实测典型地物的反射率。这些模型一般用于对传感器选定标定场，开展数据绝对辐射标定。

23212 基于统计分析的模型

该模型的建立是在分析不同地物光谱遥感信息在不同光谱波段的传输特点基础上，利用计算机对典型地物的光谱特性进行统计分析后，得到的地物光谱特性反演模型。对成像光谱数据进行地物光谱反演常用模型有平滑域反射率模型 FFR（Flat Field Reflectance）（Goetz and Srivastava，1985；Conel，1985；Crowley at al，1988；Rast et al，1991），内在平均相对反射率模型IARR（Internal Average Relative Reflectance）（Kruse et al，1985；Kruse，1988；Mackin and Munday，1988；Zamoudio and Atkinson 1990），对数剩余模型LRC（Logarithm Residual Correction）（Green，ROetal，1985；Gower，JFRetal，1992）。在这3种模型中，FFR模型是在图像上选取光谱和地貌特征都均匀平滑（平滑性是指地物无光谱吸收谱带，光谱曲线平直）的地物平均值，来消除大气辐射衰减和仪器的零响应；White模型是根据整幅图像的平均光谱曲线平均值对图像归一化处理，然后计算每个像元光谱曲线与平均光谱曲线的比值，也就是地物光谱特性；LRC模型是经Lyon和Lanze修正后，对太阳辐射衰减、大气效应及地形影响都有所消除。Green和Graige提出的对数剩余纠正公式如下：

lg（Rij）=lg（DNij）-lg（aveDNi）+lg（DNi）+lg（DNg）（2-3-1）

这里Rij是第i波段、第j个像元的剩余值；DNij是第i波段、第j个像元的亮度值；DNi是第i波段所有像元数据的平均值；DNj是第j像元在所有波段上数据的均值；DNg是所有波段及所有像元的均值。该方法完全基于图像本身特征，不需要野外地物光谱测量。在前两种模型中，FFR模型优于IARR模型，它克服了IARR模型因受像福强吸收特征的影响而出现的假反射峰的弱点，而且计算量较小。

23213 经验线性回归模型

利用该方法重建地物光谱技术实质就是通过开展典型地物的同步反射率观测，根据成像光谱数据DN值与地面实测地物反射率值，经最小二乘法求出回归方程Rij=Aj·DNij+Bj（这里Aj，Bj是传感器第j波段的线性回归系数），然后，根据此方程反演地物的反射光谱。这种模型的数学和物理意义明确，方法简便，运算量少，应用广泛（Roberts et al，1985；Conel et al，1988；Elvidge，1988；Green et al，1988；Kruse et al，1990；Zamoudio and Atkinson 1990）。例如：美国JPL的Abrams利用该模型在美国Nevada州的Cuprite矿区进行矿物学填图；美国科罗拉多大学的Zamudio等人，利用该模型在美国 Nevada 州东部进行矿物识别和岩相分析；日本Pasco公司的Mochizuki，利用该模型在美国Navada州进行蚀变矿物的反射光谱研究等。该模型的不足之处是要开展野外地物光谱观测，成本比较高，回归精度的高低依赖于对野外概实测的精度。

除上述这些典型光谱重建模型之外，还有 UA RT Code，JPL Code，连续内插波段比算法（CIBR），背景法等模型（De Jong，1998）。

2322 岩矿光谱特征的量化、提取，定量分析及识别模型

成像光谱数据经过光谱重建模型处理后，获得了地物的光谱特征谱线。不同地物光谱具有不同的诊断特征谱带，如吸收谱带，特征谱线的微积分变化，波形变化等等。如何有效地开展地物特征定量分析和识别地物，首先要弄清楚如何去量化及提取地物的光谱特征。因此，开展基于地物特征谱的量化提取是十分必要的。

23221 地物光谱特征度量、提取与匹配识别模型

（1）就地物光谱特征（这里指地物反射辐射光谱）而言，不外乎两大类型：吸收谱带（或反射谷）和光谱曲线的斜率变化（含波形变化）。针对这两类光谱特征的形态、结构，分别采取不同的度量方式。目前，对吸收谱带的分析度量方法是外壳系数法，它通过把光谱曲线归一化后去测量吸收谱带的波长位置（position）、吸收深度（depth）、吸收宽度（FWHM）和对称性（sym⁃metry）（Lyon et al，1985；FAKruse，ABLefkoff，1993）。这种外壳系数法可以由外壳凸形曲线与光谱之比来表示，也可以由外壳值去减相应波长上的光谱反射率值来求得。由于吸收峰的非对称性，采用RBD方法难以准确描述其特征。连续插值小组段算法（CIBR，Continuun interpolated band algorithm）（De Jong，1998）和光谱吸收指数图像（SAI，spectral absorption index image）（王晋年等，1996）与相对吸收深度图方法类似，但引入了对称度因子，使其对吸收特征的描述更为合理。除了这些测量参数外，对植被光谱有多种度量参量，如植被、绿度指数等等。对于光谱曲线斜率变化的特征，表征和提取的方法有基于地物光谱的总体波形特征度量，如傅里叶变换的波形分析方法是利用有限级次的谐波振幅和初位相度量地物波谱特征；基于切比雪夫多项函数的波形分析是利用多项式函数对地物光谱曲线进行拟合，提取有限项的系数来表示或组合特征，或用其比值来表示地物光谱波形特征的参量；基于波形相似性（总体或分段）分析的光谱角度量；还有光谱曲线特征的微分度量、积分度量及二值度量等等。当然，对吸收谱带及斜率特征度量还可以用统计特征量去表征度量，如均值、方差、协方差矩阵、特征值、特征向量、特征因子及组内离差等。

（2）光谱匹配识别模型不同于多光谱的模式识别，它是根据光谱特征度量参数来进行匹配识别的，是成像光谱数据处理分析的特色之一。这种特色模型在处理过程中往往是采用可视化的交互式的图像与光谱、光谱与标准光谱形式进行的。目前，光谱匹配识别模型有：编码匹配识别法（均值编码匹配法，坡向编码匹配法，比值编码匹配法L吸收峰编码匹配法、波形匹配法和光谱角匹配法等等。在这些匹配识别模型中，编码匹配基本上都是按二值（0和1）进行编码、匹配与识别的；吸收特征编码匹配是根据外壳系数法归一化后，对每个特征的吸收深度与波长位置进行编码；波形匹配包括相似度、傅里叶变换参量，切比雪夫等方法。近几年发展起来的小波变换分析在成像光谱数据分析处理中应用相当多，尤其是对原始信号按不同小波尺度，分解成不同的小波进行波形分析，突出低频弱信息，有利于信息增强，比如用小波变换进行图形图像插值、融合及混合像元分解等。

23222 成像光谱数据的定量分析及识别模型

定量化分析及识别模型化是当今遥感技术的发展方向之一，应用于成像光谱数据处理。定量化分析与识别模型，除了不断完善和改进已有基于统计分析的定量化及识别模型（如：改进的主成分分析、最佳波段组合、改模型最大似然法、基于决策边界特征矩阵的变换和正交子空间投影），其他学科的新思想、新方法也在不断地引人遥感数据分析和理解之中，如人工智能的专家系统，模糊逻辑映射，证据推理、神经网络、分形和分维等。

人工智能专家系统技术是目前比较流行的信息处理技术，尤其对比较复杂问题的解决有独到之处，Gotting和Lyon在1986年就已建立的光谱信息专家识别系统用于分析实验室和野外光谱，它是结合已有的地物光谱特征知识，由专家确定判别规则决策树（Decision Tree）以达到识别地物或地物类别目的。决策树这一基于知识的判别准则层次是建立专家系统成败的关键。通过这个系统进行编码匹配，他们成功地从大量的实验室光谱中识别出11种矿物。1993年，美国地球空间研究中心（CSES）和美国环境科学研究所的FAKruse和ABLefkoff研制了基于知识的成像光谱地质制图专家系统。选定各种特征在识别过程中的作用并赋予相应的权值，或根据专家对判别知识和经验建立判别准则进行识别。

目前，神经网络模型在遥感地物分析和识别方面备受青睐，有着广泛的应用（Golen Giser，1996；Giles，MFet al，1995；郭小方，1998；王润生等，2000）。由于神经网络分类规则对训练样本的数量及分布特征没有特定要求，因而可以在特征空间形成非线性判别边界，并且还有一定的抗噪声、抗干扰和自适应能力，适用于大数据量的分类研究，最为常用的分类准则是后向传播（BP）网络模型。

目前，从成像光谱遥感数据分析与识别的各种新理论、新方法的引入来看，大多数模型的研究和应用还是一种尝试，在如何将模型与成像光谱数据相结合的研究方面，分析不够深入。

2323 混合像元分解模型

由于空间分辨率不高的原因，在图像像元内会出现不同成分（end member）的地物，即混合像元。不同的地物具有不同光谱特征，因此需要通过混合光谱分解技术来提高识别精度。混合像元问题是遥感技术的研究难点和热点。由于成像光谱技术的光谱分辨率已从微米（μm）提高到纳米级（nm），因此，其混合像元分析、分解及其模型研究就显得更为重要。

目前，开展高光谱遥感混合像元研究的方法技术，首先从实验着手，进行地物混合光谱的测试、分析、数字模拟、分解模型开发研究，然后将其外推到遥感图像上，进行典型地物混合像元分析，主要包括空-地同步观测获取典型地物（或可通过人工布标）数据，经模型分析后，对混合像元的地物进行分解，或混合光谱模拟合成。在实验室里，通过对不同矿物光谱混合含量测试发现，不透明矿物或暗色矿物，其光谱按比例混合到其他矿物中，混合的反射率急剧下降，而不是逐渐下降，说明其混合光谱与其混合的端员矿物光谱是非线性关系（磁铁矿和橄榄石）。当两种矿物的色调相近时，实验测试的混合光谱与线性模型合成的混合光谱都呈线性逐渐变化，说明混合光谱可以按线性模型分解端员矿物光谱，如橄榄石和紫苏辉石，且吸收谱带的波长位置也是逐渐从一个波长位置逐渐过渡到另一波长位置。不仅如此，还发现在可见光、近红外这一波长上，低成分端员混合时呈线性趋势，当成分增加时，线性关系剧烈变成非线性关系。在这三种情况中，第一种非线性关系是由于组合混合光谱的端员成分之间互相作用、互相影响后光谱被光谱仪检测到；第二种线性关系是由于各端员成分之间无互相影响作用，各自独立地反射电磁波能量贡献于混合光谱；第三种情况是两种关系都存在，二者之间存在临界条件（边界条件）。目前，有关此方面的研究极少。根据这些分析，混合像元分解模型大体分为线性模型和非线性模型。在遥感混合像元中，绝大多数反射率相似的地物，可以用线性模型来分解端员成分，如：土壤与植被、不同含水量的耕地、岩石露头与草地、荒地等等。在一幅图像中，事先知道有N种端员（地物种类），并且也知道各种端员的光谱反射率，那么就可以用线性模型：

成像光谱岩矿识别方法技术研究和影响因素分析

这里DNc是波段C上混合像元的DN值或反射率；Fi是第i种端员在混合像元中所占比例（或权系数）；DNi，c是C波段上第i种端员的DN值（或反射率）；Ec是C波段上拟合误差。对每个像元都按照最小二乘法解方程，进行分解。在图像中，端员的DN值（或反射率值）要么可以从训练区取值，要么在地面实测。端员成分的确定过程实质上是一个迭代过程，迭代结果使M个波段上总误差ε最小（且N≤M）。

成像光谱岩矿识别方法技术研究和影响因素分析

求得版中各种端员成分之后，就可以定量或半定量地对端员丰度制作丰度等专题图件。

用非线性模型开展混合像元分解不多见，但已有这方面的研究，如模糊分割模型（Jin Ⅱkim，1996），概率鹏模型，几何光学模型（Charles Ichoku，1996）及基于神经网络模型的混合像元分解（王喜鹏，张养贞等，1998）等等。

目前开发的模型有：

——光谱吸收指数模型SAI（王晋年，童庆禧等，1996）：

SAI=∑fiSAIi，∑fi=1，fi＞0 （2-3-4）

——高斯模型法MGM：该模型是基于矿物和岩石的反射、吸收光谱性质模拟反射光谱的各种模拟方法。它是一种确定性的而不是统计性的方法。高斯改进模型MGM 是近几年在分析反射光谱的基础上发展起来的分析技术（Cloutis，1989，Veverka，Jet al，2000）。

m（x）=Sexp（-（xn-μn）2/2σ2）， （2-3-5）

通常取n=-1。

光谱识别与分类技术（Spectral Classification）：主要是利用地物高光谱特征的量化参数，结合其在图像空间上分布进行提取有利的信息，达到分类的目的。主要的分类方法有：

——最大似然法MLC：

g（x）=-ln｜∑i｜+（x-mi）t∑i-1（x-mi），（2-3-6）

——人工神经网络技术ANN：一般采用前馈网络模型，即第一隐层的节点输入等于输入层诸节点输出的加权和。迭代的次数以系统的平均误差为最小时为准。

成像光谱岩矿识别方法技术研究和影响因素分析

——光谱角制图法SAM（Spectral Angle Mapper）：该方法是通过计算测试样本光谱矢量（像元光谱）与参考光谱矢量（训练的端员样品光谱，或标准光谱库的光谱），在n维空间（n波段）上的角度来确定它们两者的相似度。一般两矢量之间的角度越小，两光谱向量越相似，进而可识别两种地物为同类，否则视为异类。数学模型是：

成像光谱岩矿识别方法技术研究和影响因素分析

这里i=1，2，3，……，n，n为波段数。

——光谱维特征提取法（Spectral Dimension Feature Extraction）：在高光谱遥感分类中，使用该方法对多波段、高相关、数据冗余度高的数据进行降维处理。相关的有统计方法，如主成分、典型变量及改进的PCA法等。

——光学模型（Optical Modeling）：除了前述的数据分析及模型外，植被因其特有反射性质，还有独特分析模型（光学模型）。该模型主要利用高光谱遥感数据预测或估计植被的多种生物物理、化学参量，如叶面指数LAI、总生物量、覆盖度等；叶绿素、水分、N、P、K含量等。该模型也属于经验性的统计模型方法。一般性通用模型为：

S=f（λ；θs，Φs；θv，Φv；С）， （2-3-9）

这里S为预测的生物物理、化学参数；λ是波长；θs，Φs，θv，Φv是入射光和传感器探测几何位置参数，C是描述植被冠层为特性参数。依靠法的模型有叶子光学性质光谱模型PROSPECT，叶子的任意斜散射模型SAIL，即生化参量反演的LIBERTY模型等。

高光谱在植被应用中除了生物、化学参量的反演分析外，还注重利用植被光谱特性谱线的蓝边、反射峰、黄边、红光吸收谷、红边、近红外反射高原区等变化及数据的归一化、对数、微分等变换，来监测植被的长势及病虫害，进行森林识别、分类、制图（Clark，RN，RoushTL，1984）。

2324 光谱数据应用处理分析软件

通过开展岩矿高光谱特性测试分析和成像光谱方法技术及应用分析研究，已发展并开发了如下数据处与分析软件：

23241 光谱数据库及分析软件（400～2500φ）

国外：美国地质调查所USGS和JPL的标准矿物光谱库（含机载光谱）及光谱分析管理软件SPAM，IRIS，日本地调所的岩石矿物光谱库等（>

国内：中国科学院安徽光学研究所、中国科学院遥感应用研究所、原地质矿产部航空物探遥感中心等科研单位都已建自己的光谱库（王润生等，2000）。

23242 图像处理分析软件

目前国内外常用的光谱图像处理分析软件有：Erdas、PCI、ENVI等。其中PCI和ENVI都有高光谱分析处理功能（ENVI User’s Guide，2000）。此外，还有像Tetricorder（Clark，RN，GASwayze，KELivo，2003）。国内通过高光谱遥感方法技术及示范应用研究，中国科学院遥感应用研究所、国土资源部航空物探遥感中心相继建立了成像光谱数据分析处理系统，如：HIPAS，ISDPS等。

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