SPECIM IQ揭示進化的秘密—用手持高光譜在非洲沙漠研究石頭花

    非洲南端的沙漠和半沙漠是荒涼的地方，氣候干旱，降雨量少，氣溫*。 但這里是上奇怪的植物—石頭花的產地。同時也是芬蘭生物學家University of Eastern Finland Tommi Nyman博士和挪威NIBIO Svanhovd以及南非University of Stellenbosch的植物生態學家Allan Ellis教授從進化論角度研究植物的地方。

石頭花的偽裝

    在惡劣的環境中，所有植物都需要某種偽裝以免受動物的侵害。石頭花十分擅長偽裝：身體大部分埋在土壤中，只將它多汁的葉子平頂突出到土壤表面，這使得石頭花很難被發現。但是由于在南非、納米比亞和博茨瓦納的土壤性質差異很大，土壤中的礫石可以是棕色、灰色、黃色、紅色或幾乎是白色，粒徑也可以從細砂到大卵石。隨著時間的推移，些石頭花的后代會發現自己得顏色相對應周圍的環境十分顯眼，處于個十分容易被天敵發現的環境中。

圖1 石頭花的生長環境

尋找個準確的顏色測量工具

    研究者們提到：“在石頭花的研究過程中，由于石頭花和環境的顏色十分接近，必須尋找個工具盡可能準確和客觀地測量顏色，這也就是我們選擇高光譜成像技術的出發點。”

    高光譜相機非常適合顏色測量，因為它比RGB相機更精確，而且不像主觀的目視檢查，可以定義目標的顏色，例如在實驗室顏色空間中，精度可達?E<1；與另個目標的顏色對比，相對精度?E=0.2。這比人類對顏色的感知（?E=1）要好，而且明顯于只能達到?E=8-10的RGB相機。

圖2 Specim IQ測試圖

Why Specim IQ？

    當確定了用高光譜成像技術進行研究后，下步就是找到個可以在南非沙漠的條件下工作的高光譜相機。由于惡劣的環境條件，南非研究地點多是距離長，道路崎嶇不平的地方，天氣條件其惡劣，并且到處都是灰塵，光線刺眼變化很快，需要個緊湊耐用，可以適應這些惡劣條件的高質量快速相機。當Tommi Nyman博士了解到Specim IQ時，說：“這里的地形很崎嶇，所以你不想隨身攜帶非常大和沉重的設備，Specim IQ體積小，移動方便，便于運輸和現場使用，而且它非常適合進行我們想要的測量。”

圖3 Specim IQ現場測試圖

    Specim IQ的電池壽命也被認為是個很大的勢，因為他們的團隊有時需要在野外露營了3-4個晚上，才能得到儲備和充電的機會。Nyman博士說：“在野外，你需要整天只使用個電池的高光譜相機。”

    Specim IQ相機成像速度也很快，這在惡劣和快速變化的光線條件下是*的。非洲的光線很刺眼，白天太陽直射，陰影是尖銳而深邃的。當云層遮住太陽時，光照條件會在短時間內發生劇烈變化。因此，在定的光照條件下，設置好曝光時間，以便在下個云出現并*改變光照條件之前完成數據的快速采集。

圖4 Dr. Tommi Nyman

The future?

    目前，所有關于石頭花項目需要的數據都已經采集完成，并且石頭花項目團隊正在進行進行數據分析，日后也會將研究成果分享給大家。

    高光譜成像在生態學研究方面還有很多潛在應用。這是個廣泛的研究域，有許多與石頭花研究問題類似的研究方向。便于運輸和現場使用的高光譜設備為生態域的研究提供了個新的機遇。

小百科

    石頭花：石頭花又名生石花、象蹄、元寶等，是著名的多年生小型多肉植物。莖很短，常常看不見。葉肉質肥厚，兩片對生聯結而成為倒圓錐體，有“鞍”、“球”、“足袋”等形狀，葉頂部花紋形如樹枝，色彩美麗。生石花品種較多，各具色。其外型和顏色酷似彩色卵石，故人稱為“活石子”或“卵石植物”。更為有趣的是其葉片的顏色會與周圍的土壤顏色相仿，來保護自己。多年生肉質植物。高2-3cm，球體卵圓形，球狀葉淡灰棕色，頂面樹枝狀凹紋，棕色，半透明。莖較短，植株是由2片對生的肉質葉聯結而成的圓錐體。花金黃色。