SPECIM IQ揭示进化的秘密—利用手持高光谱在非洲沙漠研究石头花

发布日期：2020-06-19

非洲南端的沙漠和半沙漠是荒凉的地方，气候干旱，降雨量少，气温。 但这里是世界上奇怪的植物—石头花的产地。同时也是芬兰生物学家University of Eastern Finland Tommi Nyman博士和挪威NIBIO Svanhovd以及南非University of Stellenbosch的植物生态学家Allan Ellis教授从进化论角度研究植物的地方。

石头花的伪装

在恶劣的环境中，所有植物都需要某种伪装以免受动物的侵害。石头花十分擅长伪装：身体大部分埋在土壤中，只将它多汁的叶子平顶突出到土壤表面，这使得石头花很难被发现。但是由于在南非、纳米比亚和博茨瓦纳的土壤性质差异很大，土壤中的砾石可以是棕色、灰色、黄色、红色或几乎是白色，粒径也可以从细砂到大卵石。随着时间的推移，一些石头花的后代会发现自己得颜色相对应周围的环境十分显眼，处于一个十分容易被天敌发现的环境中。

图1 石头花的生长环境

寻找一个准确的颜色测量工具

研究者们提到：“在石头花的研究过程中，由于石头花和环境的颜色十分接近，必须寻找一个工具尽可能准确和客观地测量颜色，这也就是我们选择高光谱成像技术的出发点。”

高光谱相机非常适合颜色测量，因为它比RGB相机更精确，而且不像主观的目视检查，可以定义目标的颜色，例如在实验室颜色空间中，精度可达∆E<1；与另一个目标的颜色对比，相对精度∆E=0.2。这比人类对颜色的感知（∆E=1）要好，而且明显优于只能达到∆E=8-10的RGB相机。

图2 Specim IQ测试图

Why Specim IQ？

当确定了利用高光谱成像技术进行研究后，下一步就是找到一个可以在南非沙漠的极端条件下工作的高光谱相机。由于恶劣的环境条件，南非研究地点多是距离长，道路崎岖不平的地方，天气条件极其恶劣，并且到处都是灰尘，光线刺眼变化很快，需要一个紧凑耐用，可以适应这些恶劣条件的高质量快速相机。当Tommi Nyman博士了解到Specim IQ时，说：“这里的地形很崎岖，所以你不想随身携带非常大和沉重的设备，Specim IQ体积小，移动方便，便于运输和现场使用，而且它非常适合进行我们想要的测量。”

图3 Specim IQ现场测试图

Specim IQ的电池寿命也被认为是一个很大的优势，因为他们的团队有时需要在野外露营了3-4个晚上，才能得到储备和充电的机会。Nyman博士说：“在野外，你需要一整天只使用一个电池的高光谱相机。”

Specim IQ相机成像速度也很快，这在恶劣和快速变化的光线条件下是必不可少的。非洲的光线很刺眼，白天太阳直射，阴影是尖锐而深邃的。当云层遮住太阳时，光照条件会在短时间内发生剧烈变化。因此，在特定的光照条件下，设置好曝光时间，以便在下一个云出现并完全改变光照条件之前完成数据的快速采集。

图4 Dr. Tommi Nyman

The future?

目前，所有关于石头花项目需要的数据都已经采集完成，并且石头花项目团队正在进行进行数据分析，日后也会将研究成果分享给大家。

高光谱成像在生态学研究方面还有很多潜在应用。这是一个广泛的研究领域，有许多与石头花研究问题类似的研究方向。便于运输和现场使用的高光谱设备为生态领域的研究提供了一个新的机遇。

小百科

石头花：石头花又名生石花、象蹄、元宝等，是世界的多年生小型多肉植物。茎很短，常常看不见。叶肉质肥厚，两片对生联结而成为倒圆锥体，有“鞍”、“球”、“足袋”等形状，叶顶部花纹形如树枝，色彩美丽。生石花品种较多，各具特色。其外型和颜色酷似彩色卵石，故人称为“活石子”或“卵石植物”。更为有趣的是其叶片的颜色会与周围的土壤颜色相仿，来保护自己。多年生肉质植物。高2-3cm，球体卵圆形，球状叶淡灰棕色，顶面树枝状凹纹，棕色，半透明。茎较短，植株是由2片对生的肉质叶联结而成的圆锥体。花金黄色。