Kameran ja spektrometrin yhdistelmä kuvaa kohta jopa mielialat.

Tekniikka-palsta

Teksti: Kalevi Rantanen

Kameran ja spektrometrin yhdistelmä kuvaa kohta jopa mielialat.

Julkaistu Tiede -lehdessä 9/2012

Terroristi kävelee lähtöselvitykseen. Hän on suunnitellut kaiken pienimpiä yksityiskohtia myöten. Hän osaa esiintyä vakuuttavasti ja pitää naamansa peruslukemilla.

Hän on unohtanut vain yhden seikan: hyperspektrikameran.

Turvallisuusvirkailija viittaa terroristin luokseen. Kamera on havainnut hänen kasvoillaan vähäisen muutoksen veren happipitoisuudessa. Se kertoo ylimääräisestä jännityksestä. Tarkastus takahuoneessa vahvistaa epäilyt, ja terroristi jää kiinni.

Juttu on tieteisfantasiaa – vain puoliksi. Britanniassa Cranfieldin yliopiston tutkijat ovat jo pystyneet hyperspektrikameralla näkemään kasvoista stressin aiheuttamia, tahdosta riippumattomia muutoksia. Tavallisessa kuvassa ne jäävät näkymättömiin. 

Ihmisen aikeiden tunnistus on vielä varhaisessa vaiheessa, mutta melkein yhtä hämmästyttäviä asioita hyperspektrikameralla saadaan jo esiin: mineraaleja, väärennettyjä seteleitä, huumeviljelmiä.

Kuvasta tulee kuutio

Nykyaikaisen digikameran kuva muodostuu kuvapisteistä eli pikseleistä. Kun kameraan yhdistetään spektrometri, saadaan hyperspektrikamera, joka kuvaa jokaisen kuvapisteen spektrin. Samalla kuvaus laajenee näkyvästä valosta infrapunavaloon.

Spektrien ansiosta kohteesta syntyy yhden kaksiulotteisen kuvan sijaan paksu pino kuvia. Niistä taas muodostuu spektrikuvakuutio, jonka koostumus vaihtelee kohteesta toiseen, sillä jokainen aine heijastaa tai lähettää säteilyä itselleen ominaisilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla.

Spektrien perusteella pystytään erottamaan vaikkapa kasvilajeja toisistaan. Jokaisella viljelykasvilla ja rikkaruoholla on oma spektrinsä, yhtä yksilöllinen kuin sormenjälki.

Spektrejä voi verrata tietoihin, jotka on tallennettu aineiden sormenjälkiarkistoihin eli spektrikirjastoihin. Kun tutkijat haluavat löytää vaikkapa hematiittia, erästä rautamineraalia, he mittaavat ehdokasalueen spektrin ja vertaavat sitä hematiitin mallispektriin. Vastaavuus osoittaa esiintymät.

Avaruudesta alaspäin

Hyperspektrikameroiden historia ulottuu melko kauas. Ensimmäisiä mittauksia tehtiin jo 1970-luvulla. Esimerkiksi Landsat-satelliitti kuvasi maapallon pintaa neljällä 100–200 nanometrin kanavalla. Kuva oli vielä epätarkka mutta kertoi, että 20 nanometrin erotuskyvyllä mineraalien määritys onnistuisi.

Seuraavalla vuosikymmenellä Yhdysvalloissa kehitettiin spektrikamera Aviris, joka kuvasi maapalloa toisinaan uskomattomalla tarkkuudella. Vuonna 1992 Nasan tutkimuslentokone ER-2 näki Aviriksella kahdenkymmenen kilometrin korkeudesta sentin mittaisen katkaravun, joka uiskenteli haihdutusaltaassa Kaliforniassa.

Saavutukset kasvattivat intoa. Suomessakin teknologian tutkimuskeskus VTT kehitti oman hyperspektrikameran. Laitteita valmistamaan syntyi yritys, Specim Oy. Suomalaiset pääsivät nopeasti alan mestaruussarjaan, ja nykyisin Specimin laitteita käytetään ympäri maailmaa. Niillä tutkittiin muun muassa Meksikonlahden öljykatast­rofia ja Unkarissa tapahtunutta myrkyllistä lietevuotoa.

Kohti pokkarikokoa

Alussa hyperspektrikamerat olivat kookkaita, mutta tekniikan yleis­tyessä ja kysynnän kasvaessa haluttiin entistä pienempiä ja edullisempia laitteita. Kameran paino onkin pudonnut useasta kilosta alle viiteensataan grammaan.

Keveys mahdollistaa entistä enemmän sovelluksia. Laite mahtuu viime aikoina yleistyneisiin  miehittämättömiin lennokkeihin. Se sopii maanviljelijän käteen mittariksi, jolla voi tutkia lannoitteiden, kosteuden, typen ja muiden aineiden jakautumista pellolla.

Käyttökohteet eivät toki rajoitu ulkoilmaan. Sisätiloissakin hyperspektritekniikasta on monenlaiseen laadunvalvontaan.

Lääkärit tutkivat yksittäisten syöpäsolujen molekyylikoostumusta, ja lääketehdas seuraa vaikuttavan aineen jakautumista tabletissa. Lähikauppias voi tarkkailla omenoiden ja appelsiinien laatua.

Tavallinen kamera on pienentynyt isosta laatikosta kännykkäkameraksi. Kännykkäkoon hyperspektrikamerakin olisi jo teknisesti mahdollinen. Ehkä meillä kaikilla on jonain päivänä oma pieni hyperkamera.

Kalevi Rantanen on diplomi-insinööri, tietokirjoittaja ja Tiede-lehden vakituinen avustaja

Spektri kertautuu

Spektri Ominaisuuden jakauma aallonpituuden mukaan aaltoalueella eli aaltokaistalla– Multispektri Muutamien aaltokaistojen spektrien yhdistelmä– HyperspektriSatojen aaltokaistojen spektrien yhdistelmä

Nykyisiä käyttökohteita– Geologisten porausnäytteiden tutkinta– Jätteiden lajittelu– Lumipeitteen mittaaminen– Näyttöjen laadunvalvonta– Parketin pinnan poikkeamien tunnistus– Saasteiden tunnistus– Sotilastiedustelun etsintäoperaatiot– Suolakurkkujen laadunvalvonta– Väärennösten tunnistus– Öljypalmujen sieni-infektioiden tunnistus