De hyperspectrale toekomst | Technisch Weekblad
Achtergrond
Machine met hyperspectrale camera die over het land gaat

‘Hyperspectrale beeldvorming stelt ons in staat om goud te zien oplichten in een goudmijn’


De hyperspectrale toekomst

Waar het menselijk oog en een gewone camera maar drie kleuren zien, ziet de hyperspectrale camera er honderden. Het is een opkomend veld dat talloze mogelijkheden biedt. Wat zien deze camera’s, wat kun je ermee en hoe wordt het toegepast?

Het menselijk oog ziet maar drie kleuren: rood, groen en blauw. Hetzelfde geldt voor een gewone kleurencamera. Er valt echter veel meer waar te nemen dan wij kunnen onderscheiden en dat wordt vastgelegd door een hyperspectrale camera. Die neemt honderden kleuren waar, binnen en buiten het voor de mens zichtbare kleurenspectrum. Hierdoor komen verschillen aan het licht die met het blote oog niet te zien zijn.

Het Finse Specim is wereldwijd de leidende spectraalcameraleverancier. ‘Wij zijn pioniers in dit veld,’ vertelt CEO Tapio Kallonen. ‘We zijn al in 1995 begonnen met deze bedrijfstak en zijn wereldwijd de grootste speler in het veld geworden. Dit wordt nog veel groter in de toekomst, want de interesse groeit enorm. In het begin werd deze technologie gebruikt door overheidsinstanties zoals NASA en andere instituten. De laatste tien jaar, en zeker de laatste jaren, neemt de industrialisatie ervan enorm toe. Nu wordt het breed ingezet in het bedrijfsleven.’

'Van voedsel kunnen wij bijvoorbeeld het proteïne-, suiker- en waterniveau meten. We zien ook waar het zit in het voedsel’

Een hyperspectrale camera gebruikt heel veel verschillende golflengtes van het elektromagnetisch spectrum om het oppervlak van een materiaal te bekijken. ‘Naast het zichtbare licht gebruiken we bijvoorbeeld infrarood, korte golf en lange golf. Het hangt af van de lichtreflectie van het oppervlak welke golflengte we gebruiken. We kunnen drie dingen zien: het object, de samenstelling ervan en het materiaal. Van voedsel kunnen wij bijvoorbeeld het proteïne-, suiker- en waterniveau meten. We zien ook waar het zit in het voedsel.’

Twee grote industrieën gebruiken hyperspectrale beeldvorming op grote schaal. ‘De eerste is recycling, voor het sorteren van verschillende materialen,’ zegt Kallonen. ‘Neem bijvoorbeeld plastic. Met onze camera’s uitgeruste machines detecteren materiaal dat vervolgens wordt gesorteerd. Voor een hyperspectrale camera is zwart plastic niet gewoon zwart. We gebruiken thermische straling om verschillende soorten zwart plastic van elkaar te kunnen onderscheiden.’

Voedselverspilling

De tweede grote bedrijfstak is de voedingsindustrie. ‘Zo kunnen ze voedselverspilling verminderen. Met onze technologie kun je bijvoorbeeld al avocado’s inspecteren op het moment dat ze geoogst zijn. Zijn ze vers en tolerant genoeg voor het wereldwijde transport, zodat ze niet rot zijn als ze op hun bestemming komen? Een ander belangrijk punt is het detecteren van vreemde voorwerpen op de lopende band, zodat die niet meeverpakt worden met het voedsel. Onze technologie is de enige dat dit kan differentiëren.’

Er is ook een tot de verbeelding sprekende toepassing voor de mijnbouw. ‘Hyperspectrale beeldvorming stelt ons in staat om goud te zien oplichten in een goudmijn. Je kunt naar de mijn gaan en aan ‘mineral mapping’ doen, dan zie je precies waar je het goud eruit moet hakken.’

Ook in Nederland werken bedrijven met hyperspectrale camera’s. Een van de pioniers op dat gebied is cosine. ‘Wij doen dit heel veel vanuit de ruimte,’ vertelt Marco Beijersbergen, hoogleraar natuurkunde en directeur van cosine. ‘Met onze instrumenten HyperScout-1 en HyperScout-2 voor nanosatellieten doen we onder meer aan monitoring van luchtkwaliteit, zoals smog en rook uit schoorstenen. Ook nemen we waterverontreiniging en algengroei waar. Daarbij zetten we zelfs kunstmatige intelligentie in aan boord van de satelliet. Op die manier kun je ook lokaal observaties doen op kleinere schaal, bijvoorbeeld met een drone.’

In havens komt hyperspectrale beeldvorming van pas. ‘We kunnen lage concentraties olie en andere verontreinigingen detecteren op het wateroppervlak, bijvoorbeeld als dat gelekt wordt door schepen of bij andere lozingen,’ zegt Wouter van Teylingen, business developer bij cosine. ‘Hetzelfde geldt voor emissies van schepen. Van een afstand kun je monitoren hoeveel en wat er wordt uitgestoten. Veel schepen moeten aan bepaalde emissienormen voldoen willen ze een haven binnenkomen, maar als ze de haven uitgaan, gaat de stookolie er weer in en worden stikstof- en zwaveloxides weer uitgestoten.’

Hygiëne

In deze coronatijden kan hyperspectrale beeldvorming ook op dat vlak helpen. ‘We onderzoeken wat we kunnen op het gebied van contactloze hygiënebepaling,’ zegt Van Teylingen. ‘Met ultraviolet licht kan al het een en ander verduidelijkt worden, en met de nodige filters kan dat nog beter. Met spectrale camera’s kun je nog verder specificeren, zeker nu alles vanwege corona gekoppeld is aan hygiëne.’

Toch valt met deze technieken niet zomaar aan te tonen of ergens virussen op zitten. ‘Maar wat je wel aan een oppervlak ziet dat eigenlijk heel schoon moet zijn, is of daar toch een residu op achtergebleven is,’ zegt Beijersbergen. ‘Je kunt daarmee aantonen of ergens micro-organismen, schimmels, gisten of bacteriën op zitten. Dan weet je nog niet of ze ziekteverwekkend zijn, maar wel dat het oppervlak niet gesteriliseerd is. Wij denken dat er op dat vlak nog heel veel te winnen valt. Met een hyperspectrale camera en een beetje UV-licht kun je bijvoorbeeld ook zien hoe ver druppeltjes uit je mond komen als je met iemand praat.’

'Wat in de toekomst mogelijk is, is een slimme spiegel waar je ‘s ochtends voor staat en die zegt hoe je eraan toe bent'

In de gezondheidszorg zijn de mogelijkheden legio. ‘Op de huid kunnen we de eerste tekenen van diabetes herkennen en een betere behandeling van brandwonden mogelijk maken. Dit omdat we de bloedcirculatie, de hoeveelheid water en andere parameters op de huid onderscheiden. Wat in de toekomst mogelijk is, is een slimme spiegel waar je ‘s ochtends voor staat en die zegt hoe je eraan toe bent. De hyperspectrale camera meet de kleur van je ogen en je gelaat, waar veel uit te halen valt over de doorbloedings- en zuurstofgraad.’

De hyperspectrale techniek wordt ook omarmd door de landbouwsector. ‘Voor het bedrijf Rometron werken wij samen met BearTree Automation aan een extra nauwkeurige sensor voor het detecteren van onkruid,’ vertelt Van Teylingen. ‘Met zulke ‘precision farming’ kan de agrisector nog selectiever en efficiënter onkruid bestrijden. Ze kunnen specifieker wieden, waardoor ze minder bestrijdingsmiddelen, mest en water nodig hebben.’

Deep learning

Verdroging van gewassen is ook vast te stellen. ‘Zo kun je zien op welke gebieden van je perceel er verdroging of onderbemesting plaatsvindt, zodat je heel gericht kunt besproeien en bemesten,’ vervolgt Beijersbergen. ‘In de kas kunnen we dat ook, waar je producten onder de camera door kunt laten komen. Zo kun je vaststellen hoeveel de planten gegroeid zijn en hoeveel bloemen eraan zitten. Dat gaat met hyperspectraal beter omdat je meer informatie krijgt en dus beter onderscheid kunt maken.’

Wageningen University & Research past binnen Agro Food Robotics ook beeldvormende spectroscopie toe. Zij doen projecten in het laboratorium, de kas en het open veld. Het gebruik van geavanceerde machine learning-algoritmen, zoals diepe neurale netwerken op 2D- of 3D-spectrale beelden, maakt spectrale beeldvorming een bijzonder geschikte techniek voor veel toepassingen in de landbouw.

‘Wij doen het close range, in het lab of in het veld van dichtbij, met een machine die over het land gaat, maar ook op grotere afstanden met drones,’ vertelt Gerrit Polder, onderzoeker Machine Vision and Phenotyping bij WUR. ‘We zijn nu betrokken bij een project onder het

EU-innovatieprogramma Horizon 2020. Dit project, OPTIMA, gaat specifiek over het geïntegreerd bestrijden van ziektes in planten. Wij bestuderen met spectrale technieken drie ziekte-gewascombinaties: meeldauw in druiven, schurft in appel en de schimmel Alternaria in wortelen.’

Machine learning speelt in dit project een belangrijke rol. ‘In het verleden pasten we dat op de klassieke manier toe, maar in het Horizon 2020-project gaan we een stap verder met nieuwere technieken zoals deep learning. Daar behalen we goede resultaten mee.’ Met een aantal Europese partners ontwikkelt WUR een beslissingsondersteunend systeem dat geïmplementeerd wordt op spuitmachines van fabrikanten in Italië en Spanje. ‘Deze bedrijven zijn heel erg geïnteresseerd in onze ziektedetectiemethodes. Hoewel het programma nog in ontwikkeling is, hebben ze nu al aangegeven dat ze ermee verder willen.’