引言

隨著現(xiàn)代光譜技術(shù)的發(fā)展，一些新型分析手段在生物領(lǐng)域得到了良好應(yīng)用，并逐漸拓展到法庭科學(xué)研究領(lǐng)域，如高光譜成像技術(shù)，可有效彌補(bǔ)刑事技術(shù)手段對(duì)于生物物證及時(shí)發(fā)現(xiàn)、提取、檢驗(yàn)與鑒定的不足。生物物證是指能夠以其生物成分和特性來(lái)證明案件事實(shí)的生物物質(zhì)，包括常見(jiàn)的血液（斑）、精液（斑）、陰道分泌液（斑）、唾液（斑）、毛發(fā)、指甲、骨骼及內(nèi)部器官組織碎塊等。高光譜成像技術(shù)是基于窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù)，融合成像技術(shù)與光譜技術(shù)，探測(cè)目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)獲得采集物品的圖像數(shù)據(jù)信息以及圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息，即高光譜數(shù)據(jù)三維立方體。當(dāng)前高光譜成像技術(shù)發(fā)展迅速，可應(yīng)用于多種物證檢驗(yàn)與鑒定。

在不同種生物物證的檢驗(yàn)與鑒定中，近年來(lái)衍生出高光譜融合處理技術(shù)、虛擬高光譜成像（VHI）、高光譜明視場(chǎng)成像系統(tǒng)等多種高光譜成像分析技術(shù)和方法，極大程度地?cái)U(kuò)展了高光譜技術(shù)的應(yīng)用。作為新一代光電檢測(cè)技術(shù)，高光譜成像是一項(xiàng)安全、環(huán)保、前沿的光學(xué)技術(shù)，具有傳統(tǒng)成像與光譜技術(shù)的雙重優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)捕獲被檢測(cè)物質(zhì)的空間信息和光譜信息，即被測(cè)物質(zhì)的外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)，并同時(shí)提供實(shí)驗(yàn)對(duì)象的化學(xué)和物理特征，具有良好的空間分辨以及成像系統(tǒng)多樣化、研究對(duì)象廣泛化、臨床診斷實(shí)用化和分析方法精準(zhǔn)化等特征。利用高光譜成像技術(shù)對(duì)各種生物物證進(jìn)行檢驗(yàn)與鑒定時(shí)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)生物物證的存在位置并能實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，既能為案件偵破提供必要的導(dǎo)向又能為訴訟活動(dòng)提供可靠的證據(jù)支撐。

高光譜成像技術(shù)

2.1 基本原理與主要構(gòu)成

高光譜成像興起于20世紀(jì)80年代的光電探測(cè)技術(shù)。高光譜成像可以在同一時(shí)間獲得被測(cè)目標(biāo)的圖像信息和光譜信息。高光譜成像技術(shù)通過(guò)獲取相鄰窄光譜波段的一系列圖像和重建圖像的每個(gè)像素的反射光譜，可在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，按照光譜分辨率將二維的平面圖像連續(xù)組成一個(gè)三維數(shù)據(jù)，其包含光譜信息（λ波長(zhǎng)）和二維空間信息（x行和y列）。高光譜成像系統(tǒng)主要由光源、成像高光譜儀、相機(jī)、圖像采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成，其中典型光源包括鹵素?zé)簟l(fā)光二極管、激光器和可調(diào)光源。光源作為光學(xué)檢查系統(tǒng)的重要組成部分，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生光信號(hào)作為信息載體來(lái)激發(fā)照亮目標(biāo)，其產(chǎn)生的光信號(hào)被檢測(cè)物體吸收或散射后成為信息的載體，通過(guò)相機(jī)中的光譜成像儀將光信號(hào)映射到檢測(cè)器上，由計(jì)算機(jī)采集、處理、分析及存儲(chǔ)高光譜圖像數(shù)據(jù)。高光譜成像系統(tǒng)的分辨率高，其波長(zhǎng)范圍包括紫外光、可見(jiàn)光、近紅外光及更大波長(zhǎng)的區(qū)域。

2.2 高光譜圖像數(shù)據(jù)處理

2.2.1 光譜圖像數(shù)據(jù)采集

依據(jù)高光譜圖像采集方式的異同，掃描可分為：

（1）點(diǎn)掃描，也被稱(chēng)為攪拌掃帚法。單次掃描只能獲取一個(gè)像素點(diǎn)的光譜，適用于檢測(cè)微觀對(duì)象，不適用于快速檢測(cè)，且需要先進(jìn)的定位硬件才可確?？芍貜?fù)性。

（2）線(xiàn)掃描，每次掃描可以獲得掃描線(xiàn)上的光譜，適用于傳輸帶上物體的實(shí)時(shí)檢測(cè)，是檢測(cè)中最常用的圖像采集方法。

（3）區(qū)域掃描，也稱(chēng)為波段順序方法或波長(zhǎng)掃描。這種方法保持了視圖的固定，掃描會(huì)在整個(gè)波段范圍內(nèi)重復(fù)進(jìn)行，可產(chǎn)生一組單波段的圖像，具有完整的二維單色圖像信息。區(qū)域掃描的一個(gè)缺點(diǎn)是，不適用于移動(dòng)樣品或?qū)崟r(shí)交付的檢驗(yàn)。

（4）單鏡頭法，使用一個(gè)帶有一次曝光率的大面積探測(cè)器來(lái)捕獲圖像，可以同時(shí)記錄空間信息和光譜信息，然而，其仍處于發(fā)展的早期階段且其空間維度分辨率有限。

通常高光譜成像有3種常見(jiàn)的傳感模式，即反射模式、透射模式和電抗模式。在反射模式下，探測(cè)器捕捉反射光從發(fā)光的樣本中獲得一個(gè)特殊的構(gòu)象，通過(guò)使用反射模型檢測(cè)其外部質(zhì)量特征。在透射模式下，探測(cè)器位于光源的對(duì)面，并捕獲透過(guò)樣本的傳輸光線(xiàn)，攜帶有價(jià)值的內(nèi)部信息，通常可用于確定固體樣本的內(nèi)部成分和液體物質(zhì)的內(nèi)部濃度。在電抗模式下，光源和探測(cè)器都被定位在樣品的同一側(cè)，在這種設(shè)置的基礎(chǔ)上，電抗模式可以檢測(cè)更深層的信息，并具有較少的表面效應(yīng)，此外，電抗模式減少了信息通量厚度，具有傳輸?shù)膶?shí)際優(yōu)勢(shì)。

2.2.2數(shù)據(jù)處理與分析

高光譜成像數(shù)據(jù)處理分為圖像數(shù)據(jù)處理和光譜數(shù)據(jù)處理。前者包含圖像預(yù)處理、圖像分割和特征提取，后者包括導(dǎo)數(shù)法、散射效應(yīng)校正、數(shù)據(jù)增強(qiáng)算法等。圖像預(yù)處理是獲得高質(zhì)量圖像的前提，主要通過(guò)直方圖均值化或主成分分析（PCA）法消除壞點(diǎn)、背景信息及邊緣效應(yīng)，或基于小波變換（WT）降低圖像噪聲與邊緣模糊效應(yīng)。圖像分割的目的是為感興趣區(qū)域的提取、定性、定量分析提供基礎(chǔ)。圖像特征提取包括紋理特征提取、顏色特征提取和形態(tài)特征提取。對(duì)于高光譜成像，通常需要在建模之前對(duì)原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，其目的是除去無(wú)用信息和噪聲的影響，進(jìn)一步優(yōu)化光譜信息，提高模型的穩(wěn)健性。

2.2.3特征波長(zhǎng)提取與模型構(gòu)建

在高光譜成像中，Hughes現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致模型構(gòu)建性能差、效率低，對(duì)于特征波長(zhǎng)的提取及無(wú)關(guān)信息的去除可提高模型的穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性，對(duì)模型穩(wěn)健性和準(zhǔn)確性的評(píng)估常依賴(lài)于高光譜成像數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證。高光譜數(shù)據(jù)具有多波段、大數(shù)據(jù)、強(qiáng)冗余性的特點(diǎn)，基于數(shù)據(jù)冗余性需要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行定性與定量分析，定性分析主要包括監(jiān)督分類(lèi)與非監(jiān)督分類(lèi)、參數(shù)分類(lèi)與非參數(shù)分類(lèi)等，定量分析主要采用多元變量回歸。

高光譜成像技術(shù)在生物物證檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究

3.1 血液(斑)檢驗(yàn)

血液是傷害性案件現(xiàn)場(chǎng)中最常見(jiàn)的生物檢材，由血漿和血細(xì)胞共同組成。在案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)，血液常呈噴濺狀、跌落狀、擦拭狀等血跡或血泊。隨著案發(fā)時(shí)間的推移，血液會(huì)經(jīng)歷凝固期、凝膠期、膠-固混合期、固體期、完全干燥期的變化，而后形成血斑黏附在地面或附著于其他載體上。對(duì)于清洗過(guò)的血跡通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)并與相應(yīng)衣物、被罩、作案工具等進(jìn)行比對(duì)常不難發(fā)現(xiàn)可能的出血或積血部位。由于血液極易受環(huán)境污染且短時(shí)間內(nèi)就會(huì)發(fā)生腐敗降解，所以需要及時(shí)有效地對(duì)其進(jìn)行發(fā)現(xiàn)、提取和檢測(cè)。高光譜成像技術(shù)的無(wú)損、非接觸特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)血液的分析、檢測(cè)、記錄并獲得血跡的光譜數(shù)據(jù)和圖像信息，彌補(bǔ)以往血跡的化學(xué)組分與空間結(jié)構(gòu)信息欠缺的問(wèn)題。

依據(jù)各波段下血跡形態(tài)特征的差異，高光譜成像技術(shù)可對(duì)案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)潛在血跡進(jìn)行特征提取、連續(xù)成像和圖像融合處理，再現(xiàn)“圖譜合一”的特點(diǎn)。高光譜融合處理技術(shù)對(duì)于案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)不同介質(zhì)上潛在血跡的精準(zhǔn)定位和檢材的及時(shí)發(fā)現(xiàn)、提取及DNA擴(kuò)增后續(xù)處理十分重要，在一定時(shí)空上可減少血跡成分的污染與降解。研究人員利用高光譜成像技術(shù)記錄了血跡的吸收譜線(xiàn)和高光譜圖像，通過(guò)不同波段下的吸收譜線(xiàn)進(jìn)行不同介質(zhì)上血跡的成功識(shí)別與鑒定，其靈敏度高達(dá)95%。對(duì)于血痕的種屬鑒別，基于譜成像儀搭載光譜影像分析軟件，可實(shí)現(xiàn)不同載體上人血、動(dòng)物血及混合血的顯現(xiàn)。利用血液中各成分物理和化學(xué)性質(zhì)的差異在特定波長(zhǎng)光源下的反射率與吸光度不同這一特性，VHI可實(shí)現(xiàn)血液中各組分的物理、化學(xué)及生物分析；新式高光譜顯微鏡具有亞微米的空間分辨率和約10nm的光譜分辨率，可實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥血滴濃度及透光強(qiáng)度變化的顯示等。高光譜成像技術(shù)在血跡檢驗(yàn)中優(yōu)勢(shì)顯著：

（1）相比于傳統(tǒng)光譜分析法、化學(xué)試劑法，具有“圖譜合一”的顯著特點(diǎn)；

（2）能進(jìn)行潛在血跡顯現(xiàn)、血跡組分分析、血跡分類(lèi)識(shí)別及血跡陳舊度檢測(cè)；

（3）可實(shí)現(xiàn)不同復(fù)雜背景下的血指紋圖像分割提??；

（4）可實(shí)現(xiàn)血跡的無(wú)損檢測(cè)。目前依據(jù)不同個(gè)體、不同介質(zhì)、不同環(huán)境的影響，研發(fā)出智能化、高精度、便攜式、多功能高光譜儀是血跡檢驗(yàn)的重點(diǎn)。

不同樣本平均光譜曲線(xiàn)圖

盡管在血跡的識(shí)別與檢測(cè)中，高光譜成像具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但其在應(yīng)用過(guò)程中也存在著諸多技術(shù)難點(diǎn)。高檢測(cè)靈敏度、高分類(lèi)識(shí)別速度及對(duì)形成時(shí)間的高預(yù)測(cè)精度，使得高光譜數(shù)據(jù)冗積量極大，增加了數(shù)據(jù)預(yù)處理階段數(shù)據(jù)降維及模型構(gòu)建的復(fù)雜性；對(duì)于數(shù)據(jù)分析過(guò)程，由于血跡所附著介質(zhì)、顏色背景的不同及檢材的污染使得光譜混合較為復(fù)雜，高光譜圖像出現(xiàn)多種物質(zhì)干擾，常表現(xiàn)為混合譜；對(duì)于血液的多種識(shí)別與檢測(cè)技術(shù)，目前都還處于實(shí)驗(yàn)室的初步探索階段，納入實(shí)踐應(yīng)用較少。目前高光譜技術(shù)與反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和支持向量機(jī)（SVM）模型的結(jié)合為血跡的分類(lèi)識(shí)別提供了新的方向，相關(guān)研究表明，其準(zhǔn)確率可達(dá)99.82%。對(duì)于復(fù)雜背景下的血指紋痕跡物證，采用常規(guī)方法進(jìn)行背景消除的可控性受限，依據(jù)血指紋的吸收與反射差異，采用光譜儀、遙感圖像處理平臺(tái)（ENVI）、管理信息系統(tǒng)等開(kāi)發(fā)新軟件，選擇理想波段下對(duì)應(yīng)的灰度圖像加以人工分析，可視為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景下血指紋準(zhǔn)確分割的新途徑。

分類(lèi)后效果圖（紅色區(qū)域?yàn)槿梭w血液，綠色區(qū)域?yàn)獒u油，藍(lán)色區(qū)域?yàn)橛推幔?/p>

3.2 精液(斑)檢驗(yàn)

精液由精子和精漿組成。性侵案件中常提取到的是精液和陰道分泌液所組成的精-陰混合斑，廣義的混合斑是指兩種或兩種以上個(gè)體的體液混合干燥后形成的斑痕?？蓪⒒旌习叻譃閮纱箢?lèi)：一類(lèi)是由不同個(gè)體的不同體液或組織混合而成，其中最常見(jiàn)的為性犯罪案件中男性精液與女性受害者陰道分泌液組成的混合斑，以及頭發(fā)、皮膚、唾液、指甲或口腔脫落細(xì)胞等的混合；另一類(lèi)是由不同個(gè)體的同一種體液或組織混合而成。在性侵犯案件中，精-陰混合斑的附著載體常為內(nèi)褲、被褥、床單、衛(wèi)生紙、避孕套等。隨著時(shí)間的推移，新鮮精液會(huì)逐漸形成干燥斑痕，在淺色背景上呈淡黃色、深色背景上呈乳白色。精液、陰道分泌液之間的混合物按來(lái)源個(gè)體不同其組成有所不同，特別是在輪奸案或受害人有多個(gè)性伙伴的性侵案件中，通常提取物為多個(gè)體精-陰混合斑，采用常規(guī)分離提取方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且易損失檢材，尤其對(duì)于微量、超微量精-陰混合斑檢材常無(wú)法進(jìn)行后續(xù)相關(guān)檢驗(yàn)。在精-陰混合斑的檢驗(yàn)中，高光譜成像技術(shù)提供了一種新的快速無(wú)損檢驗(yàn)方法。

目前精-陰混合斑分離、提取主要依賴(lài)于非免疫學(xué)方法和免疫學(xué)方法，如改良差異裂解法、改良硅珠法、雙差異裂解法、激光捕獲顯微切割技術(shù)（LCM）、顯微操作法、微流控芯片技術(shù)、免疫磁珠法等。這些分離與提取方法時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備要求高，對(duì)操作人員要求嚴(yán)格且相關(guān)試劑盒的成本高昂，同時(shí)對(duì)于案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的精-陰混合斑往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)及時(shí)檢測(cè)，而且相對(duì)隱蔽性的檢材更不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)。相對(duì)而言，高光譜成像技術(shù)在等額成本下具有更大的價(jià)值回饋，對(duì)操作人員沒(méi)有嚴(yán)格的要求和限制，所用儀器更便捷，檢測(cè)與分析耗時(shí)更短。激光捕獲顯微切割技術(shù)對(duì)來(lái)源于單一個(gè)體的精-陰混合斑和多個(gè)體的精-陰混合斑檢驗(yàn)鑒定的靈敏度高、特異性好且受腐敗影響小，尤其適用于多個(gè)體精-陰混合斑檢驗(yàn)。

不足之處在于，目前還沒(méi)有構(gòu)建激光捕獲顯微切割技術(shù)與高光譜成像技術(shù)相結(jié)合的理論基礎(chǔ)，若能實(shí)現(xiàn)相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備和技術(shù)的融合發(fā)展，必將解決公安實(shí)踐中類(lèi)似輪奸案件現(xiàn)場(chǎng)物證檢驗(yàn)的關(guān)鍵性難題。當(dāng)前高光譜成像技術(shù)對(duì)精-陰混合斑檢測(cè)還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段，針對(duì)輪奸案或受害人有多個(gè)性伙伴的性侵案件中的多個(gè)體精-陰混合斑檢驗(yàn)鑒定，高光譜成像技術(shù)還處于空白階段，有待深入研究和探索。如何能夠及時(shí)、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)并無(wú)損檢測(cè)案件現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的精-陰混合斑，在不損失檢材的同時(shí)獲得光譜數(shù)據(jù)、圖像信息和DNA檢測(cè)結(jié)果是當(dāng)前技術(shù)結(jié)合的難點(diǎn)。總體而言，高光譜成像技術(shù)檢驗(yàn)精斑的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在：

（1）高光譜圖像再現(xiàn)可初步實(shí)現(xiàn)精斑的種屬鑒別，利于后續(xù)相關(guān)檢驗(yàn)；

（2）微控、自動(dòng)化、便攜式可減少實(shí)驗(yàn)室的操作流程；

（3）快速、靈活、綠色環(huán)保。

高光譜明視場(chǎng)成像系統(tǒng)可從低劑量、有噪聲的數(shù)據(jù)中集中獲取高質(zhì)量的能量色散斷層圖，實(shí)現(xiàn)固定生物樣品中的瘢痕分布繪制，可為精液（斑）發(fā)現(xiàn)、識(shí)別與檢測(cè)提供新的研究理論指導(dǎo)。一些新興技術(shù)，如微流控芯片技術(shù)、自動(dòng)化芯片技術(shù)等若能與高光譜技術(shù)融合必將使混合斑的檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破。

總結(jié)

高光譜成像是一種可以快速、高效、可靠測(cè)量不同生物樣品物質(zhì)屬性及其空間分布的前沿性技術(shù)。通過(guò)將空間信息和光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合，高光譜成像技術(shù)可以同時(shí)查詢(xún)?cè)S多光譜連續(xù)頻帶中的空間圖像，以形成三維高光譜立方體，預(yù)測(cè)生物樣品屬性的映射分布，生成更好的特性描述。目前，對(duì)于新形勢(shì)下犯罪手段的更新與反偵查能力的增強(qiáng)，根據(jù)不同狀態(tài)下生物物證提取方法的差異，運(yùn)用高光譜成像技術(shù)對(duì)生物物證進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)的挖掘和圖像的分析與重建，有利于遺留現(xiàn)場(chǎng)微量或超微量物證信息的及時(shí)發(fā)現(xiàn)與捕獲。

在血液檢驗(yàn)方面，高光譜技術(shù)能更好地從細(xì)胞層面和分子層面對(duì)檢材進(jìn)行定位捕獲和定性、定量分析，實(shí)現(xiàn)血液理化性質(zhì)與3D立體構(gòu)建結(jié)合，再現(xiàn)血液檢驗(yàn)“圖譜合一”的特點(diǎn)。

精液混合斑的提取分離方法較多，但無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)得到DNA圖譜，且與高光譜技術(shù)的融合較困難。微流控芯片技術(shù)的發(fā)展將可能實(shí)現(xiàn)精液混合斑的提取分離與高光譜成像技術(shù)的結(jié)合，同時(shí)再現(xiàn)精液混合斑的光譜數(shù)據(jù)、立體圖像和DNA檢測(cè)圖譜。

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審核編輯黃宇