高光谱成像技术的原理及光谱图像采集方式介绍

高光谱成像技术是成像技术和光谱技术的结合，成像系统获取目标物体的空间信息，光谱系统获取波段信息，可以同时实现对二维空间信息和光谱特征的获取。本文对光谱成像技术的原理及光谱图像采集方式做了介绍。

高光谱成像技术的原理：

高光谱成像技术是整个高光谱成像系统的核心，是成像技术和光谱技术的结合，成像系统获取目标物体的空间信息，光谱系统获取波段信息，可以同时实现对二维空间信息和光谱特征的获取。

高光谱成像技术通常有两种方法。一种是基于滤波片的高光谱成像系统。该方法采用的成像装置主要由CCD摄像头和滤波片组成。常用的滤波片有窄带滤波片、液晶可调试滤镜和声光可调试滤镜等。通过连续采集一系列波段下的目标二维图像，波段序列构建成一个三维图像立方体。

另一种是基于图像光谱仪的高光谱图像系统。成像装置主要有透镜、CCD摄像头和图像光谱仪组成，如下图所示。

图像光谱仪主要是棱镜-光栅-棱镜光学组件组成，同时配备有狭缝，满足单一时间采集目标的一条狭小条带。这种图像系统采用“扫帚式”成像方法：当检测对象以固定的速度垂直于成像仪光学主轴平面移动，检测对象中平行于狭缝的一条窄带在光源的照射下，反射光束通过透镜进入成像谱仪，通过狭缝后进入分光光学组件，被色散后投射到成像仪尾端的CCD敏感元件，从而使线状反射窄带光束经过色散后形成连续波段光的多条平行反射强度线。因此，随着检测对象的移动，对象表面的条带被成像后存储，从而实现对整个目标的成像。

高光谱成像技术光谱图像采集方式：

成像后的图像信息采用三种方式存储。包括波段顺序格式（BSQ，Band Sequential Format）、波段按像元交叉格式（BIP，Band Interleaved by Pixel Format）和波段按行交叉格式（BIL，Band Interleaved by Line Format），常用的方法是BIL格式。BIL格式存储的图像先存储第一个波段的第一行空间信息，接着是第二个波段的第一行，然后是第三个波段的第一行，交叉存取直到波段总数完成为止。第二行空间信息按照以上类似的方式交叉存取。这种格式提供了空间和波谱处理之间一种折衷方式，是大多数高光谱图像处理软件，如ENVI处理任务中所推荐的文件格式。

通常，高光谱图像可以用3D立方体来表示，如下图所示，其中的二维是图像像素的坐标信息（以x和y表示），第三维是波长信息（以λ表示），一个分辨率为xxy像素的图像检测器阵列在λ个波长处获得的样品图像立方体是xxyxλ的三维数据立方体。对象每个像素在独立波长上的反射强度通过AD转换为不同位数的二进制数字信息。