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高光谱成像仪是如何成像的?高光谱成像仪的图谱数据怎么处理?

发布时间:2023-06-21
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高光谱成像仪​作为精密的光学仪器,它将光谱技术和图像技术融合,不仅可以获得待测物的空间信息,而且还可以获得图像各个像素点的光谱信息产生光谱图像,具有图谱合一的特点,被广泛应用于色差检测、食品检测、精准农业、文物保护、环境监测等领域。本文对高光谱成像仪的成像原理及光谱信息数据的处理方法做了介绍,感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪作为精密的光学仪器,它将光谱技术和图像技术融合,不仅可以获得待测物的空间信息,而且还可以获得图像各个像素点的光谱信息产生光谱图像,具有图谱合一的特点,被广泛应用于色差检测、食品检测、精准农业、文物保护、环境监测等领域。本文对高光谱成像仪的成像原理及光谱信息数据的处理方法做了介绍,感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪

高光谱成像仪的成像原理:

高光谱图像是一系列光波波长处的光学图像,其分辨率介于多光谱图像和超光谱图像之间,通常可达0.6-3nm。其测量光谱范围可在紫外(200-400nm)、可见光(400-760nm)和近红外区域(760-2500nm)。

高光谱图像的采集方式包括逐点扫描、线推扫和面帧扫描。其中,线推扫是应用最多的高光谱图像获取方式。在线推扫过程中,每个扫描位置获得窄带空间位置上多个像素点的光谱图像,对多个窄带空间的光谱图像进行拼接,可获得样本的完整高光谱图像。高光谱图像又称为数据立方体,其中的二维表示图像像素的坐标(x和y),第三维代表波长,在数据立方体中,每个波长下都对应样本的图像,如下图所示。

高光谱图像数据块

根据高光谱成像系统配置方式的不同,可获取4种类型的高光谱图像,分别是:反射图像、散射图像、透射图像以及荧光图像。目前,高光谱反射图像是应用研究的重点。

一个典型的推扫式高光谱成像系统如下图所示。它主要由成像光谱仪、镜头、运动控制系统、光源和载物台等组成。其中成像光谱仪的分光部件为光栅,载物台则由步进电机驱动作匀速移动。

典型的高光谱图像成像示意图

高光谱成像仪图谱数据处理方法:

高光谱图像由于既包含光谱信息,又包括图像信息,因此高光谱图像数据分析方法很多。这里以归纳高光谱图像数据的处理为例,介绍高光谱成像仪图谱数据处理方法。

第1步,高光谱图像的校正和预处理。原始高光谱数据是光子强度信息,需进行黑白板校正获取相对反射率。由于高光谱图像通常在光谱波段范围的首尾端信噪比较低,所以黑白板校正后的高光谱图像需要进行预处理以剔除这些噪声较大的部分。此外,由于高光谱数据量较大,对于一些无用部分可通过裁剪等方法减少高光谱图像数据。

第2步,高光谱图像的降维。在图像维,可根据待测物的光谱特性,直接提取反映待测对象品质的一个或几个波长图像;也可采用主成分分析、独立成分分析法或最小噪声分离法等获取关键的特征图像;还可在上述特征波段基础上,采用波段比算法或者波段差算法或者二次差分算法计算特征图像;在光谱维,可对研究对象中一定像素区域的光谱或所有像素的光谱进行平均获得平均光谱信息或偏差光谱信息。

第3步,品质预测,目标检测及识别。在图像维,可采用数字图像处理技术对图像进行分割从而获取目标;在光谱维,可与化学计量学方法结合,建模预测分析待测物的品质,或进行判别分析。

第4步,目标分类。根据得到的图像特征或者光谱信息,采用模式识别方法分类目标。

综上所述,高光谱图像数据的处理方法具有以下特点:

1)所用信息类型随检测目的的不同而改变。通常情况下,外部品质检测主要采用图像信息,内部品质检测则多采用光谱信息,而综合品质检测则是两种信息的结合。

2)虽然高光谱图像信息丰富,但数据处理过程中的数据预处理方法较为简单,预测和分类方法也大多是常规方法。

3)针对不容易分割的目标,通常是光谱信息和图像信息结合来进行分割或提取目标。

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