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高光谱成像技术的原理是怎样的?高光谱成像技术的光谱图像有几种格式?

发布时间:2023-08-25
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高光谱成像技术的成像原理是怎样的?高光谱图像技术的原理是利用物质的发射光谱、吸收光谱或散射光谱特征对物质进行定性、定量分析,进而或得待测物体的光谱信息和图谱信息,以达到快速的无损检测。那么,高光谱成像技术的光谱图像有几种各式?本文对高光谱成像技术的成像原理及光谱图像数据格式类型做了介绍。

高光谱成像技术的成像原理是怎样的?高光谱图像技术的原理是利用物质的发射光谱、吸收光谱或散射光谱特征对物质进行定性、定量分析,进而或得待测物体的光谱信息和图谱信息,以达到快速的无损检测。那么,高光谱成像技术的光谱图像有几种各式?本文对高光谱成像技术的成像原理及光谱图像数据格式类型做了介绍。

高光谱成像仪

高光谱成像技术的成像原理:

高光谱是利用很多窄的电磁波波段获取物体有关数据的技术,它可在电磁波的紫外、可见光、近红外、中红外以至热红外区域,获取许多非常窄且光谱连续的图像数据,为每个像元提供数十至数百个窄波段(通常波段宽度<10nm)光谱信息,能产生一条完整而连续的光谱曲线。高光谱具有多波段、高分辨率和图谱合一的特点,把二维图像和光谱技术融为一体。

高光谱图像数据图

高光谱图像可以用“三维数据块”来形象地描述,如上图所示,其中x和y表示二维平面像素信息坐标轴,第三维(λ轴)是波长信息坐标轴。高光谱图像集样本的图像信息与光谱信息于一身。图像信息可以反映样本的大小、形状、缺陷等外部品质特征,由于成分不同对光谱吸收也不同,在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较显著的反映,而光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分的差异。这些特点决定了高光谱图像技术在产品内外部品质的检测方面的独特优势。


高光谱成像技术的检测装置:

由光源、光谱成像仪、图像采集卡、暗箱、数据处理软件、位移平台等构成了典型的高光谱成像装置。高光谱成像技术有基于滤片的高光谱成像系统和基于图像光谱仪的高光谱图像系统两种。下图为高光谱成像装置示意图。

高光谱成像装置示意图

高光谱成像技术光谱图像的格式介绍:

高光谱遥感图像主要有3种格式:BSQ格式(Band sequential),BIP格式(Band interleaved by pixel)和BIL格式(Band interleaved by line)。BSQ的格式数据按波段顺序存储,BIP格式的数据按像素点序列存储,BIL格式的数据波段按行交叉存储。虽然不同格式的图像有不同的存储方式,但是这些高光谱图像都有共同的突出特点。

1.高光谱分辨率

通常的多光谱遥感器的专题制图仪传感器和地球观测系统的高分辨率可见光传感器只有几个波段,其光谱分辨率一般大于100 nm。高光谱成像光谱仪能获得整个可见光、近红外、短波红外、热红外波段的多而窄的连续光谱,波段数多至几十甚至数百个,光谱分辨率可达纳米级。

2.图谱合一

高光谱图像获取表图像包含了丰富的空间和光谱信息,在可见光和反射红外区,其光谱分辨率通常在100nm量级。而成像光谱仪的光谱波段较多,一般是几十个或者几百个,有的甚至高达上千个,而且这些光谱波段在成像范围内都是连续成像。因此,成像光谱仪能够获得地物在一定范围内连续的、精细的光谱曲线。

3.数据冗余度大

高光谱成像光谱仪虽然光谱波段多,光谱曲线连续且精细,但是同时也存在它不足的一面,其采样间距一般都在纳米级,造成了相邻波段的高度的相关性,冗余度也随之增加。

4.信噪比低

高光谱数据信噪比较低。随着波段数目的增加,噪声增加。然而,高光谱特征和分类研究中主要存在以下两个难点:一是高维使得计算速度受到很大影响,训练样本的不足也会导致不好的分类结果;二是波段间的强相关性增加了冗余性,如果不能有效处理,会对结果产生一定的影响。

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