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高光谱成像仪光谱数据的形式及光谱数据的分析方法

发布时间:2023-09-28
浏览次数:293

高光谱成像仪​作为一种光电仪器,它将光谱技术和图像技术结合在一起,能够同时体现一维表征像元光谱信息和目标二维空间景象的物理属性,并且具有较高的分辨率和图谱合一的属性,已被广泛的应用于不同的领域。本文对高光谱成像仪光谱数据的形式及光谱数据的分析方法作了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪作为一种光电仪器,它将光谱技术和图像技术结合在一起,能够同时体现一维表征像元光谱信息和目标二维空间景象的物理属性,并且具有较高的分辨率和图谱合一的属性,已被广泛的应用于不同的领域。本文对高光谱成像仪光谱数据的形式及光谱数据的分析方法作了介绍,对此感兴趣的朋友可以了解一下!

高光谱成像仪

高光谱成像仪光谱数据的形式:

高光谱成像设备能同时获取二维空间信息和一维光谱信息,获取的数据称作光谱数据立方体,如下图所示。成像光谱数据立方体是一个三维矩阵,图像的高度为H,图像的宽度为W,光谱波段数为L,图像的像素数P=HxW。如果在空间上取出一个像素,以波长为横轴,像素每个波长处的反射率为纵轴,将得到像素地面分辨率范围内材质的平均光谱。如果在相同的窄带波长处选取所有的像素,并按照其空间坐标位置作图,将得到窄带波长处反射率场景灰度图。

光谱数据立方体构成图

光谱数据立方体可以用三维矩阵描述,为了便于数据处理,将三维矩阵整合成二维矩阵,用数据矩阵X表示为:

光谱数据矩阵

式中:元素xij第i窄带波段处第j个像素的反射率值;列向量X(1:L)j=(x1j,…xLj)T为第j个像素的光谱向量;行向量 Xi(1:p)=(xi1,…,xip)表示第i窄带波段的反射率图像。


高光谱成像仪光谱数据的分析方法: 

高光谱成像仪对图像信息的收集包含物理成分和化学成分两部分。样品通过漫反射光源将图像分散并投射到探测器阵列上,图像的光谱长度范围包括可见光和近红外光。通过高光谱成像仪采集的图像,之后在PC端进行图像校正、数据降维、建模、判定分析。由于不同的高光谱成像系统对图像的采集存在一定的差异,为了确保高光谱数据的可比性和精确性,常利用下式对高光谱图像进行暗电流校正:

高光谱图像校正式

式中,R0为反射光谱图像,W为反射率为99%的白板反射图像,B为暗电流,R为校正后反射图像。

由于高光谱成像系统采集的光谱具有连续性,所以光谱中包含的数据量较大,在数据处理中会存在一些烦冗的计算问题,因此,选择合理的数据处理方法就显得尤为重要。大量文献显示,提取最佳波段是减少数据量最有效的方式,并能够保证在不丢失重要信息的情况下精确地反映样品信息。在数据处理过程中,数据降维也是有效的方法之一,主要的方法有特征波段选择、分类算法选择等。最后,采用偏最小二乘法、支持向量机、人工神经网络、多元线性回归等方法建立基于光谱图像的预测模型,进而实现其在农业上的应用。具体的操作流程如下图所示。

高光谱系统软件处理的具体流程

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