高光谱成像仪的组成及高光谱数据的获取处理方法

高光谱成像仪作为先进的光学检测仪器，能够同时获得样品的光谱信息和图像信息，是一种成像技术和光谱技术相结合的多维获取技术，在不同行业有着广泛的应用。本文对高光谱成像仪的组成及高光谱数据的获取处理方法做了介绍。

高光谱成像仪的组成：

国际遥感界认为，光谱分辨率在10-1λ数量级范围内的为多光谱，分辨率在10-2λ数量级范围内的为高光谱。与多光谱技术相比，高光谱成像技术不仅极大地提高了光谱信息的丰富程度，在处理技术上，也为光谱数据进行更为快速、有效的分析提供了可能。高光谱成像技术作为一种综合性技术，集微弱信号检测、探测技术、精密光学机械、计算机技术于一体，能够获取连续、窄波段的高光谱分辨率的图像数据，是一种能够将成像技术和光谱技术相结合的多维信息获取技术。高光谱成像技术图像数据的分辨率高达10-2λ数量级，在可见短红外波段范围内光谱分辨率为纳米级，光谱波段多达数十个甚至上百个，各光谱波段间是连续的，图像数据的每一个像元都可以提取一条完整的高光谱分辨率光谱曲线。

高光谱成像系统由硬件平台和软件处理2部分组成，其中，硬件平台如下图所示，由高光谱机（CCD相机）、样品台、漫反射光源、电动平移台/传送带以及转接板和转接块组成。

高光谱成像仪图谱数据的获取与处理方法：

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：

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。