高光譜成像儀作為精密的光學(xué)儀器，它可以對(duì)成百上千個(gè)連續(xù)單一波長(zhǎng)光信號(hào)逐一進(jìn)行拍照，再將所有波長(zhǎng)下的圖像直接融合組成樣品光譜圖像。光譜信息相當(dāng)于物質(zhì)的“指紋”，對(duì)其進(jìn)行分析可獲得物質(zhì)的內(nèi)部理化指標(biāo)；對(duì)圖像進(jìn)行處理，可獲得物質(zhì)的外部輪廓、尺寸大小以及顏色等外部特征。本文對(duì)高光譜成像儀的原理及光譜圖像數(shù)據(jù)處理方法作了介紹。
高光譜成像儀器的原理：
高光譜成像儀是高光譜成像分析系統(tǒng)的核心部件，由成像光譜儀與CCD探測(cè)器完美結(jié)合而成，可高效快速獲取被測(cè)物的光譜和影像信息。在樣品圖像采集時(shí)，高光譜成像儀接收被測(cè)物體表面反射和透射光在X軸上進(jìn)行分光、在Y軸上進(jìn)行成像，獲得一維影像和光譜信息。由于樣品的連續(xù)移動(dòng)，從而能夠得到連續(xù)的一維影像以及光譜信息，所有的數(shù)據(jù)被計(jì)算機(jī)圖譜采集平臺(tái)采集。將所有窄波段的圖像和光譜信息進(jìn)行融合，最后得到了整個(gè)樣品的光譜圖像。
根據(jù)不同的使用波段，可分為可見(jiàn)光波段（300～800nm）、可見(jiàn)-近紅外波段（400～1000nm）、近紅外波段（900～1700nm）和短波紅外波段（1000～2500nm）4個(gè)光譜波段。高光譜圖像采集可以通過(guò)擺掃型成像、推掃型成像和凝視型成像3種方式實(shí)現(xiàn)：擺掃型成像光譜儀由光機(jī)左右擺掃和載物平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)完成二維空間成像，線列探測(cè)器完成每個(gè)瞬時(shí)視場(chǎng)像元的光譜維獲取。推掃型成像光譜儀采用一個(gè)面陣探測(cè)器，其垂直于運(yùn)動(dòng)方向在載物平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)中完成二維空間掃描；平行于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向，通過(guò)光柵和棱鏡分光，完成光譜維掃描。凝視型成像光譜儀保持圖像區(qū)域固定不變，通過(guò)可調(diào)諧濾光片獲取不同波段的圖像。3種方式最終都得到三維圖像數(shù)據(jù)塊，如下圖所示。
高光譜成像儀光譜圖像數(shù)據(jù)處理方法：
高光譜圖像由于既包含光譜信息，又包括圖像信息，因此高光譜圖像數(shù)據(jù)分析方法很多。這里以歸納高光譜圖像數(shù)據(jù)的處理為例，介紹高光譜成像儀圖譜數(shù)據(jù)處理方法。
第1步，高光譜圖像的校正和預(yù)處理
原始高光譜數(shù)據(jù)是光子強(qiáng)度信息，需進(jìn)行黑白板校正獲取相對(duì)反射率。由于高光譜圖像通常在光譜波段范圍的首尾端信噪比較低，所以黑白板校正后的高光譜圖像需要進(jìn)行預(yù)處理以剔除這些噪聲較大的部分。此外，由于高光譜數(shù)據(jù)量較大，對(duì)于一些無(wú)用部分可通過(guò)裁剪等方法減少高光譜圖像數(shù)據(jù)。
第2步，高光譜圖像的降維
在圖像維，可根據(jù)待測(cè)物的光譜特性，直接提取反映待測(cè)對(duì)象品質(zhì)的一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)圖像；也可采用主成分分析、獨(dú)立成分分析法或最小噪聲分離法等獲取關(guān)鍵的特征圖像；還可在上述特征波段基礎(chǔ)上，采用波段比算法或者波段差算法或者二次差分算法計(jì)算特征圖像；在光譜維，可對(duì)研究對(duì)象中一定像素區(qū)域的光譜或所有像素的光譜進(jìn)行平均獲得平均光譜信息或偏差光譜信息。
第3步，品質(zhì)預(yù)測(cè)，目標(biāo)檢測(cè)及識(shí)別
在圖像維，可采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分割從而獲取目標(biāo)；在光譜維，可與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法結(jié)合，建模預(yù)測(cè)分析待測(cè)物的品質(zhì)，或進(jìn)行判別分析。
第4步，目標(biāo)分類
根據(jù)得到的圖像特征或者光譜信息，采用模式識(shí)別方法分類目標(biāo)。
綜上所述，高光譜圖像數(shù)據(jù)的處理方法具有以下特點(diǎn)：
1）所用信息類型隨檢測(cè)目的的不同而改變。通常情況下，外部品質(zhì)檢測(cè)主要采用圖像信息，內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)則多采用光譜信息，而綜合品質(zhì)檢測(cè)則是兩種信息的結(jié)合。
2）雖然高光譜圖像信息豐富，但數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法較為簡(jiǎn)單，預(yù)測(cè)和分類方法也大多是常規(guī)方法。
3）針對(duì)不容易分割的目標(biāo)，通常是光譜信息和圖像信息結(jié)合來(lái)進(jìn)行分割或提取目標(biāo)。
