什么是高光譜成像?

從廣義上講，高光譜成像是指收集和處理包含大量不同波長光的圖像，包括電磁光譜的可見光區和不可見光區。每種不同的材料(從巖石和化學化合物到植被和人體組織)通常具有輕微不同的光譜特征，稱為光譜“指紋”。因此，光譜圖像分析可以通過肉眼顯示我們周圍世界無法區分的信息。

更準確地說，該技術被稱為光譜成像或光譜分析，美國國家航空航天局(NASA)作為機載成像光譜儀，它在20世紀80年代得到了改進(AIS)計劃的一部分。該技術的早期測試是利用飛機飛越美國內華達州收集的數據分析巖層。

視覺成像系統(如相機)可以在三個波段(紅、藍、綠)中捕獲和評估圖像，而多光譜成像系統可以測量RGB波段和近紅外線(NIR)波段。相比之下，高光譜成像系統采集的圖像涵蓋了更廣泛的波長光譜，可以細分為幾十個甚至幾百個波段。

例如，2007年，美國地質勘探局(USGS)阿富汗收集了大量的高光譜數據來生成詳細的地表礦物分布圖。通過整合“連續28次飛行收集的數據，并在儀器中使用4個不同的模塊，以覆蓋0.43至2.48微米的光譜范圍(430納米至2480納米)，他們可以識別和繪制31種不同類型的礦物。這些圖像處理了128個色帶，每個色帶寬度為14-20納米。”

美國地質勘探局阿富汗礦床圖(USGS)編制收集的高光譜圖像數據。(圖片來源:USGS)

和任何數碼相機一樣，高光譜成像系統依靠傳感器收集信息，通常首選更高分辨率的傳感器來收集每個像素的更多數據。通常，進入高光譜成像系統的光會被引導通過狹縫，然后用衍射光柵將其分離成不同的波長。

標準高光譜成像相機工作原理示意圖。光線從左側進入，通過入口狹縫聚焦，然后通過衍射光柵分離不同波長的光，然后聚焦，并由傳感器(探測器陣列)收集。

我們可以使用不同的技術掃描一個區域來收集圖像，包括空間掃描、光譜掃描、非掃描和空間光譜掃描。每種掃描方法略不同于上述示意圖，并產生不同的輸出結果。

例如，空間掃描通常包括棱鏡，而光譜掃描可以使用光學帶過濾器。如今，許多高光譜成像系統至少提供100個光譜波段，并具有1-5nm等不同應用的波長范圍、400-1000nm等。3

高光譜成像應用

目前，高光譜成像技術廣泛應用于潛在領域。在無人機技術的幫助下，成像系統現在比以往任何時候都更容易發送到偏遠或難以到達的地區來收集信息。

事實上，高光譜遙感系統已被用于探索“星載、機載和基礎傳感、無人機系統和水下航行器”。應用領域包括農業、天文學、生物醫學成像、環境監測、食品加工、地質學、礦物學、分子生物學、物理學和監測。以下是不同行業的一些例子：

農業：飛機收集的高光譜數據可用于分析作物，以表示生長、分子組成、水位、雜草入侵等。

食品加工：高光譜成像系統可以評估水果和其他食品，以識別任何質量問題，如瘀傷、腐爛斑點;肉類等級、細脂肪線、顏色和紋理;以及從殼體碎片和任何異物顆粒中分類的堅果。

環境：高光譜成像系統可以輕松檢測湖泊和河流中大量繁殖的藻類或污染，準確識別水或濕地中磷酸鹽、硝酸鹽等化學物質的含量。

礦山和化石燃料：高光譜成像系統可以準確定位礦床并對其進行分級，從而大大提高勘探鉆井的準確性。此外，還可用于識別和評估石油泄漏。

醫學診斷：現代醫療保健和疾病治療在很大程度上依賴于先進的成像技術，如MRI、CT和PET掃描，以評估骨骼、組織、器官和其他內部結構。高光譜成像技術可以重要地補充這些工具包，通常可以獲得臨床環境中患者組織形態(形狀和結構)和生化特征的高分辨率圖像，具有更高的成本效益、更安全、更容易使用。

薄膜檢測：如今，薄膜是許多行業的重要材料，廣泛應用于儲存食品的保鮮膜和TFT半導體的高檔薄膜。高光譜成像系統可以通過將光線投射到薄膜上并測量光譜干擾來測量薄膜，以保證厚度的均勻性。