農(nóng)業(yè)遙感監(jiān)測是一個(gè)廣泛的課題，已從多個(gè)角度得到廣泛關(guān)注，有時(shí)基于特定應(yīng)用(例如，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、產(chǎn)量預(yù)測、灌溉、雜草檢測)、遙感平臺(tái)(例如，衛(wèi)星、無人駕駛飛行器(UAV)、無人駕駛地面車輛(UGV)、傳感器(例如，主動(dòng)或被動(dòng)傳感、波長域)或特定位置和氣候環(huán)境(例如，國家或大陸、濕地或旱地)。遙感定義為通過利用從俯視角度獲得的圖像、在電磁頻譜的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中實(shí)施從地球表面反射或發(fā)射的電磁輻射來獲取有關(guān)地球陸地和水面信息的應(yīng)用。高光譜遙感涉及通過機(jī)載或星載傳感器獲得的輻射從地球表面的物體或場景中提取信息。

一般來說，高光譜成像是現(xiàn)代成像系統(tǒng)和傳統(tǒng)光譜技術(shù)的結(jié)合。機(jī)載和衛(wèi)星高光譜傳感器技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)克服了多光譜傳感器的限制，因?yàn)楦吖庾V傳感器將可見光、近紅外(NIR)、中紅外和短波紅外部分的多個(gè)窄光譜帶組合在一起。電磁頻譜。高光譜傳感器收集大約 200 個(gè)或更多光譜帶，每個(gè)光譜帶僅 10 nm 寬它允許構(gòu)建連續(xù)的光譜反射特征，而高光譜數(shù)據(jù)的窄帶寬元素能夠深入檢查地球表面特征，這些特征將在多光譜數(shù)據(jù)獲取的相對(duì)粗糙的帶寬內(nèi)消失。高光譜數(shù)據(jù)通常被分配為超立方體(見圖1 )，其中包含兩個(gè)空間維度和一個(gè)光譜維度，考慮到每張高光譜圖像的特征，包含許多通道，因?yàn)榕c灰度或 RGB 圖像相比，存在僅包含一個(gè)通道的波段或三個(gè)通道。

圖 1.高光譜數(shù)據(jù)立方體結(jié)構(gòu)

圖1中的高光譜數(shù)據(jù)立方體解釋了圖1a機(jī)載或星載平臺(tái)上的推掃式傳感器獲取稱為掃描線的一維行交叉軌跡像素的光譜數(shù)據(jù);圖 1b包括每行交叉軌道像素的光譜的順序掃描線被堆積以獲得三維高光譜數(shù)據(jù)立方體，在該圖中，場景的空間細(xì)節(jié)由立方體的 x 和 y 維度構(gòu)成，而將像素的幅度譜投影到 z 維度;圖1c 三維高光譜數(shù)據(jù)立方體可以作為二維空間圖像的堆棧進(jìn)行分析，而每個(gè)圖像都相當(dāng)于一個(gè)特定的窄波段。通常，高光譜數(shù)據(jù)立方體包含數(shù)百個(gè)堆疊圖像;圖 1d可以為每個(gè)像素標(biāo)記光譜樣本，并且光譜中特征的區(qū)分提供了場景中檢測和分類的主要機(jī)制。關(guān)于成像光譜儀類型，大約有三種不同的方法來獲取高光譜數(shù)據(jù)，例如基于色散元件的方法、基于光譜濾波器的方法和快照高光譜成像。為了收集具有不同空間和時(shí)間分辨率的高光譜圖像，所使用的傳感器可以例如安裝在不同的平臺(tái)上。無人機(jī)(UAV)、飛機(jī)和近距離平臺(tái)。表1顯示了不同類型高光譜成像平臺(tái)的比較。提及高光譜傳感器用于提供信息，例如機(jī)載可見光/紅外成像光譜儀、Hyperion、Hymap和應(yīng)用機(jī)載成像光譜儀。下面的表 2顯示了通常安裝在飛機(jī)和衛(wèi)星上的不同類型的高光譜傳感器。表 1.高光譜成像平臺(tái)比較。

表 2.飛機(jī)和衛(wèi)星上的高光譜傳感器類型

2. 高光譜遙感影像(HRSI)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1. 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于高光譜數(shù)據(jù)的高維特性，以及光譜與混合像素的相似性，高光譜圖像技術(shù)仍然面臨著許多問題，其中最緊迫的是：(1)高光譜圖像數(shù)據(jù)具有高維。由于高光譜圖像是由機(jī)載或星載成像光譜儀采集的數(shù)百個(gè)波段的光譜反射率數(shù)據(jù)組合而成，因此高光譜圖像的光譜信息維度也可以是數(shù)百個(gè)維度;(2) 缺失標(biāo)記樣品。在實(shí)際應(yīng)用中，收集高光譜圖像數(shù)據(jù)相當(dāng)簡單，但獲取類似圖像的標(biāo)簽信息卻相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。因此，高光譜圖片的分類有時(shí)會(huì)因標(biāo)記樣本的短缺而受到阻礙;(3) 空間上光譜信息的可變性。高光譜圖像的光譜信息會(huì)因大氣條件、傳感器、地物的組成和分布以及周圍環(huán)境等因素而在空間維度上發(fā)生變化，導(dǎo)致每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的地物不是單一的;最后(4)圖像質(zhì)量，即高光譜圖像采集過程中噪聲和背景元素的干擾，對(duì)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量有重大影響。高光譜圖像的分類精度直接受到圖像質(zhì)量的影響。高光譜圖像的光譜信息會(huì)因大氣條件、傳感器、地物的組成和分布以及周圍環(huán)境等因素而在空間維度上發(fā)生變化，導(dǎo)致每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的地物不是單一的;最后(4)圖像質(zhì)量，即高光譜圖像采集過程中噪聲和背景元素的干擾，對(duì)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量有重大影響。高光譜圖像的分類精度直接受到圖像質(zhì)量的影響。高光譜圖像的光譜信息會(huì)因大氣條件、傳感器、地物的組成和分布以及周圍環(huán)境等因素而在空間維度上發(fā)生變化，導(dǎo)致每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的地物不是單一的;最后(4)圖像質(zhì)量，即高光譜圖像采集過程中噪聲和背景元素的干擾，對(duì)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量有重大影響。高光譜圖像的分類精度直接受到圖像質(zhì)量的影響。導(dǎo)致每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地物不是單一的;最后(4)圖像質(zhì)量，即高光譜圖像采集過程中噪聲和背景元素的干擾，對(duì)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量有重大影響。高光譜圖像的分類精度直接受到圖像質(zhì)量的影響。導(dǎo)致每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的地物不是單一的;最后(4)圖像質(zhì)量，即高光譜圖像采集過程中噪聲和背景元素的干擾，對(duì)采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量有重大影響。高光譜圖像的分類精度直接受到圖像質(zhì)量的影響。

各種平臺(tái)和傳感器獲得的高光譜圖像通常以原始格式呈現(xiàn)，這需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理(例如大氣、輻射和光譜校正)以糾正詳細(xì)信息。組裝高光譜數(shù)據(jù)比多光譜和 RGB 傳感器更加復(fù)雜，因?yàn)樗妮椛浜痛髿庑?zhǔn)工作流程更加復(fù)雜。因此，高光譜成像處理過程需要幾個(gè)步驟才能獲得精確的輸出。高光譜成像的處理意味著計(jì)算機(jī)算法的利用。它包括從可見近紅外 (VNIR) 或近紅外 (NIR) 高光譜圖像中提取、存儲(chǔ)和偽造信息等任務(wù)。它還提供有關(guān)處理和數(shù)據(jù)挖掘任務(wù)的不同信息(例如，分析、分類、目標(biāo)檢測、回歸和模式識(shí)別)。高光譜成像包括以像素存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)收集，而每個(gè)數(shù)據(jù)都與其相鄰數(shù)據(jù)特別相關(guān)。高光譜成像還包括譜域信號(hào)，因?yàn)槊總€(gè)圖像像素都包含光譜信息;因此，用于處理空間和光譜信息的特定工具和方法已得到擴(kuò)展。如此大量的數(shù)據(jù)導(dǎo)致化學(xué)計(jì)量學(xué)和可視化設(shè)備的集成，以有效地挖掘重要且詳細(xì)的信息。下面的圖 2描述了普通的高光譜圖像預(yù)處理過程。

圖 2.高光譜圖像預(yù)處理工作流程

高光譜成像設(shè)備產(chǎn)生的大量原始數(shù)據(jù)包含大量可以通過校準(zhǔn)糾正的錯(cuò)誤。空間校準(zhǔn)是將每個(gè)圖像像素與已知單位或特征相關(guān)聯(lián)的步驟之一，提供有關(guān)空間維度的信息并糾正光學(xué)像差(微笑和梯形失真效應(yīng))。然而，可能存在三種使校準(zhǔn)模型無效的情況：(1) 樣品中的化學(xué)或物理替代，(2) 由于固有的不確定性或部件老化而更換設(shè)備，以及 (3) 環(huán)境/天氣條件，例如溫度或濕度。高光譜照片中常見有數(shù)百個(gè)波段，其中許多波段是高度相關(guān)的。因此，降維是預(yù)處理高光譜圖像時(shí)需要考慮的重要步驟。降維是高光譜圖像分類中至關(guān)重要的預(yù)處理步驟，可減少 HSI 的光譜冗余，從而實(shí)現(xiàn)更快的處理和更高的分類精度。降維方法將高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低維空間，同時(shí)保留光譜信息。因此，預(yù)處理是提高高光譜圖像質(zhì)量并為后續(xù)分析做好準(zhǔn)備的重要步驟。

高光譜成像從單個(gè)樣本和需要日常分析的數(shù)千個(gè)樣本中生成大量數(shù)據(jù)收集。與其他統(tǒng)計(jì)技術(shù)相比，高光譜圖像分析使用物理和生物模型來吸收某些波長的光。例如，空氣中的氣體和氣溶膠可以吸收特定波長的光。色散(向傳感器透視區(qū)域添加外部光源)和吸收是大氣衰減的示例(輻射率)否認(rèn))。結(jié)果，高光譜傳感器無法區(qū)分在其他時(shí)間或地點(diǎn)生成的成像記錄的輻射率。高光譜圖像分析技術(shù)源自光譜學(xué)，它涉及某種材料的分子成分在不同波長下的不同吸收或反射模式。該圖像必須采用適當(dāng)?shù)拇髿庑Ｕ夹g(shù)，以便將每個(gè)像素的反射特征與已知材料的光譜進(jìn)行比較;在實(shí)驗(yàn)室和“圖書館”存儲(chǔ)區(qū)域，已知的材料光譜信息包括土壤、礦物質(zhì)和植被類型。

2.2. 高光譜圖像分類

根據(jù)可用訓(xùn)練樣本的性質(zhì)，高光譜成像 (HSI) 可分為監(jiān)督式、無監(jiān)督式和半監(jiān)督式。監(jiān)督技術(shù)使用真實(shí)信息(標(biāo)記數(shù)據(jù))進(jìn)行分類，而無監(jiān)督技術(shù)不需要任何先驗(yàn)信息。根據(jù)文靜和小飛的研究，支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹和最大似然分類方法是常用的監(jiān)督分類方法的例子。基本過程是首先根據(jù)已知的樣本類別和先驗(yàn)知識(shí)確定判別標(biāo)準(zhǔn)，然后計(jì)算判別函數(shù)。因此，在監(jiān)督分類中，支持向量機(jī)可以產(chǎn)生類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果，但計(jì)算成本更低，速度更快，使其成為高光譜數(shù)據(jù)分析的理想選擇。

無監(jiān)督分類是指基于高光譜數(shù)據(jù)光譜相似性的分類，例如在沒有先驗(yàn)知識(shí)的情況下進(jìn)行聚類。無監(jiān)督分類由于沒有使用先驗(yàn)知識(shí)，只能假設(shè)初始參數(shù)，通過預(yù)分類處理構(gòu)建聚類，然后迭代直到相關(guān)參數(shù)達(dá)到允許的范圍。無監(jiān)督分類的示例包括 K 均值分類和迭代自組織方法 (ISODATA)。最后，是半監(jiān)督分類，它使用標(biāo)記和未標(biāo)記數(shù)據(jù)來訓(xùn)練分類器。半監(jiān)督學(xué)習(xí)范式已成功應(yīng)用于高光譜成像之外的領(lǐng)域。它彌補(bǔ)了無監(jiān)督和監(jiān)督學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)的缺乏。在特征空間上，這種分類方法使用相同類型的標(biāo)記和未標(biāo)記數(shù)據(jù)。由于大量未標(biāo)記的示例可以更好地解釋數(shù)據(jù)的整體屬性，因此使用這兩個(gè)樣本訓(xùn)練的分類器具有優(yōu)越的泛化性。半監(jiān)督分類的例子是拉普拉斯支持向量機(jī)(LapSVM)和自我訓(xùn)練。

因此，高光譜成像可以成為自動(dòng)區(qū)分農(nóng)作物和雜草的潛在技術(shù)之一。這些傳感技術(shù)已應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)，并通過從田間生成大量數(shù)據(jù)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。集成特征的機(jī)器學(xué)習(xí)建模也達(dá)到了合理的準(zhǔn)確性，可以識(shí)別植物是雜草還是農(nóng)作物。