高光譜成像儀的原理及具體應(yīng)用你都了解嗎?
發(fā)布時(shí)間:2023-12-08
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高光譜成像儀?將光譜技術(shù)和傳統(tǒng)的二維圖像技術(shù)有機(jī)結(jié)合,具有光譜圖像合一、高分辨率和超多波段等優(yōu)點(diǎn),即獲取的高光譜圖像同時(shí)含有光譜信息和圖像信息,被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘查等領(lǐng)域。本文對(duì)高光譜成像儀的原理及具體應(yīng)用做了介紹。
高光譜成像儀將光譜技術(shù)和傳統(tǒng)的二維圖像技術(shù)有機(jī)結(jié)合,具有光譜圖像合一、高分辨率和超多波段等優(yōu)點(diǎn),即獲取的高光譜圖像同時(shí)含有光譜信息和圖像信息,被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘查等領(lǐng)域。本文對(duì)高光譜成像儀的原理及具體應(yīng)用做了介紹。
高光譜成像儀的原理:
高光譜成像技術(shù)是一種檢測(cè)速率快、對(duì)樣品沒(méi)有損傷、可以大范圍掃描分析樣品的檢測(cè)技術(shù),被廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、軍事、食品、環(huán)境、醫(yī)療、微生物、礦物勘探的研究中,高光譜成像技術(shù)在二維圖譜的獲取方面超越了拉曼光譜與 FT-IR,具有圖譜合一的優(yōu)點(diǎn),這是由于高光譜圖像特有的空間和光譜分辨率。空間分辨率與測(cè)量樣品圖像像素具有一定的幾何關(guān)系,而光譜分辨率確定了空間像素點(diǎn)代表的波長(zhǎng)變化函數(shù),每個(gè)空間像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一條具有數(shù)十至數(shù)百個(gè)光譜波段的連續(xù)光譜曲線。高光譜成像技術(shù)將傳統(tǒng)的二維RGB圖像與光譜技術(shù)相結(jié)合,通過(guò)將圖像上每個(gè)空間像素點(diǎn)的光譜特性與對(duì)應(yīng)的空間信息聯(lián)系,來(lái)確定每個(gè)像素點(diǎn)所代表物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì),從而完成對(duì)不同樣品的詳細(xì)檢測(cè)分類。
使用高光譜成像光譜儀采集樣品的數(shù)據(jù),不僅摻雜有噪音信息,還會(huì)受到儀器本身和外部環(huán)境的影響,因此往往需要利用光譜預(yù)處理過(guò)程來(lái)去除或削減干擾信息,保留更多有效信息,提高進(jìn)一步的光譜數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確度。同時(shí),高光譜數(shù)據(jù)是由數(shù)千個(gè)甚至數(shù)萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成,相鄰數(shù)據(jù)間通常會(huì)呈現(xiàn)出高度相關(guān)的光譜特征,因此高光譜圖像中常常包含大量重疊的冗余信息。而數(shù)據(jù)量過(guò)大的高光譜數(shù)據(jù)在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)識(shí)別時(shí),會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)特征維數(shù)過(guò)多的現(xiàn)象,導(dǎo)致“休斯”效應(yīng),為數(shù)據(jù)的處理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。休斯效應(yīng)會(huì)對(duì)高光譜圖像的分類過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響,導(dǎo)致分類器性能變差,分類識(shí)別結(jié)果的精確度降低,因此,在對(duì)高光譜圖像進(jìn)行分類時(shí),非常有必要找到一種對(duì)“休斯”效應(yīng)具有魯棒性的化學(xué)計(jì)量學(xué)算法。
高光譜成像儀的應(yīng)用范圍:
高光譜成像技術(shù)具有獨(dú)特的獲取信息和識(shí)別特征能力,可以同時(shí)獲取目標(biāo)的空間和光譜信息。高光譜成像技術(shù)的一些典型應(yīng)用如下:
1.環(huán)境監(jiān)測(cè)
大部分自然災(zāi)害、環(huán)境污染等危險(xiǎn)事故在發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中,光譜特性會(huì)不斷變化。利用高光譜成像技術(shù)可以準(zhǔn)確地探測(cè)這些事故發(fā)生區(qū)域和發(fā)展過(guò)程。對(duì)于干旱洪澇、冰雹、地震、草原沙漠化、水土流失、水體污染以及海洋赤潮等現(xiàn)象的預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)、評(píng)估起到重要作用。
2.地質(zhì)勘查
利用高光譜成像技術(shù)可以獲得目標(biāo)的精細(xì)光譜,能夠準(zhǔn)確判斷景物目標(biāo)的光譜特性,有利于地質(zhì)單元識(shí)別與礦產(chǎn)資源勘查,大地構(gòu)造基巖變遷與地質(zhì)構(gòu)造研究,金屬、非金屬、煤汽油田等資源調(diào)查。
3.精細(xì)農(nóng)業(yè)
通過(guò)高光譜成像技術(shù)可以區(qū)分農(nóng)作物的種類,監(jiān)測(cè)農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)生的變化。在美國(guó),已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)場(chǎng)的高光譜數(shù)據(jù)的定期獲取,通過(guò)計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù),評(píng)估農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)及產(chǎn)量、調(diào)查作物類別、檢測(cè)病蟲(chóng)害等,對(duì)農(nóng)作物施行針對(duì)性措施。
4.海洋遙感
高光譜成像技術(shù)可以檢測(cè)海洋和內(nèi)陸水系,分析其生態(tài)環(huán)境、水色水質(zhì)、水體溫度、葉綠素和浮游生物含量、泥沙含量、生態(tài)變化及污染檢測(cè)等。
5.大氣遙感
高光譜成像技術(shù)可以測(cè)定地球大氣中氣體成分,確定大氣溫度和水汽垂直分布,分析大氣變化過(guò)程,修正大氣遙感數(shù)據(jù)等。
6.生物醫(yī)學(xué)
隨著生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的定性、定量分析已不能滿足分析檢測(cè)的要求,而利用高光譜成像技術(shù)可以精確獲得試樣中化學(xué)成分的定量分布及變化信息,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
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