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(zhǎng)光的圖像，包括電磁光譜的可見(jiàn)光區(qū)和不可見(jiàn)光區(qū)。每種不同的材料(從巖石和化學(xué)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(guò)肉眼顯示我們周圍世界無(wú)法區(qū)分的信息。

更準(zhǔn)確地說(shuō)，該技術(shù)被稱為光譜成像或光譜分析，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)作為機(jī)載成像光譜儀，它在20世紀(jì)80年代得到了改進(jìn)(AIS)計(jì)劃的一部分。該技術(shù)的早期測(cè)試是利用飛機(jī)飛越美國(guó)內(nèi)華達(dá)州收集的數(shù)據(jù)分析巖層。

視覺(jué)成像系統(tǒng)(如相機(jī))可以在三個(gè)波段(紅、藍(lán)、綠)中捕獲和評(píng)估圖像，而多光譜成像系統(tǒng)可以測(cè)量RGB波段和近紅外線(NIR)波段。相比之下，高光譜成像系統(tǒng)采集的圖像涵蓋了更廣泛的波長(zhǎng)光譜，可以細(xì)分為幾十個(gè)甚至幾百個(gè)波段。

例如，2007年，美國(guó)地質(zhì)勘探局(USGS)阿富汗收集了大量的高光譜數(shù)據(jù)來(lái)生成詳細(xì)的地表礦物分布圖。通過(guò)整合“連續(xù)28次飛行收集的數(shù)據(jù)，并在儀器中使用4個(gè)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(shí)別和繪制31種不同類型的礦物。這些圖像處理了128個(gè)色帶，每個(gè)色帶寬度為14-20納米。”

美國(guó)地質(zhì)勘探局阿富汗礦床圖(USGS)編制收集的高光譜圖像數(shù)據(jù)。(圖片來(lái)源:USGS)

和任何數(shù)碼相機(jī)一樣，高光譜成像系統(tǒng)依靠傳感器收集信息，通常首選更高分辨率的傳感器來(lái)收集每個(gè)像素的更多數(shù)據(jù)。通常，進(jìn)入高光譜成像系統(tǒng)的光會(huì)被引導(dǎo)通過(guò)狹縫，然后用衍射光柵將其分離成不同的波長(zhǎng)。

標(biāo)準(zhǔn)高光譜成像相機(jī)工作原理示意圖。光線從左側(cè)進(jìn)入，通過(guò)入口狹縫聚焦，然后通過(guò)衍射光柵分離不同波長(zhǎng)的光，然后聚焦，并由傳感器(探測(cè)器陣列)收集。

我們可以使用不同的技術(shù)掃描一個(gè)區(qū)域來(lái)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(chǎn)生不同的輸出結(jié)果。

例如，空間掃描通常包括棱鏡，而光譜掃描可以使用光學(xué)帶過(guò)濾器。如今，許多高光譜成像系統(tǒng)至少提供100個(gè)光譜波段，并具有1-5nm等不同應(yīng)用的波長(zhǎng)范圍、400-1000nm等。3

高光譜成像應(yīng)用

目前，高光譜成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于潛在領(lǐng)域。在無(wú)人機(jī)技術(shù)的幫助下，成像系統(tǒng)現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更容易發(fā)送到偏遠(yuǎn)或難以到達(dá)的地區(qū)來(lái)收集信息。

事實(shí)上，高光譜遙感系統(tǒng)已被用于探索“星載、機(jī)載和基礎(chǔ)傳感、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和水下航行器”。應(yīng)用領(lǐng)域包括農(nóng)業(yè)、天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品加工、地質(zhì)學(xué)、礦物學(xué)、分子生物學(xué)、物理學(xué)和監(jiān)測(cè)。以下是不同行業(yè)的一些例子：

農(nóng)業(yè)：飛機(jī)收集的高光譜數(shù)據(jù)可用于分析作物，以表示生長(zhǎng)、分子組成、水位、雜草入侵等。

食品加工：高光譜成像系統(tǒng)可以評(píng)估水果和其他食品，以識(shí)別任何質(zhì)量問(wèn)題，如瘀傷、腐爛斑點(diǎn);肉類等級(jí)、細(xì)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(jiān)果。

環(huán)境：高光譜成像系統(tǒng)可以輕松檢測(cè)湖泊和河流中大量繁殖的藻類或污染，準(zhǔn)確識(shí)別水或濕地中磷酸鹽、硝酸鹽等化學(xué)物質(zhì)的含量。

礦山和化石燃料：高光譜成像系統(tǒng)可以準(zhǔn)確定位礦床并對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，從而大大提高勘探鉆井的準(zhǔn)確性。此外，還可用于識(shí)別和評(píng)估石油泄漏。

醫(yī)學(xué)診斷：現(xiàn)代醫(yī)療保健和疾病治療在很大程度上依賴于先進(jìn)的成像技術(shù)，如MRI、CT和PET掃描，以評(píng)估骨骼、組織、器官和其他內(nèi)部結(jié)構(gòu)。高光譜成像技術(shù)可以重要地補(bǔ)充這些工具包，通?？梢垣@得臨床環(huán)境中患者組織形態(tài)(形狀和結(jié)構(gòu))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(cè)：如今，薄膜是許多行業(yè)的重要材料，廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)存食品的保鮮膜和TFT半導(dǎo)體的高檔薄膜。高光譜成像系統(tǒng)可以通過(guò)將光線投射到薄膜上并測(cè)量光譜干擾來(lái)測(cè)量薄膜，以保證厚度的均勻性。