高光譜成像技術(shù)是一門新興的無(wú)接觸式檢測(cè)技術(shù)，它可以獲得樣本的光譜信息和圖像信息，對(duì)樣本進(jìn)行定性與定量的分析。本文對(duì)高光譜成像技術(shù)的原理及光譜數(shù)據(jù)的分析處理方法做了介紹。

高光譜成像儀的工作原理：

高光譜成像技術(shù)主要融合了光學(xué)、電子學(xué)、數(shù)字圖像信息處理及計(jì)算機(jī)科學(xué)等技術(shù)，是一門新興的無(wú)接觸式檢測(cè)技術(shù)。其產(chǎn)生的圖像具有空間和光譜兩重信息，每個(gè)像素都保存相應(yīng)位置的光譜信息，光譜也反映該特定像素的信息。

高光譜成像一般有兩種系統(tǒng)，一種是基于濾波片的成像系統(tǒng)，其裝置主要由電荷耦合器件（CCD）攝像頭和濾波片組成；另一種是基于圖像光譜儀的高光譜圖像系統(tǒng)，主要由CCD或相機(jī)、光譜儀、照明單元、采集控制及處理軟件組成。

圖像采集方式有逐點(diǎn)掃描式、線推掃式以及面幀式，目前應(yīng)用最多的是線推掃式。圖像光譜儀的核心部件是棱鏡-光柵-棱鏡（PCP）單元，并配備狹縫，在推掃過(guò)程中待測(cè)物一條窄帶的反射光束通過(guò)PGP單元，被色散后投射到CCD探測(cè)器上，物體表面的多個(gè)條帶光譜圖像進(jìn)行拼接，得到整個(gè)物體的高光譜圖像。

光譜采集方式包含反射、透射、散射和熒光4種模式、其光譜覆蓋面包含紫外、可見(jiàn)光、近紅外和巾紅外區(qū)域、所獲波段信息量大、分辨率高、連續(xù)性強(qiáng)，可為待測(cè)物體屬性分析與判斷提供依據(jù)。

高光譜成像儀光譜數(shù)據(jù)的分析處理方法：

高光譜圖像數(shù)據(jù)處理的分析方法有很多，一般的分析流程是對(duì)原始光譜信息進(jìn)行校正和預(yù)處理之后進(jìn)行降維，選擇關(guān)鍵信息建立模型進(jìn)行結(jié)果分析。

1.數(shù)據(jù)校正與預(yù)處理

原始高光譜圖像信息是能量值，圖像采集過(guò)程受外界光照強(qiáng)度、試樣表面陰影等的影響較大，需要通過(guò)白板校正獲取反射率或吸收率。圖像預(yù)處理可以通過(guò)直方圖均值化或主成分分析（PCA），常用的光譜信息預(yù)處理方法有平滑、求導(dǎo)、遺傳算法（GA）、歸化（NOR）、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）和多元散射校正（MSC）等。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校正和預(yù)處理，有助于提高高光譜的信噪比以及實(shí)現(xiàn)原始光譜數(shù)據(jù)的挖掘。

2.數(shù)據(jù)降維

對(duì)于圖像信息，可以直接提取具有代表性的單一或幾個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的圖像，也可以采用主成分分析法、最小噪聲分離法（MNF）、獨(dú)立成分分析法（ICA）等獲取關(guān)鍵的主成分圖像，還可以采用波段比算法、差分算法等提取數(shù)個(gè)特征波長(zhǎng)圖像，計(jì)算獲得新的圖像。對(duì)于光譜信息，可以以全部目標(biāo)像素或感興趣區(qū)域的像素光譜平均后獲得平均光譜信息，也可以提取每個(gè)像素的光譜信息用于像素分類分析。

3.模型建立與分析

使用圖像信息，可以采用各種圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分割獲取有效信息，提取相關(guān)特征參數(shù)建立模型。使用光譜信息，可以采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法如多元線性回歸（MLR）、主成分回歸（PCR）、偏最小二乘回歸（PLSR）、支持向量機(jī)（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）等，建立定性或定量分析模型。在樣本集挑選時(shí)可以根據(jù)分析方法的不同來(lái)選擇，如定性分析可以用隨機(jī)挑選法、Kennard-Stone法等，定量分析中可以用含量梯度法和SPXY法等。