一、高光譜圖像處理技術(shù)

（一）基本概念與發(fā)展歷程

高光譜圖像是光譜分辨率在 10l 數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)的光譜圖像。高光譜遙感的發(fā)展得益于成像光譜技術(shù)的發(fā)展與成熟，成像光譜技術(shù)是集多種技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)。其最大特點(diǎn)是將成像技術(shù)與光譜探測(cè)技術(shù)結(jié)合，在對(duì)目標(biāo)的空間特征成像的同時(shí)，對(duì)每個(gè)空間像元經(jīng)過(guò)色散形成幾十個(gè)乃至幾百個(gè)窄波段以進(jìn)行連續(xù)的光譜覆蓋。2000 年美國(guó) “新千年計(jì)劃第一星” EO - 1 上的 Hyperion 成像光譜儀等相繼升空，宣告了航天高光譜時(shí)代的來(lái)臨。此后，各國(guó)不斷研制新的高光譜成像儀，高光譜圖像技術(shù)不僅引起了遙感界的關(guān)注，同時(shí)也引起了醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等其它領(lǐng)域的極大興趣。

（二）技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

高光譜圖像集圖像與光譜信息于一身，圖像信息可以反映樣本的大小、形狀、缺陷等外部品質(zhì)特征，光譜信息能充分反映樣品內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分的差異。其具有極高的光譜分辨率，例如美國(guó) Hyperion 高光譜成像儀光譜分辨率為 10nm，共有 220 個(gè)連續(xù)譜段。高光譜圖像能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地表覆蓋的精細(xì)分類，利用空間分辨率為 30 米、光譜分辨率 5nm、具有 95 個(gè)波段的高光譜影像進(jìn)行土地利用精細(xì)分類，總體分類精度達(dá) 90% 以上。

（三）與普通圖像的區(qū)別

高光譜圖像與普通圖像在多個(gè)方面存在差異。在波段數(shù)量上，普通彩色數(shù)碼照片只有三個(gè)波段，即紅綠藍(lán)三個(gè)可見(jiàn)波段成像的疊加，而高光譜遙感是很多波段（包括不可見(jiàn)波段）數(shù)據(jù)的集合，比如珠海一號(hào)高光譜衛(wèi)星通道數(shù)達(dá) 256。在像素值表示方面，高光譜圖像的像素值是以兩個(gè)字節(jié)表示的。在信息獲取范圍上，普通照片只能接觸到可見(jiàn)光，高光譜圖像可覆蓋更寬的波段，如電磁波譜的紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)域，以數(shù)十至數(shù)百個(gè)連續(xù)且細(xì)分的光譜波段對(duì)目標(biāo)區(qū)域同時(shí)成像，能夠探測(cè)到多光譜遙感探測(cè)不到的信息，獲得豐富的地物信息。

二、高光譜圖像處理方法多樣

（一）圖像去噪方法

傳統(tǒng)的圖像去噪方法主要有均值濾波、中值濾波和高斯濾波等。均值濾波是用像素鄰域的平均值來(lái)代替該像素的值，能有效去除圖像中的隨機(jī)噪聲，但會(huì)使圖像變得模糊。中值濾波則是將像素鄰域內(nèi)的中值作為該像素的值，對(duì)椒鹽噪聲有較好的去除效果。高斯濾波是根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來(lái)確定權(quán)重，對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理，能較好地保留圖像的邊緣信息。

然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的去噪方法逐漸嶄露頭角。例如，有研究采用深度自編碼器進(jìn)行高光譜圖像去噪，自編碼器通過(guò)學(xué)習(xí)高光譜圖像的低維表示，能夠有效地去除噪聲，同時(shí)保留圖像的細(xì)節(jié)信息。深度學(xué)習(xí)方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)圖像的特征，適應(yīng)不同類型的噪聲，并且在處理復(fù)雜的高光譜圖像時(shí)表現(xiàn)出更好的性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在某些高光譜圖像數(shù)據(jù)集上，基于深度學(xué)習(xí)的去噪方法能夠?qū)D像的信噪比提高 10dB 以上。

（二）圖像融合方法

高光譜圖像融合是將不同數(shù)據(jù)源的圖像信息進(jìn)行整合，以提高圖像的質(zhì)量和信息量。數(shù)據(jù)源可以包括高空間分辨率的多光譜圖像和高光譜分辨率的低空間分辨率圖像。

主成分分析融合是一種常用的方法，它將高光譜圖像投影到主成分空間，然后用高空間分辨率圖像的信息替換主成分中的空間成分，最后再反變換回原始空間。這種方法能夠有效地提高圖像的空間分辨率，同時(shí)保留光譜信息。

基于像元選擇的方法則是根據(jù)一定的準(zhǔn)則選擇合適的像元進(jìn)行融合。例如，可以選擇具有高空間分辨率和高光譜分辨率的像元進(jìn)行融合，以提高圖像的整體質(zhì)量。

（三）遙感圖像分割方法

遙感圖像分割的任務(wù)是將圖像劃分為不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域代表不同的地物類型。其特點(diǎn)包括需要考慮圖像的空間信息和光譜信息，以及處理大規(guī)模的圖像數(shù)據(jù)。

深度學(xué)習(xí)方法在遙感圖像分割中得到了廣泛應(yīng)用。例如，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)圖像的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同地物的準(zhǔn)確分割。同時(shí)，一些基于深度學(xué)習(xí)的分割方法還能夠結(jié)合高光譜圖像的特點(diǎn)，如多尺度特征提取和注意力機(jī)制等，提高分割的準(zhǔn)確性和效率。在實(shí)際應(yīng)用中，遙感圖像分割可以用于土地利用分類、環(huán)境監(jiān)測(cè)和城市規(guī)劃等領(lǐng)域。

三、廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

?

（一）航天領(lǐng)域

高光譜遙感在航天領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。例如，美國(guó)的 Hyperion 成像光譜儀、中國(guó)的 HJ - 1A 超光譜成像儀等，為制作礦床地圖提供了有力支持。高光譜遙感通過(guò)獲取地物目標(biāo)的空間和頻譜數(shù)據(jù)，能夠探測(cè)到許多使用寬波段無(wú)法探查到的物體。民用高光譜成像儀主要通過(guò)擴(kuò)大幅寬提高靈敏度等措施來(lái)滿足地球科學(xué)等應(yīng)用需求，如礦產(chǎn)調(diào)查、環(huán)境監(jiān)測(cè)和農(nóng)林估產(chǎn)等。以國(guó)內(nèi)發(fā)展空間分辨率 30m 左右幅寬大于 60km 的航天高光譜成像系統(tǒng)為例，其已經(jīng)能夠滿足這些需求并具有一定的先進(jìn)性。此外，小型火星偵察成像光譜儀在火星礦物填圖等方面得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)的嫦娥一號(hào)衛(wèi)星的干涉成像光譜儀也在月球探測(cè)方面發(fā)揮了重要作用。

（二）農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，高光譜圖像可在短期內(nèi)對(duì)農(nóng)作物、森林植被、洋河水體等目標(biāo)進(jìn)行無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)采集分析監(jiān)測(cè)。高光譜技術(shù)利用高光譜輻射計(jì)或高光譜成像儀來(lái)捕獲地物的高光譜數(shù)據(jù)，可獲取農(nóng)田和植被的反射、輻射特性信息，反演葉綠素含量、植物光合作用效率、水分含量、氮含量、土壤質(zhì)地等作物和土壤的基本特征。例如，中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心正高級(jí)工程師吳東麗創(chuàng)新工作室正深耕高光譜技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)展作物災(zāi)害識(shí)別對(duì)比試驗(yàn)，為提升糧食生產(chǎn)全過(guò)程氣象災(zāi)害精細(xì)化監(jiān)測(cè)評(píng)估能力和糧食產(chǎn)量預(yù)報(bào)能力提供數(shù)據(jù)支撐。

（三）食品安全

高光譜成像技術(shù)在食品安全方面優(yōu)勢(shì)明顯。它融合了傳統(tǒng)的成像和光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)獲取被檢測(cè)物體的空間信息和光譜信息。一方面，能夠?qū)κ称分械某煞诌M(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析，檢測(cè)食品中的營(yíng)養(yǎng)成分、添加劑、污染物等，為食品安全監(jiān)管提供有力支持。比如，可以檢測(cè)水果和蔬菜中的農(nóng)藥殘留，為食品安全監(jiān)管部門提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)。另一方面，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食品的新鮮度，如水果、肉類等食品的成熟度、腐敗程度等，有助于確保食品的安全和質(zhì)量。此外，還可用于檢測(cè)食品中的病原菌，如沙門氏菌、大腸桿菌等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)食品安全隱患，保障公眾健康。

（四）醫(yī)學(xué)診斷

高光譜成像是一種特殊的光學(xué)診斷技術(shù)，具有成像系統(tǒng)多樣化、研究對(duì)象廣泛化、臨床診斷實(shí)用化和分析方法功能化等特征。它具有光譜和成像的雙重功能，能夠同時(shí)提供實(shí)驗(yàn)對(duì)象的化學(xué)和物理特征，并具有良好的空間分辨率。高光譜成像在醫(yī)學(xué)診斷中具有巨大潛力，具有原位實(shí)時(shí)活體診斷疾?。ㄌ貏e是腫瘤）的潛力，臨床應(yīng)用前景廣闊。例如，高光譜成像可以提供更多的生物組織信息，通過(guò)獲取物體在不同波長(zhǎng)下的光譜信息，得到組織的光譜特征，進(jìn)而分析和識(shí)別生物組織的類型和狀態(tài)，幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地判斷疾病的嚴(yán)重程度和類型，并提供更精確的診斷結(jié)果。同時(shí)，高光譜成像具有較高的分辨率和靈敏度，對(duì)于微小病灶的檢測(cè)更為敏感，能夠發(fā)現(xiàn)一些傳統(tǒng)成像技術(shù)難以觀察到的細(xì)微變化。

（五）工業(yè)分類質(zhì)檢

在工業(yè)分類質(zhì)檢方面，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，利用高光譜圖像對(duì)流水線上的產(chǎn)品進(jìn)行快速分類具有廣泛的適用性和通用性。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，利用參考樣品進(jìn)行訓(xùn)練，以交互的方式得到監(jiān)督分類模型后，上傳到模型庫(kù)中，便能利用已有模型對(duì)流水線上的產(chǎn)品進(jìn)行快速分類。例如，在金銀花與山銀花的鑒別中，高光譜成像技術(shù)能夠無(wú)損、有效地鑒別金銀花與山銀花，并且在全光譜和特征波長(zhǎng)下均能實(shí)現(xiàn)金銀花與山銀花的快速判別分析。在工業(yè)分揀中，高光譜成像儀能夠幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的高效、精準(zhǔn)分揀，提高分揀效率和質(zhì)量，如在食品行業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品行業(yè)和化工行業(yè)等都有廣泛應(yīng)用。