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、精細(xì)農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘查等領(lǐng)域。本文對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)是一種檢測速率快、對樣品沒有損傷、可以大范圍掃描分析樣品的檢測技術(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?？臻g分辨率與測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)代表的波長變化函數(shù)，每個(gè)空間像素點(diǎn)對應(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，通過將圖像上每個(gè)空間像素點(diǎn)的光譜特性與對應(yīng)的空間信息聯(lián)系，來確定每個(gè)像素點(diǎn)所代表物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，從而完成對不同樣品的詳細(xì)檢測分類。

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)處理過程來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)萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，相鄰數(shù)據(jù)間通常會呈現(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)量過大的高光譜數(shù)據(jù)在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)識別時(shí)，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)特征維數(shù)過多的現(xiàn)象，導(dǎo)致“休斯”效應(yīng)，為數(shù)據(jù)的處理帶來了巨大挑戰(zhàn)。休斯效應(yīng)會對高光譜圖像的分類過程產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致分類器性能變差，分類識別結(jié)果的精確度降低，因此，在對高光譜圖像進(jìn)行分類時(shí)，非常有必要找到一種對“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

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)展過程中，光譜特性會不斷變化。利用高光譜成像技術(shù)可以準(zhǔn)確地探測這些事故發(fā)生區(qū)域和發(fā)展過程。對于干旱洪澇、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、評估起到重要作用。

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)

通過高光譜成像技術(shù)可以區(qū)分農(nóng)作物的種類，監(jiān)測農(nóng)作物在生長過程中發(fā)生的變化。在美國，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)場的高光譜數(shù)據(jù)的定期獲取，通過計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，評估農(nóng)作物長勢及產(chǎn)量、調(diào)查作物類別、檢測病蟲害等，對農(nóng)作物施行針對性措施。

4.海洋遙感

高光譜成像技術(shù)可以檢測海洋和內(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)變化及污染檢測等。

5.大氣遙感

高光譜成像技術(shù)可以測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。