什么是高光譜？

高光譜成像（Hyperspectral Imaging, HSI）是一種融合了光譜維度和空間維度的成像技術(shù)。空間維度記錄目標(biāo)在二維平面上的空間分布（類似普通相機(jī)得到的圖像信息）。在每個(gè)像素點(diǎn)上，能夠獲取連續(xù)且高分辨率的光譜曲線（通常覆蓋可見(jiàn)光、近紅外，甚至中遠(yuǎn)紅外波段），這表示光譜維度。因此，高光譜圖像可以理解為一個(gè)“三維數(shù)據(jù)立方體"：兩個(gè)維度對(duì)應(yīng)圖像的 空間分布（x, y），一個(gè)維度對(duì)應(yīng) 光譜信息（λ）。相比普通彩色圖像只有紅、綠、藍(lán)三條波段信息，高光譜圖像能同時(shí)包含數(shù)十到上百條窄波段數(shù)據(jù)，極大地豐富了物體的光譜特征。

為什么不同物質(zhì)有不同的光譜曲線？

不同物質(zhì)之所以呈現(xiàn)出不同的光譜曲線，是因?yàn)樗鼈儗?duì)電磁波的吸收、反射與透射特性取決于其分子結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)。分子中的化學(xué)鍵會(huì)在特定波長(zhǎng)產(chǎn)生振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)吸收，從而形成特征吸收峰；晶體結(jié)構(gòu)和電子能級(jí)也會(huì)影響光的散射與吸收，使材料在某些波段表現(xiàn)出獨(dú)特的反射特性。同時(shí)，宏觀狀態(tài)如粗糙度、含水量和密度等也會(huì)進(jìn)一步改變光譜表現(xiàn)。因此，不同物質(zhì)在光譜維度上具有獨(dú)特的“光譜指紋"，高光譜成像正是通過(guò)捕捉這些差異，實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別和定量分析。

高光譜常見(jiàn)的數(shù)據(jù)

1. DN 值（Digital Number）

DN 就是相機(jī)探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)成的數(shù)字值，本質(zhì)上是“像素灰度"。它不是物理量，會(huì)受到曝光時(shí)間、增益、暗電流等影響。同樣一張白板，在長(zhǎng)曝光下 DN 會(huì)更高。

DN 是“相機(jī)看到的數(shù)字"，但還不是“真實(shí)光強(qiáng)"。

2. 輻射度（Radiance / Irradiance）

輻射亮度 Lλ單位波長(zhǎng)、單位面積、單位立體角的輻射功率，常用單位W·m?2^·sr?1^·nm?1。成像光譜儀面向目標(biāo)時(shí)，更直接獲取的是目標(biāo)的輻射亮度。

通過(guò)積分球/標(biāo)準(zhǔn)光源標(biāo)定可得到每個(gè)波段的響應(yīng)系數(shù) ak,bk，把 DN 映射到 L：

其中 Sk為系統(tǒng)輻射響應(yīng)度（把“每曝光時(shí)間的凈 DN"換算成物理量的比例系數(shù)），t為曝光時(shí)間。

3. 反射率

在高光譜成像中，探測(cè)器最初采集到的數(shù)據(jù)是輻射亮度，即目標(biāo)物體在不同波段上向外輻射或反射的能量強(qiáng)度。然而，這一原始信號(hào)不僅包含物體自身的信息，還受到光源強(qiáng)度、環(huán)境條件以及儀器響應(yīng)等多種因素的影響。因此，為了獲得能夠反映物體本征特性的光譜信息，需要將輻射亮度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)校正，轉(zhuǎn)化為反射率。

反射率是指物體在特定波長(zhǎng)下對(duì)入射光的反射能力，它是一個(gè)與外界光照條件相對(duì)無(wú)關(guān)的物理量，能夠直接反映物質(zhì)的光譜特性。為了完成從輻射亮度到反射率的校正，通常需要進(jìn)行白板和暗場(chǎng)校準(zhǔn)。白板校準(zhǔn)利用高反射率、光譜特性已知的標(biāo)準(zhǔn)白板作為參考，通過(guò)測(cè)量其反射光強(qiáng)來(lái)消除光源和儀器系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的影響；暗場(chǎng)校準(zhǔn)則是在完*無(wú)光或遮擋情況下測(cè)得探測(cè)器本身的噪聲水平，用于去除背景噪聲干擾。經(jīng)過(guò)白板和暗場(chǎng)校準(zhǔn)后，最終得到的反射率數(shù)據(jù)可以有效排除外部因素的影響，更準(zhǔn)確地體現(xiàn)不同物質(zhì)的真實(shí)光譜特征。黑白校正的公式為：

式中：R是校正后的反射率數(shù)據(jù)；I是原始光譜數(shù)據(jù)；W是標(biāo)準(zhǔn)白板圖像數(shù)據(jù)；B是關(guān)閉鏡頭的暗電流圖像數(shù)據(jù)。

以不同煙葉高光譜數(shù)據(jù)為例（圖1），能夠看出，原始未校準(zhǔn)下的圖像背景和樣品區(qū)域整體亮度受光源分布和儀器響應(yīng)的影響。從DN值上無(wú)法判斷樣品曲線的物質(zhì)特征，校正后該波段下的圖像整體灰度分布更加均勻，目標(biāo)區(qū)域與背景對(duì)比更加清晰，消除了光源和探測(cè)器響應(yīng)帶來(lái)的系統(tǒng)性干擾。且經(jīng)過(guò)校正后的反射率曲線，縱軸歸一化到 0–1 區(qū)間，代表物體在不同波長(zhǎng)下的真實(shí)反射比例。此外，從圖1也能夠看出各 ROI 曲線由于物質(zhì)不同，所反映出的光譜特征也不同。

圖1. 反射率校正前和校正后的光譜曲線