高光谱成像是一种将光谱学与成像能力相结合的强大技术。它能够以传统成像系统无法实现的方式收集有关物体和表面的成分和特征。由于其在识别和量化材料方面的非侵入性，高光谱成像在各个行业和研究应用中越来越受欢迎。

01 •  什么是高光谱成像

高光谱成像是一种收集和处理电磁频谱信息以获得图像中每个像素的频谱的技术。这样可以通过分析物体和材料独特的光谱特征来识别它们。高光谱成像的应用包括食品质量和安全、废物分类和回收以及药品生产中的控制和监测。

电磁波谱描述了所有类型的光，从很长的无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外线和 X 射线，到很短的伽马射线——其中大部分是人眼看不见的（图1）

光谱成像是使用整个电磁频谱的多个波段的成像。RGB 相机使用三个可见光波段（红色、绿色和蓝色）来创建图像，而高光谱图像可以检查物体如何与更多波段（范围从 250 nm 到 15,000 nm 以及热红外）相互作用。光与物质相互作用的研究称为光谱学或光谱传感。

图 1.高光谱成像捕获 250 nm 至 15,000 nm 的波长和热红外

光谱成像系统是指捕获和处理图像中光波长信息的一类成像技术。这些系统旨在捕获电磁频谱中超出我们眼睛可见光范围的多个波段或通道的信息。然后可以处理该数据以生成光谱数据的颜色编码，从而提供有关图像内对象的化学和物理特性的信息。

02 • 高光谱成像如何工作

高光谱成像涉及使用成像光谱仪（也称为高光谱相机）来收集光谱信息。

高光谱相机捕获场景的光，并将其分为各个波长或光谱带。它提供场景的二维图像，同时记录图像中每个像素的光谱信息。

成像结果是高光谱图像，其中每个像素代表一个独特的光谱。这种独特的光谱可以与指纹进行类比。由于每种材料和化合物对光的反应不同，因此它们的光谱特征也不同。就像指纹可以用来识别一个人一样，光谱可以识别和量化场景中的材料。

03 • 高光谱成像提供哪些信息

高光谱成像系统分析光谱响应，以根据图像中的特征或物体的独特光谱对其进行检测和分类。

通过结合数字成像和光谱仪的优点，高光谱成像提供有关物体物理和化学特性的空间和光谱信息。光谱信息允许对材料进行识别和分类，空间信息提供有关材料分布和区域分离的数据。高光谱成像提供了有关“什么”（基于光谱）、“何处”（基于位置）的问题的答案。

图 2：为了匹配人类视觉，使用红、绿和蓝三个色带创建树叶的数码照片（顶部）。RGB 数据相当于三页的小册子。相比之下，叶子的高光谱图像（底部）捕获 220 个波长的光谱响应。

04 • 高光谱成像有哪些优势

高光谱成像的主要优点之一是其高空间和光谱分辨率，可以对材料进行详细表征。

高光谱相机测量数千或数十万个光谱，以创建包含位置、波长和时间相关信息的大规模高光谱数据立方体。

与多光谱成像相比，高光谱成像提供了更多信息，可以更准确地分析、识别和分离材料和物质（要了解更多信息，请阅读我们的文章高光谱与多光谱相机）。

高光谱成像使我们能够区分具有相似物理或视觉特征的材料或人眼看不到的材料，例如不同的矿物。

05• 高光谱成像有何用途

高光谱成像是工业、研究和遥感中越来越多使用的技术。

高光谱成像系统提供的数据可在检查过程中用于定位、分类或量化普通相机或人眼不可见的各种材料的浓度。例如，集成到在线质量控制系统中的高光谱成像系统可以识别产品中的异物、污染物以及脂肪、糖或水分的含量。

通过遥感获取的高光谱图像提供有关地球表面的信息，例如矿物或植被。

高光谱成像可用于各种应用，包括：

1.环境监测：监测土地利用、植被健康和水质随时间的变化。这可以检测生态退化的早期迹象并跟踪保护。

2.矿产勘查：绘制矿床地图，检测矿物成分和品位。

3.质量控制：食品的无损检测和分级，无损检测工业产品中的污染物和缺陷。

4.废物管理：可靠且高纯度地分离各种材料。该信息可用于自动化回收过程并增加回收材料的价值。

5.农业：评估作物的健康状况和产量，监测土壤湿度和养分含量，以优化作物管理实践并提高作物产量。农业监测通常使用无人机上安装的高光谱相机来完成。

6.军事监视：检测和识别危险材料。

这些只是高光谱成像如何为各种应用提供有价值的信息的几个例子。

总之，高光谱成像既是重要的研究工具，也是非常有用的机器视觉技术，可用于各行业改进流程、提高质量和减少浪费。