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。空間維度記錄目標在二維平面上的空間分布（類似普通相機得到的圖像信息）。在每個像素點上，能夠獲取連續(xù)且高分辨率的光譜曲線（通常覆蓋可見光、近紅外，甚至中遠紅外波段），這表示光譜維度。因此，高光譜圖像可以理解為一個“三維數(shù)據(jù)立方體”：兩個維度對應圖像的 空間分布（x, y），一個維度對應 光譜信息（λ）。相比普通彩*圖像只有紅、綠、藍三條波段信息，高光譜圖像能同時包含數(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。

為什么不同物質有不同的光譜曲線？

不同物質之所以呈現(xiàn)出不同的光譜曲線，是因為它們對電磁波的吸收、反射與透射特性取決于其分子結構和物理化學性質。分子中的化學鍵會在特定波長產生振動或轉動吸收，從而形成特征吸收峰；晶體結構和電子能級也會影響光的散射與吸收，使材料在某些波段表現(xiàn)出獨特的反射特性。同時，宏觀狀態(tài)如粗糙度、含水量和密度等也會進一步改變光譜表現(xiàn)。因此，不同物質在光譜維度上具有獨特的“光譜指紋”，高光譜成像正是通過捕捉這些差異，實現(xiàn)物體識別和定量分析。

高光譜常見的數(shù)據(jù)

1. DN 值（Digital Number）

DN 就是相機探測器把光信號轉成的數(shù)字值，本質上是“像素灰度”。它不是物理量，會受到曝光時間、增益、暗電流等影響。同樣一張白板，在長曝光下 DN 會更高。

DN 是“相機看到的數(shù)字”，但還不是“真實光強”。

2. 輻射度（Radiance / Irradiance）

輻射亮度 Lλ單位波長、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時，更直接獲取的是目標的輻射亮度。

通過積分球/標準光源標定可得到每個波段的響應系數(shù) ak,bk，把 DN 映射到 L：

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

3. 反射率

在高光譜成像中，探測器*初采集到的數(shù)據(jù)是輻射亮度，即目標物體在不同波段上向外輻射或反射的能量強度。然而，這一原始信號不僅包含物體自身的信息，還受到光源強度、環(huán)境條件以及儀器響應等多種因素的影響。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)過校正，轉化為反射率。

反射率是指物體在特定波長下對入射光的反射能力，它是一個與外界光照條件相對無關的物理量，能夠直接反映物質的光譜特性。為了完成從輻射亮度到反射率的校正，通常需要進行白板和暗場校準。白板校準利用高反射率、光譜特性已知的標準白板作為參考，通過測量其反射光強來消除光源和儀器系統(tǒng)對信號的影響；暗場校準則是在完全無光或遮擋情況下測得探測器本身的噪聲水平，用于去除背景噪聲干擾。經(jīng)過白板和暗場校準后，*終得到的反射率數(shù)據(jù)可以有效排除外部因素的影響，更準確地體現(xiàn)不同物質的真實光譜特征。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是標準白板圖像數(shù)據(jù)；B是關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的影響。從DN值上無法判斷樣品曲線的物質特征，校正后該波段下的圖像整體灰度分布更加均勻，目標區(qū)域與背景對比更加清晰，消除了光源和探測器響應帶來的系統(tǒng)性干擾。且經(jīng)過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下的真實反射比例。此外，從圖1也能夠看出各 ROI 曲線由于物質不同，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