高光谱成像是一种将光谱技术与成像技术相结合的强大技术，能够以传统成像系统无法实现的方式收集物体和表面组成及特征的详细信息。由于高光谱成像能够以无破坏性的非侵入方式识别和量化材料，其在各种行业和研究应用中越来越受欢迎。

什么是光谱成像？

光谱成像是使用整个电磁波谱范围内多个波段的成像技术。RGB 相机使用三个可见光波段（红色、绿色和蓝色）来生成图像，而光谱成像可以检查物体与许多其他波段的相互作用，包括 250 nm 到 15,000 nm 以及热红外波段。光与物质之间相互作用的研究称为光谱学或光谱检测。

图 1.高光谱成像可以捕获 250 nm 至 15,000 nm 以及热红外波长的光。

光谱成像系统中采用的成像技术可以捕获和处理有关图像内光波长的信息。这些系统旨在捕获电磁波谱中超出人眼可见光范围的多个波段或信息通道，然后该数据经过处理可以生成光谱数据的颜色编码表示，从而提供有关图像中物体的化学和物理特征信息。

高光谱成像的工作原理是什么？

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。 

高光谱相机会捕捉场景中的光，并将其分拆到各个不同的波长或光谱波段。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。 

最后，高光谱相机会生成一张高光谱图像，其中每个像素代表一个独特的光谱。这种独特的光谱类似于指纹。由于每种材料和化合物对光的反应都不同，因此它们的光谱特征也不同。就像指纹可用来识别个人一样，光谱可以用来识别和量化场景中的材料。 

高光谱成像可提供什么信息？

高光谱成像系统会分析光谱响应，根据独特光谱来检测图像中的特征或物体并进行分类。

高光谱成像将数字成像与光谱仪的优势相结合，可提供关于物体的物理和化学特性的空间和光谱信息。光谱信息可用于识别材料并对其进行分类，空间信息则提供了关于材料分布和区域分离的数据。高光谱成像可以回答有关“什么”（基于光谱）、“哪里”（基于位置）和“何时”的问题。

图 2：为了匹配人眼的视觉效果，叶子的数码照片（上图）使用红绿蓝三个波段来生成。RGB 数据相当于一本三页的小册子。相比之下，叶子的高光谱图像（下图）会捕获 220 个波长的光谱响应。这就相当于一本 220 页的书，其中包含相应物体的更多详细信息。

高光谱成像有哪些优势？

高光谱成像的主要优势之一是其空间和光谱分辨率高，可以对材料进行详细表征分析。

高光谱相机可以测量成千上万甚至数十万个光谱，从而生成包含位置、波长和时间相关信息的大型高光谱数据立方体。

高光谱成像让我们能够区分具有相似物理或视觉特征的材料，或者具有人眼无法分辨的材料，例如不同的矿物。

高光谱成像有什么用途？

高光谱成像技术在工业、研究和遥感中的应用越来越广泛。

高光谱成像系统提供的数据可在检测期间用于查找或分选普通相机或人眼看不见的各种材料，或者量化材料的浓度。例如，集成到在线质量控制系统中后，高光谱成像系统可用于识别产品中的异物、污染物以及脂肪、糖分或水分含量。

通过遥感获取的高光谱图像可以提供矿物或植被等地表信息。

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。这有助于检测生态退化的早期迹象并跟踪保护工作的效果。

2. 矿产勘探：测绘矿床，检测矿物成分和分级。

3. 质量控制：以没有破坏性的方式，对食品进行检查和分级或者对工业产品中的污染物和缺陷进行检测。

4. 废品管理：以高精度可靠地分离各种各样的材料。此信息可用于实现回收过程自动化并提高回收材料的价值。

5. 农业：评估作物的健康状况和产量，监测土壤水分和养分含量，从而优化作物管理实践并提高作物产量。

6. 军事侦察：检测和识别危险材料等等。

综上所述，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，有助于各行各业改进工艺流程、提高质量和减少浪费。