高光谱成像技术的发展及其在不同领域的具体应用

高光谱成像技术是将光谱技术和多个成像技术结合所产生的一种新兴无损检测技术，该技术可以获得样本的图像信息和光谱信息，具有图谱合一的特点，目前以广泛的应用于不同的行业。本文对高光谱技术的发展、特点及应用做了介绍，感兴趣的朋友可以了解一下！

高光谱成像技术的发展：

光谱成像技术是一门综合技术，集光学、光谱学、精密仪器、微弱信号检测、计算机技术、信息处理技术于一体，光谱成像技术是光谱技术和成像技术的有机结合，它能够在电磁波谱的紫外、可见光、近红外、中红外和远红外区域，获取大量很窄且光谱连续的图像数据，其中图像中的每个像元可以提取出一条完整而连续的光谱曲线。鉴于光谱成像仪可以同时获取同一目标的光谱和空间信息，直接反应观测目标的空间和光谱特征，揭示观测目标的物质成分，因此光谱成像技术具有极高的应用价值。

通常认为，光谱成像技术的兴起出现于20世纪80年代，其标志是世界上第一台成像光谱仪由美国的喷气推进实验室研制成功。它被称为AIS，它采用了32×32的碲镉汞混成焦平面器件，通过光栅的摆动，在0.9～2.4um红外波段内获取128个波段的数据。根据传感器的光谱分辨率的不同，光谱成像技术分为多光谱成像、高光谱成像和超光谱成像。光谱成像技术最初主要用于遥感领域，通常也有不同的命名，如成像光谱学（Imaging Spectroscopy）、高光谱遥感（Hyperspectral Remote Sensing）以及成像测谱术（Imaging Spectrometry）。随着光学、计算机和精密仪器等科学技术的不断发展，光谱成像技术也取得了巨大的进步。

高光谱成像技术的特点：

将光谱技术和多个成像技术结合所产生的技术成为高光谱成像技术。高光谱成像技术不仅能够得到样品的光谱信息，还能够对待测样本的空间信息进一步获取。样本在全部波段下的信息可以通过每一个像素点进行获取，同样全部像素点的信息存在于高光谱的每一个波段之下。

成像光谱仪利用棱镜-光栅-棱镜（PGP）将可见-近红外光分为上千个连续窄波段，其具体的分辨率在通常情况下＜10nm。连续窄波的图像信息可以通过CCD相机进行获取或捕捉，可以有效地判别样品的内外品质，可以更加准确的检测样品。虽然可以捕获样品的大量信息，但是也存在很多难题，比如：数据量比较大、冗余信息比较多、数据处理难度大等不可避免的问题。

高光谱成像技术与计算机视觉技术、近红外光谱技术相比，其主要特点是对于样本“面”信息的获得，而机器视觉技术获得的只是样本的一个图像信息，近红外获得的是样本的“点”信息，高光谱成像技术既能够获取样本的光谱信息，并且能够得到图像的信息。

高光谱成像技术的应用：

光谱成像技术作为一门近三十年内兴起的新兴的综合技术，广泛应用于海洋研究、大气探测、植被研究、地质研究、生物医学、农畜产品品质检测以及文物鉴定保护等多个领域，下面将分别阐述光谱成像技术在这些领域的应用情况。

1、海洋研究中的应用

随着光谱成像技术的不断发展，成像光谱仪的分辨率也在不断提高目前已达到纳米级别，因此可以利用光谱成像仪去检测海洋和湖泊的水质，“海洋窗口”是指450～600nm的蓝光至黄光波段，利用这个波段可以很好的观测海洋和湖泊中浮游生物、沉积性悬浮物、叶绿素分布等情况。

2、大气探测中的应用

光谱成像技术在大气探测中的应用主要分为两个方面：一方面，检测大气中温室气体的含量，如二氧化碳、臭氧及污染气体；另一方面，确定大气温度和水汽垂直分布的情况，进行大气过程研究和地球表面成分分析等。大气探测对光谱成像仪的光谱分辨率要求较高，通常采用超光谱成像仪。

3、植被研究中的应用

利用高光谱数据可以分析得到植物叶子和植冠中的化学成分，通过观测这些化学成分的变化，从而监测大气和环境的变化引起的植物功能变化。

4、地质研究中的应用

光谱成像技术最初被应用于矿物探测、岩矿识别、油气渗漏监测和矿产环境监测，这也是最初高光谱遥感应用的最成功的领域。

5、生物医学中的应用

随着基因医学、分子生物学等生物医学领域的快速发展，对分析检测也提出更高的要求，不再满足于传统的定性和定量分析，“综合形态分析”的概念于1999年在匹兹堡化学与光谱学会议上被提出。综合形态分析要求提供观测样本中的生化成分或者化学成分的定量分布影像以及其变化信息。光谱成像技术可以满足综合形态分析、定性和定量等要求，因此具有极大的学术价值和应用价值，在生物医学的各个领域有广泛的应用前景。

6、农畜产品品质检测中的应用

从二十一世纪初开始，光谱成像技术在农畜产品品质检测领域显现出了巨大的潜力，尤其是在对农产品的内外品质检测方面，光谱成像技术在农畜产品品质检测的研究中，主要是对苹果品质的检测，例如表皮污染、硬度、糖度、缺陷以及可溶性固体物方面的检测，其次是小麦和黄瓜品质的检测，以及鸡肉表面污染的检测。其他检测对象包括：马铃薯、柑橘、猪肉、梨子、蘑菇等等。通过高光谱数据提取农产品表面颜色、结构以及组分的信息，同时获取对象内部的一些信息，实现农产品品质的预测。

7、文物鉴定保护中应用

不同的文物具有不同的分子结构和年代特征，因此在一定的光谱波段范围有不同的自然发光光谱、吸收光谱、散射光谱、受激发射光谱的特性，不同的文物由于具有不同的分子结构特征和年代特征都具有各自的特征波长，将这些特征波长作为检测和鉴定文物的指纹。光谱成像技术可以获得检测和鉴定文物的指纹，并给出一定光谱波段范围的光谱图像。