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?？臻g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“三維數據立方體”：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十到上百條窄波段數據，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出獨特的反射特性。同時，宏觀狀態如粗糙度、含水量和密度等也會進一步改變光譜表現。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，實現物體識別和定量分析。

高光譜常見的數據

1. DN 值（Digital Number）

DN 就是相機探測器把光信號轉成的數字值，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 ak,bk，把 DN 映射到 L：

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

3. 反射率

在高光譜成像中，探測器*初采集到的數據是輻射亮度，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，需要將輻射亮度數據經過校正，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。經過白板和暗場校準后，*終得到的反射率數據可以有效排除外部因素的影響，更準確地體現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據；I是原始光譜數據；W是標準白板圖像數據；B是關閉鏡頭的暗電流圖像數據。

以不同煙葉高光譜數據為例（圖1），能夠看出，原始未校準下的圖像背景和樣品區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性干擾。且經過校正后的反射率曲線，縱軸歸一化到 0–1 區間，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