光谱图像基本概念及技术背景

2.1　光谱图像基本概念及技术背景

数字图像在农业资源遥感、精准农业生产、畜禽肉产品和收获后农产品的品质与安全性检测等方面已经得到广泛的研究和应用。由于数字图像具有无损、可靠、快速的优点，因此在农畜产品的品质与安全性检测中备受欢迎。在当前的农畜产品品质无损检测领域，数字图像不仅仅局限于可见光区域，还扩展到了紫外、近红外、红外、X射线等区域。

在进行科学研究过程中，人们大量使用光谱仪来获取样品的光学信息。多数情况下必须对空间不均匀样品的光学信息进行分析和确认，而使用传统的光谱仪仅仅能够以聚焦的镜头扫描样品或获得整个样品的平均特性，这种光谱和空间信息不可兼得的局限性促使光谱成像技术应运而生。

通常的数字图像是二维信息，是在一定电磁波谱范围内的成像信息。而光谱图像则是一种既包含二维的数字图像信息，又有精确光学波长信息的三维图像，同时具备了光谱和空间信息的优点。因此，农畜产品质量安全检测中应用光谱图像检测技术是一种重要发展趋势。

在光谱图像的研究中，有高光谱图像（hyperspectral imaging）、多光谱图像（multispectral imaging）的概念，甚至还有所谓“超光谱图像（ultraspectral imaging）”的概念。这些光谱图像的概念对许多人来讲既新奇又陌生，甚至有许多人会把这三个概念混淆。此外，光谱图像研究还涉及“成像光谱仪”的概念，同样使许多初学者感到很困惑。因此这里有必要对这些技术概念进行详细阐述。

首先对光谱图像的一些技术背景进行介绍。在20世纪60年代，发达国家使用人造地球卫星围绕地球来获取地球的图片资料，获取这些信息的有利工具就是成像技术，因此，成像技术就成为军事、航天、遥感等研究的重点。当初，人们在传统的成像技术中就已经知道黑白图像的灰度级别代表了光学特性的差异，可用于辨别不同的材料。基于此，科学家对地球成像时，就有目的地选择一些有颜色的滤波片来成像，结果发现，这样做对于提高特殊农作物、大气、海洋、土壤等的辨别能力大有裨益。这就是人类最早的多光谱图像技术。

多光谱图像技术最早出现在美国的Landsat卫星上和法国SPOT卫星上。这些最早的星载图像传感器以离散的几种颜色（或者几个波段）对地球成像。这些颜色和波段都属于一段比较宽的光学波长范围。

多光谱图像仅仅以几个连续的光谱波带成像就能够很好地区分不同物体特征，对于研究地球环境非常有用。因此人们就开始设想要把波带数拓展得更多，把光谱分辨率拓展得更细。由于光学器件和计算机技术的发展，这种设想逐步变成了可能，从而诞生了高光谱图像技术（或者说高光谱成像技术）。

高光谱成像技术起初也是用于遥感，出现在20世纪80年代初期。首先出现的是机载成像光谱仪（airborne imaging spectrometer），如今已拓展到先进的可见和红外成像光谱仪。成像光谱仪最早都诞生在美国国家航天航空管理局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的JPL中心。全球第一个星载高光谱成像器于1997年在NASA随着Lewis卫星发射升空，它包含了384个波段，涵盖了400～2 500nm的波长范围。随后，一些实验性的机载高光谱成像器在美国国防部（Department of Defense，DOD）得到了重点研发，这些机载的高光谱成像系统涵盖了VNIR（可见近红外）、SWIR（短波红外）、MLIR（3～5μm）、LWIR（长波红外线，适应波段8～12μm）。

从多光谱到高光谱图像技术的进步得益于光学仪器的发展。目前，窄带滤波片可以使多光谱图像的分辨率更高，得到的每个波段图像具有很窄的光谱信息。如紫外、可见光范围的窄带滤波片可以有±2nm的精度，近红外区域也能达到±5nm的精度。高光谱图像技术采用成像光谱仪器件的结构已向简单方向发展，成本逐步降低，而分辨率得到提高（＜2nm），大大促进了高光谱图像技术的应用，使原来用于军事目的、显得神秘的高光谱成像技术越来越多地转为民用。而且人类对更好更高的追求从来都没停止过，现在光谱成像技术已经发展到超光谱时代。比如，超光谱图像技术使用的是空间发射光谱仪（atmospheric emission spectrometer，AES），这个超光谱成像仪在红外波段就能产生数千个波带，分辨率极高。

目前，光谱图像技术已经走出了最初的军事应用的局限，在国土资源调查、精准农业生产和研究、农产品分选和检测等多种应用领域发挥不可替代的作用。成像光谱技术所覆盖的波长范围越来越广，已经有400～1 000nm、900～1 700nm、1 100～2 500nm、3 000～15 000nm等各种成像光谱仪和高光谱成像器相继出现。