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如何分析和处理高光谱成像技术获得的高光谱图像?

来源:赛斯拜克 发表时间:2023-08-03 浏览量:698 作者:awei

高光谱成像技术是一种融合光学二维成像和光谱分析的多维成像技术,能够同时获取目标的空间信息和光谱信息。本文介绍了高光谱图像分析和处理的方法,包括光谱预处理和化学计量学算法。同时,还提到了高光谱数据处理中的休斯效应以及如何应对该问题。这些内容对于对高光谱图像感兴趣的读者是非常有帮助的。

高光谱成像技术是一种将光学二维成像技术和光谱分析技术相结合的多维成像技术。它能够同时捕捉到目标的空间信息和光谱信息,并实现"图谱合一"。那么,我们来介绍一下如何分析和处理高光谱图像吧。希望对对此感兴趣的朋友有所帮助!

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高光谱成像技术是一种用于获取和分析物体的光谱信息的技术。它通过同时记录多个离散波长处的光谱数据,从而可以对物体的光谱特征进行详细的分析。这项技术可以应用于多个领域,如农业、地质学、环境监测等。高光谱成像技术可以帮助我们更好地了解和研究物体的特性,从而提供更准确的诊断和分析结果。

高光谱成像技术是一种通过获取物体在不同波段上的光谱信息进行分析和识别的技术。它可以获取比传统成像技术更为详细的信息,并且可以应用于许多领域,如遥感、医学成像、食品检测和环境监测等。


高光谱成像(HSI)技术是一种快速检测、无损伤、可扫描分析样品的技术,广泛应用于农业、军事、食品、环境、医疗、微生物和矿物勘探等领域的研究。在获取二维图谱方面,高光谱成像技术超越了拉曼光谱和FT-IR,具有图谱合一的优势,这是由于其独特的空间和光谱分辨率。空间分辨率与测量样品图像像素之间有一定的几何关系,而光谱分辨率则确定了每个空间像素点所代表的波长变化函数,使每个空间像素点关联一条连续光谱曲线,包含数十至数百个光谱波段。高光谱成像技术结合了传统的二维RGB图像与光谱技术,通过将图像上每个空间像素点的光谱特性与其空间信息联系起来,确定每个像素点所代表物质的化学性质,从而对不同样品进行详细的检测和分类。

利用高光谱成像光谱仪采集样品数据时,数据可能包含噪音,并受到仪器和环境的影响。为了提高数据处理的准确度,我们通常需要进行光谱预处理,去除或减少干扰信息,保留更多有效信息。此外,高光谱数据包含数千甚至数万个数据点,相邻数据点通常会具有高度相关的光谱特征。因此,高光谱图像中常常存在大量重叠的冗余信息。对于庞大的高光谱数据,进行统计识别时会出现维度过高的问题,即“休斯”效应。这对于数据处理带来了巨大挑战。休斯效应会对高光谱图像的分类过程产生负面影响,使得分类器性能下降,分类识别的准确度降低。因此,在对高光谱图像进行分类时,非常需要一种鲁棒的化学计量学算法来应对休斯效应。


常见的高光谱图像分析和处理方法:

预处理:首先,需要对原始高光谱数据进行预处理,包括去除噪声、校正仪器响应、几何校正等。这些预处理操作可以提高图像质量,为后续的分析工作奠定基础。

特征提取:高光谱图像的特征提取是基于像素点的光谱信息进行的。常见的特征提取方法包括主成分分析(PCA)、线性判别分析(LDA)、自动编码器(AE)等。这些方法可以帮助我们降维、压缩数据,以及提取有意义的特征信息。

分类与目标识别:在特征提取的基础上,可以进一步进行分类和目标识别。分类方法可以分为传统的机器学习算法,如支持向量机(SVM)、决策树等,以及深度学习算法,如卷积神经网络(CNN)等。目标识别则是通过将特征与已知的类别进行匹配,从而确定像素点所属的类别。

伪彩色编码:伪彩色编码是将高光谱图像中每个像素点的光谱信息映射到彩色空间,从而生成具有视觉直观性的图像。这种编码方法可以帮助我们更好地理解和解释高光谱图像。

数据可视化:数据可视化是分析高光谱图像的重要手段。通过绘制散点图、直方图、伪彩色图像等可视化结果,可以更直观地了解高光谱图像中的光谱分布和空间信息。

模型验证与优化:在高光谱图像分析过程中,需要不断验证和优化所采用的模型。这包括对模型的准确性、鲁棒性、计算效率等方面的评估和改进。


高光谱成像技术的图像分析与处理方法是通过对高光谱图像进行分析和处理来实现的。

化学计量学算法是一种适用于不同类型图像数据处理的方法,从简单图像到复杂高光谱图像都可以使用。这个强大的工具可用于分析光谱数据集,通过修改数据结构,突出光谱特征,非常实用。在对高光谱图像进行分类之前,通常需要使用预处理方法来优化原始光谱数据,主要有平滑、滤波、多元散射校正和导数算法等常用的高光谱预处理方法。

光谱数据的噪声信号可以通过平滑算法明显降低。具体的处理过程是以选定的数据为中心,结合一定范围内的其他数据,并根据不同的计算公式来计算该选中心数据的具体值。这样处理后的光谱曲线会更加平滑,大大增加了高光谱数据的信噪比。主成分分析法(PCA)在数据预处理中,将最重要的信息集中到前几个主成分(PCs)中,以减少数据的维度。这可以有效克服休斯现象。通过预处理方法处理后的高光谱图像数据,可以大大减小数据量,提高数据的信噪比,并节省下一步图像识别检测的分析时间。

目前常用的高光谱数据分类处理方法主要包括MD、ML和SVM等。MD是一种有监督的线性距离学习算法,它通过选取训练集样本来计算出有效的度量矩阵,该矩阵可以最大限度地反映样品数据之间的差异。在高光谱数据分析中,使用度量矩阵使同一类数据样本更加密集地分布在一起,同时使相似度较低的数据样本之间的差异增大。

机器学习(ML)是一种基于贝叶斯准则的非线性监督分类技术。它在高光谱图像中选择已知物体作为训练样本集,并利用特定参数空间统计训练样本的特征标准。然后,通过应用不同的判别函数确定分类边界,将高光谱图像中的未知像元分为不同的类别。

SVM是一种常用于科学研究中的非线性分类算法。与传统方法不同,SVM通过优化超平面来使不同类别之间的差异最大化,从而减小泛化错误的上限。相较于其他分类算法,SVM在处理非线性和高维小样本数据方面具有更大优势,研究也已证明SVM对于“休斯”效应具有很好的鲁棒性。


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