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高光譜成像儀光譜數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理方法

時間:2023-12-05 點擊:382次

高光譜成像儀作為精密的光學(xué)儀器,它不僅可以獲得目標(biāo)的二維空間信息,同時還能獲得目標(biāo)的一維光譜信息,形成一個三維數(shù)據(jù)立方體,完成對目標(biāo)特性的綜合探測。本文對高光譜成像儀光譜數(shù)據(jù)的獲取方法與處理方法做了介紹,對此感興趣的朋友可以了解一下!

高光譜成像儀

高光譜成像儀光譜數(shù)據(jù)的獲取方法:

高光譜數(shù)據(jù)采集完成后,因為在實驗過程中采集的高光譜圖像會包含一些背景噪聲,需要對高光譜成像儀拍攝的樣本圖像去除噪聲和背景,選取感興趣區(qū)域(Region Of Interest,ROI),然后提取ROI范圍內(nèi)平均反射率作為光譜特征。提取流程為:

讀取經(jīng)過校正處理的高光譜圖像,進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換得到灰度圖像,根據(jù)灰度值不同設(shè)置閾值進(jìn)一步分割轉(zhuǎn)化為二值化圖像,將分割后的二值化圖像與高光譜圖像“與”操作,得到感興趣區(qū)域,計算感興趣區(qū)域樣品所有像素點的平均反射率,以此作為目標(biāo)樣品的光譜特征。


高光譜成像儀光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法:

高光譜在采集數(shù)據(jù)時會有成百上千個不同的波段數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量巨大從而增加了數(shù)據(jù)處理的難度。而且在高光譜圖像采集過程中會有來自儀器與環(huán)境的干擾,獲得的光譜信號易存在噪聲和基線漂移等誤差,很多數(shù)據(jù)是無效的需要依靠后續(xù)手段提取光譜數(shù)據(jù)中的有效信息,為了提高信噪比與模型分類準(zhǔn)確性,最大程度方便后續(xù)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。目前,用于光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法有很多,主要包括Norm、MSC、1st、SG和SNV幾種數(shù)據(jù)處理方法。

1.Norm處理方法

Norm將數(shù)據(jù)按比例平移、縮放,使數(shù)據(jù)統(tǒng)一映射到特定區(qū)間內(nèi),其目的是消除不同數(shù)據(jù)單位的限制,讓數(shù)據(jù)具有可比性,避免數(shù)據(jù)量綱對結(jié)果產(chǎn)生的影響,同時也可以使數(shù)據(jù)的每個特征對模型分析結(jié)果做出同樣的貢獻(xiàn),便于下一步建模處理。

2.MSC處理方法

MSC處理數(shù)據(jù)之后效果明顯,可以提高模型分析結(jié)果,因此被廣泛用于處理各種物質(zhì)的原始光譜。由于光在物體表面散射作用不同,生成的光譜曲線也會發(fā)生變化,而MSC可以減少由于物體表面顆粒大小分布不均勻引起的散射現(xiàn)象,通過計算樣本所有像素點的光譜數(shù)據(jù)的平均值作為修正光譜,并以此修正減少光譜間由于基線平移導(dǎo)致的差異,對光譜數(shù)據(jù)校正,有效增強有用的光譜信息。

3.1st處理方法

1st對光譜直接求一階導(dǎo)數(shù),可以表示某個波長的變化率。在數(shù)據(jù)采集過程中,由于背景顏色還有光照強度等因素會造成一些不可避免的誤差,但是通過導(dǎo)數(shù)算法可以有效消除由背景漂移造成的干擾,降低誤差提高數(shù)據(jù)分辨率和靈敏度。

4.SG處理方法

SG平滑又稱卷積平滑,是基于最小二乘原理的一種預(yù)處理算法,被廣泛用于數(shù)據(jù),去噪。通過使用最小二乘法對高階多項式進(jìn)行擬合獲得加權(quán)權(quán)重,然后對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)濾波處理,SG能夠增加光譜特征的平滑性,保留樣本相對極大值和極小值等特性,消除光譜中的高頻噪音,減少拍攝過程中的噪音干擾。

5.SNV處理方法

SNV與MSC方法類似,主要是減少光照時由于樣本顆粒大小以及不均勻造成的表面散射現(xiàn)象。但是SNV的計算核心是假定測量樣本的光譜中各個波長的反射率值滿足正態(tài)分布,并且是針對每條光譜分別進(jìn)行校正,從而使其盡量接近沒有光譜信號誤差的理想光譜。

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