高光譜成像技術應用
高光譜成像技術具有超多波段（上百個波段）、高的光譜分辨率（幾個nm）、波段窄（≤10-2λ）、光譜範圍廣（200-2500nm）和圖譜合一等特點。優勢在於采集到的圖像信息量豐富，識別度較高和數據描述模型多。由於物體的反射光譜具有“指紋”效應，不同物不同譜，同物一定同譜的原理來分辨不同的物質信息。
物(wu)體(ti)的(de)光(guang)譜(pu)特(te)性(xing)與(yu)其(qi)內(nei)在(zai)的(de)理(li)化(hua)學(xue)特(te)性(xing)緊(jin)密(mi)相(xiang)關(guan)，由(you)於(yu)物(wu)質(zhi)成(cheng)分(fen)和(he)結(jie)構(gou)的(de)差(cha)異(yi)就(jiu)造(zao)成(cheng)物(wu)質(zhi)內(nei)部(bu)對(dui)不(bu)同(tong)波(bo)長(chang)光(guang)子(zi)的(de)選(xuan)擇(ze)性(xing)吸(xi)收(shou)和(he)發(fa)射(she)。完(wan)整(zheng)而(er)連(lian)續(xu)的(de)光(guang)譜(pu)曲(qu)線(xian)可(ke)以(yi)更(geng)好(hao)地(di)反(fan)映(ying)不(bu)同(tong)物(wu)質(zhi)間(jian)這(zhe)種(zhong)內(nei)在(zai)的(de)圍(wei)觀(guan)差(cha)異(yi)，這(zhe)也(ye)正(zheng)是(shi)成(cheng)像(xiang)光(guang)譜(pu)技(ji)術(shu)實(shi)現(xian)地(di)物(wu)精(jing)細(xi)探(tan)測(ce)的(de)物(wu)理(li)基(ji)礎(chu)。
第一：光譜分辨率高：探測器各波段光譜帶寬，表示探測器對地物光譜的探測能力，它包括探測器總的探測波譜的寬度、波段數、各波段的波長範圍和間隔。若探測器所探測的波段越多，每個波段的波長範圍越小，波段間隔越小，則他的光譜分辨率越高。tanceqideguangpufenbianlvgao，taqudedetuxiangnenghenhaodifanyingchudiwuguangpuxingzhi，butongdiwujiandechabiezaituxiangshangnenghenhaoditixianchulai，tanceqitancediwudenenglijiuqiang。gaoguangpuyaoganyingxiangshujudeyigezhongyaotezhengshichaoduoboduanhedashujuliang，duitadechuliyejiuchengweiqichenggongyingyongdeguanjianwentizhiyi 。一般礦物質的光譜吸收峰寬度為30nm左右，隻有利用光譜分辨率小於30nm的傳感器才能夠識別出來。
第二：影像光譜合一：
主zhu要yao體ti現xian在zai圖tu像xiang和he光guang譜pu同tong時shi呈cheng現xian出chu來lai，而er且qie物wu質zhi的de特te征zheng光guang譜pu是shi連lian續xu的de，研yan究jiu物wu體ti的de任ren何he一yi個ge環huan節jie的de信xin息xi都dou可ke以yi通tong過guo數shu據ju建jian模mo的de方fang式shi來lai進jin行xing分fen析xi。
圖 高光譜數據處理分析
礦物：具有穩定化學組成份和物理結構，所以礦物的光譜主要取決於光譜吸收的特征，決定因素在於：物質內電子與晶體場的相互作用，還有分子的振動。
土壤的光譜特性：土壤的原生礦物：石英、長石、白雲母、少量的角閃石、輝石、磷灰石、赤鐵礦、黃鐵礦等。土壤中的石礫、沙粒幾乎全是由原生礦物組成，多以石英為主。粉粒絕大多數也是由石英和原生矽酸鹽礦物組成。土壤中的次生礦物主要有一下幾類：1、簡單的鹽類，如碳酸鹽、硫酸鹽和氯化物等；2、含水的氧化物，如氧化鐵、氧化鋁、氧化矽等；3、次生層狀鋁矽酸鹽，如高嶺石、蒙脫石和水化雲母類等。
土壤水分是土壤的重要組成部分，當土壤的含水量增加時，土壤的反射率就會下降，在水的各個吸收帶處1400nm、1900nm、2700nm，反射率的下降尤為明顯。對於植物和土壤，造成這種現象顯然是同一種原因，即入射輻射在水的特定吸收帶處被水強烈吸收所致。
圖 低含水量土壤的光譜曲線
圖 砂岩光譜反射率隨著水侵入時間的變化
土壤質地是指土壤中各種粒徑的顆粒所占的相對比例。他對土壤光譜反射率特性的影響，主要表現在兩個方麵：
此外，土壤質地影響反射特性的因素不僅是粒徑組合及其表麵狀況，還與不同粒徑組合物質的化學組成密切相關。
圖 礫岩的RGB圖像R:1112 G:1322 B:1533
礫岩未加水時，對反射率校準後的數據進行主成分分析處理（PCA）：PCA是用多波段數據的一個線性變換，變換數據到一個新的坐標係統，以使數據的差異達到最大。這一技術對於增強信息含量、隔離噪聲、減少數據維數非常有用。
意義：zhuchengfenfenxifashishiyongzuiweiguangfandexianxingjiangweifangfazhiyi，zaixuduojiangweichulizhongyingyongdouhenguangfan。zhuchengfenfenxifajiangfangchadedaxiaozuoweihengliangxinxiliangduoshaodebiaozhun，renweifangchayuedatigongdexinxiyueduo，fanzhitigongdexinxijiuyueshao。qijibensixiangshitongguoxianxingbianhuanbaoliufangchada、含han信xin息xi多duo的de分fen量liang，丟diu掉diao信xin息xi量liang少shao的de方fang向xiang，從cong而er降jiang低di數shu據ju的de維wei數shu。降jiang維wei後hou每mei個ge分fen量liang是shi原yuan變bian量liang的de線xian形xing組zu合he，因yin此ci，主zhu成cheng分fen分fen析xi方fang法fa本ben質zhi上shang是shi一yi種zhong線xian形xing降jiang維wei的de方fang法fa。其qi計ji算suan步bu驟zhou一yi般ban分fen為wei以yi下xia四si步bu：
給(gei)數(shu)據(ju)以(yi)不(bu)同(tong)的(de)權(quan)重(zhong)，獲(huo)得(de)更(geng)為(wei)有(you)效(xiao)的(de)數(shu)據(ju)平(ping)滑(hua)，是(shi)基(ji)於(yu)最(zui)小(xiao)二(er)乘(cheng)原(yuan)理(li)，能(neng)夠(gou)保(bao)留(liu)分(fen)析(xi)信(xin)號(hao)中(zhong)的(de)有(you)用(yong)信(xin)息(xi)，消(xiao)除(chu)隨(sui)機(ji)噪(zao)聲(sheng)的(de)有(you)效(xiao)地(di)數(shu)據(ju)平(ping)滑(hua)方(fang)法(fa)，利(li)用(yong)高(gao)次(ci)多(duo)項(xiang)式(shi)進(jin)行(xing)數(shu)據(ju)平(ping)滑(hua)，其(qi)實(shi)就(jiu)是(shi)一(yi)種(zhong)去(qu)卷(juan)積(ji)運(yun)算(suan)。
由於光譜儀采集得到的光譜信號中既包含實驗所需的有用信息，同時由於儀器精密度等原因帶來隨機噪聲，最常用的消除噪聲的方法Savitzky-Golay(SG)juanjipinghuafa，tongguoduoxiangshilaiyidongchuangkouneideshujujinxingduoxiangshizuixiaoerchengnihexinhaopinghua，jixiaochuzaoshengyoubaoliuleguangpulunkuo。youyugegeyangbenjianfenbubujunyun、樣本大小不一樣、樣本表麵散射及光程變化等都會產生散射影響，采用多遠散射校正（multiplicative scatter correction，MSC）defangfakeyiyouxiaodexiaochuzhexiesansheyingxiang。lingwai，daoshuguangpukeyiyouxiaodexiaochujixianheqitabeijingganrao，fenbianchuzhongdiefeng，tigaolingminduhefenbianlv。zhenduiguangpucaijiguochengzhongkenengcunzaidezaoshenglaiyuan，fenbieliyongMSC和SG卷積求導方法的不同組合對光譜數據進行與處理。
獲取並比較經曆以下時間段後，礫岩在吸收水分後，其礫岩的整體影像表現變化。水在岩石或者礫岩在近紅外波段900nm-2500nm波段都表現出強的吸收，上麵已經敘述。
此次試驗采用的相機光譜波段為900nm-1700nm，水的吸收帶主要集中體現在1400nm左右，而礦物岩石的光譜特征主要集中體現在2000nm-2400nm波段範圍內。
下圖為礫岩在未接觸水時，其礫岩經過主成分分析（PCA）、Savitzky-golay （數字平滑與濾波）、多遠散射校正（multiplicative scatter correction，MSC）的方法處理後，在主成分PC-3狀態下的影像表現。
圖 礫岩未加水（PC3）
同樣，選取整個礫岩數據采集的10個樣本，時間分別為：11:08、11:17、11:20、11:27、12:00、12:30、12:58、13:36、13:57、14:35共計10個時間段的高光譜影像與未加水的礫岩影像比較。
liyanzaiweixishoushuishi，qizhengtibiaoxianchuxiangtongdezhuangtai。erdangliyankaishixishoushuifenyihou，congqiliyanyushuijiechubuweikaishi，zhizhixishoukansibaohanweizhi。zaiciguochengzhong，liyanbiaoxianchufeichangmingxiandeduishuixishoudeyizhongzhuangtai。
下(xia)圖(tu)中(zhong)，從(cong)右(you)到(dao)左(zuo)，能(neng)夠(gou)看(kan)出(chu)礫(li)岩(yan)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)的(de)變(bian)化(hua)，礫(li)岩(yan)在(zai)不(bu)斷(duan)的(de)吸(xi)收(shou)水(shui)分(fen)，顏(yan)色(se)越(yue)深(shen)，而(er)且(qie)越(yue)多(duo)，說(shuo)明(ming)此(ci)區(qu)域(yu)吸(xi)收(shou)水(shui)分(fen)越(yue)明(ming)顯(xian)，礫(li)岩(yan)表(biao)現(xian)處(chu)理(li)的(de)信(xin)息(xi)是(shi)，整(zheng)個(ge)礫(li)岩(yan)在(zai)不(bu)同(tong)程(cheng)度(du)的(de)吸(xi)收(shou)著(zhe)水(shui)分(fen)，而(er)不(bu)是(shi)單(dan)個(ge)的(de)粒(li)狀(zhuang)成(cheng)分(fen)。
之前給您提供的數據分析報告，是借助其中一個顆粒來分析其隨著時間的變化，同一顆粒在吸收水分後其表現出來的特征光譜變化。
11：08 11:17
11:20 11:27
12:00 12:30
12:58 13:36
13:57 14:35
其光譜變化，我在這裏不再進行詳細的分析，因為礫岩上的每一個像素或者每一個礫岩顆粒均可在高光譜裏麵作為有效的研究對象。
這樣是高光譜非常重要的一個技術優勢：batuxiangheguangpujiehezaiyiqi，yicikeyijinxingdaliangdeshujucaiji，duiyanjiuwutihuozhewuzhizhengtihongguanbiaoxiandejishuyingyongfeichangdeyouxiao，erqieyefeichangdezhiguan。qitajishukenengzaiguangpujingdushangcunzaiyidingdeyoushi，dantamenbukenengyicixingdecaijiruciduodeshujuheyingxiang，jingdudefenxikeyijiezhufenxishouduanlaitigong。
圖 礫岩光譜反射率隨著水侵入時間的變化
一：礫岩未加水的PC狀態影像：20160408 11：08
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
二：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 11:17
newrawfile-礫岩-1-夾水-1_ref
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
三：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 11:20
newrawfile-礫岩-1-夾水-10_ref
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
四：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 11:27
20160408112703測試：
圖 RGB圖
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
五：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 12:00
20160408120014
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
六：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 12:30
newrawfile20160408123032_ref
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
七：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 12:58
newrawfile20160408125820
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
八：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 13:36
newrawfile20160408133617
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
九：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 13:57
newrawfile20160408135737_ref
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
十：礫岩加水的PC狀態影像：時間間隔：20160408 14:35
newrawfile20160408143523_ref
PC-1 PC-2
PC-3 PC-4
PC-5 PC-6
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