高光譜數據到底怎麼看？從原始信號到真實光譜特征

什麼是高光譜？

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。空間維度記錄目標在二維平麵上的空間分布（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）。相比普通彩色圖像隻有紅、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，*大地豐富了物體的光譜特征。

為什麼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於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、單位麵積

、單位立體角的輻射功率

，常用單位W·m−2^·sr−1^·nm−1。成像光譜儀麵向目標時，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係數 ak,bk，把 DN 映射到 L：

其中 Sk為係統輻射響應度（把“每曝光時間的淨 DN”換算成物理量的比例係數），t為曝光時間。

3. 反射率

在(zai)高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)中(zhong)，探(tan)測(ce)器(qi)最(zui)初(chu)采(cai)集(ji)到(dao)的(de)數(shu)據(ju)是(shi)輻(fu)射(she)亮(liang)度(du)，即(ji)目(mu)標(biao)物(wu)體(ti)在(zai)不(bu)同(tong)波(bo)段(duan)上(shang)向(xiang)外(wai)輻(fu)射(she)或(huo)反(fan)射(she)的(de)能(neng)量(liang)強(qiang)度(du)。然(ran)而(er)，這(zhe)一(yi)原(yuan)始(shi)信(xin)號(hao)不(bu)僅(jin)包(bao)含(han)物(wu)體(ti)自(zi)身(shen)的(de)信(xin)息(xi)，還(hai)受(shou)到(dao)光(guang)源(yuan)強(qiang)度(du)、環(huan)境(jing)條(tiao)件(jian)以(yi)及(ji)儀(yi)器(qi)響(xiang)應(ying)等(deng)多(duo)種(zhong)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)。因(yin)此(ci)，為(wei)了(le)獲(huo)得(de)能(neng)夠(gou)反(fan)映(ying)物(wu)體(ti)本(ben)征(zheng)特(te)性(xing)的(de)光(guang)譜(pu)信(xin)息(xi)，需(xu)要(yao)將(jiang)輻(fu)射(she)亮(liang)度(du)數(shu)據(ju)經(jing)過(guo)校(xiao)正(zheng)，轉(zhuan)化(hua)為(wei)反(fan)射(she)率(lv)。

反fan射she率lv是shi指zhi物wu體ti在zai特te定ding波bo長chang下xia對dui入ru射she光guang的de反fan射she能neng力li
，它ta是shi一yi個ge與yu外wai界jie光guang照zhao條tiao件jian相xiang對dui無wu關guan的de物wu理li量liang，能neng夠gou直zhi接jie反fan映ying物wu質zhi的de光guang譜pu特te性xing。為wei了le完wan成cheng從cong輻fu射she亮liang度du到dao反fan射she率lv的de校xiao正zheng，通tong常chang需xu要yao進jin行xing白bai板ban和he暗an場chang校xiao準zhun。白bai板ban校xiao準zhun利li用yong高gao反fan射she率lv、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*光源和儀器係統對信號的影響；暗(an)場(chang)校(xiao)準(zhun)則(ze)是(shi)在(zai)完(wan)全(quan)無(wu)光(guang)或(huo)遮(zhe)擋(dang)情(qing)況(kuang)下(xia)測(ce)得(de)探(tan)測(ce)器(qi)本(ben)身(shen)的(de)噪(zao)聲(sheng)水(shui)平(ping)，用(yong)於(yu)去(qu)除(chu)背(bei)景(jing)噪(zao)聲(sheng)幹(gan)擾(rao)。經(jing)過(guo)白(bai)板(ban)和(he)暗(an)場(chang)校(xiao)準(zhun)後(hou)
，最(zui)終(zhong)得(de)到(dao)的(de)反(fan)射(she)率(lv)數(shu)據(ju)可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)排(pai)除(chu)外(wai)部(bu)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang)，更(geng)準(zhun)確(que)地(di)體(ti)現(xian)不(bu)同(tong)物(wu)質(zhi)的(de)真(zhen)實(shi)光(guang)譜(pu)特(te)征(zheng)。黑(hei)白(bai)校(xiao)正(zheng)的(de)公(gong)式(shi)為(wei)：​

式中：R是校正後的反射率數據；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，校正後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*了光源和探測器響應帶來的係統性幹擾。且經過校正後的反射率曲線
，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 曲線由於物質不同，所反映出的光譜特征也不同。

圖1. 反射率校正前和校正後的光譜曲線