Was ist hyperspektrale Bildgebung?
Hyperspektrale Bildgebung ist eine Technik, die einem reflektierten Bild, das die Spektraldaten des Ziels enthält, eine bunte dritte Dimension hinzufügt. Es kann in Anwendungen wie der topografischen Analyse von Mineralvorkommen oder Farmen, der militärischen Überwachung, der medizinischen Gewebeanalyse und der archäologischen Kartierung eingesetzt werden. Hyperspektrale Bildgebung liefert eine Fülle von Licht- und Zusammensetzungsdaten von Bildgebungssensoren im Feld, im Labor und sogar im Weltraum.
Die spektrale Bildgebung analysiert Reflexionsspektren oder Lichtwellenlängendaten. Möglicherweise werden Technologien wie reflektierende Spiegel, Prismen, Linsen und Lichtsensoren verwendet, ähnlich wie Komponenten und CCD-Chips (Charge Coupled Device) in einer Digitalkamera. In Kombination mit der Remote Imaging-Technologie wird die spektrale Bildgebung verwendet, um Wellenlängen des von einem Zielmaterial gestreuten elektromagnetischen Spektrums zu messen. Geräte, die als Spektrometer und Spektroradiometer bezeichnet werden, notieren Variationen der Energiewellenlänge des von einem Ziel reflektierten Lichts und ermöglichen es den Beobachtern, die Zusammensetzung des Materials oder der Landschaft zu bestimmen.
Hyperspektrale Bildgebung nutzt moderne Rechenleistung, um Daten aus vielen Bildern zu kombinieren und die dritte Dimension der Spektraldaten direkt in das Bild einzufügen. Dieser Datensatz wird wie ein Stapel von Schnappschüssen in einen „hyperspektralen Würfel“ gestapelt, in dem jedes Pixel seine Spektraldaten enthält. Die multispektrale Bildgebung kombiniert Daten von zehn oder Hunderten von elektromagnetischen (EM) Bändern, aber hyperspektrale Würfel können Daten von Tausenden von Bändern verarbeiten.
Bei der multispektralen Bildgebung werden normalerweise Daten von mehreren Sensoren verwendet, wohingegen hyperspektrale Daten häufig als Satz zusammenhängender Bänder von einem einzelnen Sensor erfasst werden. Je mehr Daten vorhanden sind, desto klarer wird das Bild. Je klarer das Bild, desto leichter lässt sich feststellen, aus welchem Stoff oder welchen Stoffen das Motiv besteht.
Einige Anwendungen der hyperspektralen Bildgebung umfassen chemische Analyse, Fluoreszenzmikroskopie, Wärmebildgebung, archäologische Entdeckung und forensische Untersuchung. Medizinische hyperspektrale Bildgebung extrahiert visuelle Wellenlängen eines räumlichen Bereichs und synthetisiert die Schnitte zu einer „topografischen Karte“, die für eine eindeutige medizinische Analyse der Gewebeeigenschaften für verschiedene Diagnose- oder Forschungszwecke bereit ist. Diese Bildgebungstechnologie kann mehr vom EM-Band erfassen als sichtbares Licht, einschließlich Infrarot- und Ultraviolettwellenlängen, sodass Informationen verbessert werden können, die für das bloße Auge möglicherweise nicht sichtbar wären. Alle Materialien enthalten spektrale Signaturen, die wichtige Hinweise für eine Vielzahl von Anwendungen in vielen Bereichen liefern können.
Wenn Forensiker beispielsweise die Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung des Bodens und des Pflanzenwachstums verstehen, können sie ansonsten unbekannte Grabstellen lokalisieren. Dies liegt daran, dass die Zersetzung die Reflexionsspektren des Pflanzenwachstums von ihrer Umgebung unterscheidet. Einfach gesagt, das zusätzliche Chlorophyll, das in durch Zersetzung gedüngten Pflanzen enthalten ist, macht sie in hyperspektralen Daten viel sichtbarer als mit bloßem Auge.
Fernerkundung und digitale Bildgebung finden laufend neue Anwendungen. Spezialbibliotheken mit bekannten Spektraldaten von Materialien wurden Forschern und Zivilisten zunehmend von Organisationen wie der US-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (NASA) zur Verfügung gestellt. In vielen Branchen wurden ständig neue Anwendungen für diese Technik entwickelt. In der Landwirtschaft können unter anderem Pflanzensorten, Wasser- und Nährstoffbedingungen sowie die Früherkennung von Krankheiten bestimmt werden. Mit zunehmender Verfügbarkeit der Technologie für die Öffentlichkeit wird erwartet, dass ständig neue Anwendungen entwickelt werden, die gegenüber der relativ begrenzten analytischen Leistungsfähigkeit der Einpunktspektroskopie von großem Vorteil sind.
Die Wärmebildtechnologie wird seit langem in der militärischen oder Luftüberwachung eingesetzt. Aus diesem Grund wurden spezielle Techniken entwickelt, um diese Technologie zu vereiteln und die Wärmesignaturen der Bodentruppen aus der Luft zu maskieren. Die hyperspektrale Bildgebung könnte diese Gegenmaßnahmen durch eine Vielzahl von Spektralbandmessungen zunichte machen und eine Präzisionsanalyse ermöglichen, mit der die spektralen „Fingerabdrücke“ des Ziels aufgedeckt werden können.
Das gesamte Spektrum wird für jedes Informationspixel erfasst, sodass der Beobachter keine Vorkenntnisse eines Materials benötigt, um eine Analyse durchzuführen. Die Computerverarbeitung kann alle verfügbaren Daten für eine vollständige Analyse einer Probe enthalten. Dies erfordert dedizierte Rechenressourcen, einschließlich kostspieliger sensibler Geräte und einer großen Speicherkapazität für Daten. Ein Hyperspektralwürfel repräsentiert mehrdimensionale Datensätze, für deren Verarbeitung jeweils Hunderte von Megabyte erforderlich sind.