Co to jest obrazowanie hiperspektralne?
Obrazowanie hiperspektralne to technika, która dodaje kolorowy trzeci wymiar do odbijanego obrazu, który zawiera dane spektralne celu. Może być stosowany w aplikacjach takich jak analiza topograficzna złóż lub farm mineralnych, nadzór wojskowy, analiza tkanek medycznych i mapowanie archeologiczne. Obrazowanie hiperspektralne zapewnia bogactwo danych dotyczących światła i składu z czujników obrazowania w terenie, w laboratorium, a nawet w przestrzeni kosmicznej.
Obrazowanie spektralne analizuje widma odbicia lub dane o długości fali światła. Może wykorzystywać technologię, taką jak lustra odbijające, pryzmaty, soczewki i czujniki światła, podobnie jak komponenty i układy CCD w aparacie cyfrowym. W połączeniu z technologią zdalnego obrazowania obrazowanie widmowe służy do pomiaru długości fali widma elektromagnetycznego rozproszonego przez materiał docelowy. Urządzenia zwane spektrometrami i spektroradiometrami odnotowują zmiany długości fali energii światła odbijanego od celu i pozwalają obserwatorom określić skład kompozycji materiału lub krajobrazu.
Obrazowanie hiperspektralne wykorzystuje nowoczesną moc obliczeniową do łączenia danych z wielu obrazów i dodawania trzeciego wymiaru danych spektralnych bezpośrednio do obrazu. Ten zestaw danych jest ułożony w „sześcianie hiperspektralnym”, podobnie jak stos migawek, w których każdy piksel zawiera dane spektralne. Obrazowanie wielospektralne łączy dane dziesiątek lub setek pasm elektromagnetycznych (EM), ale kostki hiperspektralne mogą przetwarzać dane z tysięcy pasm.
Obrazowanie wielospektralne zwykle wykorzystuje dane z wielu czujników, podczas gdy dane hiperspektralne są często gromadzone jako zestaw ciągłych pasm z jednego czujnika. Im więcej danych, tym wyraźniejszy obraz. Im wyraźniejszy jest obraz, tym łatwiej jest ustalić, z jakiej substancji lub substancji powstaje przedmiot.
Niektóre zastosowania obrazowania hiperspektralnego obejmują analizę chemiczną, mikroskopię fluorescencyjną, obrazowanie termiczne, odkrycia archeologiczne i badania kryminalistyczne. Medyczne obrazowanie hiperspektralne wyodrębnia wizualne długości fal obszaru przestrzennego i syntetyzuje plastry w „mapę topograficzną” gotową do jasnej analizy medycznej właściwości tkanek dla różnych diagnoz lub celów badawczych. Ta technologia obrazowania może uchwycić więcej pasma EM niż światło widzialne, w tym długości fal podczerwonych i ultrafioletowych, dzięki czemu może poprawić informacje, które w przeciwnym razie byłyby niewidoczne gołym okiem. Wszystkie materiały zawierają sygnatury spektralne, które mogą dostarczyć istotnych wskazówek dla wielu zastosowań w wielu dziedzinach.
Na przykład, rozumiejąc różnice w składzie chemicznym gleby i wzrostu roślin, badacze kryminalistyczni są w stanie wskazać nieznane w inny sposób groby. Dzieje się tak, ponieważ rozkład różnicuje widma odbicia wzrostu roślin od ich otoczenia. Krótko mówiąc, dodatkowy chlorofil zawarty w roślinach nawożonych przez rozkład sprawia, że wyróżniają się one znacznie lepiej w danych hiperspektralnych niż gołym okiem.
Teledetekcja i obrazowanie cyfrowe znajdują na bieżąco nowe aplikacje. Specjalne biblioteki zawierające znane dane spektralne materiałów są coraz częściej udostępniane badaczom i cywilom przez organizacje takie jak amerykańska Narodowa Administracja Lotnicza i Kosmiczna (NASA). Nowe zastosowania tej techniki były stale rozwijane w wielu branżach. Zastosowania rolnicze mogą obejmować określanie odmian roślin, warunków wodnych i odżywczych oraz wczesne wykrywanie choroby. W miarę jak technologia staje się bardziej dostępna publicznie, oczekuje się, że nowe aplikacje będą stale rozwijane, co zapewni ogromną przewagę nad stosunkowo ograniczoną mocą analityczną spektroskopii jednopunktowej.
Technologia termowizyjna jest od dawna stosowana w wojskowym lub powietrznym nadzorze. Z tego powodu opracowano specjalne techniki mające na celu udaremnienie tej technologii, aby zamaskować sygnatury cieplne sił lądowych z powietrza. Obrazowanie hiperspektralne może pokonać te środki zaradcze dzięki wielu pomiarom pasm spektralnych, oferując precyzyjną analizę, która może odkryć spektralne „odciski palców” celu.
Całe spektrum jest gromadzone dla każdego piksela informacji, więc obserwator nie wymaga wcześniejszej znajomości materiału w celu przeprowadzenia analizy. Komputerowe przetwarzanie może obejmować wszystkie dostępne dane w celu pełnej analizy próbki. Wymaga to dedykowanych zasobów obliczeniowych, w tym kosztownego sprzętu wrażliwego i dużej pojemności przechowywania danych. Kostka hiperspektralna reprezentuje wielowymiarowe zestawy danych wymagające przetwarzania setek megabajtów.