Vad är hyperspektral avbildning?

Hyperspektral avbildning är en teknik som tillför en färgglad tredje dimension till en reflekterad bild som innehåller målets spektraldata. Det kan användas i applikationer som topografisk analys av mineralavlagringar eller gårdar, militär övervakning, medicinsk vävnadsanalys och arkeologisk kartläggning. Hyperspektral avbildning ger en mängd ljus- och sammansättningsdata från avbildningsgivare i fältet, i labbet och till och med i rymden.

Spektrala avbildningsanalyser reflektionsspektra eller data för ljusvåglängd. Den kan använda teknik som reflekterande speglar, prismor, linser och ljussensorer, ungefär som komponenterna och laddningskopplade enhetschips i en digitalkamera. Kombinerad med fjärravbildningsteknologi används spektral avbildning för att mäta våglängder för det elektromagnetiska spektrum som sprids av ett målmaterial. Enheter som kallas spektrometrar och spektroradiometrar noterar variationer i ljusets energvåglängd som reflekteras från ett mål och gör det möjligt för observatörer att bestämma sammansättningen av materialet eller landskapet.

Hyperspektral avbildning använder modern datorkraft för att kombinera data från många bilder och lägga till den tredje dimensionen av spektraldata direkt till bilden. Denna datauppsättning staplas i en "hyperspektral kub", som en stapel med stillbilder, där varje pixel innehåller sina spektraldata. Multispektral avbildning kombinerar data från tiotals eller hundratals elektromagnetiska band (EM), men hyperspektrala kuber kan behandla data från tusentals band.

Multispektral avbildning använder normalt data från flera sensorer, medan hyperspektral data ofta samlas in som en uppsättning av sammanhängande band från en enda sensor. Ju fler data, desto tydligare bild. Ju tydligare bilden är, desto lättare kan man bestämma utifrån vilket ämne eller ämnen ämnet är gjord.

Vissa tillämpningar av hyperspektral avbildning inkluderar kemisk analys, fluorescensmikroskopi, termisk avbildning, arkeologisk upptäckt och kriminalteknisk undersökning. Medicinsk hyperspektral avbildning extraherar visuella våglängder i en rumslig region och syntetiserar skivorna till en "topografisk karta" redo för tydlig medicinsk analys av vävnadsegenskaper för olika diagnoser eller forskningsändamål. Denna bildteknik kan fånga mer av EM-bandet än synligt ljus, inklusive infraröda och ultravioletta våglängder, så det kan förbättra information som annars kan ses otäckt med blotta ögat. Alla material innehåller spektrala signaturer som kan ge viktiga ledtrådar för en mängd applikationer över många fält.

Genom att förstå skillnader i kemisk sammansättning av mark- och växttillväxt kan till exempel kriminaltekniska forskare identifiera annars okända gravar. Detta beror på att sönderdelning skiljer reflektionsspektra för växttillväxt från omgivningen. Enkelt uttryckt, den extra klorofyll som finns i växter befruktade genom sönderdelning gör att de sticker ut mycket mer synligt i hyperspektrala data än med blotta ögat.

Fjärravkänning och digital avbildning hittar kontinuerligt nya applikationer. Specialbibliotek som innehåller kända spektraldata om material har alltmer gjorts tillgängliga för forskare och civila av organisationer som USA: s National Aeronautics and Space Administration (NASA). Nya applikationer för denna teknik har kontinuerligt utvecklats i många branscher. Jordbruksanvändningar kan inkludera bestämning av växtsorter, vatten- och näringsförhållanden och tidig upptäckt av sjukdomar. När tekniken blir mer tillgänglig för allmänheten förväntas nya applikationer kontinuerligt utvecklas för stor fördel jämfört med den relativt begränsade analytiska kraften i enpunktsspektroskopi.

Termisk avbildningsteknologi har länge använts vid militärövervakning eller luftburen övervakning. Av denna anledning har speciella tekniker utformade för att motverka denna teknik utvecklats för att maskera värmekriterierna från markkrafter från luften. Hyperspektral avbildning kan besegra dessa motåtgärder med dess mångfald av spektrala bandmätningar, och erbjuder precisionsanalys som kan avslöja de spektrala "fingeravtryck" för målet.

Hela spektrumet samlas för varje pixel information, så att observatören inte behöver någon förkunskaper om ett material för att göra en analys. Datorbehandling kan inkludera alla tillgängliga data för en fullständig analys av ett prov. Detta kräver dedikerade datoressurser, inklusive dyr känslig utrustning och en stor kapacitet för datalagring. En hyperspektral kub representerar flerdimensionella datasätt som kräver hundratals megabyte vardera för att bearbeta.