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萊森光學：高光譜煙葉分類識別
高光譜煙葉分類識別
1．什么是高光譜
成像光譜技術由分光計發展而來，它是一項新技術，又名高光譜成像技術，傳統的光譜分析技術只能做局部平均光譜分析，而高光譜能夠做到整幅圖的各個點光譜分析。成像光譜有凝視成像型、推帚型、擺掃型。它能夠在生成一副圖像的同時獲取這副圖像每個像素點的光譜信息，實現“圖譜合一”。高光譜獲取的光譜信息能夠包括圖像中任何一個像素點的光譜，而普通的地物光譜儀只能獲取測試地物的平均光譜，所以高光譜獲取的數據能夠跟準確、精細地去分析被測地物。它的出現標志著光學遙感進入了高光譜遙感階段，利用從高光譜數據反演的地物反射光譜特征，能研究地球表面物體的分類、物質的成分、含量、存在狀態、空間分布及動態變化。
1.1無人機高光譜遙感技術
高光譜遙感技術發展于20世紀80年代，其結合了傳統的光譜探測和攝影成像技術，可同時獲取目標的空間信息、光譜信息和輻射信息，形成圖譜合一的數據立方體。與多光譜遙感技術相比，高光譜遙感技術能夠在一個連續的光譜范圍內進行窄帶成像，因此光譜分辨率更高、信息分辨能力更強，可以實現精確的目標分類和地物識別。目前，高光譜遙感系統已經歷了從航空平臺到航天平臺的發展過程，隨著遙感技術的不斷發展，研究者發現星載高光譜儀器雖然可以提供長時間、大尺度的數據，但受衛星重訪周期的限制，空間分辨率和時 間分辨率較差；航空高光譜儀器雖然空間分辨率較高，但對氣象條件和使用環境有苛刻要求，且需要有專業支持團隊，成本高昂，靈活性較差。
隨著微機電系統（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）、控制與導航系統及信息處理技術的發展，無人機（ＵnｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ，ＵＡＶ）作為新型遙感平臺的條件逐漸成熟，同時大量微型化、高性能高光譜傳感器的研發也推動了無人機與高光譜遙感的結合。作為一種新興的遙感技術，無人機高光譜遙感可以克服云層的影響，快速、精確地向研究者提供高空間分辨率和時間分辨率的高光譜數據，有效地填補了低空高光譜遙感數據的空白。無人機高光譜遙感技術在自然資源調查領域有著巨大的技術與經濟比較優勢。首先，航空、航天平臺的高光譜數據獲取周期從幾個月到幾年不等，難以對一些短期的變化現象進行觀測和研究。其次，一些地形陡峭、植被密集的區域，調查人員難以涉足，無法進行有效的實地調查。使用無人機高光譜遙感技術， 能夠有效解決以上問題，為研究人員提供多時態、高分辨率的高光譜數據，有效降低了高光譜遙感技術的實施成本，極大簡化了自然資源調查的流程。
2典型地物光譜特征
大量的光譜波段提供了不同且極其豐富的地物遙感信息，直接基于地物的吸收譜線的分析，是辨別地物類型，獲取地物性質的**基本也是***的方法，因為不同類型的地物具有不同特征的吸收譜線。表2-1列出了波段范圍內的一些***的地物光譜特征。
表2-1 不同波段區間的光譜吸收特征
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波段號 |
波長范圍（nm） |
光譜吸收特征 |
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1 |
450-520 |
藍綠光區，水體比較大透過率的位置 |
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2 |
520-600 |
綠光區，匹配植被的綠光反射峰 |
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3 |
630-690 |
紅光區、用于判定植物類型的葉綠素吸收帶 |
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4 |
760-900 |
近紅外反射區、可用于確定生物量參數和海岸帶制圖 |
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5 |
1550-1750 |
紅外反射區、用于分析土壤含水量和植被覆蓋 |
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6 |
2080-2350 |
近紅外反射區、熱液蝕變引起的礦物吸收譜帶 |
不同的地物在不同的波段內響應都不同，瀝青、水泥地以及其他的一些人工地物在可見光范圍內的光譜反射率隨著波長增加而增加；各種類型的植被光譜反射率曲線在不同波段都有以下幾種特點：在可見光區內植物光譜反射率會有一個極大值和一個**小值，分別在550到560nm之間和650到680nm之間，而且在近紅外（730-1000nm）光譜區有一段較平緩和比較高的反射率；本次測量將會測量幾種不同的植被，并且根據獲取的光譜信息對植被進行不同的分析。
2.2植被光譜特征
用地物光譜儀獲取的光譜反射率可以表現出不同植物類型的光譜特征，又能通過光譜特征去研究反演出植被的組織結構、環境條件、元素含量。一般來說，健康的綠色植物的光譜曲線總是會呈現很明顯的“高反射峰”和“低反射谷”。如圖2-1植被的反射光譜特征和其他地光譜特征不一樣。
圖2-1植被反射光譜特征
經過對圖2.1的分析，可以得知健康綠色植被光譜曲線主要有以下的特點:(1)在可見光波段(400-760nm)有一個小的反射峰,兩側有兩個吸收帶,即在450nm和670nm 波段為反射低谷，這是由于葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，而對綠光反射作用強的原因。(2)植被的**獨特的特征就是在700-800nm有一個斜率很大、變化很大的反射曲線，在1100nm處到達峰值。(3)由于葉子內部的含水量的強烈吸收作用，除了在970nm有一個小的吸收段外，在1400nm，1900nm和2700nm處有三個顯而易見的低反射谷。(4)此外在1600nm和2200nm處也有兩個反射峰。
3高光譜在***方面的應用
3.1應用背景
高光譜遙感技術在***中的應用主要集中在快速、精細地提取***生長的信息，***脅迫監測、煙葉成熟度監測、產量估算與品質監測，從而及時調整各類物資的投入量，以期達到減少浪費、增加產量、改善***品質的目的。
高光譜遙感技術也可用于成品***，配方煙絲是葉絲、梗絲、膨脹絲、薄片絲等組分按配方比例均勻摻配后得到的產品。梗絲、膨脹絲、薄片絲的摻配，對降低卷煙成本、降焦減害、改善感官質量有重要意義。因此，快速準確地測定各組分在產品中的比例，對于保持產品質量、考查各組分的配方設計目標值、穩定煙絲混合工藝質量及同質化生產具有重大意義。
3.2數據獲取
iSpecHyper-VS300是萊森光學（LiSen Optics）***明星產品，是一款操作簡單、配置靈活便攜式高光譜成像系統，主要優勢為采用了獨有高光通量分光設計、信噪比靈敏度高、大靶面探測器、高像質等特點。iSpecHyper-VS300便攜式高光譜成像系統廣泛應用于公安刑偵、物證鑒定、精細農林、遙感遙測、 工業檢測、 醫學醫療、采礦勘探等各領域。
便攜式高光譜成像系統
煙葉反射率數據
4總結
高光譜成像技術（HSI）結合了傳統計算機視覺與光譜分析技術的特點，將傳統二維成像技術和光譜技術有機結合，可以同時獲取樣品的詳細光譜信息和圖像信息。通過數據處理分析篩選出特征波長，建立特征波長組合和單波長的支持向量機模型，即可幫助用戶使用高光譜相機快速準確地測定煙絲各組分在產品中的比例，幫助客戶降低卷煙成本、降焦減害、改善感官質量。
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