高光譜煙葉分類識別

1．什么是高光譜

成像光譜技術(shù)由分光計發(fā)展而來，它是一項新技術(shù)，又名高光譜成像技術(shù)，傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)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(xiàn)“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(shù)據(jù)能夠跟準確、精細地去分析被測地物。它的出現(xiàn)標志著光學遙感進入了高光譜遙感階段，利用從高光譜數(shù)據(jù)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(zhì)的成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布及動態(tài)變化。

1.1無人機高光譜遙感技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)發(fā)展于20世紀80年代，其結(jié)合了傳統(tǒng)的光譜探測和攝影成像技術(shù)，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(shù)據(jù)立方體。與多光譜遙感技術(shù)相比，高光譜遙感技術(shù)能夠在一個連續(xù)的光譜范圍內(nèi)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(xiàn)精確的目標分類和地物識別。目前，高光譜遙感系統(tǒng)已經(jīng)歷了從航空平臺到航天平臺的發(fā)展過程，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)星載高光譜儀器雖然可以提供長時間、大尺度的數(shù)據(jù)，但受衛(wèi)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(huán)境有苛刻要求，且需要有專業(yè)支持團隊，成本高昂，靈活性較差。

隨著微機電系統(tǒng)（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）、控制與導(dǎo)航系統(tǒng)及信息處理技術(shù)的發(fā)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(fā)也推動了無人機與高光譜遙感的結(jié)合。作為一種新興的遙感技術(shù)，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(shù)據(jù)，有效地填補了低空高光譜遙感數(shù)據(jù)的空白。無人機高光譜遙感技術(shù)在自然資源調(diào)查領(lǐng)域有著巨大的技術(shù)與經(jīng)濟比較優(yōu)勢。首先，航空、航天平臺的高光譜數(shù)據(jù)獲取周期從幾個月到幾年不等，難以對一些短期的變化現(xiàn)象進行觀測和研究。其次，一些地形陡峭、植被密集的區(qū)域，調(diào)查人員難以涉足，無法進行有效的實地調(diào)查。使用無人機高光譜遙感技術(shù)， 能夠有效解決以上問題，為研究人員提供多時態(tài)、高分辨率的高光譜數(shù)據(jù)，有效降低了高光譜遙感技術(shù)的實施成本，極大簡化了自然資源調(diào)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(zhì)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(nèi)的一些***的地物光譜特征。

表2-1 不同波段區(qū)間的光譜吸收特征

不同的地物在不同的波段內(nèi)響應(yīng)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(nèi)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(qū)內(nèi)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(qū)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(jù)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(xiàn)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(jié)構(gòu)、環(huán)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(xiàn)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(jīng)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(cè)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(nèi)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(yīng)用

3.1應(yīng)用背景

高光譜遙感技術(shù)在***中的應(yīng)用主要集中在快速、精細地提取***生長的信息，***脅迫監(jiān)測、煙葉成熟度監(jiān)測、產(chǎn)量估算與品質(zhì)監(jiān)測，從而及時調(diào)整各類物資的投入量，以期達到減少浪費、增加產(chǎn)量、改善***品質(zhì)的目的。

高光譜遙感技術(shù)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(chǎn)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(zhì)量有重要意義。因此，快速準確地測定各組分在產(chǎn)品中的比例，對于保持產(chǎn)品質(zhì)量、考查各組分的配方設(shè)計目標值、穩(wěn)定煙絲混合工藝質(zhì)量及同質(zhì)化生產(chǎn)具有重大意義。

3.2數(shù)據(jù)獲取

iSpecHyper-VS300是萊森光學（LiSen Optics）***明星產(chǎn)品，是一款操作簡單、配置靈活便攜式高光譜成像系統(tǒng)，主要優(yōu)勢為采用了獨有高光通量分光設(shè)計、信噪比靈敏度高、大靶面探測器、高像質(zhì)等特點。iSpecHyper-VS300便攜式高光譜成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于公安刑偵、物證鑒定、精細農(nóng)林、遙感遙測、 工業(yè)檢測、 醫(yī)學醫(yī)療、采礦勘探等各領(lǐng)域。

便攜式高光譜成像系統(tǒng)

煙葉反射率數(shù)據(jù)

4總結(jié)

高光譜成像技術(shù)（HSI）結(jié)合了傳統(tǒng)計算機視覺與光譜分析技術(shù)的特點，將傳統(tǒng)二維成像技術(shù)和光譜技術(shù)有機結(jié)合，可以同時獲取樣品的詳細光譜信息和圖像信息。通過數(shù)據(jù)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(chǎn)品中的比例，幫助客戶降低卷煙成本、降焦減害、改善感官質(zhì)量。