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高光谱图像数据：概述
以下总结了不同类型的高光谱数据之间的差异和用途。
高光谱原始数据：
1.无量纲、未校准（光谱除外）、特定于仪器
2.以数字 (DN) 或计数表示
3.无法与其他仪器在不同照明条件下或使用不同采集参数获取的数据进行比较，直到对这些数据进行进一步处理以补偿这些差异。
高光谱辐射数据：
1.以物理意义的微辐射（单位面积每单位立体角的功率）单位来衡量
2.与被扫描物体发射或反射的能量有关
3.数据取决于大气效应（散射、吸收）和照明条件的变化（例如太阳角度）
高光谱反射数据：
1.表示物体的物理属性，与照明条件或高光谱仪器差异无关
2.可以直接比较在不同测量条件下或使用不同高光谱仪器获取的数据
3.材料识别和分析的理想选择
高光谱成像中的原始数据、辐射数据和反射率数据背
后的细节
在讨论高光谱数据类型之前，我们将回顾一下构成高光谱数据的组成部分。每个组成部分都会对高光谱成像仪捕获的数据产生影响。
高光谱成像需要：
1.宽带电磁辐射源（即照明）
2.要扫描的对象
3.高光谱成像仪
下图显示了一个示例，其中高光谱成像仪正在监测被阳光照射的树木。
图 1：显示照明源、被扫描物体、高光谱成像传感器和高光谱成像数据的示例。照明
所有形式的宽带照明，无论是太阳光还是人造光，其强度都会随波长变化。请参见下面的太阳光照明图和两个台式宽带光源选项。在图 1 中，照明强度随波长变化表示为 I(λ)。
图 2：太阳辐射照射下的亮度。图 3：两种不同的台式照明系统照亮的辐射度。正在扫描的物体
物体的化学成分决定了它与各种波长的入射光的相互作用，从而决定了哪些波长的光被吸收、透射或反射；测量这种相互作用通常是高光谱成像的目的。在图 1 中，高光谱成像仪收集的反射信号取决于入射到树上的光量 I(λ) 和树的反射率 R(λ)。与波长相关的反射率因物体而异。这就是为什么不同的物体在我们眼中呈现不同的颜色，以及为什么可以使用高光谱成像识别不同的物体。
高光谱成像仪
高光谱成像仪本身在不同波长下的效率也不同。下面显示的一台相机的光谱响应图就是一个例子。在图 1 中，依赖于探测器效率的光谱相关响应函数表示为 H(λ)。
图 4：高光谱相机的光谱响应图显示波长依赖性图 1 中所示的每个项都会影响记录的高光谱数据。接下来，我们将解释不同的高光谱数据模式如何包含或消除这些影响。
高光谱原始数据：开始
每个高光谱数据立方体都以原始数据开始。原始数据是上述所有项的乘积，在图 1 中表示为 I(λ)⋅R(λ)⋅H(λ)。这些原始数据取决于输入光的波长，以数字或 DN（有时称为“COUNT”）为单位。DN 与像素上的能量成正比，但无量纲且未校准。
每个像素的 DN 范围从 0（该像素上的能量小于传感器可以解析的最小能量）到最大值（完全饱和），这取决于传感器的位深度。例如，像 Specim FX10 这样的 12 位传感器的最大 DN 为 4095（2^12 个可能的数字，从 0 开始）。
图 5：高光谱数据立方体的表示只要收集了暗校正帧，高光谱成像软件包就会自动从原始数据中减去高光谱相机的平均暗电流。有关暗电流噪声的更多信息，可以看撸陆的信噪比的文章。原始数据的简化公式为：
原始数据代表原始传感器输出，可进行后续重新处理或转换为其他数据类型。原始数据无法在不同的仪器之间直接比较，如果照明或测量配置有任何变化，甚至无法在来自同一仪器的数据集之间进行比较。
高光谱辐射数据：量化能量
辐射度是科学研究中常用的单位，单位为单位面积、带宽和立体角的功率，与高光谱成像传感器收集的电磁能量有关。在图 1 中，辐射度用术语 I(λ)⋅R(λ) 表示。
辐射度数据是通过高光谱成像仪校准从原始数据中得出的，将 DN 的无量纲单位转换为物理单位。大部分高光谱成像公司使用下面公式定义辐射度
辐射度数据对于量化传感器收集的能量的研究很有价值，例如大气研究或比较不同传感器的数据。然而，对于许多应用来说，辐射度数据中包含的大气影响和照明变化可能会成为阻碍。
图 6：包含几种不同物质类型光谱的空中辐射高光谱图像。为了生成辐射数据，需要在高光谱成像仪上进行辐射校准。这会创建一个成像仪校准包，该文件可与适当的软件插件一起使用，将原始数据转换为辐射数据。标定文件是特定高光谱相机和物镜所独有的。
高光谱反射数据：揭示表征
反射率数据经常被证明是最有用的光谱数据类型，因为它完全取决于感兴趣的对象。在图 1 中，反射率用术语 R(λ) 表示。反射率是从物体反射的光量与入射到物体上的光量的比率。透射率与反射率类似，是透过物体的光量与入射到物体上的光量的比率。作为比率，两者都是无单位量，通常显示为百分比或整数值。
反射率和透射率数据表示被成像物体的物理属性。这些数据与所用的照明、大气和高光谱成像仪无关。因此，在尝试通过光谱成像识别物体时，经常使用这些数据类型。
图 7：一些不同植物物种的反射数据曲线要得出反射率数据，必须从原始数据中去除高光谱成像仪响应和照明光谱分布。这通常通过以下方式之一实现：
1.对于台式系统，扫描由聚四氟乙烯等材料制成的反射率标准（校准板）。这有时被称为“白色参考”。上述材料的标称反射率为 1.0。
2.对于室外或机载系统，使用已知光谱反射率的地面校准防水布放置在被扫描的场景中。防水布的已知反射率用于推断入射光分布并校准场景的其余部分。
3.对于机载数据收集，可以使用安装在机载飞行器顶部的下行传感器在飞行过程中连续收集太阳光谱辐照度。使用光谱辐照度和仪器本身的校准数据可以确定物体的反射率。
举例来说，高光谱台式系统的反射率简化公式如下：
结论
了解不同类型的高光谱成像数据对于有效的数据收集、分析和数据解释至关重要。
1.原始数据保留原始传感器信息并允许重新处理
2.辐射度数据与物体反射或发射的能量有关
3.反射率数据显示被扫描物体的化学成分特性，从而有助于材料识别
从初始数据捕获到最终分析，每种数据类型在高光谱成像工作流程中都有特定的用途。通过了解这些区别，研究人员和从业人员可以为他们的应用选择最合适的数据类型，无论是在环境监测、地质调查、农业评估还是通过光谱传感技术进行材料分析。
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