棱镜分光高光谱相机在农业医学司法壁画等的应用

基于Quest-Innovation的高光谱相机拼图软件解决方案

传统高光谱相机由于成像得到的是三维立方数据，所以成像只能是以线扫描的方式进行成像，然后应用软件进行图像拼接。

拼接一般效果如下：

由于导轨在扫描成像过程中，会有震动，速度不均，或者空气流动的干扰，从而造成图像的扭曲，拖尾，或者挤压的现象，因此在高光谱成像后，

一般需要进行图像算法的处理，一方面需要耗费大量的计算时间，另一方面，当扫描速度设置不合理时，小于额定值会造成扫描行之间的重叠，对

应于几标物就是同个部分多次重复成像，获得的幽像产生拉伸变形：大于额定值会造成行扫描行之问产牛距离，对应于几标物就是某些部分未来得

及成像(漏掉)，获得的圈像产生托缩变形。

算法方面，常见的算法有：基于有理函数模型线阵影像校正算法，适用于大多数传感器，但是有理函数模型计算复杂，通常由于参量过多而导致解

的不稳定性， 且模型系数没有具体物理意义，校正精度存在一定不准确性。基于一般多项式的影像校正算法， 算法解算稳定，形式简单，在实际

中利用率较高，适用于多种传感器。

上述模型一般适用于线阵卫星影像的校正，且需要大量地面控制点解算模型参数， 对于平台受气流影响严重且幅面小的壁画文物线阵影像并不适用。

以下是传统高光谱算法拼图的流程图：

 

在以上的流程中，由于偏移扭曲是否达标会有一个阈值，不同的客户或者应用对阈值要求不一样，怎么样判断一幅图片是否完全修正，实际是一个相

对值，而很难得到一个绝对值。

Quest-Innovation公司采用的棱镜分光技术可以有效消除图片畸变。相对传统的高光谱相机采用一片CCD，Quest-Innovation针对高光谱相机采用多片

CCD成像，其中一片可作为参考图像，或者集成多光谱图像，剩下的一片CCD用于高光谱成像。因为存在参考图像，所以图像的拼接具有了参考，可

以实现准确而快速的畸变消除。

下图是Quest-Innovation独特的棱镜技术，可见棱镜会把光路分成多个通道，从而实现多个CCD的成像效果，使2D的参考成像成为可能。对于壁画成像

方案，我们用导轨平台进行高精度成像，结合2D参考成像进行图像拼接，形成准确拼接的图。

下图是高光谱相机配合导轨对大型壁画进行成像扫描的原理图。

图中方案显示，通过稳定的导轨，可以使高光谱成像仪得到稳定的扫描图像。而且导轨与一般的旋转云台扫描不同，导轨的每个点到壁画的距离相等，而

如果使用旋转云台扫描，会导致边缘与中央距离误差从而使得光学误差增加，精度降低。本方案还配置有标准光源作为壁画补光，标准光源可以与高光谱

成像仪固定，随着高光谱成像仪移动而移动。

Quest-Innovation基于2D成像的拼接技术示意图

 

综上，Quest-Innovation由于具有2D图像作为参考，无需要太多计算资源，确保每个像素点都能对齐，可以快速，精确实现整个高光谱图像的拼接。

高光谱相机的应用
1、 土地覆盖分类（深林火灾预警管理）
通过不同植被的光谱指纹分析，可以判断土地上植被的分布，从而对容易产生火灾的树种进行预警以及分析。
下图是通过归类后的高光谱植被分布分析：



2、 柑桔溃疡病的检测

航拍检测到的柑桔溃疡病分布

3、 大麻种植监控

大麻监控是各国禁毒的重要方法，而一般大麻种植都是出于树林与杂草之中，如果从遥感多光谱 去监控，必须要区别大麻与杂草或者树林的光谱指纹，

上图是大麻与各种植物在700~730nm之间的光谱分布，可见大麻在704~709nm之间出现一个峰值，可以调出这个波段，然后判定大麻的种植量以及分

布。

4、 油棕分布
油棕是亚洲一些国家的经济作物，高光谱成像仪可以列出油棕的分布，并且可以监测油棕林的健康状态，可以制成患病油棕的分布。
下图中，黄色的部分为患病油棕的分布，通过高光谱图像的处理，可以使收到病原感染的油棕得以显现。


5、 文物处理与再现



以上是英国羊皮纸的图像增强，可以消除背景噪声，使笔迹信息得以清晰呈现，增强文献的可读性。  



上图是通过两个光谱的差分处理实现字迹的再现。






艺术品的创作修改
 

上图很明显地显示这张画经过了修改，修改者可能在创作过程中出现一些错误，所以用另一种颜料把原理的覆盖掉，旧的设计在红外波段清晰可见。

6、 字迹鉴别



上图是牛津图书馆一个祈祷书籍上通过在880nm的波长处发现有签名。显示出人眼不能看到的波段的信息。




7、 材料鉴定
下图是莫高窟壁画某一块通过高光谱判断颜料的材料



上图的光谱信息可以看出颜料的材料是由红土组成的。


8、 在医疗方面的应用

下图是显微镜的多光谱分析图。

上半部分是RGB彩图。
下半部分是多光谱伪彩色图。
通过多光谱的分析与处理，细胞质区域与细胞核区域很明显区分开来，不同的细胞核也展现出不同的光谱类型。