光谱成像的炒作

Gerrit低地^一个和Aoife Gowen^b

^一个荷兰瓦赫宁根大学与研究中心
^b爱尔兰都柏林大学生物系统与食品工程学院光谱成像研究小组

DOI:https://doi.org/10.1255/sew.2021.a12
©2021作者
在知识共享许可下发布

高光谱成像目前是一种非常知名和广泛使用的技术，用于测量不同领域的特征，例如化学，地质，医学，食品和农业，无论是星载(卫星)，机载(无人机)还是近距离(例如现场扫描，工业分拣线或显微镜)。它的背景是双重的，既可以认为是光谱学的特例(“成像光谱学”)，也可以认为是成像学的特例(“光谱成像”)。半岛综合体育官方APP下载德甲目前的做法是在“光谱成像”中添加诸如multi和hyper之类的形容词，以表征波长带的数量。在本文中，我们建议社区使用科学合理的术语，如“成像光谱学”或“光谱成像”，不要使用模棱两可的形容词。半岛综合体育官方APP下载德甲此外，我们鼓励社区定义并同意明确的形容词来描述我们的成像技术命名中的变量数量。

历史记录

半岛综合体育官方APP下载德甲光谱学起源于17世纪^th世纪，艾萨克·牛顿证明了来自太阳的白光可以分散成一系列连续的颜色，并创造了“光谱”这个词来描述这种现象。后来，克肖夫和本生¹发现了化学物质和气体燃烧时发出的特定光谱之间的关系。传统上，单(“点”)光谱是在单个空间区域内测量的，然而，这种技术已经扩展到以空间保存的方式扫描多个光谱，从而产生了成像光谱。半岛综合体育官方APP下载德甲相反，光谱成像在成像中找到它的背景。第一批照片只描绘了不同的灰度值，其中一个像素的灰度值表示整个可见光谱上的光反射。在彩色成像中，每个像素由红色、绿色和蓝色像素组成，类似于人眼中的光感受器。通过扩展每像素的波段数，光谱成像技术诞生了。

“高光谱成像”一词起源于20世纪80年代中期的遥感界，当时NASA喷气推进实验室开发了机载成像光谱仪(AIS)，这是一种能够在短波红外(SWIR)波长范围(1200-2400纳米)内对地球大片区域进行成像的机载仪器。^2，3NASA的机载可见/红外成像光谱仪(AVIRIS)的后续发展将光谱成像的应用扩展到广泛的任务，从植被监测到地球表面的矿物测绘。美国国家航空航天局现在更喜欢使用“成半岛综合体育官方APP下载德甲像光谱”一词，而不是“高光谱成像”。⁴然而，术语“高光谱成像”的使用在科学和非科学术语中一直存在并不断增长。事实上，最近在Web of Science上进行的一项论文标题搜索表明，在过去10年里，标题中带有“高光谱成像”字样的论文比标题中带有“成像光谱学”字样的论文多出三倍。半岛综合体育官方APP下载德甲图1描述了这两个词的点击次数作为时间的函数。从这张图中我们可以清楚地看到，虽然“成像光谱”的使用要比“高光谱成像”早得多，但后者的使用呈指数增长，并在2半岛综合体育官方APP下载德甲005年超过了“成像光谱”。

图1所示。Web of Science的标题搜索结果是“高光谱成像”、“多光谱成像”和“成像光谱”。半岛综合体育官方APP下载德甲更新自参考文献14。

讨论

目前，通常的做法是将光谱成像细分为针对几个波段值的图像的多光谱成像和针对由数百个波段值组成的图像的高光谱成像。在我们看来，这种细分倾向于主观主义，一些论文对25个波段的图像使用“多光谱”证明了这一点⁵而其他人则使用“高光谱”来表示相同数量的波段。⁶在文献中“高光谱”主要与成像有关，但也有少数例子“高光谱分析”指的是平原光谱，半岛综合体育官方APP下载德甲⁷给这个词增加了更多的歧义。更令人困惑的是，有时“超光谱”被用于10-20个波段。^8、9问题还来了:几百个波段之外是什么?在文献中，术语“超光谱”用于具有512个波段的图像¹⁰而其他人则将其用于2000多个波段的图像。¹¹

虽然在出版物中设想的数据处理方面，以成像技术的名义表明光谱变量的数量有其优点。例如:算法的复杂性和不同分析方法(如化学计量学、图像分析或混合方法)的适用性可能会根据波段的数量而有所不同。然而，如上所述，使用模棱两可的术语并不有助于研究出版物的清晰度。

使用术语“高光谱成像”的一个副作用是，术语“超立方体”经常被用作高光谱图像数据的参考。从2015-2019年期间的Web of Science搜索中，我们发现38篇标题中有“hyperspectral”的文章在标题、摘要或关键词中提到了“hypercube”这个术语。一个典型的例子是高光谱图像的卷积稀疏编码技术的发展。¹²

在几何学中，超立方体是一个n正方形的三维模拟(n= 2)和一个立方体(n= 3)。¹³光谱图像数据通常是一个三维阵列，前二维为空间信息，第三维为光谱信息(图2)。由于空间维度和光谱维度往往不一致，因此很少是立方体。因此，超立方体并不是描述光谱图像数据的合适术语。

图2。用三维数据阵列描绘的光谱图像。

结论

总之，我们建议科学界提倡使用科学合理的术语，如“成像光谱学”或“光谱成像”，而不要使用夸张的形容词。半岛综合体育官方APP下载德甲此外，我们建议不要使用不恰当的术语，如超立方体用于三维(x,y，λ)数据阵列或高光谱分析用于点光谱。半岛综合体育官方APP下载德甲

参考文献

1. G. Kirchhoff和R. Bunsen，“通过光谱观察的化学分析”，安。理论物理。化学。Poggendorff110年,161 - 189(1860)。https://doi.org/10.1002/andp.18601860602
2. W.C. Chiou，“NASA基于图像的高光谱图像分析地质专家系统开发项目”，达成。选择。24 (14),2085 - 2091(1985)。https://doi.org/10.1364/AO.24.002085
3. A.F.H. Goetz, G. Vane, J.E. Solomon和B.N. Rock，“地球遥感成像光谱”，科学228 (4704),1147 - 1153(1985)。https://doi.org/10.1126/science.228.4704.1147
4. 美国国家航空航天局(NASA)机载可见/红外成像光谱仪。从检索https://aviris.jpl.nasa.gov
5. 张伟，朱琪，黄明，郭勇，秦军，“基于单次发射法的马铃薯多光谱成像系统缺陷检测与分类”，食物肛门。冰毒。12 (12),2920 - 2929(2019)。https://doi.org/10.1007/s12161-019-01654-w
6. J. Gao, D. Nuyttens, P. Lootens, Y. He和J.G. Pieters，“使用随机森林机器学习算法和近红外快照拼接高光谱图像识别玉米作物中的杂草”，Biosyst。Eng。170年,39-50(2018)。https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2018.03.006
7. 林B.， D.G. Goodin, E.J. Raynor, A. Joern，“高草草原植被叶片色素和营养元素的高光谱分析”，前面。植物科学。10，142(2019)。https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00142
8. 点colin, M. Andel, D. James和J. Claudet，“作为星载高光谱和机载高空间传感器之间联系的超光谱/超空间世界观-3:复杂热带海岸的案例研究”，Int。拱门。Photogramm。遥感。空间信息科学。XLII-2 /确实可以,1849 - 1854(2019)。https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLII-2-W13-1849-2019
9. I. Herrmann, E. Bdolach, Y. Montekyo, S. Rachmilevitch, P.A. Townsend和A. Karnieli，“无人机安装的超光谱相机对玉米产量和物候的评估”，阿格利司精度。21 (1),51 - 76(2020)。https://doi.org/10.1007/s半岛app应用下载11119-019-09659-5
10. a . Meigs, L.J.I. Otten和T.Y. Cherezova，“超光谱成像:对全球虚拟存在的新贡献”，IEEE航空航天电子。系统。玛格。23 (10),17岁(2008)。https://doi.org/10.1109/MAES.2008.4665319
11. R. Herrero和V.K. Ingle，“后向和正向线性预测在超光谱图像处理中的应用”，信号图像视频处理。10 (4),639 - 646(2016)。https://doi.org/10.1007/s11760-015-0788-y
12. P.V. Arun, B. Krishna Mohan和A. Porwat，“基于空间光谱特征的高光谱图像卷积稀疏编码方法”，第一版。Vis. Image理解。188年,102797(2019)。https://doi.org/10.1016/j.cviu.2019.102797
13. 维基百科,超立方体。从检索https://en.wikipedia.org/wiki/Hypercube
14. G. Polder和A. Gowen，“光谱成像的炒作”，J.光谱成像9，a4(2020)。https://doi.org/10.1255/jsi.2020.a4