高光谱相机烟叶识别

1．什么是高光谱

成像光谱技术由分光计发展而来，它是一项新技术，又名高光谱成像技术，传统的光谱分析技术只能做局部平均光谱分析，而高光谱能够做到整幅图的各个点光谱分析。成像光谱有凝视成像型、推帚型、摆扫型。它能够在生成一副图像的同时获取这副图像每个像素点的光谱信息，实现“图谱合一”。高光谱获取的光谱信息能够包括图像中任何一个像素点的光谱，而普通的地物光谱仪只能获取测试地物的平均光谱，所以高光谱获取的数据能够跟准确、精细地去分析被测地物。它的出现标志着光学遥感进入了高光谱遥感阶段，利用从高光谱数据反演的地物反射光谱特征，能研究地球表面物体的分类、物质的成分、含量、存在状态、空间分布及动态变化。

1.1无人机高光谱遥感技术

高光谱遥感技术发展于20世纪80年代，其结合了传统的光谱探测和摄影成像技术，可同时获取目标的空间信息、光谱信息和辐射信息，形成图谱合一的数据立方体。与多光谱遥感技术相比，高光谱遥感技术能够在一个连续的光谱范围内进行窄带成像，因此光谱分辨率更高、信息分辨能力更强，可以实现精确的目标分类和地物识别。目前，高光谱遥感系统已经历了从航空平台到航天平台的发展过程，随着遥感技术的不断发展，研究者发现星载高光谱仪器虽然可以提供长时间、大尺度的数据，但受卫星重访周期的限制，空间分辨率和时 间分辨率较差；航空高光谱仪器虽然空间分辨率较高，但对气象条件和使用环境有苛刻要求，且需要有专业支持团队，成本高昂，灵活性较差。

随着微机电系统（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）、控制与导航系统及信息处理技术的发展，无人机（ＵnｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ，ＵＡＶ）作为新型遥感平台的条件逐渐成熟，同时大量微型化、高性能高光谱传感器的研发也推动了无人机与高光谱遥感的结合。作为一种新兴的遥感技术，无人机高光谱遥感可以克服云层的影响，快速、精确地向研究者提供高空间分辨率和时间分辨率的高光谱数据，有效地填补了低空高光谱遥感数据的空白。无人机高光谱遥感技术在自然资源调查领域有着巨大的技术与经济比较优势。首先，航空、航天平台的高光谱数据获取周期从几个月到几年不等，难以对一些短期的变化现象进行观测和研究。其次，一些地形陡峭、植被密集的区域，调查人员难以涉足，无法进行有效的实地调查。使用无人机高光谱遥感技术， 能够有效解决以上问题，为研究人员提供多时态、高分辨率的高光谱数据，有效降低了高光谱遥感技术的实施成本，极大简化了自然资源调查的流程。

2典型地物光谱特征

大量的光谱波段提供了不同且极其丰富的地物遥感信息，直接基于地物的吸收谱线的分析，是辨别地物类型，获取地物性质的最基本也是最有效的方法，因为不同类型的地物具有不同特征的吸收谱线。表2-1列出了波段范围内的一些显著的地物光谱特征。

表2-1 不同波段区间的光谱吸收特征

不同的地物在不同的波段内响应都不同，沥青、水泥地以及其他的一些人工地物在可见光范围内的光谱反射率随着波长增加而增加；各种类型的植被光谱反射率曲线在不同波段都有以下几种特点：在可见光区内植物光谱反射率会有一个极大值和一个最小值，分别在550到560nm之间和650到680nm之间，而且在近红外（730-1000nm）光谱区有一段较平缓和比较高的反射率；本次测量将会测量几种不同的植被，并且根据获取的光谱信息对植被进行不同的分析。

2.2植被光谱特征

用地物光谱仪获取的光谱反射率可以表现出不同植物类型的光谱特征，又能通过光谱特征去研究反演出植被的组织结构、环境条件、元素含量。一般来说，健康的绿色植物的光谱曲线总是会呈现很明显的“高反射峰”和“低反射谷”。如图2-1植被的反射光谱特征和其他地光谱特征不一样。

图2-1植被反射光谱特征

经过对图2.1的分析，可以得知健康绿色植被光谱曲线主要有以下的特点:(1)在可见光波段(400-760nm)有一个小的反射峰,两侧有两个吸收带,即在450nm和670nm 波段为反射低谷，这是由于叶绿素对蓝光和红光吸收作用强，而对绿光反射作用强的原因。(2)植被的最独特的特征就是在700-800nm有一个斜率很大、变化很大的反射曲线，在1100nm处到达峰值。(3)由于叶子内部的含水量的强烈吸收作用，除了在970nm有一个小的吸收段外，在1400nm，1900nm和2700nm处有三个显而易见的低反射谷。(4)此外在1600nm和2200nm处也有两个反射峰。

3高光谱在烟草方面的应用

3.1应用背景

高光谱遥感技术在烟草中的应用主要集中在快速、精准地提取烟草生长的信息，烟草胁迫监测、烟叶成熟度监测、产量估算与品质监测，从而及时调整各类物资的投入量，以期达到减少浪费、增加产量、改善烟草品质的目的。

高光谱遥感技术也可用于成品烟草，配方烟丝是叶丝、梗丝、膨胀丝、薄片丝等组分按配方比例均匀掺配后得到的产品。梗丝、膨胀丝、薄片丝的掺配，对降低卷烟成本、降焦减害、改善感官质量有重要意义。因此，快速准确地测定各组分在产品中的比例，对于保持产品质量、考查各组分的配方设计目标值、稳定烟丝混合工艺质量及同质化生产具有重大意义。

3.2数据获取

iSpecHyper-VS300是莱森光学（LiSen Optics）最新明星产品，是一款操作简单、配置灵活便携式高光谱成像系统，主要优势为采用了独有高光通量分光设计、信噪比灵敏度高、大靶面探测器、高像质等特点。iSpecHyper-VS300便携式高光谱成像系统广泛应用于公安刑侦、物证鉴定、精准农林、遥感遥测、 工业检测、 医学医疗、采矿勘探等各领域。

便携式高光谱成像系统

烟叶反射率数据

4总结

高光谱成像技术（HSI）结合了传统计算机视觉与光谱分析技术的特点，将传统二维成像技术和光谱技术有机结合，可以同时获取样品的详细光谱信息和图像信息。通过数据处理分析筛选出特征波长，建立特征波长组合和单波长的支持向量机模型，即可帮助用户使用高光谱相机快速准确地测定烟丝各组分在产品中的比例，帮助客户降低卷烟成本、降焦减害、改善感官质量。