如何在现场获取高光谱图像数据：技术、设备和最佳实践
高光谱成像 (HSI) 已成为捕捉材料和环境详细光谱信息的重要工具。虽然该技术在实验室环境中已得到广泛应用，但在现场获取高质量数据却面临着一系列挑战。变化的光照条件、设备移动性和环境因素都会影响数据质量和可用性。
Specim便携式解决方案（包括安装在旋转平台上的Specim FX 相机和手持式Specim IQ）进行现场高光谱成像的最佳实践，帮助用户在实际环境中收集准确可靠的数据。
基于现场的高光谱成像简介
与实验室环境不同，实验室环境中的光照和样品位置可以严格控制，而野外环境则会引入诸如（太阳）光强度和均匀性、风、地形和环境温度等变量。如果不加以适当考虑，这些因素可能会引入噪声并降低数据一致性。
尽管面临这些挑战，基于现场的 HSI 在一系列领域仍然至关重要，例如：
地质学（石油和矿产勘探。露头或钻孔岩芯中的矿物测绘和岩石识别。）
环境监测 （例如，植被健康、土壤条件、水质、物种多样性、生物量估计）
农业和植被 （例如，植物健康监测、早期疾病检测和营养分析）
艺术和考古学（例如，对纪念碑、绘画或考古遗址进行非侵入性记录——即使文物无法移到室内。）
在此类应用中，成像系统必须便携、坚固且易于部署。Specim的手持式和模块化解决方案（尤其是结合旋转扫描仪的SpecimFX 系列和IQ）旨在满足这些需求，即使在偏远或不受控制的条件下也能提供灵活的采集。
设备选择和设置
所有Specim高光谱相机均采用线扫描（推扫式）成像技术。与单次拍摄完整图像的传统相机不同，线扫描相机在相机或目标移动时一次采集一行数据。这会产生一个包含空间和光谱维度的详细 3D数据立方体。虽然这种方法精度高，但需要仔细协调扫描速度和相机帧速率。此外，还需要考虑照明和对焦。为了支持多样化的现场成像需求， Specim提供基于旋转扫描仪和手持式的解决方案。
Specim HSI 相机
对于 VNIR（400 – 1000 nm）和 NIR（900 – 1700 nm）成像， Specim FX10和FX17通常与RS10 旋转台架配合使用，后者可使相机围绕目标旋转以构建完整的图像。当拍摄对象无法移动时（例如树木、农作物或考古表面），这种方法尤其有效。RS10 可支持高达 10 公斤的相机重量，轻松容纳 FX10 和 FX17。
对于较重的传感器，例如Specim SWIR （1000 – 2500 nm）热像仪， RS50 旋转扫描仪可提供更坚固的选择，承重 50 公斤。这使得它也能与Specim FX50 （中波红外；2700 – 5300 nm）和FX120 （长波红外；7500 – 12500 nm）热像仪集成，用于特定的热成像用例。然而，在这些中波红外和长波红外光谱范围内进行现场使用需要格外小心，因为热成像对环境因素（主要是温度波动）更敏感。为了获得精确的辐射校准，这些热成像设备需要配备黑体。
现场设置也是用Lumo Scanner扫描软件这与实验室环境中使用的软件完全相同。如有墙壁插座，可从插座供电；在偏远地区工作时，可从现场发电机或电池组供电。
Specim IQ手持式高光谱相机
对于追求极致便携性的用户， Specim IQ提供覆盖400–1000 nm 光谱范围的一体化现场解决方案。该设备集成了摄像头、扫描仪、触摸屏、电池和存储设备。
IQ 可安装在三脚架上，即使没有电脑也能轻松操作。其探测器的均匀性使其能够直接从原始数据计算反射率，从而省去了其他相机型号在白色参考板仅部分覆盖视场时所需进行的辐射校正。这简化了数据收集并加快了现场工作流程，同时又不影响测量精度。
现场数据采集的最佳实践
在户外捕获高质量的高光谱数据不仅仅涉及相机的设置。现场变化需要仔细关注几个关键参数
1. 光照条件
尽量在晴朗无云的天空下采集数据，因为云层会过滤特定波长并降低信号质量。如果使用人工照明（例如在温室或阴凉处），请确保其提供广泛均匀的光谱覆盖，且不会引入不必要的反射或阴影。照明应尽可能均匀。
2. 白色参考放置
要将原始数据转换为反射率，请在场景中添加一个白色参考图块，并将其置于与目标相同的光照条件下。如果遇到光照不一致的情况，请使用多个白色参考图块，并在处理过程中选择最能代表场景光照的白色图块。
3. 焦点和曝光
清晰的图像细节需要精准的对焦。使用高对比度的元件进行手动调整。然后调整积分时间以平衡信号强度并避免饱和。
4. 设备保护与稳定性
为了保护您的设备免受风、尘、湿气和振动的影响，请使用稳定的三脚架和防风雨外壳。
5. 辐射定标
无论您想测量辐射度还是反射度，都需要进行辐射校准，尤其是在白色参考图块未覆盖相机整个视场的情况下。辐射校准与镜头相关，因此，在处理数据时必须选择正确的文件。
从数据到洞察：预处理和质量检查
数据采集完成后，需要进行预处理，使其能够在不同时间和采集条件下使用和比较。对于Specim FX系列，这意味着需要使用校准文件将原始数据转换为辐射率，然后使用白色参考板转换为反射率。Specim IQ 内置预处理引擎，可自动提供反射率数据。
无论使用哪种系统，务必在分析前验证数据质量。例如，健康的植被在红边处的反射率应明显上升。为了便于日后比较，记录关键细节也很有帮助，例如焦距设置、光照、天气以及参考图块的放置位置。如果您计划长期监测同一区域，这一点尤为重要。您还可以查看大气吸收波段，以确保相机的光谱校准正确。
跨行业的实际应用
现场高光谱成像技术在需要现场分析的领域正日益普及。随着这项技术越来越便携、越来越普及，各组织机构正利用它来直接在现场获取切实可行的洞察。您可以点击此处探索实际案例。
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无论您是需要实验室级精度的森林研究，还是需要简单的手持式工具进行快速农作物检测， Specim 的现场成像解决方案都能帮助您在关键时刻做出光谱决策。凭借数十年的高光谱创新经验， Specim使专业人员能够在几乎任何条件下随时随地收集可操作的数据。
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