多光谱成像技术在植物学研究中的应用 植物学报    2021, 56 (4): 500-508.   DOI: 10.11983/CBB21002

图2 多光谱成像原理图
(A) 点扫描; (B) 线扫描; (C) 波长扫描; (D) 提取光谱维度中的R、G、B颜色通道可以得到彩色实物图; (E) 不同扫描方式得到的数据最终是包含空间信息与光谱信息的立方体; (F) 依据不同波长对采集的三维数据立方体进行不同光谱特征下的图像提取, 可得到特定离散波长下的样本数据信息。

正文中引用本图/表的段落

依据光学元件的不同, 多光谱成像数据的获取方式包括点扫描、面扫描和波长扫描(wavelength- scanning)。采集器在X轴和Y轴方向系统地扫描样本, 在采集过程中, 1次只记录1个点的全光谱数据, 即点扫描(图2A)。由于点扫描一般耗时较长, 因此这种设计常被用于显微成像系统中(Elmasry et al., 2012)。与点扫描的方式不同, 线扫描一般是在Y轴方向上逐行移动样本或采集器, 逐行记录数据(图2B), 可以1次获取样本1行的全光谱数据, 但对光学元件的精度和储存系统的响应速度要求较高(ElMasry et al., 2019a)。波长扫描是光源按照特定顺序依次发射出不同波长的光, 每发射1个波长的光时, 采集器收集整个样本所在空间的单一光谱数据, 直至采集完成全光谱的数据(图2C)。将所有波长下的结果堆叠后, 得到多光谱成像结果(图2E)。MSI可得到包含2个空间维度(X轴方向和Y轴方向)和1个波长维度(光谱轴方向)的三维数据块, 即三维信息立方体(图2E)。例如, 1个拥有2 192×2 192像素空间信息和19个波长信息的场景, 将组成1个2 192×2 192×19的数据立方体; 而相同场景下的RGB图像得到的是2 192×2 192×3的数据立方体。MSI当提取RGB通道时, 即可得到一般拍摄的图像(图2D), 但MSI涵盖多通道光谱信息, 这是传统RGB成像技术所无法采集到的。MSI的三维信息立方体可以看作由多个不同的二维灰度子图像构成(图2E), 通过提取不同波长通道的数据, 可得到该样本在对应波长下的光谱数据(如校准的相对反射率), 将这些离散的点结合起来即可得到样本在波长改变条件下的变化情况(图2F)。由此可见, MSI技术采集并保留了丰富的样本信息, 即不同特征波长下的光谱数据, 这些数据可用于植物结构分析、生理状态鉴定及生化物质定性和定量分析, 从而实现光谱性状与植物表型分析相结合。

本文的其它图/表

• 图1 多光谱成像技术应用方向变化趋势
  UAS: 无人驾驶航空系统。节点表示多光谱技术的应用方向, 流量数据使用R语言统计, 分流表示应用方向的变化。
  
• 表1 多光谱成像技术在植物学研究中的应用