Hyperspektrale Bildgebung ist eine Technik, die einem reflektierten Bild, das die Spektraldaten des Ziels enthält, eine farbenfrohe dritte Dimension hinzufügt. Es kann in Anwendungen wie der topographischen Analyse von Mineralvorkommen oder Farmen, der militärischen Überwachung, der medizinischen Gewebeanalyse und der archäologischen Kartierung verwendet werden. Hyperspektrale Bildgebung liefert eine Fülle von Licht- und Zusammensetzungsdaten von bildgebenden Sensoren im Feld, im Labor und sogar im Weltraum.
Die spektrale Bildgebung analysiert Reflexionsspektren oder Lichtwellenlängendaten. Es könnte Technologien wie reflektierende Spiegel, Prismen, Linsen und Lichtsensoren verwenden, ähnlich wie die Komponenten und ladungsgekoppelten Geräte (CCD)-Chips in einer Digitalkamera. In Kombination mit der Remote-Imaging-Technologie wird die spektrale Bildgebung verwendet, um Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums zu messen, die von einem Zielmaterial gestreut werden. Geräte, die als Spektrometer und Spektroradiometer bezeichnet werden, stellen Schwankungen in der Energiewellenlänge des von einem Ziel reflektierten Lichts fest und ermöglichen es dem Beobachter, die Zusammensetzung des Materials oder der Landschaft zu bestimmen.
Hyperspektrale Bildgebung nutzt moderne Rechenleistung, um Daten aus vielen Bildern zu kombinieren und die dritte Dimension der Spektraldaten direkt in das Bild einzufügen. Dieser Datensatz wird wie ein Stapel von Schnappschüssen zu einem „hyperspektralen Würfel“ gestapelt, in dem jedes Pixel seine Spektraldaten enthält. Die multispektrale Bildgebung kombiniert Daten von Dutzenden oder Hunderten von elektromagnetischen (EM) Bändern, aber hyperspektrale Würfel können Daten von Tausenden von Bändern verarbeiten.
Die multispektrale Bildgebung verwendet normalerweise Daten von mehreren Sensoren, wohingegen hyperspektrale Daten oft als ein Satz zusammenhängender Bänder von einem einzigen Sensor gesammelt werden. Je mehr Daten, desto klarer das Bild. Je klarer das Bild ist, desto leichter lässt sich feststellen, aus welchem Stoff oder aus welchen Stoffen das Motiv besteht.
Einige Anwendungen der hyperspektralen Bildgebung umfassen chemische Analysen, Fluoreszenzmikroskopie, Wärmebildgebung, archäologische Entdeckungen und forensische Untersuchungen. Die medizinische Hyperspektralbildgebung extrahiert visuelle Wellenlängen einer räumlichen Region und synthetisiert die Schnitte zu einer „topografischen Karte“, die für eine klare medizinische Analyse von Gewebeeigenschaften für verschiedene Diagnosen oder Forschungszwecke bereit ist. Diese Bildgebungstechnologie kann mehr vom EM-Band als sichtbares Licht erfassen, einschließlich infraroter und ultravioletter Wellenlängen, sodass Informationen verbessert werden können, die ansonsten mit bloßem Auge nicht sichtbar wären. Alle Materialien enthalten spektrale Signaturen, die wichtige Hinweise für eine Vielzahl von Anwendungen in vielen Bereichen liefern können.
Durch das Verständnis der Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung des Bodens und des Pflanzenwachstums sind forensische Ermittler beispielsweise in der Lage, ansonsten unbekannte Gräber zu lokalisieren. Dies liegt daran, dass die Zersetzung die Reflexionsspektren des Pflanzenwachstums von ihrer Umgebung unterscheidet. Einfach ausgedrückt, das zusätzliche Chlorophyll, das in Pflanzen enthalten ist, die durch Zersetzung befruchtet wurden, macht sie in hyperspektralen Daten viel sichtbarer als mit bloßem Auge.
Fernerkundung und digitale Bildgebung finden ständig neue Anwendungen. Spezielle Bibliotheken, die bekannte Spektraldaten von Materialien enthalten, werden Forschern und Zivilisten zunehmend von Organisationen wie der US-amerikanischen National Aeronautics and Space Administration (NASA) zur Verfügung gestellt. In vielen Industrien wurden ständig neue Anwendungen für diese Technik entwickelt. Landwirtschaftliche Verwendungen können die Bestimmung von Pflanzensorten, Wasser- und Nährstoffbedingungen und die Früherkennung von Krankheiten umfassen. Da die Technologie der Öffentlichkeit zugänglicher wird, wird erwartet, dass ständig neue Anwendungen entwickelt werden, die einen großen Vorteil gegenüber der relativ begrenzten analytischen Leistung der Einzelpunktspektroskopie haben.
Die Wärmebildtechnologie wird seit langem in der militärischen oder luftgestützten Überwachung eingesetzt. Aus diesem Grund wurden spezielle Techniken entwickelt, um diese Technologie zu vereiteln, um die Wärmesignaturen der Bodentruppen aus der Luft zu maskieren. Die hyperspektrale Bildgebung könnte diese Gegenmaßnahmen mit ihrer Vielzahl von Spektralbandmessungen zunichte machen und eine Präzisionsanalyse bieten, die die spektralen „Fingerabdrücke“ des Ziels aufdecken kann.
Für jedes Informationspixel wird das gesamte Spektrum erfasst, sodass der Betrachter keine Vorkenntnisse über ein Material benötigt, um eine Analyse durchzuführen. Die Computerverarbeitung kann alle verfügbaren Daten für eine vollständige Analyse einer Probe umfassen. Dies erfordert dedizierte Computerressourcen, einschließlich kostspieliger sensibler Geräte und einer großen Datenspeicherkapazität. Ein hyperspektraler Würfel stellt mehrdimensionale Datensätze dar, die jeweils Hunderte von Megabyte zur Verarbeitung benötigen.