高光譜成像系統(tǒng)除了能夠采集到樣本的有用光譜信息，還會受到電子噪聲、光照等外界噪聲干擾，使得光譜數(shù)據(jù)存在誤差。光譜的建模分析中，很大程度上的誤差來源于數(shù)據(jù)，有效的光譜數(shù)據(jù)是保證識別準(zhǔn)確率的關(guān)鍵。本文對高光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理方法做了介紹。

光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法有多元散射校正、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換、數(shù)據(jù)規(guī)范化、數(shù)據(jù)平滑校正、導(dǎo)數(shù)光譜法、小波變換法，等等，下文介紹幾種常用的方法：

1.多元散射校正（MSC）

多元散射校正是一種對光譜的線性化處理。樣本的分布不均或者顆粒大小差異容易產(chǎn)生光散射，不能獲取到“理想”光譜。該算法假設(shè)，實際光譜與“理想光譜成線性關(guān)系，一般情況下，“理想”光譜無法獲取，因此，常用樣本數(shù)據(jù)集的平均光譜來替代。多元散射校正能夠消除隨機變化，校正后的光譜并非原始光譜。當(dāng)光譜與待測物質(zhì)的化學(xué)特性比較相關(guān)時，多元散射校正效果較好。

2.標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換（SNV）

標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換類似于多元散射校正，可以用來消除散射誤差以及光程變化等影響。但是，兩種方法的處理思想不同，該方法不需要“理想”光譜，而是假設(shè)每一條光譜中，每個波長的光譜吸收值滿足一些條件，比如符合正態(tài)分布，則標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換就是對每一條光譜進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變換處理。標(biāo)準(zhǔn)變量變化是分別對每一條光譜進(jìn)行校正，因此，較適合處理實驗樣本差異較大的光譜數(shù)據(jù)。

3.數(shù)據(jù)平滑校正

光譜儀的不同波段對能量響應(yīng)的不同，會導(dǎo)致光譜曲線上顯示很多隨機的“毛刺”噪聲，曲線變得不平滑。而數(shù)據(jù)平滑校正是最常用的一種，其基本思路是：在特定平滑點的周圍選取指定數(shù)量的若干點，對其平均或擬合，求得平滑點的最佳估計值，減少噪聲干擾，消除隨機噪聲。移動窗口平均法和Savitzky-Golay最小二乘擬合法都是常用的光譜數(shù)據(jù)平滑校正方法。

4.光譜導(dǎo)數(shù)法

求導(dǎo)可以減少儀器干擾、樣本表面不均、光照等因素引起的基線漂移，一定程度上解決光譜信號重疊問題，將隱臧的微弱有效光譜信息放大，提供吏好的光譜變化和分辨率。光譜導(dǎo)數(shù)法常用于近紅外光譜吸收峰谷的辨別以及特征波長的提取小。導(dǎo)數(shù)光譜包括一階導(dǎo)數(shù)光譜、二階導(dǎo)數(shù)光譜以及高階導(dǎo)數(shù)光譜等，實際應(yīng)用中僅用一階和二階導(dǎo)數(shù)光譜就可以滿足要求。很多隨機噪聲通常屬于高頻信號，求導(dǎo)也許會使噪聲變大，降低信噪比，若需要對原始光譜求導(dǎo)，前提是光譜分辨率和信噪比要高。常用的光譜導(dǎo)數(shù)方法有直接差分法和SG卷積求導(dǎo)法。

5.小波變換

小波變換是新發(fā)展起來的一種時-頻變換分析法，用于光譜數(shù)據(jù)壓縮和噪聲消除。小波變換繼承了傅立葉變換的局部化思想，變換中的窗口大小隨著頻率變化而變化。此外，當(dāng)時-頻局部特性和多分辨特性較好時，小波變換還使得光譜信號在不同頻率下被分解為多種尺度成分，并且根據(jù)尺度成分的大小選取相應(yīng)的采樣步長，從而能夠聚焦到任意光譜信號中。小波變換的多尺度分辨率特點能夠使其較快地從多噪聲信號中獲取原始光譜信號，因此，利用小波分析對含有較大噪聲的光譜信號進(jìn)行消除，是一個非常重要的應(yīng)用。