Hyperspectral Imaging
يسجل التصوير فائق الأطياف طيف انعكاس لكل بكسل عبر مئات النطاقات الضيقة، ما يتيح تحديد المواد التي تبدو متشابهة في RGB.
يسجل التصوير فائق الطيف (HSI) طيفًا كاملًا من الضوء المنعكس أو المنبعث لكل بكسل في الصورة، مأخوذًا على عشرات إلى مئات نطاقات الأطوال الموجية الضيقة والمتجاورة. وتكشف هذه النطاقات الضيقة سمات الامتصاص التي تتركها المعادن وأصباغ النباتات واللدائن والأنسجة عند أطوال موجية مميزة؛ لذا يحدد طيف البكسل، أي بصمته الطيفية، المادة التي يتكون منها السطح، حتى عندما تبدو مادتان متطابقتين لكاميرا ملونة. والنتيجة مكعب بيانات ثلاثي الأبعاد بمحورين مكانيين ومحور طيفي واحد، تعالجه نماذج الرؤية الحاسوبية والتعلّم الآلي إما طيفًا واحدًا لكل بكسل أو حجمًا مكانيًا طيفيًا مشتركًا. ويشغّل مختبر الدفع النفاث التابع لـ NASA مقياس الطيف الجوي AVIRIS منذ أواخر ثمانينيات القرن العشرين، مسجلًا 224 نطاقًا متجاورًا من 400 إلى 2,500 نانومتر.
كيف تبني الكاميرا فائقة الطيف مكعب البيانات#
يفصل مقياس الطيف التصويري الضوء الوارد حسب الطول الموجي باستخدام موشور أو محزوز حيود أو مجموعة مرشحات، ثم يسجله على كاشف ثنائي الأبعاد. وبما أن للكاشف بُعدين فقط، ينتج المحور الثالث للمكعب عن المسح:
- المسح الخطي (Pushbroom): تسمح شقّة بمرور خط واحد من المشهد، ويوزّع مقياس الطيف ضوء ذلك الخط على الكاشف حسب الطول الموجي، ويتكوّن المكعب سطرًا بعد سطر مع تحرك الطائرة أو القمر الصناعي أو الحزام الناقل.
- المسح النقطي (Whiskbroom): تمسح مرآة دوارة نقطة واحدة عبر المشهد، كما في جهاز AVIRIS الكلاسيكي.
- المسح الطيفي: يلتقط مرشح قابل للضبط صورة كاملة واحدة لكل نطاق بالتتابع، ما يناسب المجاهر والمشاهد الثابتة الأخرى.
- الالتقاط اللحظي: تلتقط فسيفساء مرشحات على المستشعر المكعب كله في تعريض واحد وبمعدل الفيديو، على حساب الدقة المكانية.
التصوير فائق الطيف مقابل متعدد الأطياف وتصوير RGB#
تسجل كاميرا RGB ثلاثة نطاقات عريضة، بينما يسجل التصوير متعدد الأطياف عددًا قليلًا من النطاقات العريضة المحددة مسبقًا، مثل النطاقات الـ13 لأقمار Sentinel-2 التابعة لـ ESA، وهي كافية لمؤشرات الغطاء النباتي مثل NDVI. أما المستشعرات فائقة الطيف فتأخذ عينات متجاورة من الطيف: إذ يسجل مقياس الطيف التصويري EMIT التابع لـ NASA على متن محطة الفضاء الدولية 285 نطاقًا بين 381 و2,493 نانومتر، تفصل بينها نحو 7.5 نانومتر. وتترتب على هذه التفاصيل كلفة في حجم البيانات، وانخفاض نسبة الإشارة إلى الضجيج لكل نطاق، وارتباط قوي بين النطاقات المجاورة؛ لذا تضغط خطوط المعالجة المكعب غالبًا باستخدام تحليل المكونات الرئيسية أو اختيار النطاقات قبل التدريب، وهو شكل من تقليل الأبعاد. ويستخدم تحليل صور الأقمار الصناعية كلا النوعين من الصور، وغالبًا ما يجمع دمج المستشعرات بين مكعب فائق الطيف وبيانات ارتفاع LiDAR أو صور RGB عالية الدقة.
تحليل البيانات فائقة الطيف بالذكاء الاصطناعي#
تُحوّل أولًا قراءات المستشعر الخام إلى انعكاس طيفي عبر المعايرة الإشعاعية، وإلى جانب تصحيح الغلاف الجوي في البيانات الجوية وبيانات الأقمار الصناعية، وذلك ضمن المعالجة المسبقة للبيانات. ثم تقارن الطرق التقليدية كل بكسل بأطياف مرجعية: إذ يقيس محوّل الزاوية الطيفية الزاوية بين طيفين بصرف النظر عن السطوع، ويقدّر الخلط الخطي نسبة مساهمة كل مادة نقية، أو مكوّن نهائي، في البكسل المختلط. تصنف نماذج التعلّم العميق الأطياف أحادية البعد، أو تشغّل شبكات عصبية التفافية ثنائية الأبعاد على المكونات الرئيسية، أو تطبق التفافات ثلاثية الأبعاد ومحوّلات على رقع مكانية طيفية. ومن دون تسميات، يرصد كشف الحالات الشاذة البكسلات ذات الأطياف المختلفة عن خلفية المشهد، مثل عمود غاز أو جسم مموّه.
يُقيّم تصنيف البكسلات، وهو شكل التصنيف فائق الطيف من التقسيم الدلالي، على مشاهد جوية صغيرة مثل Indian Pines، التي التقطها AVIRIS فوق شمال غربي Indiana بدقة 145×145 بكسلًا و224 نطاقًا، أو 200 نطاق بعد إزالة نطاقات امتصاص الماء، و16 فئة للمحاصيل والغطاء الأرضي؛ ومجموعة Pavia University، التي التقطها مستشعر ROSIS بدقة 610×340 بكسلًا و103 نطاقات و9 فئات. يؤدي التقسيم العشوائي للبكسلات من مشهد واحد إلى إدراج بكسلات متجاورة وشديدة التشابه في مجموعتي التدريب والاختبار، وهو شكل من تسرّب البيانات يضخم الدقة؛ لذا تستبعد التقييمات الموثوقة مناطق متباعدة مكانيًا.
يقرأ Ultralytics YOLO عدد قنوات الإدخال من المفتاح channels في ملف YAML لمجموعة البيانات، ويحمل صور TIFF متعددة القنوات؛ لذا يمكن لنموذج YOLO26 لكشف الأجسام أن يتدرب على مجموعة من النطاقات المختارة أو المكونات الرئيسية، كما توضح مجموعة بيانات COCO8-Multispectral ذات القنوات العشر.
تطبيقات عملية#
- الزراعة الدقيقة: يغيّر إجهاد الماء ونقص المغذيات والأمراض سمات امتصاص الكلوروفيل والماء في أطياف الأوراق؛ لذا ترسم الكاميرات المحمولة على الطائرات المسيّرة والطائرات صحة المحاصيل حقلًا بحقل.
- إعادة التدوير وفرز الأغذية: تميّز كاميرات المسح الخطي بالأشعة تحت الحمراء القريبة، المثبتة فوق الأحزمة الناقلة، بين اللدائن مثل PET والبولي إيثيلين والبولي بروبيلين وفق أطياف امتصاصها، كما تستخدم خطوط إنتاج الأغذية المبدأ نفسه للكشف عن المواد الغريبة والكدمات.
- تحليل الصور الطبية: يمتص الهيموغلوبين المؤكسج وغير المؤكسج الضوء بطرائق مختلفة، لذا ترسم الكاميرات فائقة الطيف تشبع الأكسجين في الأنسجة وترويتها لتقييم الجروح وإجراء العمليات الجراحية من دون مواد تباين.
- رصد الأرض: صُمم EMIT لرسم معادن مصادر الغبار الصحراوي، كما تكشف قياسات الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة سمات امتصاص الميثان، ما أتاح للجهاز تحديد أعمدة الميثان المنبعثة من مكبات النفايات ومنشآت النفط والغاز حول العالم.
