高光譜成像儀獲取的光譜信息容易受到儀器性能、電噪音、樣本背景、雜散光等因素的影響，使得測(cè)量到的光譜信號(hào)存在噪音、譜線平移等干擾，為了建立建立精確、穩(wěn)定、可靠的數(shù)學(xué)模型，就需要對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。本文對(duì)光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法做了介紹。

高光譜成像系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中容易受到儀器性能、電噪音、樣本背景、雜散光等因素的影響，使得測(cè)量到的光譜信號(hào)存在噪音、譜線平移等干擾。為了更高效地對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，建立精確、穩(wěn)定、可靠的數(shù)學(xué)模型，需要先對(duì)原始光譜信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理分析，提高光譜數(shù)據(jù)的信噪比，減弱或消除各非目標(biāo)因素對(duì)光譜信號(hào)和模型的影響。各種光譜預(yù)處理方法的功能不盡相同，需針對(duì)不同的光譜數(shù)據(jù)和檢測(cè)對(duì)象選用合適的預(yù)處理方法。常用的光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法包括：平滑、多元散射校正、變量標(biāo)準(zhǔn)化、一階求導(dǎo)和二階求導(dǎo)。

1.平滑方法

噪聲是光譜信號(hào)中常見(jiàn)的干擾，表現(xiàn)為光譜曲線上雜亂無(wú)章的高頻波動(dòng)信號(hào)。噪聲會(huì)干擾模型的建立，也容易造成模型建立時(shí)產(chǎn)生過(guò)擬合。平滑處理是降低噪聲的常用方法之一，通過(guò)對(duì)平滑點(diǎn)周邊一定窗口大小范圍的數(shù)據(jù)點(diǎn)值進(jìn)行平均或擬合，從而求得平滑點(diǎn)的最佳估計(jì)值，以減少噪聲對(duì)該數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值的干擾，提高信噪比。常用的平滑方法有移動(dòng)平均平滑法（Moving Average）和 Savitzky-Golay卷積平滑法。

移動(dòng)平均平滑法將光譜波長(zhǎng)分為若干個(gè)區(qū)間，通過(guò)將各個(gè)分割后的區(qū)間相互重疊，如同將區(qū)間移動(dòng)起來(lái)進(jìn)行平滑。該方法的平滑窗口寬度是一個(gè)重要的參數(shù)，若窗口的寬度過(guò)大，會(huì)將一些特征吸收峰等有用信息過(guò)濾掉，導(dǎo)致光譜信號(hào)的失真；若窗口的寬度太小，則平滑去噪效果不明顯。Savitzky 和 Golay提出了Savitzky-Golay卷積平滑法來(lái)解決上述問(wèn)題。該方法采用最小二乘擬合系數(shù)建立濾波函數(shù)，不再僅僅使用簡(jiǎn)單的平均，而是對(duì)移動(dòng)窗口內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式最小二乘擬合。

2.多元散射校正方法

多元散射校正（MSC）由Isaksson和Naes提出，其目的是通過(guò)校正每個(gè)光譜的散射，以獲得較為“理想”的光譜。該算法假定每一條光譜與“理想”的光譜之間都應(yīng)該呈線性關(guān)系。雖然真正的“理想”光譜是無(wú)法獲得的，但可以用建模集樣本的平均光譜來(lái)近似代替。

3.變量標(biāo)準(zhǔn)化方法

類似于多元散射校正，變量標(biāo)準(zhǔn)化（SNV）也可以用來(lái)校正樣本間由散射引起的光譜誤差。與多元散射校正不同的是，該算法不需要“理想”光譜，其計(jì)算思想是：每一條光譜中各波長(zhǎng)點(diǎn)的吸光度應(yīng)符合一定的分布（如正態(tài)分布），變量標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)每一條原始光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化處理。

4.求導(dǎo)算法

求導(dǎo)是種常見(jiàn)的光譜預(yù)處理算法，可以減少由于光程、光照角度、樣本表面不均勻等非物質(zhì)本身成分變化造成的光譜基線漂移，并在一定程度上解決光譜信號(hào)中由于倍頻和合頻引起的光譜信號(hào)重疊問(wèn)題，對(duì)于分辨近紅外光譜的吸收峰和特征波長(zhǎng)具有重要意義，可初步用于特定化學(xué)鍵的分析。一階和二階求導(dǎo)是最常用的兩種求導(dǎo)算法。求導(dǎo)算法的缺點(diǎn)是容易受到噪聲的干擾，當(dāng)光譜信噪比較低時(shí)，容易進(jìn)一步放大噪聲信號(hào)。因此求導(dǎo)的前提是原始光譜要有相對(duì)高的分辨率和信噪比。

常用的光譜求導(dǎo)方法有直接差分法和Savitzky-Golay卷積求導(dǎo)法。直接差分法多適用于分辨率較高、波長(zhǎng)采樣點(diǎn)較多的光譜數(shù)據(jù)，但當(dāng)用于分析分辨率較低、波長(zhǎng)點(diǎn)稀疏的光譜信號(hào)時(shí)容易產(chǎn)生較大的誤差，產(chǎn)生結(jié)果失真等問(wèn)題。Savitzky-Golay卷積求導(dǎo)法采用最小二乘擬合導(dǎo)數(shù)系數(shù)，因此可以有效避免光譜求導(dǎo)結(jié)果失真的問(wèn)題。