التصوير الطيفي الفائق

في المسح المكاني، يُمثل كل خرج مستشعر ثنائي الأبعاد طيفًا كاملًا للشق ( x ، λ ). تحصل أجهزة التصوير الطيفي الفائق (HSI) المستخدمة في المسح المكاني على أطياف الشق من خلال إسقاط شريط من المشهد على شق وتشتيت صورة الشق باستخدام موشور أو محزز حيود. يعيب هذه الأنظمة تحليل الصورة على مستوى الخطوط (باستخدام ماسح ضوئي خطي ) بالإضافة إلى وجود بعض الأجزاء الميكانيكية المدمجة في المسار البصري. في كاميرات المسح الخطي ، يتم جمع البُعد المكاني من خلال حركة المنصة أو المسح. يتطلب ذلك حوامل ثابتة أو معلومات توجيه دقيقة لإعادة بناء الصورة. مع ذلك، تُعد أنظمة المسح الخطي شائعة الاستخدام في الاستشعار عن بُعد ، حيث يُعد استخدام المنصات المتحركة أمرًا منطقيًا. كما تُستخدم أنظمة المسح الخطي لمسح المواد المتحركة على سير ناقل. يُعد المسح النقطي (باستخدام ماسح ضوئي ذي مكنسة ) حالة خاصة من المسح الخطي ، حيث تُستخدم فتحة تشبه النقطة بدلاً من الشق، ويكون المستشعر أحادي البعد بشكل أساسي بدلاً من ثنائي الأبعاد. ^{[ 7 ] [ 12 ]}

في المسح الطيفي، يُمثل كل مُخرج من مُستشعر ثنائي الأبعاد خريطة مكانية أحادية اللون (أي بطول موجي واحد) ( س ، ص ) للمشهد. تعتمد أجهزة التصوير الطيفي فائق الدقة (HSI) المستخدمة في المسح الطيفي عادةً على مُرشحات تمرير النطاق الضوئي (إما قابلة للضبط أو ثابتة). يتم مسح المشهد طيفيًا عن طريق استبدال مُرشح تلو الآخر بينما تظل المنصة ثابتة. في أنظمة المسح الطيفي الثابتة هذه، قد يحدث تشويه طيفي في حال وجود حركة داخل المشهد، مما يُبطل الارتباط/الكشف الطيفي. ومع ذلك، تكمن الميزة في إمكانية اختيار النطاقات الطيفية، والحصول على تمثيل مباشر للبعدين المكانيين للمشهد. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 12 ]} إذا تم استخدام نظام التصوير على منصة متحركة، مثل طائرة، فإن الصور الملتقطة بأطوال موجية مختلفة تُقابل مناطق مختلفة من المشهد. يُمكن استخدام الخصائص المكانية في كل صورة لإعادة محاذاة البكسلات.

في وضع عدم المسح، يحتوي خرج مستشعر ثنائي الأبعاد واحد على جميع البيانات المكانية ( x ، y ) والطيفية ( λ ). تُنتج أجهزة التصوير الطيفي الفائق (HSI) في وضع عدم المسح مكعب البيانات الكامل دفعة واحدة، دون أي مسح. وبصورة مجازية، تمثل اللقطة الواحدة إسقاطًا منظورًا لمكعب البيانات، والذي يمكن من خلاله إعادة بناء بنيته ثلاثية الأبعاد. ^{[ 7 ] [ 13 ]} من أبرز مزايا أنظمة التصوير الطيفي الفائق هذه ميزة اللقطة الواحدة (إنتاجية ضوئية أعلى) ووقت الحصول على البيانات الأقصر. تم تصميم عدد من الأنظمة، بما في ذلك مطيافية التصوير المقطعي المحوسب (CTIS)، ومطيافية التصوير بإعادة تشكيل الألياف (FRIS)، ومطيافية المجال المتكامل مع مصفوفات العدسات (IFS-L)، ومطيافية المجال المتكامل متعددة الفتحات (مصفوفة البكسل الفائق)، ومطيافية المجال المتكامل مع مرايا تقطيع الصور (IFS-S)، ومطيافية التصوير بنسخ الصور (IRIS)، وتحليل الطيف باستخدام مكدس المرشحات (FSSD)، والتصوير الطيفي الفوري بفتحة مشفرة (CASSI)، ومطيافية رسم خرائط الصور (IMS)، والتداخل متعدد الأطياف ساغناك (MSI). ^{[ 14 ]} ومع ذلك، فإن الجهد الحسابي وتكاليف التصنيع مرتفعة. في محاولة لتقليل المتطلبات الحسابية، وربما التكلفة العالية لأجهزة التصوير الطيفي الفائق غير الماسحة، تم عرض نماذج أولية لأجهزة تعتمد على الحوسبة البصرية متعددة المتغيرات . تعتمد هذه الأجهزة على محرك حساب الطيف الخاص بالعنصر البصري متعدد المتغيرات ^{[ 15 ] [ 16 ]} أو محرك حساب الطيف الخاص بمعدِّل الضوء المكاني ^{[ 17 ]} . في هذه المنصات، تُحسب المعلومات الكيميائية في المجال البصري قبل التصوير، بحيث تعتمد الصورة الكيميائية على أنظمة الكاميرات التقليدية دون أي حسابات إضافية. ومن عيوب هذه الأنظمة عدم الحصول على أي معلومات طيفية، أي المعلومات الكيميائية فقط، مما يجعل المعالجة اللاحقة أو إعادة التحليل غير ممكنة.

في المسح الطيفي المكاني، يُمثل كل مُخرج من مُستشعر ثنائي الأبعاد خريطة مكانية ( x , y ) للمشهد، مُرمّزة بطول موجي (ألوان قوس قزح، λ = λ ( y )). يتكون نموذج أولي لهذه التقنية، طُرح عام 2014، من كاميرا على مسافة غير صفرية خلف مطياف شقي أساسي (شق + عنصر تشتيت). ^{[ 8 ] [ 18 ]} يُمكن الحصول على أنظمة مسح طيفي مكاني مُتقدمة بوضع عنصر تشتيت قبل نظام المسح المكاني. يُمكن إجراء المسح بتحريك النظام بأكمله بالنسبة للمشهد، أو بتحريك الكاميرا وحدها، أو بتحريك الشق وحده. يجمع المسح الطيفي المكاني بعض مزايا المسح المكاني والمسح الطيفي، مما يُخفف من بعض عيوبهما. ^{[ 8 ]}

على الرغم من أن تكلفة الحصول على صور طيفية فائقة عادةً ما تكون مرتفعة لمحاصيل محددة وفي مناخات معينة، إلا أن استخدام الاستشعار عن بُعد الطيفي الفائق يتزايد لمراقبة نمو المحاصيل وصحتها. في أستراليا ، يجري العمل على استخدام أجهزة قياس الطيف التصويرية للكشف عن أصناف العنب وتطوير نظام إنذار مبكر لتفشي الأمراض. ^{[ 22 ]} علاوة على ذلك، يجري العمل على استخدام البيانات الطيفية الفائقة للكشف عن التركيب الكيميائي للنباتات، ^{[ 23 ]} والذي يمكن استخدامه للكشف عن حالة العناصر الغذائية والماء في القمح في أنظمة الري. ^{[ 24 ]} على نطاق أصغر، يمكن استخدام التصوير الطيفي الفائق بالأشعة تحت الحمراء القريبة لمراقبة تطبيق المبيدات على البذور بشكل سريع لضمان جودة الجرعة المثلى والتغطية المتجانسة. ^{[ 25 ]}

يُعدّ الكشف عن البروتينات الحيوانية في الأعلاف المركبة أحد التطبيقات الزراعية المهمة لتجنب اعتلال الدماغ الإسفنجي البقري (BSE) ، المعروف أيضًا بمرض جنون البقر. وقد أُجريت دراسات عديدة لاقتراح أدوات بديلة لطريقة الكشف المرجعية ( المجهر التقليدي ). ومن أوائل هذه البدائل المجهر القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR)، الذي يجمع بين مزايا المجهر والأشعة تحت الحمراء القريبة. في عام 2004، نُشرت أول دراسة تربط هذه المشكلة بالتصوير الطيفي الفائق. ^{[ 26 ]} وقد تم إنشاء مكتبات طيفية فائقة تمثل تنوع المكونات الموجودة عادةً في تحضير الأعلاف المركبة. ويمكن استخدام هذه المكتبات مع أدوات القياس الكيميائي لدراسة حد الكشف، والنوعية، وقابلية التكرار لطريقة التصوير الطيفي الفائق بالأشعة تحت الحمراء القريبة للكشف عن المكونات الحيوانية في العلف وتحديد كميتها.

يمكن أيضاً استخدام كاميرات التصوير الطيفي فائق الدقة (HSI) للكشف عن الإجهاد الناتج عن المعادن الثقيلة في النباتات، مما يجعلها بديلاً أسرع وأسرع من الطرق الكيميائية الرطبة المستخدمة بعد الحصاد. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

يُستخدم التصوير الطيفي الفائق أيضًا في علم الحيوان؛ إذ يُستخدم لدراسة التوزيع المكاني للألوان وامتدادها إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة من الطيف. ^{[ 29 ]} بعض الحيوانات، على سبيل المثال، مثل بعض الضفادع الاستوائية وبعض الحشرات التي تعيش على أوراق الشجر، تتميز بانعكاس عالٍ في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

يمكن للتصوير الطيفي الفائق توفير معلومات حول المكونات الكيميائية للمواد، مما يجعله مفيدًا في فرز النفايات وإعادة تدويرها . ^{[ 31 ]} وقد طُبِّق للتمييز بين المواد ذات الأقمشة المختلفة، ولتحديد الألياف الطبيعية والحيوانية والاصطناعية. ^{[ 32 ]} يمكن دمج كاميرات التصوير الطيفي الفائق مع أنظمة الرؤية الآلية ، ومن خلال منصات مبسطة، تُمكِّن المستخدمين النهائيين من إنشاء تطبيقات جديدة لفرز النفايات، وتطبيقات أخرى للفرز والتعرف. ^{[ 33 ]} يستطيع نظام التعلم الآلي وكاميرا التصوير الطيفي الفائق التمييز بين 12 نوعًا مختلفًا من البلاستيك، مثل البولي إيثيلين تيريفثالات (PET) والبولي بروبيلين (PP)، للفصل الآلي لنفايات المنتجات البلاستيكية والتغليف ، التي كانت، حتى عام 2020، غير موحدة إلى حد كبير . ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

يعمل باحثون في جامعة مونتريال بالتعاون مع شركتي فوتون إتس إي سي وأوبتينا دياغنوستيكس ^{[ 37 ]} لاختبار استخدام التصوير الطيفي الفائق في تشخيص اعتلال الشبكية والوذمة البقعية قبل حدوث أي ضرر للعين. ستكشف كاميرا التصوير الطيفي الفائق الأيضي عن انخفاض في استهلاك الأكسجين في الشبكية، مما يشير إلى احتمال وجود مرض. وبذلك، سيتمكن طبيب العيون من علاج الشبكية بحقن وقائية لمنع أي ضرر محتمل. ^{[ 38 ]}

في صناعة تجهيز الأغذية ، يُمكّن التصوير الطيفي الفائق، بالاقتران مع البرمجيات الذكية، أجهزة الفرز الرقمية (وتُسمى أيضًا أجهزة الفرز البصرية ) من تحديد وإزالة العيوب والمواد الغريبة التي لا يمكن رؤيتها بواسطة أجهزة الفرز التقليدية التي تعمل بالكاميرات والليزر. ^{[ 39 ] [ 40 ]} ومن خلال تحسين دقة إزالة العيوب والمواد الغريبة، يهدف مُصنّعو الأغذية إلى تحسين جودة المنتج وزيادة الإنتاج.

يُتيح استخدام التصوير الطيفي الفائق في أجهزة الفرز الرقمية فحصًا غير مُتلف بنسبة 100% أثناء الإنتاج بكامل طاقته. يقوم برنامج الفرز بمقارنة الصور الطيفية الفائقة الملتقطة بعتبات القبول/الرفض التي يُحددها المستخدم، ويقوم نظام الإخراج بإزالة العيوب والمواد الغريبة تلقائيًا.

يُعدّ استخدام أجهزة فرز الأغذية القائمة على مستشعرات التصوير الطيفي الفائق في الأسواق الحديثة الأكثر تطورًا في صناعة المكسرات، حيث تعمل الأنظمة المُثبّتة على إزالة النوى والقشور والمواد الغريبة الأخرى، بالإضافة إلى المواد النباتية الدخيلة، من الجوز والبيكان واللوز والفستق والفول السوداني وأنواع المكسرات الأخرى. وفي هذا السياق، غالبًا ما تُبرّر جودة المنتج المُحسّنة، وانخفاض معدلات الرفض الخاطئ، والقدرة على التعامل مع كميات كبيرة من المنتجات المعيبة الواردة، تكلفة هذه التقنية.

يشهد استخدام أجهزة الفرز الطيفية الفائقة انتشارًا تجاريًا سريعًا في صناعة معالجة البطاطس، حيث تعد هذه التقنية بحل العديد من مشاكل جودة المنتج العالقة. ويجري العمل حاليًا على استخدام التصوير الطيفي الفائق للكشف عن "الأطراف السكرية" ^{[ 41 ]} و "القلب المجوف" ^{[ 42 ]} و"الجرب الشائع" ^{[ 43 ]} ، وهي أمراض تصيب معالجي البطاطس.

يمكن رسم خرائط سريعة للعينات الجيولوجية، مثل عينات الحفر ، للكشف عن جميع المعادن ذات الأهمية التجارية تقريبًا باستخدام التصوير الطيفي الفائق. ويُعدّ دمج التصوير الطيفي بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة (SWIR) والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة (LWIR) معيارًا أساسيًا للكشف عن المعادن في مجموعات الفلسبار والسيليكا والكالسيت والجارنيت والأوليفين ، حيث تتميز هذه المعادن ببصماتها الطيفية الأقوى والأكثر وضوحًا في نطاق الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة الطويلة. ^{[ 44 ]}

يُعدّ الاستشعار عن بُعد فائق الطيف للمعادن تقنية متطورة. إذ يُمكن تحديد العديد من المعادن من الصور الجوية، كما أن علاقتها بوجود المعادن الثمينة، كالذهب والماس، مفهومة جيدًا. ويتجه التقدم حاليًا نحو فهم العلاقة بين تسربات النفط والغاز من خطوط الأنابيب والآبار الطبيعية، وتأثيراتها على الغطاء النباتي والبصمات الطيفية. ومن بين الأعمال الحديثة في هذا المجال أطروحات الدكتوراه لكل من ورف ^{[ 45 ]} ونومين ^{[ 46 ] .}

المراقبة الطيفية الفائقة هي تطبيق تقنية المسح الطيفي الفائق لأغراض المراقبة . وتُعدّ هذه التقنية مفيدةً بشكل خاص في المراقبة العسكرية نظرًا للتدابير المضادة التي تتخذها الجهات العسكرية حاليًا لتجنب المراقبة الجوية. تقوم فكرة المراقبة الطيفية الفائقة على استخلاص المعلومات من جزء كبير من طيف الضوء، ما يضمن وجود بصمة طيفية فريدة لأي جسم في عدد من النطاقات العديدة التي يتم مسحها. كما أظهر التصوير الطيفي الفائق إمكانية استخدامه في التعرف على الوجوه ، حيث أثبتت خوارزميات التعرف على الوجوه التي تستخدم هذه التقنية تفوقها على الخوارزميات التي تستخدم التصوير التقليدي. ^{[ 47 ]}

تقليديًا، كانت أنظمة التصوير الطيفي الحراري بالأشعة تحت الحمراء المتوفرة تجاريًا تتطلب التبريد بالنيتروجين السائل أو الهيليوم ، مما جعلها غير عملية لمعظم تطبيقات المراقبة. في عام 2010، طرحت شركة سبيسيم كاميرا طيفية حرارية بالأشعة تحت الحمراء يمكن استخدامها للمراقبة الخارجية وتطبيقات الطائرات بدون طيار دون الحاجة إلى مصدر ضوء خارجي كالشمس أو القمر. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

في علم الفلك، يُستخدم التصوير الطيفي الفائق لتحديد صورة طيفية ذات دقة مكانية عالية. ولأن الطيف يُعدّ أداة تشخيصية مهمة، فإن امتلاك طيف لكل بكسل يُتيح دراسة عدد أكبر من الحالات العلمية. في علم الفلك، تُعرف هذه التقنية عادةً باسم مطيافية المجال المتكامل ، ومن أمثلتها مشروعا FLAMES ^{[ 50 ]} وSINFONI ^{[ 51 ]} على التلسكوب الكبير جدًا . كما يستخدم مطياف التصوير CCD المتقدم في مرصد تشاندرا للأشعة السينية هذه التقنية.

قد يتعرض الجنود لمجموعة واسعة من المخاطر الكيميائية. هذه المخاطر غير مرئية في الغالب، ولكن يمكن رصدها بتقنية التصوير الطيفي الفائق. وقد أثبتت كاميرا تيلوبس هايبر-كام، التي طُرحت عام 2005، هذه القدرة على مسافات تصل إلى 5  كيلومترات. ^{[ 53 ]}

يُمكن للتصوير الطيفي فائق الدقة في نطاق الطيف المرئي القريب من الأشعة تحت الحمراء (VNIR) التمييز بفعالية بين مطبوعات نفث الحبر القائمة على الصبغات وتلك القائمة على الأصباغ، على الرغم من تشابه مظهرها للعين المجردة. وقد أظهرت الأبحاث أن هذين النوعين من الحبر يتميزان بخصائص طيفية مختلفة بشكل ملحوظ، لا سيما في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (800-1000 نانومتر)، حيث تُظهر الأحبار القائمة على الصبغات انعكاسًا أعلى بكثير مقارنةً بالأحبار القائمة على الأصباغ. ويبرز هذا الاختلاف بشكل خاص في الحبر الأسود، حيث يحافظ الحبر القائم على الأصباغ على انعكاس منخفض عبر طيف VNIR بأكمله، بينما يزداد انعكاس الحبر القائم على الصبغات بشكل كبير في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. وبالتالي، قد تُوفر تقنية التصوير الطيفي فائق الدقة تطبيقات عملية في كشف تزوير المطبوعات، والتحقق من جودة المطبوعات الأرشيفية، وربما تحديد أنواع الطابعات المستخدمة في إنشاء المستندات. ^{[ 54 ]}

تُلزم معظم الدول بمراقبة مستمرة للانبعاثات الناتجة عن محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم والنفط، ومحارق النفايات البلدية والخطرة، ومصانع الإسمنت، بالإضافة إلى العديد من المصادر الصناعية الأخرى. وتُجرى هذه المراقبة عادةً باستخدام أنظمة أخذ العينات الاستخلاصية المقترنة بتقنيات التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. وقد سمحت بعض القياسات عن بُعد التي أُجريت مؤخرًا بتقييم جودة الهواء، إلا أن العديد من الطرق المستقلة عن بُعد لا تُتيح قياسات ذات هامش خطأ منخفض.

تشير الأبحاث الحديثة إلى أن التصوير الطيفي الفائق قد يكون مفيدًا في الكشف عن تطور الشقوق في الأرصفة ^{[ 56 ]} والتي يصعب اكتشافها من الصور الملتقطة بكاميرات الطيف المرئي. ^{[ 56 ]}

كما استُخدم التصوير الطيفي الفائق للكشف عن السرطان، وتحديد الأعصاب، وتحليل الكدمات. ^{[ 57 ]} علاوة على ذلك، يمكن للتصوير الطيفي الفائق في نطاقات الطيف المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة والأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة تحديد مسببات الأمراض في الأغشية الحيوية المختلطة، مثل المكورات العنقودية الذهبية والزائفة الزنجارية، والتي غالبًا ما توجد على الأسطح في الأغشية الحيوية أحادية النوع ومتعددة الميكروبات التي تتكون من مزيج من سلالات مختلفة ^{[ 58 ]} .

تم مؤخراً استكشاف استخدام التصوير الطيفي الفائق في القيادة الذاتية وأنظمة مساعدة السائق المتقدمة. ^{[ 59 ]} ويمكن استخدامه لتحسين فصل المشاة وتصنيف الأجسام مقارنةً بكاميرات RGB التقليدية، ^{[ 60 ]} وللمساعدة في تمييز ظروف الطريق مثل وجود الماء أو الثلج على السطح. ^{[ 61 ]}