[科普中国]-多谱段遥感

简介

遥感图像是当前重要的图像资源之一，由于它能快速准确地获取信息，解决了传统方法所不能及的实时更新的障碍，如今被广泛地应用于农业、测绘、水利、气象、环境保护，地质勘探以及军事地理信息系统等领域。而遥感图像的数据量巨大，且在源源不断产生中，如何快速有效地获取到什么区域有军事装备，什么区域有民宅等等的信息，是实现基于遥感图像的信息处理系统的关键。

由于遥感图像细节丰富，数据量庞大，图像压缩技术成为解决传输和存储遥感图像的必要手段。传统的图像压缩技术所用的编码方法有DPCM (差值脉冲编码)，矢量量化和JPEG等，但应用在遥感图像中都存在一定局限性，如DPCM压缩比不高，VQ计算复杂度高，JPEG会产生“块效应”导致视觉失真等等。遥感图像巨大的数据量中，对于具体的应用领域，如军事，地质勘探等，往往只有很小的部分是有用的，常用人工标注或分类的方法标出感兴趣的区域，如机场，矿区等，JPEG 2000的出现，使遥感图像可取得很大压缩比的同时，感兴趣区域在解压缩时可得到相当好的图像质量，有望很好地解决用传统的图像编码方法对遥感图像编码所出现的不足。

新一代图像压缩技术JPEG2000解决了对1幅图不同的区域采用不同的压缩质量的问题，它使用有损编码和无损编码相结合的技术，对人工标注区域的压缩质量可以比非标注区域的压缩质量高得多。JPEG2000对感兴趣区域优先编码的特点，恰好适应了遥感图像只有部分区域需要着重保护的特征，为遥感图像的重要区域提供更好质量的视觉效果。由于遥感图像基本上是以JPEG2000的压缩码流进行存储和传输的，研究JPEG2000压缩下的遥感图像检索是很具有应用价值的。

针对JPEG2000对图像的感兴趣区域优先处理的特点，提出一种在JPEG2000压缩码流不完全解码的情况下，实现遥感图像感兴趣区域检索的方法，该方法利用JPEG2000对图像做分块小波分解以及感兴趣区域优先编码、传送的特点，仅对感兴趣区域的码流进行解码和恢复，同时根据同种目标的谱段反射特性相似的特点，提取感兴趣区域的多谱段统计特征，并以此为依据对遥感图像的感兴趣区域进行检索，实验结果表明，该方法简单高效，并具有平移、旋转不变性的特点1。

JPEG2000感兴趣区域的编码JPEG2000的一大特点是支持感兴趣区域的编码，感兴趣区域可以获得比背景图像高得多的图像压缩质量，为了获得高质量的感兴趣区域，同时保持一定的压缩比，编码码流中所含背景信息就必须相对减少。对于多谱段遥感图像，感兴趣区域(RO I )一个区域在不同波段的电磁波辐射下，会产生不同的反射值，从而得到一组多光谱图像，谱向量是指图像中的一个点在不同电磁波辐射下所产生的反射值构成的一组向量。

JPEG2000采用了一种称为最大上移(MAXS'EI IFT)的编码算法，这种编码方法很好地解决了感兴趣区域形状的随意性，使压缩码流中不必含有感兴趣区域的形状信息，减少了计算和存储的复杂程度。而感兴趣区域形状的随意性，使感兴趣MAX S'EI IFT算法的基本步骤是:首先由编码器扫描量化系数，并自适应地选取一个缩放系数，使得感兴趣区域系数里的最小值比非感兴趣区域的最大值都大，即选取缩放系数为大于任何背景系数的最小整数s。解码时，收到的比特流大于或等于s的系数对应的就是感兴趣区域，而小于s的系数对应的是图像的背景区域(非感兴趣区域)。

根据JPEG 2000感兴趣区域编码的这个特征，可以很容易得到感兴趣区域的压缩码流，并对码流进行解码和反量化处理，使感兴趣区域的系数结构化，数据以字节对齐，这样有利于计算机的处理，同时，为了不丢失太多的信息，还要对感兴趣区域的小波系数进行反变换，还原到遥感图像感兴趣区域的原始状态2。

多谱段遥感图像的特征遥感是研究电磁波辐射与地球表面物质相互作用的机理和过程的科学，遥感图像受地面限制少，对于自然条件恶劣，地面工作难以开展的地区(如敌占区)，利用遥感技术很容易获取信息。多谱段遥感利用物体对不同谱段的电磁波有不同的反射和辐射，而同种物体对同一谱段电磁波反射或折射特性相似的特征，很容易用聚类的方法算出同一种物体的谱特征，并以此得到含有该物体的区域。

对一个地区的一组7谱段遥感图像进行特征统计，得到这个地区水域、城区(建筑密集区域)以及郊区(植被覆盖区域)的谱特征，横坐标对应7个谱段，纵坐标是每个谱段上某一区域(水域，城区等)谱特征的平均值，这7个值在一起构成了这个区域的谱向量。从这些谱向量中，可以看到某个物体总是会对有些波段产生较大的反射或辐射，而对有些波段则表现的不太明显，遥感图像感兴趣区域检索算法，正是利用了物体对电磁波的这种特征。

遥感图像感兴趣区域的检索遥感图像传回地面后，往往要用人工或聚类的方法从中标注出感兴趣的区域。JPEG 2000用提升小波对图像进行压缩，在进行编码之前，把源图像划分成被称为是tile的小块，每个块被看成小的源图像进行编解码，这样图像的每个点在进行编码或解码时，只需知道其所在tile的每个点的值，而不是一幅图所有点的值，为感兴趣区域的随意选取提供了依据。对于遥感图像，取出感兴趣区域的数据后，只需要通过对谱特征的统计，就能除去感兴趣区域中的背景区域，然后仅对存在比例较大的物体的谱特征进行相似度度量即可，减少了计算量和背景区域的干扰，提高了检索效率和准确率。

结论对JPEG2000压缩码流不完全解码实现遥感图像检索的方法，充分利用了JPEG2000对感兴趣区域优先编码的特征，从码流中提取感兴趣区域的编码并进行解码和解压缩处理，由于JPEG2000使用块状小波压缩的方法，所以感兴趣区域可以任意选取，如此得到的区域受非感兴趣区域的干扰可以极大的减少，因此可以用特征统计的方法，提取例子图像感兴趣区域的谱特征，并根据感兴趣区域主要类的中心，计算查询图像与其之间的相似性。相似性度量的方案，主要是依据查询图像感兴趣区域的谱向量与所要检索的类的中心向量之间的距离，以及类中点数占感兴趣区域的比例，保证两幅图中的物体除了谱特征相似外，还要不受少数非感兴趣物体的影响。实验结果表明，该方法有较高的检索效果，运算简单，检索速度快，并且有旋转、平移不变性，适合于遥感图像的庞大数据库，满足人们对实时性越来越高的要求3。