多譜段遙感

遙感圖像是當前重要的圖像資源之一，由於它能快速準確地獲取信息，解決了傳統方法所不能及的實時更新的障礙，如今被廣泛地應用於農業、測繪、水利、氣象、環境保護，地質勘探以及軍事地理信息系統等領域。而遙感圖像的數據量巨大，且在源源不斷產生中，如何快速有效地獲取到什麼區域有軍事裝備，什麼區域有民宅等等的信息，是實現基於遙感圖像的信息處理系統的關鍵。

由於遙感圖像細節豐富，數據量龐大，圖像壓縮技術成為解決傳輸和存儲遙感圖像的必要手段。傳統的圖像壓縮技術所用的編碼方法有DPCM (差值脈衝編碼)，矢量量化和JPEG等，但應用在遙感圖像中都存在一定侷限性，如DPCM壓縮比不高，VQ計算複雜度高，JPEG會產生“塊效應”導致視覺失真等等。遙感圖像巨大的數據量中，對於具體的應用領域，如軍事，地質勘探等，往往只有很小的部分是有用的，常用人工標註或分類的方法標出感興趣的區域，如機場，礦區等，JPEG 2000的出現，使遙感圖像可取得很大壓縮比的同時，感興趣區域在解壓縮時可得到相當好的圖像質量，有望很好地解決用傳統的圖像編碼方法對遙感圖像編碼所出現的不足。

新一代圖像壓縮技術JPEG2000解決了對1幅圖不同的區域採用不同的壓縮質量的問題，它使用有損編碼和無損編碼相結合的技術，對人工標註區域的壓縮質量可以比非標註區域的壓縮質量高得多。JPEG2000對感興趣區域優先編碼的特點，恰好適應了遙感圖像只有部分區域需要着重保護的特徵，為遙感圖像的重要區域提供更好質量的視覺效果。由於遙感圖像基本上是以JPEG2000的壓縮碼流進行存儲和傳輸的，研究JPEG2000壓縮下的遙感圖像檢索是很具有應用價值的。

針對JPEG2000對圖像的感興趣區域優先處理的特點，提出一種在JPEG2000壓縮碼流不完全解碼的情況下，實現遙感圖像感興趣區域檢索的方法，該方法利用JPEG2000對圖像做分塊小波分解以及感興趣區域優先編碼、傳送的特點，僅對感興趣區域的碼流進行解碼和恢復，同時根據同種目標的譜段反射特性相似的特點，提取感興趣區域的多譜段統計特徵，並以此為依據對遙感圖像的感興趣區域進行檢索，實驗結果表明，該方法簡單高效，並具有平移、旋轉不變性的特點 ^[1]  。

JPEG2000的一大特點是支持感興趣區域的編碼，感興趣區域可以獲得比背景圖像高得多的圖像壓縮質量，為了獲得高質量的感興趣區域，同時保持一定的壓縮比，編碼碼流中所含背景信息就必須相對減少。對於多譜段遙感圖像，感興趣區域(RO I )一個區域在不同波段的電磁波輻射下，會產生不同的反射值，從而得到一組多光譜圖像，譜向量是指圖像中的一個點在不同電磁波輻射下所產生的反射值構成的一組向量。

JPEG2000採用了一種稱為最大上移(MAXS'EI IFT)的編碼算法，這種編碼方法很好地解決了感興趣區域形狀的隨意性，使壓縮碼流中不必含有感興趣區域的形狀信息，減少了計算和存儲的複雜程度。而感興趣區域形狀的隨意性，使感興趣MAX S'EI IFT算法的基本步驟是:首先由編碼器掃描量化係數，並自適應地選取一個縮放係數，使得感興趣區域係數裏的最小值比非感興趣區域的最大值都大，即選取縮放係數為大於任何背景係數的最小整數s。解碼時，收到的比特流大於或等於s的係數對應的就是感興趣區域，而小於s的係數對應的是圖像的背景區域(非感興趣區域)。

根據JPEG 2000感興趣區域編碼的這個特徵，可以很容易得到感興趣區域的壓縮碼流，並對碼流進行解碼和反量化處理，使感興趣區域的係數結構化，數據以字節對齊，這樣有利於計算機的處理，同時，為了不丟失太多的信息，還要對感興趣區域的小波係數進行反變換，還原到遙感圖像感興趣區域的原始狀態 ^[2]  。

遙感是研究電磁波輻射與地球表面物質相互作用的機理和過程的科學，遙感圖像受地面限制少，對於自然條件惡劣，地面工作難以開展的地區(如敵佔區)，利用遙感技術很容易獲取信息。多譜段遙感利用物體對不同譜段的電磁波有不同的反射和輻射，而同種物體對同一譜段電磁波反射或折射特性相似的特徵，很容易用聚類的方法算出同一種物體的譜特徵，並以此得到含有該物體的區域。

對一個地區的一組7譜段遙感圖像進行特徵統計，得到這個地區水域、城區(建築密集區域)以及郊區(植被覆蓋區域)的譜特徵，橫座標對應7個譜段，縱座標是每個譜段上某一區域(水域，城區等)譜特徵的平均值，這7個值在一起構成了這個區域的譜向量。從這些譜向量中，可以看到某個物體總是會對有些波段產生較大的反射或輻射，而對有些波段則表現的不太明顯，遙感圖像感興趣區域檢索算法，正是利用了物體對電磁波的這種特徵。

遙感圖像傳回地面後，往往要用人工或聚類的方法從中標註出感興趣的區域。JPEG 2000用提升小波對圖像進行壓縮，在進行編碼之前，把源圖像劃分成被稱為是tile的小塊，每個塊被看成小的源圖像進行編解碼，這樣圖像的每個點在進行編碼或解碼時，只需知道其所在tile的每個點的值，而不是一幅圖所有點的值，為感興趣區域的隨意選取提供了依據。對於遙感圖像，取出感興趣區域的數據後，只需要通過對譜特徵的統計，就能除去感興趣區域中的背景區域，然後僅對存在比例較大的物體的譜特徵進行相似度度量即可，減少了計算量和背景區域的干擾，提高了檢索效率和準確率。

對JPEG2000壓縮碼流不完全解碼實現遙感圖像檢索的方法，充分利用了JPEG2000對感興趣區域優先編碼的特徵，從碼流中提取感興趣區域的編碼並進行解碼和解壓縮處理，由於JPEG2000使用塊狀小波壓縮的方法，所以感興趣區域可以任意選取，如此得到的區域受非感興趣區域的干擾可以極大的減少，因此可以用特徵統計的方法，提取例子圖像感興趣區域的譜特徵，並根據感興趣區域主要類的中心，計算查詢圖像與其之間的相似性。相似性度量的方案，主要是依據查詢圖像感興趣區域的譜向量與所要檢索的類的中心向量之間的距離，以及類中點數佔感興趣區域的比例，保證兩幅圖中的物體除了譜特徵相似外，還要不受少數非感興趣物體的影響。實驗結果表明，該方法有較高的檢索效果，運算簡單，檢索速度快，並且有旋轉、平移不變性，適合於遙感圖像的龐大數據庫，滿足人們對實時性越來越高的要求 ^[3]  。