基于空譜特性的高光譜圖像壓縮方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像壓縮技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空譜特性并結(jié)合JPEG2000的 圖像數(shù)據(jù)壓縮方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高光譜遙感（Hyperspectralremotesensing)是近幾十年才發(fā)展起來的一門新 興學(xué)科。成像光譜儀在航空、航天載體上對地物進(jìn)行觀測，記錄下數(shù)百個波段的高光譜遙感 圖像數(shù)據(jù)。和傳統(tǒng)的遙感圖像比，高光譜遙感圖像具有圖譜合一的特點(diǎn)，同時具有高空間分 辨力和光譜分辨力，在農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、軍事偵察等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 隨著成像光譜技術(shù)的飛躍發(fā)展，高光譜數(shù)據(jù)的光譜分辨力和空間分辨力越來越 高，數(shù)據(jù)量化的深度也有所增加，同時衛(wèi)星不間斷周期性掃描次數(shù)也在不斷增加。這些因素 都導(dǎo)致了高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)量的激增。典型AVIRIS圖像大小為614X512,成像波段數(shù)為 224,如果每像素灰度值用16比特來表示，一組圖像的數(shù)據(jù)量則約為140M字節(jié)。高光譜遙 感圖像巨大的數(shù)據(jù)量給高光譜遙感圖像的傳輸和存儲帶來巨大壓力，嚴(yán)重制約了高光譜遙 感技術(shù)的發(fā)展。對高光譜遙感圖像進(jìn)行壓縮可以：（1)較快地傳輸各種信源，降低信道占用 費(fèi)用。（2)在現(xiàn)有的通信干線上開通更多的并行業(yè)務(wù)。（3)降低發(fā)射機(jī)的功率。（4)緊縮數(shù) 據(jù)存儲容量，降低存儲費(fèi)用。因此，高光譜圖像壓縮技術(shù)成為高光譜遙感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0004] 由于高光譜圖像要用于諸如衛(wèi)星勘探、制導(dǎo)等領(lǐng)域，另一方面受到衛(wèi)星上所用計(jì) 算機(jī)以及數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等限制，故高光譜遙感圖像的壓縮技術(shù)必須滿足：（1)高保真度，要 求解壓后得到的恢復(fù)圖像與原始圖像相比，不影響分析和識別的應(yīng)用。（2)高壓縮比，能夠 適應(yīng)分辨力與采樣率不斷提高的情形下高光譜遙感圖像的實(shí)時傳輸與存儲的要求。（3)算 法簡便、耗內(nèi)存低，高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)量巨大，壓縮算法的設(shè)計(jì)力爭做到軟件高效、硬件 低成本，以便設(shè)計(jì)出實(shí)時壓縮處理系統(tǒng)。
[0005]與傳統(tǒng)遙感圖像和二維圖像相比，高光譜遙感圖像存在著更多的冗余信息，這樣 就使高光譜圖像數(shù)據(jù)壓縮成為了可能，為高光譜數(shù)據(jù)的壓縮提供了發(fā)揮空間。針對高光譜 遙感圖像而言主要存在兩種冗余一一譜間冗余和空間冗余。因此對高光譜圖像數(shù)據(jù)的壓縮 主要就是有效去除光譜數(shù)據(jù)間存在的空間冗余信息和譜間冗余信息。
[0006]目前，高光譜圖像壓縮算法基本上分為三類：基于預(yù)測的編碼方法、基于矢量量化 技術(shù)的編碼方法、基于變換的編碼方法。其中基于預(yù)測的壓縮方法主要用于無損壓縮，壓縮 比受到較大限制，對傳輸帶寬依然有很高要求，不利于數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸；基于矢量量化壓縮 方法的算法復(fù)雜度太高，計(jì)算量隨著矢量維數(shù)的增加呈指數(shù)增長?；谧儞Q的壓縮方法對 高光譜圖像的特性利用還不夠充分。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在以下問題：
[0008] 1)對高光譜圖像的空間及譜間特性利用不夠充分，壓縮性能無法進(jìn)一步提升。2) 算法復(fù)雜度偏高，不利于硬件實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對現(xiàn)有高光譜圖像有損壓縮算法對圖像特性利用不夠充分，圖像恢復(fù)質(zhì) 量低以及算法復(fù)雜度高的缺點(diǎn)，提出了一種充分利用高光譜圖像空間特性和譜間特性，并 結(jié)合JPEG2000(基于小波變換的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，由JointPhotographicExpertsGroup組 織創(chuàng)建和維護(hù)）的高光譜圖像壓縮方法。
[0010] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案為：一種基于空譜特性的高光譜圖像壓縮方 法，包括步驟：利用高光譜圖像的空間相關(guān)性以及地物在空間上分布的連續(xù)性對高光譜圖 像分塊；對每個高光譜圖像塊進(jìn)行自適應(yīng)波段聚類分組；對每個高光譜圖像塊的每個波段 組分別進(jìn)行主成分分析PCA(PrincipalComponentAnalysis)運(yùn)算，得到經(jīng)過若干降維后 的高光譜圖像主成分，對所有高光譜圖像主成分進(jìn)行編解碼，得到重構(gòu)圖像。
[0011] 本發(fā)明其中一個實(shí)施例包括，所述對高光譜圖像分塊進(jìn)一步包括：讀取高光譜圖 像，根據(jù)空間維上像元的行數(shù)M、列數(shù)N、波段數(shù)得到一個高光譜數(shù)據(jù)立方體D;用像元間的 歐式距離衡量像元間的相似度，遍歷空間維上第一行像元，如果相鄰像元間的歐式距離小 于等于閾值μ，則兩像元屬于同一塊，如果相鄰像元間的歐式距離大于μ，則兩像元屬于 不同的塊；遍歷空間維上非第一行像元，比較相鄰像元的相似度，選擇相似度最大的像元以 及對應(yīng)像元之間的歐式距離，若該歐式距離小于μ，則兩像元屬于同一塊。
[0012] 本發(fā)明其中一個實(shí)施例包括，所述對高光譜圖像塊進(jìn)行自適應(yīng)波段聚類分組進(jìn)一 步包括，根據(jù)所有波段之間的相似度組成相似度矩陣，根據(jù)公式= 確定 聚類的能量函數(shù)，其中，Q為波段1的聚類中心，S(l，C)為波段1與其聚類中心波段(^的 相似度；根據(jù)任意兩波段l、k的相似度調(diào)用公式ρ=μ確定加權(quán)偏好參考度 p〇
[0013] 本發(fā)明其中一個實(shí)施例包括，讀取每個高光譜圖像塊中的高光譜數(shù)據(jù)，將高光譜 數(shù)據(jù)重新排列為矩陣X，矩陣X中的每一行表示一個波段的數(shù)據(jù)，矩陣X中的每一列為一個 L維矢量；根據(jù)公式〃卩夂計(jì)算每個波段的樣本均值，根據(jù)公式Cu= E[ (X「叫） (Χ^πΟ?計(jì)算任意光譜的協(xié)方差矩陣，根據(jù)公式= ?獲得所有光譜矢量的協(xié)方 差矩陣；計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量，對矩陣X進(jìn)行降維，選取大于閾值的特征值 所對應(yīng)的特征向量組成特征矩陣，用矩陣X乘以特征矩陣得到經(jīng)過PCA運(yùn)算后的高光譜圖 像主成分。
[0014] 存在正交矩陣U= [Ul，u2，…，uj，使得所有光譜矢量的協(xié)方差矩陣Q可對角化， 即d吋角矩陣的對角元素{ληλ2，…，λ]為矩陣Q的特征 值，W為矩陣C:的弟
i個特祉值對應(yīng)的特征向量。
[0015] 本發(fā)明其中一個實(shí)施例包括，遍歷整個空間范圍的高光譜圖像，建立一個Μ行、N 列的分塊矩陣A，將矩陣A中元素?cái)?shù)值相同的位置所對應(yīng)的高光譜數(shù)據(jù)立方體D中的像元 塊歸為同一塊，將高光譜數(shù)據(jù)立方體D分成若干塊，其中，矩陣A的元素Ay表不在空間坐標(biāo) (i，j)處光譜Du所屬的塊數(shù)。
[0016]本發(fā)明其中一個實(shí)施例包括，確定波段間的相關(guān)系數(shù)為波段間的相似度，以任一 圖像塊En所有波段之間的相似度組成相似度矩陣S，根據(jù)公式
茯得波段1和波段k之間的譜間相關(guān) 系數(shù)，其中，Xk(i，j)和Xi(i，j)分別為圖像塊中第k波段和第1波段上空間坐標(biāo)（i，j)的 像素，μμi分別為波段k和波段1上所有像素的均值，Μ和N分別表示圖像塊空間 維上的行數(shù)和列數(shù)；根據(jù)公式
確定加權(quán)偏好參考度λ，根據(jù)公式： 間的吸引度并更新；根據(jù)公式：、a(l，k) -A*a(l，k )(1-λ) *a(1，k) _計(jì)算波段間的歸屬度并更新，其中，s(1，k)表示波段1與波段k間的 相似度，s(l，k'）表示波段1與波段k'間的相似度，a(l，k'）表示波段1對波段k'的歸屬 度，r(l，k)表示波段k對波段1的吸引度，以1，1〇^表示波段k對波段1前一次的吸引度， r(l，1〇_代表波段1與波段k當(dāng)前的吸引度，a(l,k) ^表示波段k對波段1前一次的歸屬 度，a(1，k) _代表波段k對波段1當(dāng)前的歸屬度，不斷進(jìn)行迭代更新，根據(jù)當(dāng)前得到的吸引 度與歸屬度，當(dāng)r(1，k)+a(1，k)最大時，獲得波段1的中心波段k，根據(jù)中心波段將所有波段 分成若干組。
[0017]加權(quán)偏好參考度用來反映各波段最終被選作類代表波段的統(tǒng)一偏好程度，聚類中 心波段與該類中其他任何波段的相