学校编码：10384 分类号 密级 学号：200431050 UDC _
硕 士 学 位 论 文
基于分形理论的高光谱图像压缩算法研究
A Study on Hyperspectral image compression algorithm
Based on Fractal Theory
夏丽丽
指导教师姓名：潘 伟 副教授
专 业 名 称：模式识别与智能系统
论文提交日期：2007 年 6 月
论文答辩时间：2007 年 7 月
学位授予日期：2007 年 月
答辩委员会主席： 罗 键 评 阅 人： 2007 年 6 月厦门大学博硕士论文摘要库
厦门大学学位论文原创性声明
兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。
本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明
确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。
声明人（签名）
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年 月 日
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作者签名： 日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日
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摘要
摘 要
高光谱图像是由成像光谱仪在不同光谱波段获得的序列图像，在二维遥感图 像的基础上又增加了光谱维的信息。这种高分辨率、连续谱段的图像具有极大的 数据量，对传输和存储带来了不便。因此在现有条件下，寻找一种有效的高光谱 图像压缩方法具有十分重要的实际意义。 与传统的遥感数据源相比，高光谱数据同时具有空间冗余和谱间冗余的特 点。因此，在高光谱图像压缩中为了得到好的图像压缩效果，既要考虑去除空间 相关性又要考虑去除谱间相关性。 本文在分形理论的基础上，利用分形压缩编码的高压缩比特性，并针对高光 谱图像的特点，将分形理论和高光谱图像相结合，设计了一个三维分形压缩编码 算法，并通过 IDL 软件对高光谱图像数据进行实验，在去除图像空间相关性的 同时，去除了波段图像之间的相关性。算法表明，利用三维分形压缩编码，可以 获得相当高的压缩率，并保持高光谱曲线对地物的识别能力。 关键词：成像光谱仪；高光谱图像；相关性；分形厦门大学博硕士论文摘要库
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Abstract
Abstract
Hyperspectral image is the sequence of image acquired by spectrometer in different wavelength, which increase the information of spectrum based on two dimensional remote-sensing image. The data of high resolution and continuously spectrum images is very huge, and bring a lot of trouble to it's storage and transmission. So it is important to search an effective compression of hyperspectral image on the existing condition.
Compared to the traditional remote-sensing data source, hyperspectral data is redundancy in space and spectrum. So in order to get a good effect of images compress in hyperspectral image compression, we must consider to removal the dependence of both space and spectrum..
This paper based on fractal theory, use the high compressive ratio character of fractal compression, by the character of hyperspectral image, we applied fractal theory to hyperspectral image and designed a three dimensional fractal compression coding algorithm, as well as made an experiment on hyperspectral image data through IDL software, which removed the space correlation of image and removed the correlation of wave-range image as well. Algorithm showed that the use of three-dimensional fractal coding, be very high compression rate, and maintain a high spectral curve for object recognition capability.
Key words: spectrometer ; hyperspectral image ; relativity ;fractal
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目录
目 录
第一章 绪论………...1
1.1 研究背景……….….1 1.2 图像压缩编码概述………..3 1.2.1 图像压缩编码的基本概念……….………3 1.2.2 图像压缩的发展……….………4 1.2.3 图像质量的判别标准……….……5 1.3 高光谱图像压缩的意义……….6 1.4 高光谱图像压缩技术的研究现状……….7 1.5 本文的研究内容和论文结构………10第二章 高光谱图像的数据特点………..12
2.1 引言………12 2.2 高光谱遥感图像介绍………12 2.3 高光谱图像特征分析………15 2.3.1 空间相关性………15 2.3.2 谱间相关性………16 2.4 本章小结………17第三章 分形图像压缩编码理论……….18
3.1 引言………18 3.2 分形编码的数学基础………18 3.2.1 分形概述……….18 3.2.2 图像压缩分形编码的数学理论……….21 3.3 基于分形的图像编码方法………23 3.4 分形图像压缩的优势和潜力………25 3.5 本章小结………25第四章 基于分形的图像压缩算法……….26
4.1 引言………26厦门大学博硕士论文摘要库
12 4.2 基本分形图像压缩方法………26 4.3 改进的分形图像压缩方法………34 4.4 本章小结………36
第五章 分形编码在高光谱图像压缩中的应用……….37
5.1 引言………37 5.2 总体方案设计………37 5.2.1 编码过程………..37 5.2.2 解码过程………..41 5.3 实验仿真结果分析………42 5.3.1 实验方案设计………..42 5.3.2 实验结果分析………..43 5.3.3 和其它方法比较………..48 5.3.4 实验结论………..48 5.4 本章小结………48第六章 总结与展望……….50
6.1 总结……….50 6.2 展望……….50参考文献………...……51
攻读学位期间发表的学术论文目录………….………..….…...…55
致谢……….………..……56
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Catalog
Catalog
Chap.1 Introduce………..1
1.1 Background……….1
1.2 Outline image compression coding………...3
1.2.1 Basic conceptions of image compression coding………..3
1.2.2 Development of image compression……….4
1.2.3 Evaluation standards of image quality………..5
1.3 Significance about compression of hyperspectral image………6
1.4 Research status of hyperspectral image compression……….7
1.5 The study content and structure of this thesis………...10
Chap.2 the character of hyperspectral image data………..…12
2.1 Introduce………...12
2.2 Introduce of hyperspectral remote-sensing image………12
2.3 Signature analysis of hyperspectral image……….15
2.3.1 Space dependability………...15
2.3.2 Spectrum dependability………16
2.4 Summary………...17
Chap.3 The theory of fractal image compression coding………18
3.1 Introduce………...18
3.2 The mathematics basic of fractal coding………18
3.2.1 Fractal outline………18
3.2.2 The mathematics theory of fractal image compression coding…….21
3.3 The method based on fractal image compression coding……….23
3.4 superiority and potentiality of fractal image compression………...25
3.5 Summary………...25
Chap.4 The algorithm based on fractal image compression………...26
4.1 Introduce………...26
4.2 The basic method of fractal image compression………26
4.3 The modified method of fractal image compression……….34
4.4 Summary………...36
Chap. 5 The application of fractal coding on hyperspectral image
compression……….37
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5.1 Introduce………...37
5.2 Conceptual design……….37
5.2.1 Coding process………37
5.2.2 Decoding process………41
5.3 Simulation result analysis in the experiment……….42
5.3.1 Conceptual design of the experiment………..42
5.3.2 Analysis of experimental result………...43
5.3.3 Compare………..48
5.3.4 conclusion………48
5.4 Summary………...48
Chap. 6 Summary and forecast……….50
6.1 Summary………...50
6.2 Forecast………...50
Reference……….51
Papers during study for Master Degree………55
Acknowledge………...……56
第一章 绪论 1
第一章 绪论
1.1 研究背景
空间信息是一种战略性的信息资源，对经济建设、社会发展以及国家安全具 有十分重要的作用。我国是一个发展中国家，又是一个大国，正面临资源、环境、 自然灾害等方面的巨大挑战，国家在经济与环境协调持续发展过程中，迫切需要 通过对地观测及时了解资源、环境、灾害分布与变化等状况。 高光谱技术，又称为成像光谱技术（Imageing Spectrocopy）是上世纪 80 年 代发展起来的新技术，是 21 世纪遥感技术的发展前沿和当今遥感界关注的焦点 之一。它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进 技术，把传统的二维成像遥感技术和光谱技术有机地结合在一起，在用成像系统 获得被测物的空间信息的同时，通过光谱仪系统把被测物的辐射分解成不同波长 的谱辐射，能在一个光谱区间内获得每个像素几十甚至几百个连续的载波段信 息。从 1983 年第一台高光谱分辨率航空成像光谱仪问世以来，经过短短十多年 的发展，高光谱遥感技术已经在很多领域得到了成功的应用，显示出很大的潜力 和广阔的发展前景。如果把多光谱扫描成像的 MSS(multi spectralscanner)和 TM(thematicmapper) 作为遥感技术发展的第一代和第二代的话，那么高光谱成像(hyperspectralimagery) 技术则是第三代的成像技术。 美国的成像技术发展较早，从20世纪80年代至今已经研制了三代高光谱成 像光谱仪。第一代成像光谱仪称航空成像光谱仪 AIS，是由美国国家航空和航天 管理局（NASA）所属的喷气推进实验室 JPL 设计，已于1984~1986年装在 NASA 的 C-130 飞机上使用。这是一台装有二维、近红外阵列探测器的实验仪器，有128 个通道，光谱覆盖范围从 1.2～2.4μm，并在内华达 Cuprite 地区的应用中取得很 好的效果。第二代成像光谱仪称航空可见光、近红外成像光谱仪 AVIRIS，有 224 个通道，光谱范围为 0.41～2.45μm。每个通道的波段宽约为 10nm，曾放在改装 后的高空 U2 飞机上使用，为目前最常用的航空光谱仪之一。基于 NASA 仪器的
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基于分形理论的高光谱图像压缩算法研究 2 成功应用及采矿工业和石油工业的需求，在 AVIRIS 之后，地球物理环境研究公 司 GER 又研制了 1 台 64 通道的高光谱分辨率扫描仪 GERIS。其中 63 个通道为 高光谱分辨率扫描仪，第 64 通道是用来存储航空陀螺信息。该仪器由 3 个单独 的线性阵列探测器的光栅分光计组成。它与其他仪器的区别是在不同的光谱范围 区内，通道的光谱宽度是不同的。第三代高光谱成像光谱仪为克里斯特里尔傅立 叶变换高光谱成像仪 FTHSI，适合在 Cessna-206 轻型飞机上使用。它的重量为 35kg，采用 256 通道，光谱范围为 400～1050nm，有 2～10nm 的光谱分辨率， 视场角为 150°。 在国内，成像光谱仪的研制工作由于跟踪国际前沿技术，成像光谱仪的研制 已跻身于国际先进行列。先后研制成功了多光谱扫描仪、红外细分光谱扫描仪 FIMS、热红外多光谱扫描仪 TIMS、19 波段多光谱扫描仪 AMSS、71 波段多光 谱机载成像光谱仪 MAIS、128 波段 OMIS 系统、244 波段的推扫式成像仪 PHI 等。
表 1.1 常见成像光谱仪参数
常见的成像光谱仪及其参数[5]如表 1.1 所示，它们均具有较多的波段和很窄
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