[發(fā)明專利]基于壓縮感知的空譜域聯(lián)合恢復(fù)高光譜數(shù)據(jù)的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310277891.0
• 申請日: 2013-07-03
• 公開（公告）號: CN103400341A
• 公開（公告）日: 2013-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊淑媛;焦李成;馬永剛;劉芳;侯彪;緱水平;張向榮;馬文萍;金鵬磊;黃春海
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T9/00
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于壓縮感知的空譜域聯(lián)合恢復(fù)高光譜數(shù)據(jù)方法，可用于高光譜圖像的低速率采樣和恢復(fù)。?

背景技術(shù)

高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)成為遙感觀測的一種重要手段，在氣象、環(huán)境檢測、地質(zhì)勘探、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天以及軍事探測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。高光譜成像系統(tǒng)可以獲取成像地區(qū)的地物的幾何、輻射和光譜信息，是高光譜遙感的核心技術(shù)。?

遙感高光譜成像系統(tǒng)一般都用于衛(wèi)星或機(jī)載，使得無論增加譜域采樣提高光譜分辨率，還是增加空域采樣提高空間分辨率成本都非常高。高光譜數(shù)據(jù)是一種三維立方體數(shù)據(jù)，本身數(shù)據(jù)量很大，提高譜域和空域的采樣率會使得數(shù)據(jù)量大幅度增加，這給數(shù)據(jù)在衛(wèi)星通道上的高效傳輸和存儲帶來了極大的挑戰(zhàn)。?

高光譜成像系統(tǒng)主要由望遠(yuǎn)成像部分和光譜成像部分構(gòu)成，望遠(yuǎn)成像部分對地面一定區(qū)域成像后通過一個狹縫到達(dá)光譜成像系統(tǒng)，光譜成像系統(tǒng)通過分光儀分光，形成不同譜段的像。高光譜成像系統(tǒng)的空域和譜域分辨率是互相制約的，如果想提高空域分辨率就要減小狹縫，這樣通光量減小，在總的光能不變的情況下，為了使每一個譜段的光能達(dá)到成像的要求，必須減少譜段數(shù)，這樣就會降低譜域分辨率。如果想提高譜域分辨率，增加成像的譜段數(shù)，就必須增加通光量，即增大狹縫寬度，這樣就會降低空域分辨率。?

傳統(tǒng)的采樣系統(tǒng)都是按照奈奎斯特采樣定理進(jìn)行采樣，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，去除大量的冗余信息，再進(jìn)行存儲和傳輸。這種高速采樣再壓縮的方法極大的浪費了采樣資源。?

壓縮感知（Compressive?Sensing,CS）是一種全新的理論，它能突破傳統(tǒng)的奈奎斯特采樣定理的限制，實現(xiàn)信號的高效、高精度采樣及重構(gòu)。壓縮感知理論的基本思想是信號在某個變換域滿足稀疏性或可壓縮性的情況下，利用一個與變換基不相關(guān)的矩陣對高維信號進(jìn)行采樣，得到采樣數(shù)據(jù)后通過求解一個優(yōu)化問題就可以重構(gòu)原始信號。該方法的數(shù)學(xué)過程簡要描述如下：對于N維信號x∈R^N×1，通過一個M×N的觀測矩陣Φ_M×N（M＜＜N）進(jìn)行采樣得到觀測數(shù)據(jù)y＝Φ_M×Nx,y∈R^M×1，?最后通過優(yōu)化方法求解得到x。?

核壓縮感知（KCS，Kernel?Compressive?Sensing）通過引入核方法，在核空間上進(jìn)行觀測和恢復(fù)，可以以更低的采樣率實現(xiàn)更好的重構(gòu)效果，而且不用求解優(yōu)化問題。?

利用壓縮感知技術(shù)實現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)的壓縮感知采樣，可以有效解決高光譜數(shù)據(jù)量大、傳輸難度大、成像系統(tǒng)成本高等難題。現(xiàn)有的高光譜壓縮感知采樣方法，都是單獨在空域或者譜域來進(jìn)行的，沒有聯(lián)合考慮高光譜圖像的空域相關(guān)性和譜域相關(guān)性；另一方面現(xiàn)有的高光譜壓縮感知采樣方法中，采樣矩陣都采用高斯隨機(jī)矩陣，高斯隨機(jī)矩陣用硬件難以實現(xiàn)，而且成本高。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于壓縮感知的空譜域聯(lián)合恢復(fù)高光譜數(shù)據(jù)的方法，以大幅度降低采樣率，降低高光譜成像系統(tǒng)的實現(xiàn)難度，減少成本，提高圖像的空域和譜域分辨率。?

實現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)思路是：通過聯(lián)合考慮空域和譜域的相關(guān)性，在譜域和空域聯(lián)合采樣并進(jìn)行恢復(fù)，并根據(jù)高光譜成像儀的成像原理，設(shè)計一種新的采樣矩陣，易于硬件實現(xiàn)。具體步驟如下：?

1一種基于壓縮感知的空譜域聯(lián)合恢復(fù)高光譜數(shù)據(jù)的方法，包括：?

（1）觀測矩陣設(shè)計步驟：?

1a)根據(jù)待采樣高光譜圖像的譜域和空域的維數(shù)N和采樣數(shù)M，得到壓縮采樣率r＝M/N；?

1b)建立一個M行N列的矩陣Φ_M×N，該矩陣的第i行第j列Φ_M×N(i,j)取值為：?

（2）空譜域聯(lián)合壓縮感知采樣步驟：?

2a)給定待采樣的高光譜立方體數(shù)據(jù)X_m×k×l，并將X_m×k×l在空域向量化后表示為X_m×n，m為光譜域維數(shù)，k,l為高光譜立方體數(shù)據(jù)空域的維數(shù)，n=k×l為空域向量化后空域的維數(shù)；?