高光譜圖像處理技術的前沿技術和發(fā)展趨勢

孟凡春

摘要：隨著高光譜遙感在對地觀測方面的應用越來越廣泛，高光譜遙感探測技術的核心技術—高光譜圖像處理技術得到了研究者極大地關注，高光譜圖像一般是研究分辨率在數(shù)量級范圍區(qū)間的光譜圖像。通過將高光譜的傳感器裝配在相應的空間儀器上，在電磁波譜觀測區(qū)域內(nèi)，對目標區(qū)域內(nèi)數(shù)量不等的連續(xù)而細分的不同光譜波段同時成像，使得地表的圖像和光譜信息可以同時獲取，第一次實現(xiàn)了光譜與圖像的統(tǒng)一。

關鍵詞：高光譜;圖像處理技術;發(fā)展

引言：在我國航空航天業(yè)快步發(fā)展的大背景下，遙感圖像在空間分辨率、時間分辨率以及光譜分辨率上取得了長足的進步，逐漸建立起對地面實行大范圍、多維度以及高精度的動態(tài)觀測體系。但同時，多光譜到高光譜圖像的轉(zhuǎn)變，也使得數(shù)據(jù)量激增，傳統(tǒng)的人工判讀方式已無法滿足需求，因此，本文圍繞高光譜圖像處理技術中的應用和問題分析其發(fā)展方向。

一、高光譜圖像處理技術的應用和現(xiàn)狀

通過高光譜圖像對地上物體進行精細分類是高光譜圖像遙感技術的應用核心之一，精細化分類的結(jié)果是后續(xù)制圖的基本參考數(shù)據(jù)，因此，高光譜圖像處理技術在土地覆蓋調(diào)研、環(huán)境監(jiān)測以及資源調(diào)查等多個領域?qū)⒕哂兄卮髴脙r值。此外，基于高光譜的目標探測技術還在國防安全和公共基礎等領域中也有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

高光譜圖像的波段較多，而且相鄰波段間必然具有相關性，這就使得觀測到的高光譜圖像數(shù)據(jù)存在一定程度地冗余現(xiàn)象，并且信息量大，無疑給圖像的后期處理增添了壓力，數(shù)據(jù)的急劇增多引起計算機超負荷工作，性能不匹配。此外，高光譜圖像數(shù)據(jù)收集過程中的噪聲也會使數(shù)據(jù)內(nèi)的光譜信息“失真”。故而需要對其進行降維，壓縮數(shù)據(jù)的信息量以便提供計算效率，同時對圖像的特征進行優(yōu)化和簡化，并最大限度地保留有效信號，壓縮噪聲。

高光譜圖像精細分類中由于數(shù)據(jù)量大存在著面臨維數(shù)災難的問題。與此同時，傳統(tǒng)的古典算法多基于像元為分類基本單元算法，未將遙感圖像在空間域上的特征考慮在內(nèi)，從而造成算法不能科學解決同物異譜的問題，這樣的分類結(jié)果使地物內(nèi)部很容易產(chǎn)生噪點。

此外，盡管處理高維原始數(shù)據(jù)的高性能處理元器件得到了迅猛發(fā)展，為深入解決高光譜圖像數(shù)據(jù)并行快速處理以及在軌實時數(shù)據(jù)的提取提供了一定的基礎，但仍然面臨著高性能元器件技術制約。

二、高光譜圖像處理技術的前沿技術和發(fā)展趨勢

（一）數(shù)據(jù)降維技術

高光譜圖像數(shù)據(jù)本身的高維度特性帶來了海量的基礎信息，隨之而來的分類器的計算量以及分類器的訓練難度級別也呈現(xiàn)出了指數(shù)增長。鑒于這種情況，最為方便可行的方法便是對高光譜圖像數(shù)據(jù)進行降維處理。

以提取圖像的特征為目的的高光譜圖像的降維技術，通過使用低維數(shù)據(jù)去合理地表述高維數(shù)據(jù)的特征，該技術在科學地保留了目標圖像信息的基本特征同時也壓縮了原有圖像的海量數(shù)據(jù)，更加有助于主要信息的識別和提取。目前常見的數(shù)據(jù)降維算法主要有線性和非線性降維算法兩大類，其中線性降維技術的代表包括了獨立成分解析、線性判別解析以及多維度變換等算法，但是線性降維容易破壞數(shù)據(jù)的本來結(jié)構(gòu)而高光譜圖像是含有非線性數(shù)據(jù)的，所以會造成一定的誤差，從應用前景來分析，非線性降維技術是趨勢，非線性降維技術的前沿技術之一便是等距映射算法技術，根據(jù)保持流形上的兩個點之間測地線的距離去展幵全局算法，利用圖論中數(shù)據(jù)點間的歐氏距離評估它們相對的測地線距離，然后將其代入多維度算法，從而獲得保留測地線距離方面的最優(yōu)低維度算法映射結(jié)果。在保證高光譜數(shù)據(jù)降維后結(jié)果的穩(wěn)健性以及全局最優(yōu)性方面等距映射算法展現(xiàn)了極強的優(yōu)勢，引起了眾多的關注，但是其復雜的運算流程還有待解決。

（二）基于DSP的圖像處理技術

作為專門用于解決不同數(shù)字信號的處理算法的而開發(fā)的處理器—DSP。科研人員根據(jù)低存儲、高并行以及多數(shù)據(jù)單指令的處理器陣列，運用多個數(shù)字信號DSP處理器來解決高光譜圖像數(shù)據(jù)的在軌同步處理，滿足了實時處理以及存儲的要求，該系統(tǒng)以數(shù)字信號DSP處理器搜索在軌目標為基礎，從系統(tǒng)軟硬件兩個方面闡述了其設計思路，其在軌同步處理手段依托于取得的完整數(shù)據(jù)影像，因此可視作實時處理。2014年科研人員探索把多個DSP并行使用嘗試處理高光譜圖像的異常探測，4片DSP處理器通過總線完成互聯(lián)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)總線和存儲模塊的共享，從而通過分解并行任務，實現(xiàn)計算處理效率得到了4倍的提升。同年，國外利用多核DSP處理器實現(xiàn)了基于正交子的空間投影（OSP）計算方法，同時實現(xiàn)了豐度信息的獲取，經(jīng)過科學對比試驗，多核DSP處理器可以在處理能力、編程難度以及能量消耗等諸多條件的約束下保持良好的效果，DSP還能提升高光譜圖像算法的計算效率，實現(xiàn)實時地目標探測，未來基于DSP的高光譜圖像處理技術是算法研究，將會有較大的應用空間和探索空間，

（三）基于高性能計算的圖像處理技術

在利用高性能計算解決高光譜圖像領域方面，當前處理芯片的研發(fā)朝著智能化的方向前進，尤其是依托深度學習算法的加速處理芯片，NVIDIA公司推出了有助于人工智能及深度學習的Tesla P100，和面向深度學習的DGX-1超級計算機。IBM公司發(fā)布了類腦超算平臺 TrueNorth，該設備的處理能力約等于一千六百萬個神經(jīng)元和及四十億個神經(jīng)鍵，而能耗僅低到為2.5W。 我國計算技術的研究所也成功研制了寒武紀計算專用加速芯片，該芯片是面向機器進行學習的，寒武紀一號的強悍性能性能超過市場主流基于CPU核處理的100倍，而面積和功耗則僅為傳統(tǒng)CPU的1/10，效能提升可了三個數(shù)量級。可以預見，未來將突破傳統(tǒng)的基于馮諾依曼架構(gòu)的處理和存儲相分離體系，面向支持人工智能算法的低功耗、高性能處理芯片將開始發(fā)揮出巨大的研究潛力，并終將在高光譜圖像圖像處理和信息處理領域做出重要貢獻。

總結(jié)

作為 21世紀末對地觀測領域的技術突破，高光譜遙感技術為國民經(jīng)濟社會的建設、可持續(xù)發(fā)展以及國防安全建設中做出了巨大貢獻，但是，目前的高光譜遙感技術仍然要應對數(shù)據(jù)冗余大、不能在軌同時調(diào)整、信息處理和服務時效性差的挑戰(zhàn)，通過不斷探索高光譜圖像降維技術、基于DSP的圖像處理技術以及發(fā)展高性能處理器件，未來高光譜圖像處理必將發(fā)揮出更大的價值。

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