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基于内容的遥感影像库检索关键技术研究

程起敏  
【摘要】:遥感影像数据作为数字地球各项重大计划建设中的基础数据,其快速浏览和高效检索是遥感影像信息提取和共享的重要手段;基于内容的图像检索技术作为从试图理解图像内容的角度有效管理和利用图像数据库中信息的手段,已经成为图像数据库、计算机视觉等领域的研究热点和未来信息高速公路、数字图书馆等重大项目中的关键技术,为解决大型遥感影像数据库的信息提取难题提供了新的契机。然而,遥感影像数据的多样性、复杂性和海量性无疑对基于内容的遥感影像库检索、特别是Web环境下的应用提出了巨大的挑战。基于内容的遥感影像库检索技术是遥感影像处理、图像数据库技术、计算机视觉、模式识别等领域相结合的国际前沿课题,对于促进遥感影像信息的提取和共享,具有十分重要的理论意义和实用价值。本文旨在针对基于内容的遥感影像库检索的关键技术,提出一些创新性思路和方法,并分别从理论和技术的角度对其价值和实用性予以分析和验证。本文的主要内容包括: ①系统地归纳和分析了目前基于内容的遥感影像检索的国内外相关研究计划及主要研究成果,总结了基于内容的遥感影像库检索涉及到的各项关键技术,分析了基于内容的图像检索技术在遥感领域的应用与在多媒体和医学等其它领域的应用相比所面临的困难,并指出了解决问题的出发点。 ②提出遥感影像纹理特征的多尺度描述以及合理的遥感影像数据分块组织策略,是支持基于纹理特征的遥感影像库检索的关键。从分析传统的遥感影像数据分块组织策略的弊端以及小波变换在遥感影像纹理特征提取中的意义入手,提出了基于Nona-tree结构和小波直方图创建同质纹理特征库的方法和检索实现方法,既利用了Nona-tree在分块组织遥感影像数据时能够在检索精度、检索效率和存储空间之间达到较好平衡的优势,同时利用了小波直方图提取遥感影像多尺度纹理特征的高效、快捷的特性,并通过实验进行了充分的验证。此外,本文将多进制小波理论引入遥感影像纹理特征描述,从理论上分析了多进制小波与常规的二进制小波相比在描述图像特征方面的优势,提出了采用多进制小波直方图和多进制快速小波直方图进行遥感影像纹理特征提取以及相似性度量的方法,通过实验对比了基于多进制小波直方图和二进制小波直方图的遥感影像纹理特征检索精度和检索效率。 ③结合目前基于形状的图像检索技术的研究现状以及遥感影像上目标识别的困难,探索性提出在相关领域技术发展的现有水平下实现基于目标形状的遥感影像检索的可行方案,避开了由于目前遥感影像目标全自动识别的困难而对遥感影像形状检索造成的影响,为利用基于形状的图像检索技术的现有理论和方法创造了条件,克服了模板匹配方法要求精确匹配及计算量大的局限性。从理论和技 术的角度研究了在基于目标形状的遥感影像检索中,应用基于小波变换模极大值 和多尺度形态学的边缘检测方法以及基于不变相对矩的轮廓特征描述方法的具 体实现技术流程,通过实验充分验证了本文方法的可行性,并分析了检索性能。 ④从分析基于内容的图像检索技术在计算机科学中的抽象本质以及目前基 于内容的图像检索技术中常用索引机制的局限性入手,强调了研究基于距离的度 量空间高维索引结构的重要意义。对现有的各种度量空间高维索引结构做了分 类,并从分析构造和搜索算法的角度研究了将典型的基于距离的度量空间高维索 引结构VP一tree及其改进算法MVP一tree应用于遥感影像可视化特征相似性索引 的具体实现方法,并通过实验对其性能进行了充分的验证和分析,为克服传统的 降维技术以及多维索引结构用于可视化特征索引的不足提供了可靠的实践依据。 最后进一步分析了改进广义MvP一tree性能的两个出发点,提出通过参数优化模 型有利于改进广义MVP一tree的搜索性能,并提出基于遗传算法的性能改进思路。 ⑤设计了基于内容的遥感影像库检索原型系统的三层B/S模式体系结构和 支持基于内容遥感影像库检索的层状数据模型,探讨了主要功能模块的实现方法 并给出部分函数原型。 总结本文的研究工作,主要贡献及创新点可概括如下: ①提出了基于Nona一tree结构和小波直方图的遥感影像库纹理特征检索新 方法,保证了影像检索在效率、精度和存储空间之间的平衡。 ②提出了采用多进制小波直方图技术提取遥感影像纹理特征的方法,为充 分利用多进制小波变换在提取图像细节信息方面的优势提供了技术路线。 ③探索性开展了基于目标形状特征的遥感影像检索研究,从理论和技术的 角度研究了基于小波变换和数学形态学的边缘检测算法和基于不变相对矩的轮 廓特征提取方法,为有效开展基于目标形状特征的遥感影像检索提供了可行的技 术方案。 ④将典型的基于距离的度量空间高维索引结构vP一tree及其改进算法 MVP一t ree应用于遥感影像可视化特征的相似性索引;进一步提出通过参数优化模型 提高广义MVP一tree搜索性能的思路。 本文在结论部分指出需要进一步研究的问题。


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