ECW、MrSID、eYaImage三種壓縮技術(shù)對比與分析

吳洪濤，張秀

(天津市測繪院，天津 300381)

ECW、MrSID、eYaImage三種壓縮技術(shù)對比與分析

吳洪濤?，張秀

(天津市測繪院，天津 300381)

介紹了ECW、MrSID和eYaImage三種常用的遙感影像壓縮技術(shù)的主要特點，詳細總結(jié)了他們之間的異同點。同時，選擇天津某一區(qū)域的100幅1∶2 000比例尺的正射影像分別使用三種壓縮技術(shù)進行壓縮及解壓數(shù)據(jù)實驗。實驗采取了20∶1、50∶1、100∶1三種壓縮比例進一步對比分析三種壓縮技術(shù)在影像壓縮效率、壓縮后的影像質(zhì)量、壓縮影像大小以及遠程訪問響應(yīng)速度等方面的差異。最后通過實驗總結(jié)三種壓縮技術(shù)的適用方向。

小波變換；ECW；MrSID；eYaImage；遙感影像

1 引 言

隨著航空航天遙感技術(shù)的快速發(fā)展，特別是隨著衛(wèi)星傳感器空間分辨率逐步提高，遙感應(yīng)用研究也越來越普及，獲取的影像數(shù)據(jù)量也呈幾何級數(shù)的增大。日益龐大的遙感影像數(shù)據(jù)量，使有限的信道容量和傳輸大量影像數(shù)據(jù)的需求間的矛盾日益突出，嚴重影響了遙感影像在存儲、分發(fā)等GIS數(shù)據(jù)服務(wù)中的應(yīng)用。因此，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)作為解決這一問題的有效途徑就顯得尤為必要。對影像數(shù)據(jù)進行壓縮，有利于節(jié)省通信信道，提高信息的傳輸速率；高效率并且高質(zhì)量的壓縮與解壓技術(shù)，能盡量減少影像信息損失，大大節(jié)約存儲成本、減少數(shù)據(jù)管理耗用的人力和時間，提高數(shù)據(jù)安全性和生產(chǎn)效率。雖然目前數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)很多，但是在遙感影像的壓縮和解壓使用最多、最先進的壓縮技術(shù)還是ECW、MrSID和eYaImage三種。三種壓縮技術(shù)雖基于小波變換，但各有特點和優(yōu)勢。如何結(jié)合生產(chǎn)實際合理選擇具有更高壓縮效率和壓縮質(zhì)量的影像壓縮技術(shù)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)有效存儲和快速分發(fā)是本文研究的主要內(nèi)容。

2 三種遙感影像壓縮技術(shù)特點

從理論基礎(chǔ)上看，ECW、MrSID、eYaImage這三種影像壓縮技術(shù)的編碼都采用了離散小波變換(DWT)。小波變換用于圖像編碼的基本思想是把影像進行多分辨率分解，分解成不同空間、不同頻率的子影像，然后再對子影像進行系數(shù)編碼，壓縮的實質(zhì)是對系數(shù)的量化壓縮。小波變換可以對反映大輪廓低分辨率細節(jié)部分使用減少失真或無失真的編碼方案來降低信息損失，而對高分辨率部分可以采用壓縮比較高的編碼方案。所以小波變換后的影像既能達到很高的壓縮比，同時又能很好地保持原有的影像信息。而且還可以實現(xiàn)多幅影像鑲嵌圖的壓縮，不影響視覺效果，在解壓速度上具有較大優(yōu)勢。離散小波變換則是在小波變換基礎(chǔ)上的改進，包含了影像金字塔(Image Pyramids)與次頻編碼(SubbandCoding)等新技術(shù)。

2.1 ECW壓縮技術(shù)的特點

ECW(ER Mapper Compressed Wavelet)是由澳大利亞Earth Resource Mapping公司開發(fā)的小波壓縮技術(shù)。ECW壓縮技術(shù)較傳統(tǒng)的小波壓縮技術(shù)在壓縮率、壓縮速度、壓縮編碼、解壓速度方面均有很大的改進，同時使用了多種壓縮編碼方法，對于不同類型的圖像，可以智能地選擇最優(yōu)編碼方法。使用ECW壓縮技術(shù)來完成壓縮、存儲、解壓縮的影像處理過程非?？旖莘奖悖m合需要選擇性瀏覽的大影像數(shù)據(jù)的壓縮。ECW壓縮技術(shù)的主要特點歸納有:①較高的壓縮比和壓縮質(zhì)量。壓縮時可任意設(shè)置壓縮率，一般為1∶20～1∶100之間，根據(jù)影像存儲分發(fā)需要來調(diào)整。②多分辨率與可選擇性地解壓縮。ECW技術(shù)把不同分辨率的單幅影像壓縮到一個單獨的文件中，可以方便地得到不同分辨率的影像，便于遙感影像的快速瀏覽。在解壓時也可以采取選擇性的解壓，按指定的分辨率來單獨提取任意部分的影像數(shù)據(jù)，解壓速度快。③無縫壓縮和瀏覽。ECW可以對任意大小的遙感影像使用無縫壓縮方式，將幾千幅的單張影像鑲嵌并壓縮成一個完整的高分辨率影像，影像瀏覽時，不會有“塊失真”現(xiàn)象。

2.2 MrSID壓縮技術(shù)的特點

MrSID(Multi-resolution Seamless Image Database)是由美國Los Alamos國家實驗室發(fā)明的圖像壓縮、解壓、存儲和提取技術(shù)。它基于離散小波轉(zhuǎn)換(DWT)技術(shù)對影像進行壓縮，通過轉(zhuǎn)換，使影像內(nèi)部都具有一致的分辨率和非常好的質(zhì)量。目前MrSID格式已經(jīng)成為影像壓縮的一個公認標準，國際知名的GIS平臺軟件及遙感處理軟件如ArcGIS、MapInfo、ERDAS及PCI等都能直接讀取處理，實現(xiàn)了遙感影像分發(fā)處理與資源共享。MrSID壓縮技術(shù)主要特點有:①在保持較好影像質(zhì)量上，有較高的壓縮比。灰度圖像壓縮率為15～20∶1，彩色圖像可以達到30～50∶1，甚至更高。②可將多幅圖像壓縮為一個文件，建立大型的影像數(shù)據(jù)庫，以多種分辨率顯示影像數(shù)據(jù)。③采用選擇性的解壓技術(shù)能夠解壓需要瀏覽的整個壓縮圖像的一部分，解壓速度快，實現(xiàn)無縫、多分辨率的海量影像瀏覽。

2.3 eYaImage壓縮技術(shù)特點

eYaImage壓縮工具是由Esri中國(北京)公司研發(fā)的高效影像壓縮與管理軟件，與ArcGIS和ERDAS全面兼容。它基于離散小波變換，并做了進一步的改進和提高，有獨特的算法。其主要特點有:①高倍率、高質(zhì)量、可調(diào)的影像壓縮?？勺杂蛇x擇1～100∶1的壓縮比例有效地對影像數(shù)據(jù)壓縮，彩色影像能壓縮到原始數(shù)據(jù)的3%，黑白影像可壓縮到原始數(shù)據(jù)的10%，在視覺上沒有損失。②水平分塊管理和縱向多分辨率特性?？梢钥焖俳鈮捍蜷_任何分辨率和范圍的數(shù)據(jù)。③針對索引色影像的無損壓縮。④與數(shù)據(jù)庫無縫集成。影像可以大字段地壓縮或非壓縮地存儲在數(shù)據(jù)庫中，支持SQL、ORACLE等數(shù)據(jù)庫，在ArcGIS Engine開發(fā)中可直接訪問壓縮影像而不需要數(shù)據(jù)庫服務(wù)。

3 三種遙感影像壓縮技術(shù)對比分析

3.1 三種遙感影像壓縮技術(shù)的異同點

ECW、MrSID、eYaImage壓縮都是基于離散小波變換，有很多異同點，總結(jié)對比情況如表1所示。

三種影像壓縮技術(shù)異同點對比 表1

從表1可以看出，三種影像壓縮技術(shù)都很優(yōu)秀，壓縮效率、質(zhì)量以及實用性都很強。但是哪種方法能夠在更高的壓縮比下保持最好的影像質(zhì)量，壓縮同樣大小的影像耗時最短，解壓最快捷，壓縮影像瀏覽速度更快，需要通過實驗進一步對這三種壓縮技術(shù)進行對比分析，了解其真實的壓縮效率和質(zhì)量。

3.2 三種遙感影像壓縮方式的效率與質(zhì)量對比

數(shù)據(jù)源:選擇天津市濱海新區(qū)塘沽的1∶2 000真彩色影像100幅，每幅影像大小58.6 M，共5.59 G完成壓縮、解壓等實驗。

計算機:Intel Xeon(R)雙核2.67 GHz，內(nèi)存4 G。壓縮軟件:三種影像壓縮技術(shù)都有對應(yīng)的成熟的商業(yè)軟件實現(xiàn)影像壓縮、解壓等實驗過程，本次實驗分別使用了以下三種軟件:①ERDAS ER Mapper2011，實現(xiàn)ECW影像壓縮。②LizardTech GeoExpress 8.5軟件，實現(xiàn)MrSID影像壓縮。③eYaImage 2.2，實現(xiàn)eYaImage影像壓縮，圖1為三種影像壓縮操作界面。

實驗?zāi)康?將100幅1∶2 000圖無縫拼接并分別按照20∶1、50∶1、100∶1三種倍率壓縮，對比在影像壓縮耗時、壓縮后影像質(zhì)量以及單幅1∶2 000圖的壓縮、解壓時間等方面的差異；將同一壓縮影像通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布比較他們在客戶端影像顯示瀏覽的響應(yīng)速度，從而分析使用哪種壓縮技術(shù)壓縮效率更高、影像質(zhì)量更好，哪種壓縮技術(shù)更適合海量數(shù)據(jù)存儲以及網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)布。

圖1 三種影像壓縮操作界面

3.2.1 三種影像壓縮方式壓縮效率比較

以20∶1的壓縮倍率壓縮效率對比 表2

從表2、表3、表4三種影像壓縮技術(shù)的對比分析可以看出:

(1)完成約100幅1∶2 000圖約5.9 G的影像壓縮，總時間用時最少的是MrSID壓縮方法，其耗時與ECW壓縮相差不大，而eYaImage用的時間最長。

(2)ECW影像壓縮倍率可依據(jù)影像狀況自動調(diào)整，其實際壓縮倍率比給定的壓縮倍率高出很多，壓縮效率更高，其他兩種壓縮技術(shù)實際壓縮倍率與給定的倍率基本不變。

(3)從單幅影像壓縮時間上看，使用MrSID壓縮的時間最長，eYaImage壓縮時間次之，使用ECW影像壓縮方法壓縮耗時最短，并且壓縮文件也較小，故ECW壓縮效率更高。

(4)從單幅影像解壓縮時間上看，三種方法差異不明顯，依然是ECW解壓時間最短。

(5)在同一倍率下壓縮完成約5.9 G的影像，從最終文件大小來看，使用ECW壓縮的結(jié)果最小，大約是其他兩種方法的0.75倍～0.8倍，最節(jié)省存儲空間。

(6)從20∶1、50∶1、100∶1三種壓縮倍率看，影像壓縮以及解壓縮的時間與壓縮倍率無關(guān)。不管是將影像壓縮到什么倍率，所需要的時間都基本相同。

總之，從三種壓縮技術(shù)的壓縮效率上看，那么使用ECW影像壓縮方法最佳，它不僅壓縮和解壓縮所需要時間短，速度快，實際壓縮倍率可自動調(diào)整，而且壓縮的文件也最??；其次是eYaImage壓縮方法，排名最后的是MrSID壓縮方法。

3.2.2 三種影像壓縮方式的成果質(zhì)量比較

影像壓縮技術(shù)優(yōu)劣指標關(guān)鍵還要看壓縮后影像的質(zhì)量情況，需綜合考慮壓縮效率和質(zhì)量等因素才能選擇最合適的壓縮方法。使用ArcGIS 10同時打開使用三種影像壓縮技術(shù)壓縮后的影像成果，疊加后放大到同一比例尺下查看對比影像質(zhì)量。結(jié)果如圖2～圖7所示。

圖2 放大1∶4 000比例尺后影像質(zhì)量對比

圖3 放大1∶500比例尺后影像質(zhì)量對比

圖4 放大1∶4 000比例尺后影像質(zhì)量對比

圖5 放大1∶500比例尺后影像質(zhì)量對比

圖6 放大1∶4 000比例尺后影像質(zhì)量對比

圖7 放大1∶500比例尺后影像質(zhì)量對比

(1)20∶1壓縮倍率下查看對比影像質(zhì)量(放大為1∶4 000、1∶500比例尺瀏覽):

在ArcGIS 10上瀏覽時，三種壓縮成果在1∶4 000比例尺下視覺效果沒有差別。但是放大到1∶500比例尺后，發(fā)現(xiàn)MrSID壓縮成果的影像最清晰，質(zhì)量最好(如圖上紅色圓圈處的白色護欄對細節(jié)更清楚)，噪聲少。ECW壓縮和eYaImage壓縮成果質(zhì)量基本一致，只是eYaImage壓縮的影像色彩信息更豐富一些。

(2)50∶1壓縮倍率下查看對比影像質(zhì)量:

總體上看，以50∶1倍率壓縮的三種影像質(zhì)量相對于以20∶1倍率壓縮的影像在實際像素下瀏覽時，沒有明顯區(qū)別，三種影像質(zhì)量都較好。在將影像逐步放大到1∶500比例尺下時，局部地物逐漸變模糊，比較而言還是使用MrSID壓縮技術(shù)的影像地物邊緣最清晰，保留更多地物細節(jié)，地面沒有噪聲斑點；影像質(zhì)量稍次的是eYaImage；最后的是ECW影像成果，放大后在紅色圓圈處的高架網(wǎng)已基本分辨不出紋理。

(3)100∶1壓縮倍率下查看對比影像質(zhì)量:

影像以100∶1的倍率壓縮后，三種壓縮成果在1∶4 000比例尺下瀏覽時視覺效果依然很好。當影像放大到1∶500后，影像上地物就很模糊，細節(jié)已經(jīng)不清晰。三種壓縮方法比較，質(zhì)量最好的還是MrSID壓縮，其次是eYaImage壓縮，最后才是ECW壓縮。

總之，從三種影像壓縮成果質(zhì)量比較分析可以得出以下結(jié)論:

①相對于其他一般影像壓縮方法，ECW壓縮、Mr-SID壓縮、eYaImage壓縮在20∶1、50∶1、100∶1的壓縮倍率下的成果影像質(zhì)量都較好，在實際像素下瀏覽時，都可滿足影像網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的需要。

②在小于1∶4 000比例尺瀏覽影像時，三種壓縮倍率的影像質(zhì)量差別不明顯，但放大到約1∶500比例尺時，差別較明顯，影像的壓縮倍率越大，影像地物越模糊，目視效果也越差；而瀏覽時放大的比例越大，影像細節(jié)越不清晰。

③在同一種壓縮倍率下，影像質(zhì)量最好的是使用MrSID壓縮技術(shù)，信息損失最少，紋理更清晰；其次是eYaImage壓縮，最后是ECW壓縮。

3.2.3 三種影像壓縮技術(shù)成果瀏覽反應(yīng)速度比較

由于ECW壓縮技術(shù)是在小波變換技術(shù)上的改進和提高，使得它的壓縮/解壓縮速度上優(yōu)于MrSID和eYaImage壓縮。ECW壓縮不需要對中間結(jié)果進行存儲和調(diào)動，而且它支持多CPU處理。因此在網(wǎng)絡(luò)上對壓縮后遙感影像瀏覽訪問時，ECW技術(shù)的速度比Mr-SID及eYaImage要快。另外，由于eYaImage壓縮技術(shù)采用了整體計算、內(nèi)置金字塔、分塊存儲和解壓等技術(shù)使之在海量影像瀏覽時響應(yīng)速度也非?？臁Ｔ谙嗤木W(wǎng)絡(luò)帶寬條件及計算機運行速度條件下，分別將三種影像壓縮技術(shù)成果，即100幅1∶2 000圖的壓縮影像結(jié)合WebGIS軟件進行簡單的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，對比同一客戶端訪問壓縮后的影像瀏覽反應(yīng)的速度情況。ECW影像實現(xiàn)訪問與瀏覽需要的反應(yīng)時間僅為15 s，MrSID影像需要108 s，eYaImage影像需要60 s，因此可以看出ECW影像壓縮成果在數(shù)據(jù)傳輸、影像解壓縮以及影像訪問瀏覽方面速度最快，更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論與建議

ECW、MrSID和eYaImage壓縮三種影像壓縮技術(shù)都是基于離散小波變換技術(shù)，是影像壓縮處理中非常優(yōu)秀的、最常用的壓縮方法。都可以滿足海量影像存儲、影像發(fā)布瀏覽等需求，它們極大地推動了遙感影像在GIS中的應(yīng)用。在實際生產(chǎn)中我們可以依據(jù)自身條件和使用目的選擇合適的壓縮手段。結(jié)合三種影像壓縮技術(shù)各自特點以及影像壓縮的效率和質(zhì)量等因素，給出以下使用建議:

(1)在考慮節(jié)省影像存儲空間、較高的壓縮效率以及影像的快速傳輸、分發(fā)、瀏覽和更新等方面的優(yōu)勢，使用ECW壓縮技術(shù)較合適。

(2)如果為了滿足遙感影像深入分析的需要，最大限度地保證壓縮后影像質(zhì)量，使壓縮影像在現(xiàn)有GIS及遙感軟件中更方便地集成，使用MrSID壓縮技術(shù)較合適。

(3)由于eYaImage壓縮與ArcGIS和ERDAS全面兼容，與大型數(shù)據(jù)庫無縫集成，影像數(shù)據(jù)的屬性和影像本身都集成在數(shù)據(jù)庫的記錄中，可以非?？斓卦诰€訪問影像而不必下載。所以在使用ArcGIS系列軟件進行影像數(shù)據(jù)庫的開發(fā)或者要實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效管理和訪問時，使用eYaImage壓縮技術(shù)較合適。

[1] 耿則勛.小波理論及在遙感影像壓縮中的應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，2002.

[2] 萬幼川，宋楊.基于高分辨率遙感影像分類的地圖更新方法[J].武漢大學學報·信息科學版，2005，30(2)：105～109.

[3] 李忠，鄧喀中，王華斌等.遙感影像數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)[J].四川測繪，2008，4(3)：117～180.

[4] 呂?？姿既?，韓春華.基于增強小波ECW的遙感圖像壓縮研究[J].測繪科學，2007，32(5)：55～57.

[5] 邱玉寶，胡光道，車學文等.ECW壓縮技術(shù)在高分辨率遙感圖像壓縮與分發(fā)中的應(yīng)用[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2007，22(6)：727～732.

[6] 任曉東.MrSID技術(shù)在林業(yè)影像壓縮中的應(yīng)用[J].山東林業(yè)科技，2009(2).

[7] 方芳，李兵，高淑芬等.影像壓縮為數(shù)字攝影測量產(chǎn)品應(yīng)用帶來的擴展[J].地理空間信息，2010(8)：59～61.

《天津市地下建(構(gòu))筑物信息管理技術(shù)規(guī)程》專家評審會順利召開

近日，在天津市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會召開天津市工程建設(shè)標準《天津市地下建(構(gòu))筑物信息管理技術(shù)規(guī)程(送審稿)》評審會。該《規(guī)程》由天津市地下空間規(guī)劃管理信息中心和天津大學建筑工程學院主編；天津市規(guī)劃執(zhí)法監(jiān)察總隊、天津市測繪院、天津市勘察院為參編單位。天津市測繪院胡珂總工程師受邀作為專家組組長參加了評審會。

《規(guī)程》明確了地下建(構(gòu))筑物數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)采集、檢驗、系統(tǒng)建設(shè)、安全保密等方面的內(nèi)容，有針對性地解決了地下建(構(gòu))筑物信息建設(shè)、系統(tǒng)建設(shè)的標準等內(nèi)容。

《規(guī)程》的內(nèi)容完整、明確、合理，填補了國家空白，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。最后，評審組一直同意該《規(guī)程》通過評審。

隨著該《規(guī)程》的通過，天津市市域范圍的地下建(構(gòu))筑物測繪工作即將全面展開。

(來源：http：//www.tjch.com.cn)

ECW，M rSID，eYaImage Three Com pression Technology Com parison and Analysis

Wu Hongtao，Zhang Xiu
(Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China)

This paper introduces ECW，MrSID and eYaImage three kinds of remote sensing image compression technology，summarized the similarities and differences between them.At the same time，choose Tianjin a region of 100 1∶2000 scale orthophoto separately using the three compression technique for compressing and decompressing data experiment.The experiment adopted the 20∶1，50∶1，100∶1 three compression ratio further comparative analysis of three kinds of compression technology in image compression efficiency，compression of the image quality，compression image size and remote access response speed differences.Finally summarizes three kinds of compression technology application direction.

wavelet transform；ECW；MrSID；eYaImage；remote sensing image

1672-8262(2013)03-121-06

P209

B

2012—08—16

吳洪濤(1978—)，男，高級工程師，主要從事工程測量及GIS研發(fā)等。