天繪一號(hào)衛(wèi)星影像融合及其質(zhì)量評(píng)價(jià)

高 燕，周成虎，蘇奮振，劉媛媛

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.中國(guó)天繪衛(wèi)星中心，北京 102102；4.中國(guó)南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；5.總參第一測(cè)繪導(dǎo)航基地，北京 100040）

天繪一號(hào)衛(wèi)星影像融合及其質(zhì)量評(píng)價(jià)

高 燕1,2,3,4，周成虎2，蘇奮振2，劉媛媛5

（1.信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；3.中國(guó)天繪衛(wèi)星中心，北京 102102；4.中國(guó)南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023；5.總參第一測(cè)繪導(dǎo)航基地，北京 100040）

以南京市天繪一號(hào)衛(wèi)星影像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用IHS變換、Brovey變換、Wavelet變換、PCA、Pansharp等遙感影像融合方法對(duì)其全色和多光譜影像進(jìn)行融合，并對(duì)5種方法的融合結(jié)果進(jìn)行了定性和定量分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IHS變換法和Pansharp法能顯著增強(qiáng)融合影像的光譜信息，提高融合影像的空間分辨率。

天繪一號(hào)衛(wèi)星；影像融合；高空間分辨率遙感影像；質(zhì)量評(píng)價(jià)

天繪一號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆傳輸型立體測(cè)繪衛(wèi)星，天繪一號(hào)01星于2010年8月發(fā)射升空[1]，可獲取2 m分辨率的高空間分辨率遙感影像、5 m分辨率的三線陣立體影像和10 m分辨率的4波段多光譜遙感影像，其成果可應(yīng)用于地圖測(cè)制、海岸帶測(cè)繪、國(guó)土資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)等諸多領(lǐng)域[2]?，F(xiàn)有的影像融合研究大多是基于國(guó)外的遙感影像，對(duì)我國(guó)高分辨率遙感影像研究得并不充分。本文基于IHS變換、Brovey變換、Wavelet變換、PCA、Pansharp等遙感影像融合方法，對(duì)天繪一號(hào)衛(wèi)星的2 m分辨率的全色遙感影像與10 m分辨率的多光譜影像進(jìn)行融合，并從人眼視覺(jué)和定量統(tǒng)計(jì)分析2個(gè)方面對(duì)融合效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。

1 遙感影像融合方法

遙感影像融合將不同類(lèi)型的傳感器獲取的同一地區(qū)的遙感影像進(jìn)行空間配準(zhǔn)，采用一定的算法使各影像中的優(yōu)勢(shì)能夠互補(bǔ)，產(chǎn)生的新影像不僅具有較高的空間分辨率而且具有多光譜信息。對(duì)于不同數(shù)據(jù)源的遙感影像需要使用不同的融合方法才能得到較理想的效果。目前，影像融合的方法主要有IHS變換、Brovey變換、Wavelet變換、PCA和Pansharp等。

1）IHS變換法。將多光譜遙感影像從RGB色彩空間變換到IHS（強(qiáng)度、色調(diào)、飽和度）色彩空間，然后利用高分辨率的灰度圖像替換IHS變換中的強(qiáng)度分量I，最后再進(jìn)行一次IHS反變換[3]，從而得到一幅具有高空間分辨率的多光譜遙感影像。

2）Brovey變換。它是一種比值融合法，基本思想是假設(shè)全色影像PAN與多光譜影像MS的響應(yīng)范圍相同，將多光譜波段的值歸一化后與全色波段的值相乘[4]，得到影像的增強(qiáng)信息，其表達(dá)式為：

3）Wavelet變換。首先將待融合的遙感影像進(jìn)行小波分解，使其頻率特性得到分離，利用全色波段的高頻成分和多光譜波段的低頻成分進(jìn)行小波重建[5]，最后得到融合的遙感影像。

4）PCA方法，即主成分分析方法，是在圖像統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上的多維線性變換。將單波段的高分辨率圖像經(jīng)過(guò)灰度拉伸，使其灰度的均值和方差與PCA變換第一分量圖像一致，然后以拉伸過(guò)的高分辨圖像代替第一分量圖像，經(jīng)過(guò)PCA逆變換還原到原始空間，使融合后的圖像具有高空間分辨率和多光譜信息特征[6]。

5）Pansharp方法，即超分辨率貝葉斯法。利用全色波段增強(qiáng)多光譜遙感影像，合并傳感器特性模擬全色波段和多波段影像的觀測(cè)過(guò)程，利用先驗(yàn)知識(shí)估計(jì)高分辨率多光譜影像的期望值，這種方法使全色波段數(shù)據(jù)與多光譜波段數(shù)據(jù)自動(dòng)對(duì)齊，在保留光譜信息的同時(shí)增加了空間分辨率[7]。

2 遙感影像融合質(zhì)量評(píng)價(jià)

遙感影像經(jīng)過(guò)融合后具有豐富的色彩和高空間分辨率，不同的應(yīng)用有不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可用目視判讀進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，也可用一些統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)（影像方差、信息熵、平均梯度、偏差指數(shù)和相關(guān)系數(shù)等）進(jìn)行定量分析，指標(biāo)簡(jiǎn)要描述見(jiàn)表1。

表1 定量統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)及其描述表

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)影像數(shù)據(jù)

本文所用的天繪一號(hào)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是2011年3月南京某地區(qū)的一景遙感影像，包括2 m分辨率的全色影像和10 m分辨率多光譜影像（如圖1所示），實(shí)驗(yàn)區(qū)域中有建筑物、農(nóng)田、道路、河流等地物，遙感數(shù)據(jù)的基本參數(shù)如表2所示。

表2 天繪一號(hào)遙感數(shù)據(jù)基本參數(shù)表

圖1 2011年3月南京某地區(qū)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)融合

選取全色影像和多光譜影像的1、2、3波段，采用5種融合方法分別進(jìn)行融合實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟為：①在全色與多光譜影像中選取同名點(diǎn)，對(duì)影像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)；②多光譜影像重采樣到全色影像大小；③分別用5種方法對(duì)影像進(jìn)行融合。融合質(zhì)量要求影像紋理清晰，無(wú)影像發(fā)虛和重影現(xiàn)象，融合后能明顯提高地物解譯的信息量。圖2a～圖2e即為融合后的真彩色遙感影像。

3.3 結(jié)果分析

從目視效果來(lái)看，圖2 a～圖2e 5幅融合后的遙感影像均沒(méi)有發(fā)虛或重影的現(xiàn)象，較原始影像的細(xì)節(jié)和光譜信息都有不同程度的提高，其中IHS和Pansharp方法的目視效果最佳，細(xì)節(jié)清晰，光譜信息豐富；Brovey變換得到的融合影像細(xì)節(jié)信息較前2種稍差；PCA方法得到的遙感影像細(xì)節(jié)清晰、光譜信息豐富，但在圓形建筑物的頂部出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，本應(yīng)是亮度高的白色區(qū)域出現(xiàn)了一些黑色的空洞（見(jiàn)圖2f）；Wavelet變換法得到的影像細(xì)節(jié)比較模糊，邊緣信息表現(xiàn)不好，目視效果最差。

圖2 使用不同融合方法得到的真彩色遙感影像

表3是融合影像的多種統(tǒng)計(jì)值，從方差的值來(lái)看，PCA方法得到的融合影像信息最豐富；從信息熵的值來(lái)看，IHS方法得到的融合影像信息量最大；從平均梯度的值來(lái)看，IHS和PCA方法得到的融合影像紋理細(xì)節(jié)多，影像層次清晰；從與高分辨率影像相關(guān)系數(shù)的值來(lái)看，IHS方法獲得的融合影像與全色影像的相似性最大，空間信息保持最好；從與多光譜影像偏差指數(shù)的值來(lái)看，Pansharp方法得到的融合影像與多光譜影像的偏差最小，光譜信息最豐富，這些統(tǒng)計(jì)值與目視結(jié)果基本一致。

綜合目視效果與定量評(píng)價(jià)2個(gè)方面的分析，可得出如下結(jié)論：用IHS變換法和Pansharp方法能使天繪一號(hào)的實(shí)驗(yàn)影像獲得較好的融合效果，融合影像在細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力、光譜信息保持和影像保真等方面都有較好的表現(xiàn)。

表3 融合結(jié)果定量評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)值表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于天繪一號(hào)衛(wèi)星全色和多光譜的影像組合，運(yùn)用了5種變換方法進(jìn)行融合實(shí)驗(yàn)，并對(duì)融合后的遙感影像進(jìn)行了目視和定量分析。通過(guò)對(duì)比分析認(rèn)為：不同的融合方法具有不同特點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生不同效果；遙感影像融合能夠發(fā)揮多種遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)空間與光譜信息的互補(bǔ)；IHS變換法和Pansharp方法是適合實(shí)驗(yàn)區(qū)天繪衛(wèi)星影像的融合方法。

[1] 李松明，李巖，李勁東. “天繪一號(hào)”傳輸型攝影測(cè)量與遙感衛(wèi)星[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2012, 16(增刊): 10-16

[2] 何忠煥，左志進(jìn)，劉冬枝. 天繪一號(hào)衛(wèi)星遙感影像的處理方法[J]. 地理空間信息, 2012, 10(6): 4-6

[3] 夏清，胡振琪，李建華，等. 不同遙感影像融合方法的質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 地理空間信息, 2013, 11(1): 49-51

[4] 田豐，王昆，王猛. 高空間分辨率遙感影像融合方法探討[J].海洋測(cè)繪, 2012, 32(1): 61-64

[5] 王樂(lè). 遙感影像融合及其質(zhì)量評(píng)價(jià)[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué), 2012

[6] 何海鵬，何國(guó)金. IKONOS高分辨率遙感影像融合方法比較研究[J]. 科技導(dǎo)報(bào), 2009, 27(5): 33-37

[7] 譚永生，沈掌泉，賈春燕，等. 中高分辨率遙感影像融合研究[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2007, 22(4): 536-542

Image Fusion and Quality Assessment of TH-1

by GAO Yan

The experiments were carried out to fi nd out the suitable ways for TH-1 panchromatic and multispectral image fusion. IHS transform,Brovey transform, Wavelet transform, PCA and Pansharp remote sensing image fusion methods were used in this paper to fuse the image of TH-1 in Nanjing. And the results of 5 methods were analyzed in qualitative and quantitative ways. The experimental results show that the IHS transform and Pansharp method can signifi cantly enhance spectrum information of the fusion images and improve the spatial resolution. The two methods are more suitable for the TH-1 image data of experimental area.

TH-1 satellite,image fusion,high spatial resolution imagery,quality assessment

P237.4

B

1672-4623（2014）02-0016-02

10.11709/j.issn.1672-4623.2014.02.007

2013-07-30。

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41271392）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011BAH23B04）。

高燕，博士，研究方向?yàn)檫b感影像智能處理。