QuickBird遙感影像信息融合方法比較

閆世偉 溫松楠 任智龍

摘 要：本文以甘肅省張掖市大野口水庫的QuickBird全色和多光譜數據為例，采用HSV變換法、Brovey變換法、Gram-Schmidt變換法和主成分變換法對該影像進行融合，并從定性和定量兩個方面對4種影像融合方法進行對比。結果表明，主成分變換法是最適合的融合算法。

關鍵詞：Quickbird;遙感影像;融合方法

中圖分類號：TP75 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0021-04

Abstract： Taking the QuickBird panchromatic and multispectral data of Dayekou reservoir in Zhangye City， Gansu Province as an example， the image was fused by HSV transform， Brovey transform， Gram-Schmidt transform and principal component transform， and the four image fusion methods were compared qualitatively and quantitatively. The results show that the principal component transform method is the most suitable fusion algorithm.

Keywords： Quickbird;remote sensing image;fusion method

影像融合是將同一傳感器的多光譜影像融合或者將不同傳感器的影像進行融合，進而達到增強圖像的目的[1]。無人機技術結合遙感技術可以獲取到分辨率更高的遙感影像。因此，近年來，將無人機技術和遙感技術結合起來獲取遙感影像已成為獲取全球空間信息和屬性信息的重要手段。如何針對不同的遙感影像來選擇恰當的融合方法已經成為當前研究的熱點之一。高分辨率遙感影像的融合技術是當今遙感技術發展的重要產物，運用多源遙感影像數據進行數據融合具有十分重要的理論意義和應用價值[2]。

1 圖像融合數據與方法

QuickBird是2001年10月18日美國成功發射的高分辨率商業遙感衛星。QuickBird獲取的全色影像的空間分辨率可以達到0.61 m，在農業、林業、草業等的資源規劃、土地利用規劃、地圖制圖、水利資源監測、災害監測等方面的應用已經較為廣泛[3]。研究表明，有效利用QuickBird的全色和多光譜數據可以顯著提高影像解譯、自動分類和專題制圖的精度。本文以甘肅省張掖市大野口水庫的QuickBird全色和多光譜數據為例，采用HSV變換法、Brovey（比值）變換法、Gram-Schmidt變換法和主成分變換法對該影像進行融合，分別從定性和定量兩個方面對4種影像融合方法進行分析比較，得出適合QuickBird數據的融合方法。

1.1 HSV變換法

在融合遙感影像時，首先要將RGB空間轉換為HSV空間。多光譜影像經過HSV變換后，可以得到三個分量，分別為色度、亮度、飽和度。然后將亮度與高分辨率全色影像進行直方圖匹配，接著將直方圖匹配后得到的高分辨率影像與色度、飽和度進行HSV逆變換，最后實現影像融合[4]。

1.2 Brovey變換法

Brovey變換融合是一種比較簡單的融合方法，是將多光譜圖像的相位空間分解為色彩和亮度成分并進行計算。該方法通過歸一化后的多光譜波段與高分辨率全色影像乘積來增強影像信息，其特點是簡化了圖像轉換過程的系數，最大限度地保留了多光譜數據的信息，但它只能而且必須同時對3個波段進行融合運算。

1.3 Gram-Schmidt變換法

Gram-Schmidt變換法與主成分變換法相比較，既有聯系也有區別。運用Gram-Schmidt變換法后各主成分只是正交，而主成分變換法在對各主成分進行重新分布后，第一主成分貢獻信息最大，其他主成分相對小一些。Gram-Schmidt變換法通過對多維影像進行正交變換，可以有效消除多光譜影像各個波段之間的相關性[5]。

1.4 主成分變換法

主成分變換法通過計算相關矩陣的特征值和特征向量來分析得到不同主成分的影像。為使得全色影像與第一主成分的均值和方差更接近，需要拉伸全色影像，將第一主成分用拉伸后的影像替換，并用拉伸后的影像與其他主成分進行逆變換，最后獲得融合影像[6-7]。

2 融合效果的評價指標

2.1 均值

均值即算數平均值，主要通過計算影像灰度值的算術平均值來體現，反映的是人眼的目視效果。若均值較為適中，則表示影像的目視效果較佳。具體計算公式為：

式中：[Mean]為圖像的均值;[m]、[n]分別為圖像的行數和列數;[Mx，y]為原始圖像[M]中點[x，y]處像素值的大小。若圖像的均值適中（灰度值約為128時），則表示影像的目視效果較佳。

2.2 標準差

標準差主要通過影像灰度值反差的大小來體現灰度值的離散程度，通過標準差同時可以反映出影像的反差。若標準差較大，則影像灰度越分散，影像反差較大，可以體現出的信息量更大;反之，標準差較小，說明圖像反差小，色調單一均勻。計算公式為：

2.3 相關系數

相關系數主要反映融合前后兩影像的相關程度。相關系數越大，說明融合前后的兩影像相關程度高，且表明融合手段效果好，較好地保留了融合前的影像信息，融合后得到的影像質量也較高。主要計算公式為：

3 試驗結果與分析

3.1 試驗方法

本文對張掖市大野口水庫的QuickBird全色影像和多光譜影像進行融合。QuickBird多光譜影像共有4個波段，而Brovey變換法、HSV變換法等模型中只能選取3個波段，因此，所有變換模型都選擇3個波段。在利用這些方法進行圖像融合時，選擇哪幾個波段進行融合非常重要。最優波段組合有兩原則：第一要使所選波段在不同光區，第二要選擇包含信息量大的波段。本文選擇包含信息量最大的3個波段，從多光譜圖像中選擇了最佳波段，通過選擇的最佳波段合成彩色圖像并融合。通過對波段特征進行統計分析，本試驗采用4、3、1波段作為最佳波段組合。此外，由于影像融合的效果受到幾何精校正的影響，所以參與融合的影像必須是通過幾何精校正的影像，本文中用到的數據已經過幾何精校正。數據處理過程如圖1所示，利用不同融合手段融合后的影像與原始QuickBird多光譜影像如圖2至圖7所示。

3.2 結果分析

3.2.1 定性評價。所得融合影像的空間分辨率、清晰度都較原始的QuickBird多光譜影像有所提高，影像的空間信息均得到明顯增加，道路、建筑及水體輪廓變得清晰。在保持光譜信息方面，各方法的效果也存在一定差別。通過對比發現，通過主成分變換法和Gram-Schmidt變換法進行遙感數據融合的效果最好，融合圖像的細節和紋理信息最清晰。在色彩方面，影像經HSV變換法融合后變暗，經Brovey變換法融合后對比度增加，而經Gram-Schmidt變換法和主成分變換法融合后均相對較亮。可見，主成分變換法和Gram-Schmidt變換法融合后影響效果要優于HSV變換法，光譜信息保持較好，色彩層次更為豐富。

3.2.2 定量評價指標。為了客觀定量地比較評價不同融合手段的融合效果，本文采用相關系數、均值及標準差三個評價指標來反映QuickBird多光譜影像和融合后影像的誤差，計算結果見表1。

從均值來看，主成分變換法和Gram-Schmidt變換法的影像亮度均值較大，說明其融合圖像視覺效果較好;HSV變換法和Brovey變換法融合的圖像亮度值較小，說明圖像整體較暗，不利于圖像的目視解譯。從標準差來看，利用主成分變換法進行遙感影像融合的標準差最大，說明圖像的灰度級分布離散，圖像反差大，圖像反映出的信息量多，影像細節得到了更好體現，同時對影像信息提取及影像分類手段實施更有利。從相關系數來看，Brovey變換法的相關系數最小，且比原始圖像小（3個波段相關系數分別為0.56、0.98、0.54），說明利用Brovey變換法融合圖像損失了原圖像的光譜信息，融合質量較差。相比之下，HSV變換法的相關系數明顯高于其他方法得到的圖像，說明該方法保留了最多的原圖像的光譜信息，其次是利用主成分變換法進行圖像融合后的相關系數較高，說明采用主成分變換法能保留原始圖像的大部分光譜信息，但由于主成分變換法僅選擇高分辨率影像代替低分辨率影像的第一主成分，因此，第一主成分體現的光譜信息會有所損失，從而導致融合后的圖像光譜分辨率受到一定程度的影響。通過對各個指標進行綜合分析可知，主成分變換法融合后的影像質量比其他三種融合手段更優。

4 結語

本文分別從定性和定量兩個角度對HSV變換法、Brovey變換法、Gram-Schmidt變換法和主成分變換法進行對比分析。結果表明，主成分變換法能更好地保持光譜特性，融合后的影像信息量有了一定程度的增加，且明顯改善了影像的清晰度;利用HSV變換法處理后的影像清晰度提升較大，但光譜畸變過大;而利用Brovey變換法處理后的影像光譜信息損失最大;利用Gram-Schmidt變換法處理后的影像亮度均值最高，融合視覺效果好，但相關系數較主成分變換法小。因此，結合影像的光譜特性、信息量和清晰度進行綜合考慮，就QuickBird影像的融合而言，主成分變換法為最佳融合手段。

參考文獻：

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[2]任琦，許有田，郭慶堂，等.QuickBird遙感影像數據處理方法的探討[J].測繪科學，2009（增刊1）：31-32.

[3]邢元軍，石軍南.QuickBird遙感影像的融合及在土地利用類型調查中的應用研究[J].株洲師范高等專科學校學報，2007（2）：56-59.

[4]常化文，陳春香.基于HSV變換與小波變換的遙感圖像融合[J].計算機工程與設計，2008（23）：5682-5684.

[5]譚永生，沈掌泉，賈春燕，等.QuickBird全色與多光譜影像融合方法比較研究[J].科技通報，2008（4）：498-503.

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[7]許民，劉勇，王曉燕，等.Quickbird全色與多光譜數據融合算法的比較[J].地理空間信息，2011（4）：84-87.