空間重采樣方法對遙感影像信息影響研究

張周威 ，余 濤 ，孟慶巖 ，胡新禮，李 暢

（1.北京大學(xué) 地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；2.中國科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所，遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.國家航天局 航天遙感論證中心，北京 100101；4.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，武漢 430079）

遙感影像的幾何校正是遙感影像預(yù)處理流程中一個非常重要的組成部分，目的是地理經(jīng)緯度的校正和對原始遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣.然而重采樣必然會導(dǎo)致影像的信息量變化.如何最大限度地保持原始影像的信息量一直是研究的熱點(diǎn)問題.目前最常用的重采樣方法是最鄰近插值法、雙線性插值法和三次卷積插值法.最近鄰插值法的優(yōu)點(diǎn)是輸出影像仍然保持原來的像元值，簡單而且處理速度快.但這種方法最大可產(chǎn)生半個像元的位置偏移，可能造成輸出影像中某些地物的不連貫.雙線性內(nèi)插法具有平均化的濾波效果，邊緣受到平滑作用，而產(chǎn)生一個比較連貫的輸出影像，其缺點(diǎn)是破壞了原來的像元值，在后來的波譜識別分類分析中，會引起一些問題.三次卷積內(nèi)插法對邊緣有所增強(qiáng)，并具有均衡化和清晰化的效果.但是它仍然破壞的原來像元值，而且計算量較大［1］.

鮑文東等對遙感影像幾何精校正中3種重采樣內(nèi)插方法進(jìn)行定量比較，發(fā)現(xiàn)了3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)［1］.李石華和角媛梅從空間分辨率、幾何校正精度、輻射精度和紋理等4 個方面對HJ－A－CCD 圖像進(jìn)行質(zhì)量評價，并與同范圍的CBERS－02B－CCD圖像精細(xì)比較，發(fā)現(xiàn)HJ－A－CCD 的信息量、對比度、幾何定位精度方面仍有很大改善空間［2］.張銳、姜挺選取刃邊圖像和真實(shí)遙感圖像作為研究對象，對其進(jìn)行多種輻射和重采樣操作，研究重采樣對調(diào)制傳遞函數(shù)估算的影響［3］.上述研究均未涉及到對重采樣后圖像的質(zhì)量進(jìn)行定量評價.

本文選取3種不同類型的遙感影像，利用上述3種重采樣方法對其進(jìn)行重采樣，得到不同空間分辨率的重采樣影像.最后，利用共性評價指標(biāo)對每組重采樣后遙感影像進(jìn)行分析和評價，研究遙感影像信息量在重采樣后如何發(fā)生改變.

1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)源1所使用的HJ－1A／B衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收時間為2008年9月8日，影像的大小為1024×1024.研究區(qū)選取我國臺灣省的臺灣島主體部分作為研究對象（圖1）.數(shù)據(jù)源2所使用的QuickBird－2衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收時間為2009年10月01日，影像的大小為1024×1024.研究區(qū)位于我國的北京市市區(qū)（圖2）.數(shù)據(jù)源3選擇機(jī)載Airborne Visible／Infrared Imaging Spectrometer（AVIRIS）高光譜成像光譜儀AVIRIS數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)，空間分辨率為20m，并具有224 個譜段，波譜分辨率為10nm.其成像波長范圍為0.38～2.5μm，視場角為30°，瞬時視場角為1mrad［4－5］.測試數(shù)據(jù)接收時間為1997年6月，影像的大小為1024×1024.由于AVIRIS 數(shù)據(jù)譜段較多，譜段范圍較廣，為了能夠簡化試驗(yàn)步驟，本文選擇第40波段、第80波段和第102波段3個典型波段作為研究對象.研究區(qū)地處美國加利福利亞州美國航空航天局埃姆斯研究中心附近莫菲特菲爾德場，緊鄰舊金山海灣（圖3）.

圖1 HJ－1A／B衛(wèi)星數(shù)據(jù)Fig.1 HJ－1A／B data

圖2 QuickBird－2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)Fig.2 QuickBird－2data

圖3 AVIRIS 航空高光譜數(shù)據(jù)Fig.3 AVIRIS Hyperspectral data

2 分析與驗(yàn)證

2.1 評價指標(biāo)定義及計算方法

影像質(zhì)量評價其主要目的是用盡可能客觀的、可定量的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)重采樣后影像信息量的損失程度.共性指標(biāo)中的輻射精度是反映影像信息豐富程度的指標(biāo)，同一地區(qū)的不同影像，若灰度分布范圍越大，方差越大，則表明影像信息越豐富［6］.因此，采用灰度均值、灰度方差和直方圖統(tǒng)計來對重采樣后影像進(jìn)行分析和評價.

2.2 評價結(jié)果分析

根據(jù)上述評價指標(biāo)及其計算方法，得到各指標(biāo)的評價結(jié)果.通過對HJ－1A／B 衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行不同尺度的重采樣，得到重采樣后影像3個波段的均值、方差和直方圖，將其按照不同尺度繪制成圖4和圖5.通過比較與分析可以得出，原始影像通過重采樣后各個不同空間分辨率影像均值的變化非常小，不同尺度下的變化范圍都在2%之內(nèi).重采樣后不同分辨率影像的3個波段直方圖存在幾個波峰，而且顯示的動態(tài)范圍大，分辨率較低的300m 影像像元數(shù)量范圍相對于30m 分辨率原始影像和3m 分辨率重采樣影像要少.

圖4 HJ－1A／B衛(wèi)星影像最近鄰重采樣后和雙線性重采樣后不同分辨率R、G、B波段的方差Fig.4 Variance of nearest neighbor and bilinear resampled images with different resolution

圖5 HJ－1A／B衛(wèi)星影像三次卷積重采樣后不同分辨率R、G、B波段的方差和3種不同重采樣方法重采樣后的不同分辨率影像R 波段方差比較Fig.5 Variance of cubic resampled images with different resolution and comparison of variance of resampled images with different resampling methods

圖4和圖5表明，重采樣后影像方差隨分辨率提高后稍微降低后保持不變，分辨率降低造成影像的方差減少.它表明重采樣后的影像量分辨率降低后，其信息量也隨之減少.同時，對通過3種不同重采樣方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析得出，采用最近鄰插值法對影像信息量的影響較小.三次卷積插值法次之，而雙線性插值法對影像質(zhì)量的影響較大.

采取相同的采樣方法對QuickBird－2 衛(wèi)星遙感影像進(jìn)行不同尺度的重采樣后得到重采樣后影像3個波段的均值、方差和直方圖.通過比較可以得出，原始影像在重采樣后各個不同空間分辨率影像均值的變化較小，不同尺度下的變化范圍都在3%之內(nèi).重采樣后不同分辨率影像的直方圖存在幾個波峰，并且顯示的動態(tài)范圍大，122 m 分辨率影像像元數(shù)量相對于0.61 m 分辨率原始影像和0.24m 分辨率重采樣影像要少.

圖6 QuickBird－2影像最近鄰重采樣后和雙線性重采樣后不同分辨率R、G、B波段的方差Fig.6 Variance of nearest neighbor resampled images and bilinear resampled images with different resolution

圖7 QuickBird－2影像三次卷積重采樣后不同分辨率R、G、B波段的影像方差和3種不同重采樣方法重采樣后的不同分辨率影像R 波段方差比較Fig.7 Variance of cubic resampled images with different resolution and comparison of variance of resampled images with different resampling methods

圖6和圖7表明，重采樣后影像方差在分辨率升高后略微降低，然后基本保持不變，而分辨率降低造成影像的方差不斷減少，它表明影像的信息量不斷減少.同時，通過對3種不同重采樣方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析得出，采用最近鄰插值法對影像質(zhì)量的影響較小，三次卷積插值法次之，雙線性插值法對影像質(zhì)量的影響比較大.

最后對AVIRIS航空高光譜影像中第40、80和102波段的影像進(jìn)行不同尺度的重采樣，得到重采樣后影像3個波段的均值、方差和直方圖.對結(jié)果分析可以得出，原始影像通過重采樣后各個不同空間分辨率影像均值的變化非常小，不同尺度下的變化范圍都在2%之內(nèi).重采樣后不同分辨率影像的3個波段直方圖存在幾個波峰，而且顯示的動態(tài)范圍大，分辨率較低的1 000m 影像像元數(shù)量范圍相對于20m 分辨率原始影像和4m 分辨率重采樣影像要少.

圖8和圖9表明，重采樣后影像方差隨分辨率提高后影像質(zhì)量略微降低后基本保持不變，影像的方差隨著分辨率降低而減少.它表明影像信息量隨著分辨率的降低而減少.同時，對3種不同重采樣方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析得出，采用最近鄰插值法對影像質(zhì)量的影響較小，雙線性插值法次之，三次卷積插值法對影像質(zhì)量的影響比較大.

2.3 影像應(yīng)用潛力分析

通過上述試驗(yàn)可以看出，環(huán)境星影像經(jīng)過不同空間分辨率重采樣后，如果將空間分辨率提高，那么整個影像的信息量變化較小，可以被用于地表特征參量提取.如果將空間分辨率降低，那么影像的信息量將會減小，不適用于地表定量反演.

圖8 最近鄰重采樣后和雙線性重采樣后AVIRIS影像不同分辨率不同波段的影像方差Fig.8 Variance of nearest neighbor resampled and bilinear resampled images with different resolution

圖9 AVIRIS影像三次卷積重采樣后不同分辨率不同波段的影像方差3種不同重采樣方法重采樣后的不同分辨率影像第40波段方差比較Fig.9 Variance of cubic resampled images with different resolution and comparison of variance of the resampled images with different resampling methods

3 結(jié)論

利用3種重采樣方法對3種不同類型的遙感影像進(jìn)行重采樣后，研究發(fā)現(xiàn)不同分辨率重采樣后影像信息量的變化規(guī)律.在以后的研究過程中，可根據(jù)實(shí)際情況，從影像紋理特征和影像能量特征對重采樣后影像進(jìn)行評價.重采樣后影像空間分辨率降低使重采樣后影像的方差減少.從影像的灰度統(tǒng)計信息分析，重采樣后空間分辨率提高對影像的信息量影響非常小，相反，如果空間分辨率降低，影像信息量則有損失.通過定性和定量的比較分析，可以找到3種方法各自優(yōu)缺點(diǎn).在實(shí)際應(yīng)用中，影像中的生物物理量同影像亮度變化直接相關(guān)，所以采用最近鄰重插值法適合從遙感影像中提取生物物理信息，而其他的插值方法是利用均值法計算輸出亮度值，通常丟失很有價值的光譜信息.雙線性插值法的計算量和精度適中，如果忽略應(yīng)用精度，也可以被采用.而當(dāng)圖像變形比較嚴(yán)重時，必須使用三次卷積插值來確保圖像的質(zhì)量.

［1］鮑文東，楊春德.幾何精校正中三種重采樣內(nèi)插方法的定量比較［J］.測繪通報，2009，（3）：71－72.

［2］李石華，角媛梅.環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星A 星CCD 影像質(zhì)量評價［J］.紅外技術(shù)，2009，31（3）：167－172.

［3］張 銳，姜 挺，于瑤瑤，等.圖像重采樣對調(diào)制傳遞函數(shù)估算的影響［J］.遙感學(xué)報，2012，16（3）：487－491.

［4］浦瑞良，宮 鵬.高光譜遙感及其應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2006.3－5.

［5］童慶禧，張 兵，鄭蘭芬.高光譜遙感原理、技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］任 平，楊存健，周介銘.HJ－1A／B 星CCD 多光譜遙感數(shù)據(jù)特征評價及應(yīng)用研究［J］.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2010，25（1）：138－142.