基于QUICK BIRD的遙感影像融合

邢 穎，劉奧東

(黔南民族師范學(xué)院)

0 引言

遙感影像的處理融合是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件的圖像處理模塊，來復(fù)合多元遙感影像的技術(shù).其目的是對(duì)衛(wèi)星上多傳感器所提供的信息或者是單一傳感器的多波段信息加以糅合，從而消除數(shù)據(jù)信息之間可能存在的矛盾和冗余，減少影像模糊度，增強(qiáng)影像中信息透明度 ，改善解譯精度、可靠性以及使用率，以形成對(duì)目標(biāo)完整一致的信息描述［1］.

文章研究數(shù)據(jù)來源于QUICK BIRD-2衛(wèi)星，衛(wèi)星于2001年10月18日成功發(fā)射，是目前世界上空間分辨率較高的商用遙感衛(wèi)星.QUICK BIRD是一星多傳感器，裝有分辨率為0.61～0.72 m的全色波段和分辨率為2.44～2.88 m 的4個(gè)波段的光譜數(shù)據(jù).因此，通過一定的圖像融合方法，可以從中提取出更有用、更精簡(jiǎn)、更高質(zhì)量的信息.

1 圖像融合的基本原理

針對(duì)目前在影像融合的技術(shù)方法上，已出現(xiàn)了大量的融合手段.因此確定合適的融合方法，要針對(duì)不同衛(wèi)星的影像，融合的目的、特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的選擇.

在對(duì)不同類型遙感影像融合處理前，必須具備以下四個(gè)條件，即:(1)首先影像必須經(jīng)過一定的校正處理;(2)影像為同一地點(diǎn);(3)影像數(shù)據(jù)應(yīng)同時(shí)囊括了不同的光譜分辨率和空間分辨率;(4)當(dāng)獲取的影像為不同時(shí)間段時(shí)，間隔時(shí)間不應(yīng)過長(zhǎng)，或其地物沒有大的變化.完成影像融合后的優(yōu)點(diǎn)為:(1)融合后的地物細(xì)節(jié)和影像結(jié)構(gòu)更豐富;(2)與原來的全色影像相比，融合影像有更強(qiáng)的光譜分辨;(3)與原來的多光譜影像相比，融合影像有更強(qiáng)的立體感和空間分辨率;(4)融合處理后的影像，各分量間的空間信息冗余度降低，同時(shí)在原來的影像的上增加了全色影像的空間信息.

2 三種融合方法的簡(jiǎn)單介紹

2.1 IHS變換融合法

IHS是一種圖像顯示增強(qiáng)和信息融合的方法，具有靈活、適用的優(yōu)點(diǎn)，是一種實(shí)用性強(qiáng)、效果明顯的融合方法.該融合法能夠基本保持融合前多光譜圖像的波譜特征，同時(shí)融入高分辨率幾何信息.但是在增強(qiáng)幾何分辨率的同時(shí)，這種方法會(huì)損失一定原圖像的光譜信息.

算法的過程是:首先將多光譜影像(文章選用QUNICK BIRD多光譜影像MUL)藍(lán)、綠、紅三個(gè)波段變換為HIS，即亮度、色度、飽和度空間.其計(jì)算公式為:

然后再用全色影像(QUICK BIRD PAN)對(duì)變換后的亮度、色度、飽和度進(jìn)行處理，得到新的修正值.即以原亮度值Ⅰ為基準(zhǔn)，用全色影像(QUICK BIRD PAN)的灰度值與原亮度值(Ⅰ)進(jìn)行灰度一致化處理及直方圖匹配來代替亮度(Ⅰ)分量，得到的結(jié)果為Ⅰ'，即Ⅰ':F(PAN).最后將彩色空間色度反變換到RGB空間，就可以得到融合后的RGB圖像.反變換計(jì)算公式為:

2.2 主成分分析法(PCA)

PCA(Principal Components Analysis)變換又稱為主成分分析，是建立在影像統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的多維線性變換，具有方差信息濃縮、壓縮數(shù)據(jù)量的作用，數(shù)學(xué)上也稱為K-L變換.

PCA變換的具體步驟與IHS變換相似:影像的多光譜波段經(jīng)過PCA變換后，對(duì)全色圖像進(jìn)行灰度拉伸，使其灰度的均值和方差與PCA變換的第一分量圖像一致，就可以用處理過的全色影像來替代第一分量，再通過PCA反變換還原為RGB空間.

該融合方法對(duì)影像數(shù)據(jù)壓縮、影像增強(qiáng)、影像變化檢測(cè)和多時(shí)相影像融合具有非常重要的作用.但缺點(diǎn)是經(jīng)過PCA變換后的新波段分量所包括的信息量不同，呈逐漸減少的趨勢(shì).第一主分量中往往包含了多光譜波段80%以上信息;第二主分量的包含的信息量很快遞減;到了第三分量，信息量幾乎為零.因此用拉伸后的全色波段影像的灰度值替代第一主分量，再進(jìn)行反變換得到增強(qiáng)后的多光譜波段影像時(shí)，其中包括的內(nèi)容會(huì)有一定程度的丟失.

2.3 Brovey變換融合法

Brovey變換對(duì)于上述兩種方法而言，相對(duì)簡(jiǎn)單.此種融合方法的原理實(shí)際上是對(duì)RGB影像進(jìn)行多光譜波段的顏色歸一化處理，再將全色影像與多光譜影像的藍(lán)、綠、紅波段的比重分別相乘.公式為:

式中:Bi_new代表融合后的波段數(shù)值(i:1，2，3);Bi_m表示紅、綠、藍(lán)3個(gè)波段中的任意一個(gè);B_h代表全色影像;Br_m、Bb_m、Bg_m分別代表多光譜圖像中的紅、綠、藍(lán)波段.變換處理完成后，再反變換得到新圖像.

雙乙烯酮中控分析中樣品含高聚物較多，且聚合物的聚合度不同，水解性能差別也較大，在一定程度上影響了滴定分析的結(jié)果判定，所以雙乙烯酮的手工滴定分析方法存在一定的局限性，該方法所得雙乙烯酮的含量能準(zhǔn)確反映樣品的真實(shí)情況，但所得醋酐的含量因受方法的限制存在明顯偏差。所以，雙乙烯酮的中控分析中，若要準(zhǔn)確反映樣品中醋酐的含量，仍需結(jié)合色譜分析，為防止樣品中的固態(tài)物質(zhì)堵塞色譜柱，應(yīng)對(duì)樣品進(jìn)行必要的蒸餾預(yù)處理。

3 融合效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)

在選擇了一定的融合方法對(duì)影像進(jìn)行處理后，就需要對(duì)融合的效果進(jìn)行一個(gè)科學(xué)合理的評(píng)價(jià).而目前對(duì)多源遙感影像融合效果的評(píng)價(jià)還沒有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)，一般采用主觀定性評(píng)價(jià)和客觀定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法.

3.1 主觀定性評(píng)價(jià)

主觀定性評(píng)價(jià)就是從融合后圖像的清晰度、地物形狀和色調(diào)等方面對(duì)原始影像和融合后影像進(jìn)行主觀的分析比較，從而對(duì)融合效果有一個(gè)定性的判斷.

3.2 客觀定量評(píng)價(jià)

客觀定量評(píng)價(jià)則是以多種統(tǒng)計(jì)分析方法為基礎(chǔ)進(jìn)行的，常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括均值、偏差、標(biāo)準(zhǔn)偏方差等.

3.2.1 均值

均值是像素灰度的平均值，反應(yīng)了影像的平均亮度，如果處理后的圖像均值分布適中均已，則融合效果良好，公式為:

3.2.2 偏差

偏差是融合前、后影像灰度平均值之差.偏差的計(jì)算公式為:

偏差主要反映原多光譜圖像光譜特征和融合后影像變化的平均程度.差值越大，光譜畸變?cè)酱?

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)方差

方差反映了灰度相對(duì)于灰度均值的離散情況，方差越大，則灰度級(jí)分布越分散.此時(shí)圖像中所有灰度級(jí)出現(xiàn)的概率越趨于相等，從而包含的信息量越大.公式為:

4 融合結(jié)果分析

文章融合數(shù)據(jù)為貴陽市清鎮(zhèn)地區(qū)的QUICK BIRD全色圖像和QUICK BIRD多光譜圖像，采用融合的相關(guān)GIS軟件，按照上述三種方法進(jìn)行融合.圖1是QUICK BIRD多光譜原始圖像，圖2是全色波段數(shù)據(jù)，圖3、圖4、圖5分別為QUICK BIRD多光譜圖像與其全色波段經(jīng)過IHS變化、主成成分分析、Brovey變換融合處理后得到的圖像.

圖1 多光譜圖像

圖2 全色圖像

圖3 IHS變換融合

圖4 主成成分變換融合

圖5 Brovey變換融合

4.1 主觀定性分析

從影像的空間分辨率、清晰度來看，經(jīng)過融合處理后影像的空間分辨率、清晰度都較原始的QUICK BIRD多光譜影像有很大提高.現(xiàn)對(duì)三種融合方法評(píng)價(jià)如下:

(1)IHS變換融合后，從空間清晰度來看，影像變得更清晰，地物紋理特征也更清楚;而從光譜特征方面，經(jīng)過HIS處理后，圖像的色彩方面出現(xiàn)了明顯的變化，尤其是紅色調(diào)基本消失，如圖3所示.這就是由于，HIS的融合方法是直接用全色影像來代替明度分量，從而導(dǎo)致融合后光譜特征出現(xiàn)了一定的扭曲差異.

可見，IHS變換固然可以提高影像的紋理特征，增強(qiáng)光譜圖像的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)，但光譜信息有一定程度的損失.

(2)主成成分分析的影像，目標(biāo)地物的特征更加清晰，光譜信息更加豐富，如圖4所示.同時(shí)相較于HIS變化和Brovey而言，在光譜特征上基本上保持了，融合前影像的原色調(diào).但融合時(shí)較為突出第一主分量，使得融合后的地物邊界有點(diǎn)模糊.

(3)Brovey變換融合，從光譜特征看，經(jīng)過Brovey變換融合后，影像對(duì)應(yīng)部分的色彩同樣有一定的變化.從空間清晰度來看，該融合方法清晰度好，且融合的影像能表現(xiàn)一定的空間細(xì)節(jié)信息，但該算法造成光譜特征的退化.

4.2 客觀定量分析

為了客觀、定量地評(píng)價(jià)融合結(jié)果，分別計(jì)算了原始QUICK BIED多光譜影像和三種融合后影像在各個(gè)波段的均值、偏差、標(biāo)準(zhǔn)方差，計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 三種算法獲得融合影像與原始QUICK BIRD多光譜影像統(tǒng)計(jì)參數(shù)

首先從均值來看，三種融合算法中，IHS變換各波段的均值均低于其他兩種及原始圖像，所以融合后影像色調(diào)較暗，而主成成分分析均值較其他兩種融合方法最接近原始圖像，所以色調(diào)變亮.Brovey變換融合的影像的均值居于兩者之間.

從偏差來看，三種融合算法中，偏差最大的是IHS變換，其次為Brovey變換、主成成分分析.偏差可以反映融合影像相對(duì)于原始多光譜影像光譜畸變的大小，因此，IHS變換融合影像光譜畸變最大，其次分別為Brovey變換、主成成分分析變換.

從標(biāo)準(zhǔn)方差來看，標(biāo)準(zhǔn)方差越大，則包含的信息量越趨于最大.在三種融合方法中，IHS變換融合方差較小，其次是Brovey變換，而主成成分分析變換的標(biāo)準(zhǔn)方差相對(duì)較大.因此，主成成分分析包含的信息量豐富.

此外，在三種不同的融合方法中，IHS變換和Brovey變換只能同時(shí)對(duì)三個(gè)波段的多光譜影像進(jìn)行融合，而主成成分分析能實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)波段的影像融合.

5 結(jié)束語

綜上所述，采用一定的融合方法對(duì)QUICK BIRD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能得到既色彩豐富又地物紋理清晰的影像，又利于提高圖像預(yù)處理后的圖像解譯的精確度.此外，針對(duì)QUICK BIRD數(shù)據(jù)本身而言，通過一定的主觀定性分析和客觀定量分析，綜合考慮保留其光譜特性、信息量和清晰度，最佳的融合算法應(yīng)該是主成成分分析變換，依次是Brovey變換、IHS變換.

［1］ 楊肖琪，林嵩，等.高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的融合比較研究［J］.集美大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(4):26-31.

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