超分辨率遙感圖像在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究*

王 歡，王建華

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

我國(guó)由于特殊的自然地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件已經(jīng)成為世界上水土流失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，水土流失嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn);水土流失會(huì)造成大量泥沙下泄，淤積嚴(yán)重影響水資源開發(fā)利用，加劇洪澇災(zāi)害，影響交通運(yùn)輸，面對(duì)水土流失的可怕影響，生態(tài)環(huán)境保護(hù)已經(jīng)刻不容緩．水土保持監(jiān)測(cè)［1］工作就顯得格外的迫切和重要．也正是因?yàn)槿绱?，?duì)水土保持監(jiān)測(cè)工作時(shí)的時(shí)效性有很高的要求，由于監(jiān)測(cè)工作繁瑣環(huán)境多樣，調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)嚴(yán)重滯后于水土流失的變化等原因，讓水土保持監(jiān)測(cè)工作很難及時(shí)得到準(zhǔn)確的資料，給水土保持工作增加了很大難度．只有在第一時(shí)間得到最準(zhǔn)確可靠的資料，水土保持工作才能真正意義的保護(hù)生態(tài)環(huán)境．

1 遙感技術(shù)及現(xiàn)有不足

目前，遙感技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通等各個(gè)領(lǐng)域，由于遙感技術(shù)技術(shù)具有獲取信息的速度快周期短，信息量大，條件限制少等特點(diǎn)，遙感技術(shù)也廣泛應(yīng)用與水土保持監(jiān)測(cè)工作［2-3］中．

遙感技術(shù)現(xiàn)有的不足:在遙感圖像獲取過(guò)程中有很多因素會(huì)導(dǎo)致圖像的質(zhì)量下降或退化，如傳感器的形狀和尺度，光學(xué)系統(tǒng)的像差、大氣擾動(dòng)、離焦、運(yùn)動(dòng)等．另外在成像、傳輸、存儲(chǔ)過(guò)程中，也會(huì)引入噪聲，這些都會(huì)造成圖像的模糊和變形，直接影響圖像的分辨率．

由于許多領(lǐng)域的實(shí)際需要，人們對(duì)圖像的質(zhì)量要求越來(lái)越高，超分辨率技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生．

2 超分辨率的基本概念、發(fā)展背景及應(yīng)用領(lǐng)域

2．1 超分辨率的基本概念

圖像超分辨率是指從一幅低質(zhì)量、低分辨率圖像或圖像序列中恢復(fù)得到高分辨率圖像．隨著多媒體通信和信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，人們也對(duì)圖像質(zhì)量不斷提出更高的要求，高分辨率圖像在一些計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法性能中能起到?jīng)Q定性的作用．但由于成像系統(tǒng)受本身的物理?xiàng)l件限制或者成本過(guò)高等原因獲得人們滿意的高分辨率圖像是難以實(shí)現(xiàn)的．求助于超分辨率算法就成為一個(gè)自然的選擇．超分辨率技術(shù)彌補(bǔ)了硬件方面的不足，從軟件角度出發(fā)，提高了圖像的分辨率，增強(qiáng)圖像的可用性．即便可以獲得更好的物理設(shè)備或儀器，超分辨率算法也會(huì)成為方便廉價(jià)的最佳替代選擇．

2．2 超分辨率技術(shù)的發(fā)展背景

超分辨率概念最早由光學(xué)領(lǐng)域提出，在該領(lǐng)域中，將試圖復(fù)原在衍射極限以外的數(shù)據(jù)的過(guò)程稱為超分辨率．在1955年的雷達(dá)文獻(xiàn)中，Toraldo di Francia首次使用“超分辨率”．

Tsai和 Huang［4］1984 年，首次提出由多幀低分辨率退化圖像進(jìn)行空間分辨率增強(qiáng)的概念Harris J L［5］和 Goodman J W［6］分別于 1964 年和1965年提出一種稱為Harris-Goodman頻譜外推的方法中最早提出復(fù)原這一概念，他們采用的是頻域方法，是由場(chǎng)景經(jīng)過(guò)平移的一組低分辨率圖像來(lái)重建一幅高分辨率圖像．隨后，許多人加入研究當(dāng)中，對(duì)頻域方法進(jìn)行改進(jìn)，以擴(kuò)大其算法的適用范圍，因其方法的自身局限，實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想．后有人提出空域超分辨率的重建方法，如:非均勻間隔樣本內(nèi)插、概率論方法、凸集投影方法和最大后驗(yàn)概率估計(jì)方法等．空域方法與頻域方法相比，有更多的靈活性和更廣的適用范圍，所以目前研究較多的是空域方法．

2．3 超分辨率技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

由于超分辨率技術(shù)在一定條件范圍內(nèi)，不受成像系統(tǒng)在分辨率的限制，有效提高被處理圖像的分辨率，因此在識(shí)別與定位、資源與環(huán)境的衛(wèi)星遙感、視頻增強(qiáng)與復(fù)原、醫(yī)學(xué)計(jì)算機(jī)層析成像、安全監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用．

3 遙感圖像超分辨率技術(shù)及在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3．1 遙感圖像超分辨率技術(shù)

現(xiàn)代遙感技術(shù)已實(shí)現(xiàn)對(duì)地的多平臺(tái)、多傳感器、多時(shí)相、多光譜以及全天候觀測(cè)，獲得大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)多數(shù)區(qū)域還可獲得一些重復(fù)的影像．但遙感技術(shù)現(xiàn)存在的不足，想得到理想中的高分辨率圖像還是難以實(shí)現(xiàn)的．如何提高遙感影像的分辨率成為新的攻關(guān)難題，采用基于信號(hào)處理的軟件方法就成為這一難題的有效解決途徑之一．其基本原理是應(yīng)用同一地區(qū)多幅重復(fù)觀測(cè)遙感影像之間進(jìn)行信息的互補(bǔ)，用超分辨率重建算法恢復(fù)高分辨率圖像．應(yīng)用在遙感圖像中的典型超分辨率重建算法有很多，如凸集投影法、迭代反投影法、最大后驗(yàn)概率法、非均勻空間距離內(nèi)插法等．

圖1和圖2為實(shí)驗(yàn)［7］同一地域多幅低分辨率遙感圖像通過(guò)非均勻空間距離內(nèi)插法得到的高分辨率圖像．

3．2 在水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3．2．1 應(yīng)用于黃土高原丘陵溝壑區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)中

水土保持是解決黃河泥沙、改善流域生態(tài)環(huán)境重要措施之一．黃土高原丘陵溝壑區(qū)則是黃河流域水土流失治理的重點(diǎn)區(qū)域．水土保持監(jiān)測(cè)是水土流失治理的一項(xiàng)準(zhǔn)備工作．梯田、果園、人工林草地和壩地等水土保持措施呈小片狀分布，由于受到分辨率的限制，不能有效提?。b感圖像超分辨率技術(shù)可以有效克服這點(diǎn)，因超分辨率技術(shù)可以通過(guò)一系列低分辨率的遙感圖像生成高分辨率的遙感圖像，這樣就為黃土高原丘陵溝壑區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)工作信息提取提供了可靠信息源．以往水土保持生態(tài)建設(shè)監(jiān)測(cè)工作調(diào)查速度慢，工期長(zhǎng)，精度低，其可復(fù)制性和變更性差，難以滿足要求．相信隨著超分辨率技術(shù)和遙感技術(shù)不斷發(fā)展完善，在水土保持監(jiān)測(cè)工作中會(huì)發(fā)揮更大的作用．

圖1 一組低分辨率圖像

圖2 通過(guò)非均勻空間距離內(nèi)插法得到的高分辨率圖像

3．2．2 應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中

建設(shè)項(xiàng)目的水土保持監(jiān)測(cè)中［8-9］，對(duì)遙感圖像分辨率的要求較高，但因?yàn)槌杀净蛘呶锢韮x器設(shè)備的分辨率限制，圖像的分辨率不能達(dá)到人們的要求．隨著超分辨率技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用的范圍也延伸到了遙感領(lǐng)域，通過(guò)超分辨率重建算法，可以有效提高低分辨率遙感圖像的分辨率，而且通過(guò)這種方式得到的高分辨率圖像信息源的成本低，方便，準(zhǔn)確．將超分辨率技術(shù)與遙感技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中能夠及時(shí)、精準(zhǔn)、客觀、周期性地獲取開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目地表擾動(dòng)、水土保持措施布局、水土流失面積分布等變化信息，綜合評(píng)價(jià)開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治情況，為開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)報(bào)告、建設(shè)期監(jiān)測(cè)報(bào)告和總監(jiān)測(cè)報(bào)告的數(shù)據(jù)提供了保障，是一種值得推廣的監(jiān)測(cè)方法．

3．2．3 應(yīng)用于預(yù)防采礦作業(yè)引起的地質(zhì)災(zāi)害中

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人類生產(chǎn)生活的需要，自然資源大量地從地下開采出來(lái)，雖然在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和改善人們物質(zhì)生活做出了巨大貢獻(xiàn)，但不科學(xué)合理的工程活動(dòng)也引發(fā)了很多礦區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境問(wèn)題，如何對(duì)礦區(qū)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確得監(jiān)測(cè)就成了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作中的重點(diǎn)，遙感技術(shù)對(duì)于解決這一問(wèn)題提供了有力的技術(shù)支撐，由于礦區(qū)道路、建筑、采礦點(diǎn)、設(shè)施、中轉(zhuǎn)場(chǎng)和固體廢棄物堆場(chǎng)等，分布不規(guī)則環(huán)境復(fù)雜，以及受成像系統(tǒng)分辨率的限制直接得到高分辨率的遙感影像困難很大，通過(guò)超分辨率技術(shù)在遙感圖像中的應(yīng)用，可以有效提高原有遙感圖像的分辨率，因此超分辨率遙感技術(shù)能夠快速、精準(zhǔn)地對(duì)礦區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)整頓礦山開發(fā)秩序，治理礦區(qū)泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境都具有重要意義．

4 遙感圖像超分辨率技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)中的總結(jié)和展望

遙感圖像超分辨率技術(shù)，可以改善由于圖像退化導(dǎo)致的空間分辨率下降;突破成像系統(tǒng)的限制;發(fā)掘現(xiàn)有遙感圖像數(shù)據(jù)潛能等優(yōu)勢(shì)．相信在超分辨率技術(shù)在不斷探索如何獲得準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)，圖像退化模型，降低計(jì)算的復(fù)雜度的過(guò)程中，超分辨率重建效果會(huì)來(lái)越好，越來(lái)越多優(yōu)越的超分辨率算法會(huì)用到遙感圖像的處理中，將高分辨率的遙感圖像應(yīng)用于水土保持監(jiān)測(cè)中，有望提取斑塊較小的水土保持措施信息源，為土壤侵蝕預(yù)測(cè)、水土保持效益分析與評(píng)價(jià)和水土保持規(guī)劃提供了高精度的數(shù)據(jù)支持．總之，超分辨率遙感圖像的進(jìn)一步深入研究必將使這一技術(shù)在水土保持監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮更大的潛能，應(yīng)用范圍更加廣闊，具有十分重要的意義．

［1］ 松良，吳興中．我國(guó)水土保持監(jiān)測(cè)工作的現(xiàn)狀及問(wèn)題［J］．水土保持通報(bào)，2009(2):25-29．

［2］ 趙幫元，李志華，郭玉濤，馬紅斌，張香娟．遙感在黃河流域水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．水土保持研究，2004(2):34-38．

［3］ 郭玉濤，張生德．遙感技術(shù)應(yīng)用于水土保持監(jiān)測(cè)［J］．中國(guó)水利，2004(7):45-49．

［4］ Tsai R Y，Huang T S．Multipleframe image restoration and registration［C］．Advances in Computer Vision and Image Processing．Greenwich，CT:JAI Press Ine，1984:317-339．

［5］ Harris J L．Diffranction and ResolvingPower［J］．J 0，S A ，1964，54(7):931-936．

［6］ Goodman J W．Introduction to Fourier Oitics［M］．McGraw-Hill，NewYork，1968．

［7］ 黃秋蘭．遙感圖像的超分辨率重建技術(shù)空域方法研究．北京:中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2008．

［8］ 權(quán)剛．新技術(shù)在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］．水土保持通報(bào)，2007(4):5-9．

［9］ 徐豐，曹宏，廖章志．遙感技術(shù)在開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用——以洪家渡水電站為例．中國(guó)水土保持，2008(3):29-33．