基于HIS的遙感圖像融合處理與分析

摘要：隨著計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的發(fā)展，以及RS技術(shù)在地質(zhì)勘查領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，遙感圖像在地質(zhì)勘查中得到廣泛應(yīng)用。基于HIS變換進(jìn)行圖像融合處理，對(duì)青海沱沱河1∶50 000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目的TM、ETM+遙感圖像進(jìn)行解譯和分析，增強(qiáng)遙感圖像顯示效果并提高其所包含的信息量，為相關(guān)地質(zhì)工作者提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：HIS變換；遙感圖像；融合處理

DOIDOI：10.11907/rjdk.151545

中圖分類(lèi)號(hào)：TP317.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：16727800（2015）006018603

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局基金項(xiàng)目（[2011]030176（1212011140087））

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：張玲娟（1982-），女，陜西武功人，碩士，核工業(yè)二○三研究所網(wǎng)絡(luò)工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用、信息化。

1 遙感圖像概述

遙感圖像是遙感探測(cè)目標(biāo)的信息載體，可以綜合反映地理環(huán)境某一部分或某些地物的質(zhì)、量和動(dòng)態(tài)信息[1]。其中，高光譜遙感衛(wèi)星圖像以清晰度高、信息量豐富、準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]，為研究人員在環(huán)境惡劣、交通不便的沼澤地區(qū)、高海拔地區(qū)開(kāi)展地質(zhì)調(diào)查、勘探等工作提供了快速、可靠的數(shù)據(jù)源。

遙感圖像包括地物的光譜特征、空間幾何結(jié)構(gòu)、時(shí)間特征3個(gè)方面的信息。地物的光譜特征信息表征了遙感圖像的色調(diào)和色彩。空間幾何結(jié)構(gòu)信息量越豐富則表明圖像具備越高的幾何分辨率和越清晰的紋理細(xì)節(jié)。對(duì)于時(shí)間特征信息，在不同時(shí)相獲取的遙感圖像，其波譜特征和空間幾何結(jié)構(gòu)特征一般存在差異性。這3個(gè)方面特征的參數(shù)包括空間分辨率、光譜分辨率、輻射分辨率和時(shí)間分辨率。通過(guò)遙感技術(shù)能夠快速采集大范圍數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)地物變化、綜合反映地表信息，為地質(zhì)信息提取、分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)方法，投入費(fèi)用低，節(jié)約了成本，提高了效率，帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。遙感圖像的種類(lèi)較多，表1列出常用衛(wèi)星的圖像及其主要特性[3]。

目前，在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查、資源環(huán)境分析、災(zāi)害監(jiān)測(cè)等方面比較常用的遙感數(shù)據(jù)源有美國(guó)LANDSAT TM、ETM+衛(wèi)星圖像。

其中，TM有7個(gè)波段，包含低頻信息及特定光譜段的光譜信息，光譜分辨率高，價(jià)格比較便宜。一景TM圖像約代表地面185×185km2的范圍，TM的時(shí)間分辨率為16天，空間分辨率約30米（其中第6波段120m）。ETM+有8個(gè)波段數(shù)據(jù)，一景圖像面積和TM相同，ETM+遙感器搭載兩個(gè)不同分辨率的成像裝置，可以獲取多光譜波段及全色波段數(shù)據(jù)，其中第1～5、7波段分辨率為30m，第6波段分辨率60m，第8波段全色波段（PAN）的分辨率15m[4]。ETM+和TM的多光譜波段參數(shù)相同，在多光譜波段處理時(shí)可以相互參考和比較。TM/ETM+圖像主要參數(shù)及應(yīng)用如表2所示。

2 遙感圖像解譯處理方法

遙感圖像解譯處理是通過(guò)一系列的計(jì)算、轉(zhuǎn)換、融合和分類(lèi)等對(duì)遙感圖像進(jìn)行處理，以達(dá)到糾正圖像畸變，豐富圖像色調(diào)變化、增強(qiáng)圖像地物信息，提高圖像可視化效果和圖像解譯能力的一種圖像數(shù)字處理技術(shù)[3]。它通常在光譜信息增強(qiáng)和空間信息增強(qiáng)兩個(gè)方面對(duì)圖像進(jìn)行處理。對(duì)于地質(zhì)調(diào)查中采用的遙感圖像，處理時(shí)要盡量使原始圖像的光譜信息不損失。因此，選擇適當(dāng)?shù)膱D像處理方法，對(duì)遙感圖像進(jìn)行彩色合成、圖像增強(qiáng)、圖像校正、圖像融合、特征信息提取等操作，可提高遙感圖像的空間分辨率，增強(qiáng)目標(biāo)特征，修補(bǔ)有缺陷的圖像，從而達(dá)到更好地突出、識(shí)別目標(biāo)地物，加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)解譯的應(yīng)用效果[5]。

遙感圖像融合是通過(guò)復(fù)合多源遙感圖像數(shù)據(jù)，將同一地區(qū)的不同遙感圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)，并通過(guò)一定的算法結(jié)合各圖像數(shù)據(jù)中的優(yōu)勢(shì)信息后，得到一幅包含信息量更加豐富的新圖像[6]。融合可以消除多傳感器信息之間可能存在的不同的空間分辨率、波譜分辨率和時(shí)間分辨率等問(wèn)題，彌補(bǔ)單一遙感圖像信息的不足，綜合各遙感圖像的優(yōu)勢(shì)，降低不確定性和多義性。融合后的圖像信息更加清晰透明，提高了圖像的分辨率和光譜特性，可以對(duì)目標(biāo)地物進(jìn)行比較全面、清晰、準(zhǔn)確的表述[7]。進(jìn)行融合處理的各類(lèi)型遙感圖像需要具備以下條件：融合圖像的空間分辨率和光譜分辨率不同；融合的圖像屬于同一地區(qū)；圖像應(yīng)可以精確配準(zhǔn)；在不同時(shí)間獲取圖像內(nèi)容變化不大，若內(nèi)容變化較大，則用融合處理后的結(jié)果對(duì)觀測(cè)地區(qū)進(jìn)行更新。

在圖像處理中，存在RGB空間和HIS空間兩種彩色坐標(biāo)系統(tǒng)（或稱(chēng)彩色空間）[8，9]。RGB彩色系統(tǒng)采用紅（red）、綠（green）、藍(lán)（blue）三原色進(jìn)行描述的方案。通過(guò)對(duì)R、G、B三個(gè)分量的加運(yùn)算實(shí)現(xiàn)顏色綜合，適合于在工業(yè)領(lǐng)域或硬件設(shè)備中彩色圖像的顯示和存儲(chǔ)。HIS顏色系統(tǒng)采用亮度（intensity）、色調(diào)（hue）、飽和度（saturation）三個(gè)分量來(lái)進(jìn)行描述，它是一種基于人眼視覺(jué)對(duì)彩色感知特征的顏色模型[10]。可以通過(guò)對(duì)HIS空間中3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的分量I，H，S進(jìn)行控制來(lái)精確描述相應(yīng)的顏色特征。

在遙感圖像融合處理中，經(jīng)常使用HIS變換，即通過(guò)RGB空間到HIS空間的變換，實(shí)現(xiàn)在HIS空間復(fù)合不同分辨率的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)IHS變換后得到的圖像不僅具有較高的空間分辨率，而且保留較多的光譜信息特性，提高了圖像識(shí)別和解譯的精度。將顏色從RGB空間變換到HIS顏色空間的HIS變換如式（1）所示。

圖像融合的HIS變換基本原理是將圖像空間中3個(gè)分量用其它圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行替換。即將一幅彩色圖像的R、G、B成分分離成代表空間信息的I、H、S三個(gè)分量，通過(guò)調(diào)節(jié)分量I、H、S的值來(lái)獲取各種各樣的顯示效果[11]。彩色圖像的空間分辨率主要取決于I分量圖像的空間分辨率，在明度I分量、色別H分量和飽和度S分量3個(gè)分量中，人眼對(duì)明度I分量的分辨率更為敏感。因此，根據(jù)HIS變換的原理和人眼的視覺(jué)性，HIS變換對(duì)不同分辨率遙感圖像的融合效果較好。

3 遙感圖像HIS融合處理

本文在青海沱沱河1∶50 000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中使用TM、ETM+遙感圖像。由于項(xiàng)目工作區(qū)位于青藏高原烏蘭烏拉湖地區(qū)可可西里無(wú)人區(qū)，為了獲得更豐富的遙感信息，通過(guò)比較不同時(shí)相的信息差異，全面認(rèn)識(shí)地質(zhì)構(gòu)造，更好地遙感解譯地質(zhì)編圖。本次數(shù)據(jù)采集了兩個(gè)時(shí)相的收集處理，兩景數(shù)據(jù)的時(shí)相為：

本文采用的ETM+圖像數(shù)據(jù)包含在一景ETM+遙感圖（圖景號(hào)139-36）范圍內(nèi)，除少部分高山區(qū)有常年積雪覆蓋外，全區(qū)基本無(wú)云，清晰度較好，地質(zhì)構(gòu)造信息豐富，質(zhì)量比較高。TM、ETM+遙感圖像包含多光譜波段及全色波段數(shù)據(jù)，光譜信息十分豐富。其中，TM圖像為多通道圖像，信息量十分豐富，光譜分辨率相對(duì)較高但空間分辨率較低（TMl-5、7為30m，TM6為120m），而ETM+的8波段是全色單波段圖像，該圖像包含的地形地貌信息十分豐富。因此，將ETM+8全色圖像作為參考數(shù)據(jù)，將相同區(qū)域的多光譜圖像與之進(jìn)行匹配融合，使生成的遙感圖像達(dá)到工作要求。

通過(guò)HIS變換方法進(jìn)行遙感圖像融合處理，將TM圖像經(jīng)過(guò)HIS變換生成H、I、S三個(gè)分量，再用I分量與ETM+8圖像進(jìn)行配準(zhǔn)生成新的I'分量，再經(jīng)過(guò)HIS逆變換，就生成了融合的新圖像。HIS變換步驟如下：

第一步：對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正、圖像配準(zhǔn)等預(yù)處理；

第二步：對(duì)多光譜圖像應(yīng)用HIS變換，得到I、H、S三個(gè)分量；

第三步：將高分辨率全色圖像與多光譜圖像的I分量圖像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)等操作，生成新的亮度分量I'圖像；

第四步：將第三步新生成的分量I'與原H分量、S分量圖像進(jìn)行HIS逆變換，得到融合圖像，該圖像即為具有高空間分辨率和高光譜分辨率特征的彩色圖像?；贖IS變換的圖像融合流程如圖1所示。

通過(guò)HIS變換處理，融合后的圖像結(jié)合了二者的優(yōu)勢(shì)，既保留了TM圖像豐富的光譜信息，又具有ETM+（單色）圖像較高的空間分辨率。生成具有高空間分辨率的多波段融合圖像，在信息量和目視解譯效果方面都有很大的改善，可以準(zhǔn)確揭示多波段數(shù)據(jù)包含的各種地物信息。融合前后的參數(shù)信息及對(duì)比效果分別如圖2、圖3所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于HIS方法對(duì)項(xiàng)目工作區(qū)的原始遙感圖像進(jìn)行解譯處理，使生成的遙感圖像能夠突出顯示工作區(qū)不同巖性地層、蝕變巖及硅質(zhì)巖、淺色硅質(zhì)巖石、硅化及其它蝕變等信息。尤其在巖石裸露的基巖分布區(qū)和半裸露的基巖風(fēng)化區(qū)，可以較好地顯示不同巖石地層的分布，并經(jīng)過(guò)信息提取，為野外地質(zhì)工作者進(jìn)行項(xiàng)目地質(zhì)構(gòu)造分析、地層巖性解譯及蝕變帶分析提供了比較豐富的參考數(shù)據(jù)，對(duì)識(shí)別相關(guān)礦產(chǎn)信息和尋找各類(lèi)礦產(chǎn)具有重要價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鞠建華，李加洪，李志忠，等.國(guó)土資源遙感應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，2011.

[2] 伊丕源，趙英俊.基于衛(wèi)星遙感的三維景觀建模與優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用[J].遙感信息，2013，28（2）：4246.

[3] 梅安新，秦起明，劉慧平.遙感導(dǎo)論[M].北京：高等教育出版社，2001.

[4] 鄒循進(jìn).遙感數(shù)字影像處理在三維地形地貌可視化中的研究與應(yīng)用[D].貴陽(yáng)：貴州大學(xué)，2008.

[5] 戴文晗，魏清，戴磊.遙感技術(shù)在公路勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].地球信息科學(xué)，2001（3）：5053.

[6] JOHN R JENSEN.遙感數(shù)字影像處理導(dǎo)論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[7] 廖崇高，楊武年，濮國(guó)梁，等.不同融合方法在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，30（3）：294298.

[8] 孫家廣.計(jì)算機(jī)圖形學(xué)（第三版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[9] 章毓晉.圖象處理和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[10] 陳洋.掃描地形圖和遙感圖像中的目標(biāo)識(shí)別[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[11] 肖玉環(huán)，黃倫春，劉曉燕.基于HIS變換的多源遙感影像融合方法研究[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2010，7（2）： 248252.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）