以水體為觀測(cè)目標(biāo)的Worldview-2融合方法評(píng)價(jià)

杜 泳,張霄宇,黃大松,江彬彬,陳建裕,鄧 涵,姚玲玲,楊頂田

（1.浙江大學(xué)地球科學(xué)系,浙江杭州310027；2.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012；3.中國科學(xué)院南海海洋研究所,熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510301）

以水體為觀測(cè)目標(biāo)的Worldview-2融合方法評(píng)價(jià)

杜 泳1,張霄宇1,黃大松1,江彬彬1,陳建裕2,鄧 涵1,姚玲玲1,楊頂田3

（1.浙江大學(xué)地球科學(xué)系,浙江杭州310027；2.國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012；3.中國科學(xué)院南海海洋研究所,熱帶海洋環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510301）

為了提高影像的分辨率、強(qiáng)化影像隱含的信息,在影像的預(yù)處理過程中往往需要將不同分辨率數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).以Worldview-2的3景遙感影像為數(shù)據(jù)源,錢塘江重點(diǎn)河段為研究對(duì)象,對(duì)以水體懸浮泥沙為主要觀測(cè)目標(biāo)的遙感影像開展融合方法的評(píng)價(jià),以及大面積水域?qū)τ跋袢诤戏椒ㄟx擇的影響機(jī)制的探討.結(jié)果表明,大面積水體的存在會(huì)影響到融合影像保留源圖像光譜信息的能力,影響了最佳融合方法的選擇,Gram-Schmidt是最合適本次研究3幅影像的融合方法.經(jīng)Gram-Schmidt融合后的影像能獲取到更加詳細(xì)的懸浮泥沙運(yùn)移信息.

Worldview-2影像；水體；融合方法；懸浮泥沙濃度

影像融合是指采用一定的數(shù)學(xué)方法將不同來源或同一來源不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)復(fù)合成一組多源遙感影像.融合方法多種多樣,比較經(jīng)典的有IHS變換［1-2］、Brovey變換［3-4］、Gram-Schmidt［5-6］、主成分變換（PCA）［7-8］、全景銳化（Pan sharpening）［9-10］、小波變換（Wavelet Fusion）［11-12］等.對(duì)融合效果的合理評(píng)判是找到最優(yōu)融合方法的關(guān)鍵［13］.

目前,有效監(jiān)控日益惡化的內(nèi)陸水體生態(tài)環(huán)境已成為研究熱點(diǎn).為了對(duì)水體信息進(jìn)行精細(xì)描述,需要進(jìn)行數(shù)據(jù)融合以獲得最佳的圖像效果.鑒此,本文以錢塘江水體中懸浮泥沙遙感反演為應(yīng)用目的,對(duì)錢塘江干流重點(diǎn)河段的3幅Worldview-2影像開展了以下研究：1）分別采用Pan sharpening、Gram-Schmidt、PCA和Wavelet Fusion這4種方法對(duì)3景影像進(jìn)行融合；2）對(duì)不同融合方法下影像的融合效果進(jìn)行主客觀方法評(píng)價(jià),重點(diǎn)探討水體信息的提高程度,從而獲得以水體為主要研究對(duì)象下的最佳融合方法,以及大面積水體存在時(shí)對(duì)最優(yōu)融合方法選擇的可能影響；3）應(yīng)用融合后的影像進(jìn)行錢塘江大缺口灣段水體中懸浮泥沙含量的高分辨率遙感反演.

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 Worldview-2影像

Worldview-2衛(wèi)星是Digital Globe公司在2009年10月發(fā)射的第3代高分辨率商業(yè)衛(wèi)星,能夠提供給用戶1個(gè)0.5 m空間分辨率（spatial resolution,SR）全色波段和8個(gè)1.8 m空間分辨率的多光譜波段數(shù)據(jù).具體技術(shù)參數(shù)見表1所示.其中, λ為波長(zhǎng).

表1 Worldview-2影像各波段參數(shù)Tab.1 Band parameters of Worldview-2 image

本次研究采用的3幅影像分別為：影像1∶052976819010-01-P001（2012.11.11,11∶04∶51）；影像2∶052976819010-01-P002（2012.11.11,11∶04∶13）；影像3∶052976819010-01-P003（2012.3.25,11∶18∶27）.3幅影像的經(jīng)緯度范圍為：30° 21′06.12″～30°24′77″N,120°24′40.75″～120°44′46.55″E,主要包括錢塘江的老鹽倉彎道、鹽官江道和大缺口灣（如圖1所示）.該河段漲、落潮流路分歧,水體容量大、潮汐動(dòng)力強(qiáng),稀釋凈化能力強(qiáng),是錢塘江主要的排污受納水域.采用高分辨率的遙感影像進(jìn)行懸浮泥沙運(yùn)移監(jiān)控,可獲得污染物遷移、河漫灘演變等信息,對(duì)于生態(tài)環(huán)境以及航道安全等管理具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義.

圖1 研究區(qū)域的影像Fig.1 Image of study area

由于遙感圖像中不同的波段反映不一樣的地物特征,因此不同波段組合反映地面信息的能力也是有差異的［14-15］.本次研究采用最佳指數(shù)因子（OIF）［16］進(jìn)行波段組合,其原理為波段間相關(guān)性越小,波段的標(biāo)準(zhǔn)差越大,波段組合的信息量就越大.如式（1）所示：

式中：Si為第i波段的標(biāo)準(zhǔn)差,Rij為i和j兩波段的相關(guān)系數(shù).OIF越大,表示該組合波段的影像信息越豐富.

表2 最佳指數(shù)因子計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of optimum index factor

計(jì)算結(jié)果（如表2所示）表明,波段組合Band458的OIF值最大,其次是波段組合Band348和Band148.鑒于第8波段完全超出了全色波段的波長(zhǎng)區(qū)間（450～800 nm）,本研究借鑒Aniruddha Ghosh［17］的研究成果,以及懸浮泥沙敏感波段［18-19］,排除第8波段的波段組合,最后選擇Band147作為最佳組合波段.

1.2 融合方法

為了得到更加精細(xì)的水體信息,本研究采用Pan sharpening、Gram-Schmidt、PCA和Wavelet Fusion 4種方法對(duì)錢塘江的3幅Worldview-2數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合.融合方法簡(jiǎn)介［20］如表3所示.

表3 4種融合方法簡(jiǎn)介Tab.3 Introduction to four types of fusion method

2 影像融合效果

對(duì)3景Worldview-2的融合結(jié)果見圖2、3和4.

圖2 影像1的4種融合效果Fig.2 Fusion effects of Image 1

圖3 影像2的4種融合效果Fig.3 Fusion effects of Image 2

2.1 主觀融合效果評(píng)價(jià)

主觀融合評(píng)價(jià)結(jié)果表明,3景影像在經(jīng)過Pan sharpening方法融合后,圖像的空間分辨率明顯提高,但是整體亮度下降了.經(jīng)Pan sharpening融合后的水體幾乎呈黑色,懸浮泥沙信息被完全掩蓋,Pan sharpening雖然被廣泛采用,但顯然不適用于本次研究.影像2經(jīng)PCA融合后,明顯存在清晰度下降,水體中懸浮泥沙紋理等精細(xì)信息丟失,因此直接判定PCA為影像2的非理想融合方法.

圖4 影像3的4種融合效果Fig.4 Fusion effects of Image 3

將影像放大數(shù)倍后對(duì)典型地物進(jìn)行目視判定來評(píng)價(jià)Gram-Schmidt、Wavelet Fusion和PCA中哪種方法更優(yōu)秀.其中影像2只對(duì)Gram-Schmidt和Wavelet Fusion這2種方法進(jìn)行主觀評(píng)價(jià),具體見圖5、6和7.結(jié)果表明：影像1和3經(jīng)過Gram-Schmidt和PCA融合后植被顏色鮮紅且水體均比較明亮,優(yōu)于Wavelet Fusion融合方法,并且Wavelet Fusion融合影像中河流顏色更偏暗,泥沙信息遠(yuǎn)不及Gram-Schmidt和PCA的清晰,由此肯定Gram-Schmidt和PCA較Wavelet Fusion優(yōu)秀.由于Gram-Schmidt融合后的道路的亮度更強(qiáng),道路上的行車線更清楚,因此主觀融合效果評(píng)定結(jié)果表明：對(duì)3幅影像來說,在4種融合方法中,Gram-Schmidt為最優(yōu)融合方法.

圖5 影像1的3種融合方法對(duì)比Fig.5 Comparison of 3 kinds of fusion method of Image 1

圖6 影像2的2種融合方法對(duì)比Fig.6 Comparison of 2 kinds of fusion method of Image 2

圖7 影像3的3種融合方法對(duì)比Fig.7 Comparison of 3 kinds of fusion method of Image 3

2.2 客觀融合效果評(píng)價(jià)

2.2.1 客觀融合效果評(píng)價(jià)指標(biāo) 客觀融合效果評(píng)價(jià)指標(biāo)很多,本研究主要采用的指標(biāo)［21］如表4所示.假設(shè)原始圖像為I,融合后圖像為F,則原始圖像和融合后圖像函數(shù)分別為I（x,y）,F（x,y）.M和N分別為圖像的行數(shù)和列數(shù),則圖像的大小為M× N,i＝1,2,…M；j＝1,2,…,N.n為圖像的總的灰度級(jí),pi為原始圖像的灰度值,qi則為融合后圖像的灰度值.VI和VF分別為原始圖像和融合后圖像的均值.

2.2.2 客觀融合效果評(píng)價(jià)結(jié)果 3景影像的客觀融合效果評(píng)價(jià)結(jié)果分別表5所示.

表4 客觀融合效果評(píng)定指標(biāo)簡(jiǎn)介Tab.4 Introduction to evaluation index of objective fusion performance

整幅影像的評(píng)價(jià)結(jié)果表明：1）經(jīng)過Pan sharpening融合后的影像的圖像均值、標(biāo)準(zhǔn)差和平均梯度相比原始多光譜影像和全色圖像都大大減小了,從而造成影像昏暗、不清晰、猶如被蒙上一層霧的目視效果,與主觀評(píng)價(jià)結(jié)果一致,Pan sharpening為最不理想的融合方法.2）3幅影像均有各自的最優(yōu)融合方法.影像1的理想融合方法是Wavelet Fusion,其次是Gram-Schmidt；影像2的理想融合方法有2種：Wavelet Fusion和Gram-Schmidt；而影像3的理想融合方法是Gram-Schmidt.

表5 客觀評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.5 Results of objective evaluation

本次研究把錢塘江從影像中裁剪出來以觀測(cè)水體的融合效果,結(jié)果表明：1）影像1、2中的水體經(jīng)Pan sharpening融合后,其圖像均值和標(biāo)準(zhǔn)差都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始多光譜影像和全色影像,偏離了實(shí)際,加上平均梯度大幅度減小導(dǎo)致水體一片漆黑,從而掩蓋了影像信息；對(duì)于影像3,其水體經(jīng)Pan sharpening融合后,均值、標(biāo)準(zhǔn)差與平均梯度均比原始多光譜影像和全色影像減小了,因而圖像比較昏暗,只勉強(qiáng)能觀察到水體信息.2）影像1的水體經(jīng)Gram-Schmidt融合后其信息熵和相關(guān)系數(shù)是最大的且交叉熵是最小的,所以毫無疑問成為理想的融合方法；影像2的水體經(jīng)Gram-Schmidt融合后,雖然其均值、標(biāo)準(zhǔn)差和信息熵不是最大的,但平均梯度和相關(guān)系數(shù)是最大的且交叉熵是最小的,因此綜合評(píng)比后為適合影像2中水體的融合方法；3）影像3中的水體經(jīng)Gram-Schmidt融合后效果略差于Wavelet Fusion.

綜合主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果,最合適的本研究3幅影像的融合方法是Gram-Schmidt.

2.2.3 融合效果影響機(jī)制 將本次研究與國內(nèi)外同類研究的比較后發(fā)現(xiàn),同樣采用Worldview-2數(shù)據(jù),由于研究區(qū)域的不同,適合的融合方法也不一樣,如表6所示.總的來說,在有大范圍水體面積的研究區(qū)內(nèi),Gram-Schmidt是比較優(yōu)秀的融合方法；而在礦區(qū)、城市等陸域研究區(qū)域,Pan sharpening是比較優(yōu)秀的融合方法（如黃海［22］等）.

表6 國內(nèi)外有關(guān)Worldview-2融合方法的研究對(duì)比Tab.6 Comparison of fusion methods adopted for Worldview-2 from studies of domestic and abroad___________

為了進(jìn)一步探究地物分布特征對(duì)影像融合效果的可能影響,本次研究對(duì)整幅影像、水體影像和扣除水體后的影像在采用Pan sharpening和Gram-Schmidt融合后的效果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示：1）3幅影像經(jīng)Pan sharpening融合后,整幅影像和扣除水體后的影像的圖像均值等指標(biāo)都偏離原始影像的實(shí)際,但與原始影像仍然保持相當(dāng)高的相關(guān)性.而對(duì)于水體來說,不僅圖像均值等指標(biāo)偏離了實(shí)際,其相關(guān)系數(shù)在3幅影像中均是最小的.2）影像經(jīng)Gram-Schmidt融合后,雖然也影響了其相關(guān)系數(shù),但是由于它具備較好的保持空間紋理信息的能力,很好地保留了原始影像的光譜信息.因此,對(duì)于有大面積水域的遙感影像來說Gram-Schmidt是理想的融合方法.

由此可見,相關(guān)系數(shù)代表了融合后圖像保留源圖像的光譜信息程度,而融合過程中由于大面積水域的存在,造成局部區(qū)域紋理特征上相對(duì)單調(diào),保留源圖像光譜信息的能力是影響融合效果的重要因素.因此,影像中大面積水體的存在應(yīng)該是選擇最佳融合方法時(shí)需要考慮的一個(gè)因素.

3 應(yīng) 用

本次研究采用融合前后影像3來反演錢塘江大缺口灣段水體中懸浮泥沙含量,不僅獲得了高分辨率懸浮泥沙分布信息,同時(shí)也可對(duì)融合前后影像的具體應(yīng)用質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比.影像質(zhì)量好,無云層覆蓋,因此,本研究在ENVI環(huán)境下,基于快速大氣校正（quick atmospheric correction,QUAC）模塊自動(dòng)收集融合后影像的象元信息,獲取經(jīng)驗(yàn)值完成大氣校正,得到真實(shí)地物反射率數(shù)據(jù).懸浮泥沙反演采用改進(jìn)型Tassan模型［27］,適用于研究區(qū)域內(nèi)二類水體,具體如式（2）：

式中：ρTSM為水體懸浮泥沙濃度,單位為mg／L；Rrs為遙感反射率,單位為sr－1；λband3、λband4、λband5為Worldview-2的波段,單位為nm.

如圖8所示,融合后影像提供了更加詳細(xì)的懸浮泥沙信息.不僅懸浮泥沙的地面分辨率得到了極大的提高,層次感也更加清晰,尤其是高值區(qū)和低值區(qū)的細(xì)節(jié)信息更加豐富,可以更好地觀測(cè)到該河段懸浮泥沙的遷移路徑和分布擴(kuò)散信息.由此可見,采用融合影像進(jìn)行水體中懸浮泥沙濃度反演具有很好的顯示效果.

圖8 影像3的懸浮泥沙濃度Fig.8 Suspended sediment concentration of Image 3

4 結(jié) 論

目前針對(duì)Worldview-2全色和多光譜影像融合的研究很少,而地物分布特點(diǎn)對(duì)融合效果的可能影響尚未有相關(guān)結(jié)論.因此,本研究嘗試采用含有大面積水體的Worldview-2遙感影像,以Band147作為最佳波段組合,對(duì)經(jīng)Pan sharpening、Gram-Schmidt、Wavelet Fusion和PCA 4種融合方法后的圖像融合效果進(jìn)行主客觀評(píng)價(jià),得到以下初步結(jié)論：

（1）主客觀評(píng)價(jià)綜合結(jié)果表明Gram-Schmidt是最合適本研究3幅影像的融合方法.

（2）根據(jù)對(duì)本次研究3幅影像融合方法評(píng)價(jià)結(jié)果,結(jié)合同類研究成果,認(rèn)為Gram-Schmidt非常適用應(yīng)用于存在有大范圍水體的遙感影像,而在以礦區(qū)、城市等陸域地物目標(biāo)為主的遙感影像中非常理想的Pan sharpening融合方法,在本次研究中表現(xiàn)不佳.因此,在實(shí)際應(yīng)用中,大面積水域等特征地物的分布可以用于最優(yōu)融合方法的初步選擇.

（3）對(duì)融合效果影響機(jī)制的研究表明,大面積水體的存在會(huì)造成圖像均值、標(biāo)準(zhǔn)差等指標(biāo)偏離原始影像的實(shí)際,而最為關(guān)鍵的是,由于水體所含光學(xué)信息遠(yuǎn)不及陸域地物豐富,紋理特征相對(duì)單調(diào),因此融合方法保留源圖像光譜信息的能力,尤其是保持空間紋理信息的能力是評(píng)價(jià)其優(yōu)越性的一個(gè)重要指標(biāo),在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)予以考慮.

（4）經(jīng)Gram-Schmidt融合后的影像所反演的懸浮泥沙信息由于具備較好的保持空間紋理信息的能力而使泥沙運(yùn)移信息更加細(xì)膩,層次感也更加清晰.

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Evaluation of fusion methods for Worldview-2 aiming to water body observation

DU Yong1,ZHANG Xiao-yu1,HUANG Da-song1,JIANG Bin-bin1, CHEN Jian-yu2,DENG Han1,YAO Ling-ling1,YANGDing-tian3
（1.Department of Earth Science,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China；2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics,Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration, Hangzhou 310012,China；3.State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301）

The remote sensing data with different spatial resolutions were fused to construct images.In this study,three Worldview－2 images were used to investigate the concentration of suspended sediment in segments of Qiantang River.The fused effects were assessed and impacts from large area of water were analyzed.The results indicate that the large area of water affects the ability of fused image including the spectral information of original image.The size of water area in the remote sensing image is an important factor for selecting optimal fusing method.Gram-Schmidt is the ideal fusing method in this study.The detailed information of suspended sediment transport is constructed using the fused image.

Worldview-2 images；water body；fusing methods；suspended sediment concentration

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.026

P 237

A

1008-973X（2015）05-0993-08

2013-12-17. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（40706057,41376184）；浙江大學(xué)海洋學(xué)科交叉研究引導(dǎo)基金資助項(xiàng)目（2012HY006A）；浙江省環(huán)?？萍加?jì)劃資助項(xiàng)目（2013A021）；浙江省教育廳資助項(xiàng)目（Y201430393）；國家自然科學(xué)海峽兩岸聯(lián)合基金（U1405234）.

杜泳（1990－）,女,博士生,主要從事水環(huán)境生態(tài)遙感研究.E-mail：duyongstu＠163.com

張霄宇,女,副教授.E-mail：zhang_xiaoyu＠zju.edu.cn