地面高光譜成像儀數(shù)據(jù)質(zhì)量研究
——以THEMIS-T-FPS2500為例

邢曉達(dá)，呂書強(qiáng)，尹琴麗

（1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044；2.北京建筑大學(xué)代表性建筑與古建筑數(shù)據(jù)庫教育部工程中心，北京 100044）

地面高光譜成像儀數(shù)據(jù)質(zhì)量研究
——以THEMIS-T-FPS2500為例

邢曉達(dá)1，2?，呂書強(qiáng)1，2，尹琴麗1，2

（1.北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 100044；
2.北京建筑大學(xué)代表性建筑與古建筑數(shù)據(jù)庫教育部工程中心，北京 100044）

通過對現(xiàn)有高光譜數(shù)據(jù)圖像質(zhì)量評價方法的研究，選取輻射精度、信息熵、信噪比、清晰度等圖像質(zhì)量評價指標(biāo)對THEMIS-T-FPS2500地面高光譜成像儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)質(zhì)量評價。結(jié)果表明，THEMIS-T-FPS2500地面高光譜成像儀數(shù)據(jù)256個波段中從第200波段開始，圖像的信噪比較低，圖像清晰度較差；第1個～10個波段的信噪比雖然較高，但圖像清晰度較差，剩余的190個波段的數(shù)據(jù)成像質(zhì)量較好，目標(biāo)物清晰，信息量豐富。

高光譜成像儀；圖像質(zhì)量評價；信噪比；清晰度；信息量

1 引 言

在現(xiàn)代遙感技術(shù)體系中，高光譜成像技術(shù)是自20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新的遙感技術(shù)，近年，美、德、法、澳、中等國家研制出了一系列高光譜成像儀。高光譜成像技術(shù)主要是針對景物中的每一個像元，用很窄的電磁波波段獲取相關(guān)的光譜信息［1］，其主要特點(diǎn)是傳感器提供地物完整且連續(xù)的光譜的同時，對每個波段又可以獲取反映地物空間分布和特點(diǎn)的圖像，即實(shí)現(xiàn)圖譜合一。其中，高光譜圖像質(zhì)量評價一直是傳感器研制和遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的橋梁，也是圖像處理過程不可缺少的一個關(guān)鍵步驟［2］。

國內(nèi)外許多學(xué)者針對影像數(shù)據(jù)質(zhì)量評價展開了很多研究，主觀質(zhì)量評價方面如利用專家打分的辦法進(jìn)行評價，也有用不同從參數(shù)形式來評價影像質(zhì)量的優(yōu)劣特性的指標(biāo)。張霞［3］等利用地面分解力、清晰度、信噪比、輻射精度等指標(biāo)比較了經(jīng)過處理后的中巴資源一號衛(wèi)星紅外多光譜掃描儀與TM影像的影像質(zhì)量；楊迪威［4］仔細(xì)分析了圖像質(zhì)量下降的原因，提出了幾種減參考圖像質(zhì)量評價方法，包括基于自然圖像的Roberts差分特性的減參考圖像質(zhì)量評價和小波域、重組策略的余弦變化域上的矩估計(jì)的減參考圖像質(zhì)量評價和基于DNT變換域的減參考圖像質(zhì)量評價方法；周雨霽［5］采用輻射精度、信息量等指標(biāo)評價了Hyperion圖像質(zhì)量并分析了Hyperion影像數(shù)據(jù)在行業(yè)間的應(yīng)用前景。ShaWang等［6］基于半破碎-自適應(yīng)水印技術(shù)對圖像進(jìn)行了客觀的評價。馬德敏［2］列舉了多光譜數(shù)據(jù)的質(zhì)量評價指標(biāo)，并針對高光譜數(shù)據(jù)對這些指標(biāo)進(jìn)行了分析和補(bǔ)充。然而，目前許多圖像質(zhì)量評價研究主要集中在航空、航天等傳感器的質(zhì)量評價方面，少有涉及地面高光譜傳感器的圖像質(zhì)量評價體系。地面高光譜成像儀數(shù)據(jù)以其較高的光譜分辨率以及工作環(huán)境的不可控制性，圖像使用前的圖像質(zhì)量評價顯得尤為重要。本文主要針對THEMIS系列地面高光譜成像儀數(shù)據(jù)，利用輻射精度、熵、信噪比、清晰度等幾種常見指標(biāo)，對該系列傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀評價，并集中研究不同地物在圖像上的表現(xiàn)能力，為以后此傳感器使用提出了建議和參考。研究結(jié)果對今后地面高光譜成像儀圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量評價具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 成像儀與數(shù)據(jù)獲取

2.1 THEMIS-T-FPS2500高光譜成像儀參數(shù)

THEMIS-T-FPS2500高光譜地面成像儀是一種采用先進(jìn)的高光譜成像技術(shù)的地面遙感器，由光源、鏡頭、成像儀、控制器以及高光譜數(shù)據(jù)采集軟件組成，它的核心是一臺帶有推掃式掃描器的成像光譜儀。地面高光譜成像儀以其較高的光譜分辨率和波段連續(xù)等特性獲取目標(biāo)地物的影像數(shù)據(jù)的同時也獲取了其光譜信息，并被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)識別、遙感信息提取以及遙感應(yīng)用等方面。其主要參數(shù)如表1所示。

? 收稿日期:2016—01—19

作者簡介:邢曉達(dá)（1989-），男，碩士研究生，研究方向:高光譜遙感。

基金項(xiàng)目：北京市青年拔尖人才項(xiàng)目（21147515209）

高光譜成像儀參數(shù) 表1

2.2 數(shù)據(jù)獲取

本文數(shù)據(jù)獲取主要利用上述THEMIS-T-FPS2500高光譜地面成像儀分別對一幅畫進(jìn)行多天拍攝，拍攝環(huán)境為接近暗室的環(huán)境，燈光采用儀器自帶鹵素?zé)?。?shù)據(jù)獲取流程如圖1所示:

圖1　高光譜成像儀數(shù)據(jù)采集示意

（1）連接儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集的準(zhǔn)備工作。

（2）調(diào)整儀器設(shè)備盡量保證數(shù)據(jù)采集工作為垂直拍攝，以減少由于入射光線角度問題帶來的誤差。

（3）采集顏料數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確控制采集數(shù)據(jù)的幅寬，防止目標(biāo)數(shù)據(jù)超出傳感器視場范圍。

（4）采集白板數(shù)據(jù)，白板應(yīng)盡量垂直鏡頭放置并盡量與采集數(shù)據(jù)放置位置相對應(yīng)，以減少由于位置因素帶來的誤差。

（5）采集暗電流數(shù)據(jù)。用鏡頭蓋將鏡頭遮住，關(guān)閉室內(nèi)所有的照明光源，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（6）數(shù)據(jù)采集主要通過多天在相同的暗室實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對同一幅畫的同一個部位進(jìn)行多次掃描，數(shù)據(jù)獲取情況如表2所示。

高光譜成像儀數(shù)據(jù)采集 表2

圖2　高光譜成像儀采集數(shù)據(jù)

3 影像數(shù)據(jù)質(zhì)量評價方法

3.1 影像數(shù)據(jù)質(zhì)量評價方法

對影像數(shù)據(jù)質(zhì)量的評價主要分為主觀和客觀兩種，主觀評價主要指通過人眼觀察或主觀的感受，在測試環(huán)境相同的條件下，按照規(guī)定的評分等級制度和妨礙尺度對影像的優(yōu)劣給出評價，最后對多組評價進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均得出最終的評價結(jié)果?？陀^評價體系主要是指利用多種物理指標(biāo)對圖像進(jìn)行質(zhì)量評價。主觀評價體系雖然簡單易行且有較大權(quán)威，但人眼由于生理?xiàng)l件限制，在觀察影像時對于馬赫帶效應(yīng)、對比度差異等現(xiàn)象往往不能完全客觀地理解圖像的質(zhì)量信息［5］，且傳感器的波段通道一共有256個，如果采用主觀的方法進(jìn)行評價，將會消耗大量的人力和時間，所以本文主要采用客觀的評價方法進(jìn)行評價。客觀評價方法是以圖像的物理特性為基礎(chǔ)，結(jié)果為特定指標(biāo)的定量評價，且更容易給出一個定量的圖像質(zhì)量評價方法，容易從物理特性上分析圖像的指標(biāo)，較易實(shí)現(xiàn)批處理。

3.2 影像數(shù)據(jù)客觀評價方法

本文涉及的數(shù)據(jù)主要是近紅外影像數(shù)據(jù)，選取反映影像數(shù)據(jù)輻射精度、信息豐富度、影像清晰度等幾個指標(biāo)，對采集的高光譜數(shù)據(jù)做出客觀而科學(xué)的評價。

（1）輻射精度方面

輻射精度主要反映影像數(shù)據(jù)的輻射狀態(tài)信息，主要包括均值、方差、偏斜度、陡度等幾個參數(shù)指標(biāo)，其具體計(jì)算公式如表3所示:

輻射精度指標(biāo)計(jì)算及意義 表3

（2）信息豐富度方面

信息豐富度主要涉及信息量大小，而信息量主要反映包含地物信息的詳細(xì)程度，一般用熵來表達(dá)，常用的熵有Shannon-wiener熵、條件熵、平方熵、立方熵等。Shannon信息熵應(yīng)用較為廣泛，它將遙感影像視為離散無記憶信源進(jìn)行計(jì)算的，即認(rèn)為每個點(diǎn)都是獨(dú)立存在的，可通過計(jì)算影像數(shù)據(jù)的Shannon熵來表達(dá)影像的信息量大小，其具體計(jì)算公式如下［3］:

其中i為可能的像素值；Pi為像素值為的像元出現(xiàn)的概率。

（3）信噪比

信噪比（SNR）是影像數(shù)據(jù)質(zhì)量評價重要的指標(biāo)之一，圖像信噪比反映圖像有用信息與噪聲的比值［7］。常用的計(jì)算方法有方差法、地學(xué)統(tǒng)計(jì)法、局部方差法、去相關(guān)法等。此處將圖像的噪聲假設(shè)為高斯噪聲，信噪比采用局部方差法，該方法雖受目標(biāo)物的影響較大，但基于其結(jié)果的對比研究能夠判斷遙感傳感器的信噪比水平［8］。該方法首先將圖像分割成若干個小區(qū)域，并認(rèn)為這些小區(qū)域內(nèi)的影像數(shù)據(jù)分布均勻，然后分別計(jì)算每個小區(qū)域的均值（M）和標(biāo)準(zhǔn)差（SD），從所有的小區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差中選擇局部方差最大值（SDmax），則信噪比計(jì)算公式為［7］:

（4）清晰度

清晰程度是圖像細(xì)節(jié)邊緣變化的敏銳程度，它反映圖像對微小細(xì)方差表達(dá)的能力。傳統(tǒng)的清晰度計(jì)算被認(rèn)為是對特定邊緣區(qū)域做的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。本文采用王鴻南等［9］提出一種改進(jìn)邊緣銳度算法的清晰度計(jì)算方法進(jìn)行評價。該方法對傳統(tǒng)方法的改進(jìn)主要體現(xiàn)在將對邊緣的梯度計(jì)算改進(jìn)為對圖像各個像元鄰域梯度進(jìn)行計(jì)算，為了體現(xiàn)像元具有各向異性的特點(diǎn)，對每個像元對象8鄰域像元進(jìn)行距離加權(quán)。其中0°和90°相鄰的像元權(quán)值為1，而45°和90°相鄰的像元權(quán)值為，并對計(jì)算結(jié)果按圖像大小進(jìn)行規(guī)格化，以便對圖像進(jìn)行對比。經(jīng)過以上改進(jìn)算法其最終的計(jì)算公式為［9］:

其中m，n為圖像的長和寬，df為灰度變化幅值，dx為像元間的距離增量。

根據(jù)以上定義影像數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)，利用IDL編寫了影像數(shù)據(jù)客觀評價程序，實(shí)現(xiàn)了上述指標(biāo)的自動化計(jì)算，利用IDL程序?qū)τ跋駭?shù)據(jù)的256個波段進(jìn)行了質(zhì)量評價，并對其數(shù)據(jù)質(zhì)量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價與結(jié)果分析

為了減少拍攝的環(huán)境因素或人為操作等原因?qū)е聢D像質(zhì)量的下降或者減弱，本文選擇了3天拍攝的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。輻射精度方面的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。從圖像均值看，多天數(shù)據(jù)均值呈現(xiàn)的趨勢基本一致，均值的數(shù)量級均在104大小范圍內(nèi)；從方差方面看，該傳感器就信息量來說主要的信息量主要集中在波段10～100這90個波段之間，前12個波段的信息量較小，而后100個波段不僅信息量較小而且有個別波段存在壞行的情況；偏斜度主要反映直方圖信息偏離平均值的水平，從圖3（c）可以看出前150個波段的直方圖分布較為均勻，從第151波段之后尤其在第200波段之后圖像的直方圖分布變化較大，可能是由于這些波段的噪聲較大，有用信息較少導(dǎo)致的；陡度反映的是直方圖分布情況，陡度分布規(guī)律與偏斜度的規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為從第151波段之后尤其在第200波段之后圖像的直方圖分布變化較大。

傳感器影像數(shù)據(jù)的信息豐富度隨波段的變化圖如圖4（a）所示，表現(xiàn)為前10個波段的信息量較小，而第11個～100個波段的信息量最大，從第101波段表現(xiàn)為信息量逐漸減小的趨勢。為此我們按照信息大小進(jìn)行分成5組，第1波段到第10波段為一組，第11波段到100波段為第二組，剩余的150個波段每隔50個波段分為一組，并分別統(tǒng)計(jì)每組的信息。各波段信噪比信息見圖4（b）所示，信噪比整體表現(xiàn)偏低水平，且有些波段波動較大，具體表現(xiàn)在前200個波段的信噪比較為穩(wěn)定，但也存在個別波段波動忽大忽小的現(xiàn)象，從第201波段之后信噪比表現(xiàn)為較高但信息量等較小。

圖3　高光譜成像儀數(shù)據(jù)輻射精度評價結(jié)果

圖4　高光譜成像儀數(shù)據(jù)信息熵和信噪比結(jié)果

目前，THEMIS-T-FPS2500高光譜地面成像儀采集數(shù)據(jù)多用于物質(zhì)識別或分類等問題，這就要求圖像的清晰度、信息量以及信噪比等指標(biāo)圖像數(shù)據(jù)分析應(yīng)用方面滿足行業(yè)內(nèi)應(yīng)用需求。為了解傳感器獲取影像數(shù)據(jù)的整體表現(xiàn)，按上述波段分組信息分別對各個評價指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。為方便比較各項(xiàng)指標(biāo)，將各項(xiàng)指標(biāo)的均值按組以各組的最大值為分母進(jìn)行了歸一化處理，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，方差、信噪比、熵等表現(xiàn)圖像信息量的指標(biāo)呈逐漸減小的趨勢。均值方面，前200個波段的均值較后56個波段的均值要大；方差則呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。陡度指標(biāo)中前10個波段的陡度較大，不能正確反映圖像穩(wěn)定信息，建議使用前10個波段的數(shù)據(jù)的時候，要謹(jǐn)慎選擇，或者建議在使用過程將前10個波段進(jìn)行剔除。從信噪比方面看，最后56個波段及第201波段至第256個波段的數(shù)據(jù)較前200個波段較小，所以建議在使用THEMIS-T-FPS2500高光譜地面成像儀采集數(shù)據(jù)用于分類或者識別的時候，要考慮通道信噪比差的波段，建議將最后56個波段的數(shù)據(jù)集進(jìn)行剔除，以免因?yàn)閿?shù)據(jù)質(zhì)量影響最終分類結(jié)果。熵即信息量方面也呈現(xiàn)逐級遞減的趨勢；圖像清晰度上前10個波段和最后56個波段較小，中間190個波段較為穩(wěn)定。根據(jù)劉艷芳等［13］的研究，分類的不確定性與空間過程和特性的準(zhǔn)確確定度有關(guān)，而熵可以綜合度量分類的隨機(jī)不確定性和模糊不確定性。所以，建議使用THEMIS-T-FPS2500高光譜地面成像儀采集數(shù)據(jù)用于分類時，采用信息量較大的波段，即中間190個波段之間的數(shù)據(jù)，其他波段數(shù)據(jù)可以進(jìn)行剔除，以避免分類精度的不確定性。

高光譜成像儀評價指標(biāo)表 表4

圖5　高光譜成像儀評價指標(biāo)歸一化柱狀圖

5 結(jié) 論

本文針對THEMIS-T-FPS2500地面高光譜成像儀拍攝的多時相數(shù)據(jù)，利用輻射精度、信噪比、清晰度、Shannon熵等常見的幾種圖像質(zhì)量評價指標(biāo)對該影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步的評價，得出以下結(jié)論:

（1）輻射精度方面，均值隨波段增長呈逐漸減小的趨勢，方差則前200個波段的方差較大，陡度則前10個波段的陡度較大，后156個波段的陡度則呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的現(xiàn)象。

（2）信噪比前200個波段的信噪比較大，最后56個波段的信噪比最低；信息量則呈現(xiàn)隨波段逐漸遞減的現(xiàn)象，清晰度中間190個波段的清晰度較好，前10個波段和后56個波段圖像清晰度較差。

（3）在使用此傳感器采集數(shù)據(jù)時，信噪比中前200個波段信噪比較好，但陡度前10個波段較大不易使用，且圖像清晰度較差。

由于高光譜地物成像儀在數(shù)據(jù)采集過程中受到燈光、拍攝環(huán)境、焦距及多種人為因素的影像數(shù)據(jù)，上述圖像質(zhì)量評價各指標(biāo)呈現(xiàn)的規(guī)律解釋還不夠充分。因此，圖像評價指標(biāo)變化規(guī)律的主要驅(qū)動因素是下一步的研究重點(diǎn)。

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Imager Quality Evaluation of the THEMIS-T-FPS2500 Hyperspectral Imaging Camera

Xing Xiaoda1，2，Lv Shuqiang1，2，Yin Qinli1，2
（1.School of Geomatics and Urban Information Beijing University of Civil Engineering andArchitecture，Beijing 100044，China； 2.Engineering Research Center of Representative Architecture and Ancient Building Database Beijing University of Civil Engineering andArchitecture，Beijing 100044，China）

Based on the research on existing hyperspectral image quality evaluation methods，several common image quality evaluation indicesincluding radiometric accuracy（mean，variance，partial slope and gradient），information entropy as well as signal-to-noise ratio（SNR）are selected to evaluate the data acquired by the ground-based hyperspectral imagerTHEMIS-T-FPS2500.By the research and experiments，several results and proposals are given in this paper.Firstly，the SNRs of the images between band 200 and band 256 are poor and these images have low clarity.Secondly，although the SNRs of images between band 1 and band 10 are higher，their clarities are yet poor.Therefore，it is recommended to pay attention to their accuracy and availability when they are to be used.Finally，the data qualities of the remaining 190 bands are very well according to the indices used in this paper.Owing to the characters of clear targets，rich information，and expressing ground features correctly，these bands can be used in researches reliably with the advantages of high spectral resolution.

hyperspectral imager；image quality evaluation；SNR；clarity；information content

1672-8262（2016）02-74-06中圖分類號：P234.4，TP731

A