基于規(guī)則庫的高分辨率遙感影像質(zhì)量評價

李昊霖，李宏超，李 沖，朱桂海，黃瑞金

（1.國家測繪地理信息局 四川測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，四川 成都 610041；2. 鄭州測繪學(xué)校，河南 鄭州 450015；3. 四川省遙感信息測繪院，四川 成都 610100）

基于規(guī)則庫的高分辨率遙感影像質(zhì)量評價

李昊霖1，李宏超2，李 沖1，朱桂海3，黃瑞金1

（1.國家測繪地理信息局 四川測繪產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站，四川 成都 610041；2. 鄭州測繪學(xué)校，河南 鄭州 450015；3. 四川省遙感信息測繪院，四川 成都 610100）

針對高分辨率遙感影像質(zhì)量評價缺少客觀、全面、定量方法的問題，提出了一種基于規(guī)則庫的高分辨率遙感影像質(zhì)量評價方法，構(gòu)建了灰度統(tǒng)計特征、紋理特征、影像清晰程度等3個指標(biāo)項及綜合質(zhì)量評價模型，并采用12景高分辨率遙感影像進行了實驗驗證。結(jié)果表明，該方法可準(zhǔn)確評價高分辨率遙感影像的質(zhì)量，實現(xiàn)了高分辨率遙感影像質(zhì)量評價的主客觀一致性。

高分辨率；影像質(zhì)量評價；規(guī)則庫；紋理特征；灰度統(tǒng)計特征

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，高分辨率遙感影像已成為當(dāng)前地理空間信息服務(wù)和應(yīng)用的重要數(shù)據(jù)來源[1]，用戶對影像質(zhì)量的要求也在不斷提高。然而，目前影像質(zhì)量評價方法要么操作起來較復(fù)雜、耗時多、費用高，不適于海量數(shù)據(jù)的評價，要么僅能片面地反映影像的質(zhì)量[2-4]。本文針對目前高分辨率遙感影像質(zhì)量沒有合適評價方法的問題，提出一種定量、客觀的影像質(zhì)量評定方法——基于規(guī)則庫的高分辨率影像質(zhì)量評價。

1 基于規(guī)則庫的評價模型的建立

為了對高分辨遙感影像進行質(zhì)量評價，構(gòu)建了一個影像質(zhì)量評價模型[5,6]，該模型為：

M = （D，I，R，W，E，S） (1)式中，D為需要進行質(zhì)量評價的影像集；I為影像集的評價指標(biāo)，如紋理缺失、灰度分布不均等；R為與質(zhì)量評價指標(biāo)相對應(yīng)的規(guī)則；W為賦予規(guī)則R的權(quán)值，描述了此規(guī)則在所有規(guī)則中所占的比重；E為對規(guī)則R給出的期望值，是在影像質(zhì)量評價之前針對規(guī)則給出的期望得到的結(jié)果；S為規(guī)則的評價結(jié)果[7]。

在此質(zhì)量評價模型中，一個影像集可包含多個評價指標(biāo)，一個評價指標(biāo)對應(yīng)多個規(guī)則，如圖1所示。

圖1 影像質(zhì)量評價模型

從圖1可以看出，影像質(zhì)量的評價是基于規(guī)則的定義，規(guī)則庫是所有最小、最基本單位的規(guī)則集合，隨時間增長而不斷完善。同時規(guī)則亦是一個指標(biāo)的評價單元，因此它有2個屬性：權(quán)重和期望值，都是根據(jù)歷史經(jīng)驗或標(biāo)準(zhǔn)給出[7]。根據(jù)遙感影像質(zhì)量評價指標(biāo)，可把高分辨率遙感影像質(zhì)量評價模型實例化為圖2，規(guī)則庫中各規(guī)則的具體含義如表1所示。

圖2 影像質(zhì)量評價規(guī)則庫

利用影像質(zhì)量評價規(guī)則庫，即可判斷一景影像的質(zhì)量。假設(shè)某個影像數(shù)據(jù)集D對應(yīng)規(guī)則庫R（R1，R2，…，Rn），依據(jù)歷史經(jīng)驗賦予R中規(guī)則的Ri權(quán)值為Wi，期望值為Ei，則針對某一景影像j，可根據(jù)式（3）計算出規(guī)則Ri的評價結(jié)果Sij，影像指標(biāo)項及綜合質(zhì)量Qj可由式（4）計算。

式中，i為規(guī)則序號；j為待評價影像序號；m為總影像數(shù)；n為規(guī)則庫中總規(guī)則數(shù)；Cij為第j張影像根據(jù)規(guī)則項i的算法直接計算得到的結(jié)果；Tij為臨時值。

表1 規(guī)則庫中各規(guī)則含義

規(guī)則庫中部分規(guī)則的計算方法如下：

1）信息容量，是基于二維直方圖定義的。二維直方圖的定義為對影像f（x，y） 統(tǒng)計頻數(shù){Num(G1，G2)}，即某像素灰度為G1而其右鄰像素灰度為G2的像素的個數(shù)，并由此作出直方圖[8]。信息容量可用式（5）計算。

式中，Normlog（G1，G2）為對數(shù)峰值歸一化直方圖；max{Num（G1，G2）}為二維直方圖的頻數(shù)峰值；ω為累加約束域，是直方圖定義域內(nèi)的測度，應(yīng)取足夠大的區(qū)域，且在此區(qū)域中直方圖的相關(guān)性最大，使信息容量具有宏觀統(tǒng)計意義和真正的信息意義。

2）影像細節(jié)能量。細節(jié)能量ME是對影像中所有（2M+1）×（2M+1）區(qū)域的方差總和的平均值，能夠反映影像細節(jié)的豐富程度[9]，計算公式為[10]：

式中，σf2（x，y）是（2M+1）×（2M+1）區(qū)域的方差，計算公式為：

3）影像邊緣能量。邊緣是影像的高頻信息，但不同于噪聲信號，它是有方向性的，可通過各向異性的濾波器來提取?？捎?5°、135°兩個歸一化邊緣算子E1、E2分別對影像進行卷積計算消除方塊效應(yīng)，相加后得到影像的邊緣e（x，y）如式（9）所示[10]。

而邊緣能量可用式（10）計算：

4）功率譜。若影像f（x，y） 的傅里葉變換為F（u，v），則影像的功率譜的計算公式為[11]：

式中，F(xiàn)（u，v）*為復(fù)共軛，功率譜的大小反映影像各個空間頻率分量的強度。

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 影像選取

為了驗證本文所述高分辨率遙感影像的質(zhì)量評價方法的有效性、可靠性和通用性，選取了國內(nèi)高分一號、資源三號、資源一號02C三顆高分辨率遙感衛(wèi)星12景不同質(zhì)量的影像為實驗對象，進行影像質(zhì)量評價實驗，實驗所用影像見圖3。

圖3 多源高分辨率遙感衛(wèi)星影像

2.2 影像質(zhì)量評價實驗與結(jié)果分析

針對選取的12景實驗影像，分別計算了其灰度統(tǒng)計特征、紋理特征、影像清晰程度3項指標(biāo)，表2～4是各項規(guī)則根據(jù)其算法直接計算得到的結(jié)果。

表2 影像灰度統(tǒng)計特征質(zhì)量評價結(jié)果

表3 影像紋理特征質(zhì)量評價結(jié)果

表4 影像清晰程度質(zhì)量評價結(jié)果

用式（2）～（4）把表2～4中各規(guī)則項的計算結(jié)果進行匯總，進而可得到各指標(biāo)項值及綜合質(zhì)量評價結(jié)果，如表5所示。

表5 各指標(biāo)項值及綜合質(zhì)量評價結(jié)果

從表5中可以明顯看出，12景影像綜合質(zhì)量評價結(jié)果從好到差依次為：ZY03-1、GF01-3、GF01-1、ZY03-4、GF01-2、ZY02C-2、ZY03-2、ZY03-3、ZY02C-3、ZY02C-5、ZY02C-4和ZY02C-1。結(jié)合圖1的影像瀏覽圖可知，這12景影像的客觀評價結(jié)果與主觀評價結(jié)果是一致的，證明了本文所提方法的有效性和可靠性，且支持多源高分辨率影像的質(zhì)量評價?；叶冉y(tǒng)計特征指標(biāo)項的結(jié)果表明ZY02C-1、ZY02C-4灰度分布情況較差，其他各景的灰度統(tǒng)計值類似，符合客觀事實；對于紋理特征指標(biāo)項，則是ZY03-1最好、GF01-3次之、ZY02C-1最差，評價結(jié)果和影像的紋理特征是吻合的；對于影像清晰程度指標(biāo)項，也是ZY03-1最好、GF01-3次之、ZY02C-1最差，該項評價結(jié)果亦符合客觀事實。

3 結(jié) 語

本研究以高分一號、資源三號、資源一號02C衛(wèi)星的12景影像為實驗對象，對其灰度統(tǒng)計特征、紋理特征、影像清晰程度3個指標(biāo)項以及綜合質(zhì)量進行了評價實驗與結(jié)果分析，結(jié)論如下：

1）利用本文所提方法得出的綜合質(zhì)量評價結(jié)果，與主觀評價結(jié)果一致，且能客觀、定量地評價影像質(zhì)量。因此，基于規(guī)則庫的高分辨率遙感影像質(zhì)量評價方法是可以引入到高分辨遙感影像質(zhì)量評價中去的。

2）本文構(gòu)建的指標(biāo)項，能夠準(zhǔn)確、可靠地從紋理豐富程度、影像清晰程度和灰度分布情況3個不同方面反映影像的質(zhì)量。

3）基于規(guī)則庫的高分辨率遙感影像質(zhì)量評價方法，還適用于空間分辨率接近的多源高分辨遙感影像質(zhì)量評價。

雖然本文較好地解決了高分辨率遙感影像質(zhì)量評價的問題，但仍有需要提高和完善的研究工作，包括：

1）未建立高分率遙感影像質(zhì)量等級模型，如建立能夠測定影像的質(zhì)量等級，便于直觀反映影像的質(zhì)量。

2）各規(guī)則項的權(quán)值設(shè)置還不夠合理，應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或較長時間的統(tǒng)計結(jié)果進行設(shè)置。

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P237

B

1672-4623（2016）03-0022-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.03.008

李昊霖，碩士，主要研究方向為高分辨率遙感影像產(chǎn)品自動評價。

2014-12-12。

項目來源：測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項資助項目（201512018）；四川省測繪地理信息局科技支撐資助項目（J2013ZC08）。