“高分二號(hào)”衛(wèi)星影像融合方法對(duì)比和評(píng)價(jià)

薛晶 官云蘭 李宜龍 周冰 裴東東

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“高分二號(hào)”衛(wèi)星影像融合方法對(duì)比和評(píng)價(jià)

薛晶1,2,3官云蘭2,3李宜龍4周冰5裴東東6

（1 91650部隊(duì)，廣州 510320）（2 東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院，南昌 330013）（3 流域生態(tài)與地理環(huán)境監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013） (4 75838部隊(duì)，廣州 510515）（5 南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，南昌 330038）（6 河南省公路工程局集團(tuán)有限公司，鄭州 450000）

由于融合處理方法的原理以及獲取影像的傳感器特性不同，目前尚沒有某種融合方法能適用于所有類型的影像。為了探究適用于“高分二號(hào)”（GF-2）衛(wèi)星影像的融合方法，文章以GF-2衛(wèi)星影像全色與多光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用Brovey、PCA、GS、HPF、NNDiffuse五種融合方法對(duì)全色和多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，以主觀評(píng)價(jià)和定量分析相結(jié)合的方式對(duì)影像融合結(jié)果進(jìn)行綜合對(duì)比和評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，HPF變換法的融合影像光譜畸變最小，光譜信息保持最好；NNDiffuse變換法的綜合效果最好，其在可見光波段的融合效果方面很突出；而在近紅外波段的融合上，可以考慮PCA法和GS法。文章的研究成果可對(duì)GF-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的融合處理及應(yīng)用提供參考。

影像融合 融合方法 品質(zhì)評(píng)價(jià) “高分二號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

遙感影像數(shù)據(jù)融合的過程，是在統(tǒng)一的地理坐標(biāo)系中對(duì)多幅遙感影像采用一定的算法，生成一幅更能有效表達(dá)該目標(biāo)信息的圖像，并且該圖像具有新的空間特征、波譜特征和時(shí)間特征，從而可以得到比單一遙感數(shù)據(jù)更精確、內(nèi)容更豐富的信息[1]。融合前兩幅影像的精確配準(zhǔn)以及融合方法的選擇決定了遙感影像融合效果的好壞，兩幅用于融合的影像只有精確配準(zhǔn)，才可能得到令人滿意的結(jié)果，而融合方法的選擇要依據(jù)被融合影像的特征以及融合的目的來決定。

目前廣泛應(yīng)用的影像融合方法有HIS融合法、PCA融合法、Brovey融合法、SFIM 融合法、GS融合法、小波變換融合法、HPF融合法以及Pansharp融合法等，最近又提出了NNDiffuse融合法。根據(jù)有關(guān)學(xué)者的研究成果：HIS、PCA和Brovey等方法的融合結(jié)果存在較為明顯的光譜失真現(xiàn)象，影像清晰度提高有限[2]；文獻(xiàn)[3]指出對(duì)于高分辨率影像，HPF方法融合影像的清晰度及光譜保真度均顯著優(yōu)于HIS及PCA方法；文獻(xiàn)[4]在研究中證明Pansharp方法及GS方法對(duì)中高分辨率影像的融合效果整體明顯優(yōu)于Brovey和PCA方法。這些結(jié)果表明每種融合方法都有各自的優(yōu)劣[5-6]，對(duì)于同一種融合方法，當(dāng)數(shù)據(jù)源、參數(shù)設(shè)置或者研究目的不同時(shí)，其融合效果也會(huì)有明顯的差異[7]。因此，尚沒有某種固定的算法適用于所有類型的影像。

通?？梢詮闹饔^評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)兩個(gè)方面來評(píng)價(jià)融合后影像的品質(zhì)。主觀評(píng)價(jià)是以信息的目視識(shí)別效果作為品質(zhì)評(píng)價(jià)的依據(jù)，對(duì)處理前和處理后的影像進(jìn)行對(duì)比做出評(píng)價(jià)，具有主觀性。客觀評(píng)價(jià)可以排除主觀因素的影響，通過計(jì)算融合前和融合后影像的灰度平均值、信息熵、相關(guān)系數(shù)、平均梯度、標(biāo)準(zhǔn)差和偏差指數(shù)等參數(shù)，經(jīng)過對(duì)比和分析對(duì)融合后影像的品質(zhì)作出定量評(píng)價(jià)[8]。

“高分二號(hào)”（GF-2）衛(wèi)星影像的光譜信息非常豐富，如果能將多光譜數(shù)據(jù)與全色數(shù)據(jù)進(jìn)行融合就可以得到亞米級(jí)的多光譜影像數(shù)據(jù)，這將大大提高其在交通路網(wǎng)規(guī)劃、林業(yè)資源調(diào)查、土地利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、農(nóng)作物估產(chǎn)、城市精細(xì)化管理等眾多領(lǐng)域所發(fā)揮的作用。為探析適用于GF-2衛(wèi)星影像的融合方法，本文采用Brovey、PCA、GS、HPF及NNDiffuse五種融合方法進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)和定量分析，從而得出不同融合方法對(duì)GF-2衛(wèi)星影像的適用性差異，進(jìn)而提高GF-2衛(wèi)星影像的應(yīng)用效果。

1 影像融合方法

本文選擇了Brovey、PCA、GS、HPF及NNDiffuse這五種常用的融合方法，融合原理簡(jiǎn)要介紹如下。

1.1 Brovey融合法

Brovey融合方法又稱色彩標(biāo)準(zhǔn)化變換融合方法，其算法主要是將多光譜影像的影像空間分解成色彩和亮度成分，然后再進(jìn)行計(jì)算，這一變換過程最大限度地保留了多光譜影像數(shù)據(jù)的信息，簡(jiǎn)化了影像轉(zhuǎn)換過程的系數(shù)。在進(jìn)行融合處理的運(yùn)算時(shí)，首先進(jìn)行影像顯示的多光譜波段顏色歸一化，然后將全色影像的灰度值分別與多光譜影像各波段灰度值相乘，最后完成融合過程[9]。

使用該方法的前提是全色影像與多光譜影像具有相同的波譜響應(yīng)范圍，該方法主要用來增強(qiáng)影像的對(duì)比度，如陰影、水體、城市特征等高反射區(qū)域，提高人的視覺解譯能力，而在保持影像的光譜特性方面則有些不足[10]。

1.2 PCA融合法

PCA變換法是融合中一種較為常見的方法，它是在圖像統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的一種線性變換，可以濃縮信息，壓縮數(shù)據(jù)，又稱作為K-L變換。

PCA融合法利用主成分變換將低空間分辨率影像轉(zhuǎn)換成若干個(gè)主成分分量，將第一主成分分量提取出，并用高分辨率影像替換，最終進(jìn)行PCA逆變換完成融合。

1.3 GS融合法

GS變換是一種多維線性正交變換。進(jìn)行GS融合的步驟為：1）通過將高分辨率全色影像低通濾波或者通過多光譜影像模擬全色影像的方法生成低分辨率全色影像；2）將低分辨率全色影像作為第一分量對(duì)多光譜影像做GS變換，從而得到其他分量；3）用模擬的全色影像修改高分辨率影像，并將修改后的影像作為第一分量和其他分量一起做GS逆變換，最后得到融合后的影像[11]。GS變換雖然可以消除影像融合過程中的冗余信息，但是其抗干擾能力不太好。

1.4 HPF融合法

HPF變換的過程為：首先采用一個(gè)比較小的空間高通濾波器對(duì)高分辨率影像進(jìn)行濾波處理，濾波處理的優(yōu)勢(shì)在于它既能濾掉絕大部分的光譜信息，又能保留與空間信息有關(guān)的高頻分量；其次把高通濾波的結(jié)果加到多光譜影像數(shù)據(jù)中，這樣就可以達(dá)到將高分辨率影像數(shù)據(jù)的空間信息和多光譜影像數(shù)據(jù)的光譜信息進(jìn)行融合的目的。

1.5 NNDiffuse Pan Sharpening融合法

Nearest Neighbor Diffusion（NNDiffuse）Pan Sharpening算法由美國(guó)羅徹斯特理工學(xué)院（RIT）最新提出。該方法采用了共享存儲(chǔ)并行編程（OpenMP）和統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu)（CUDA）技術(shù)來提高其處理性能，在融合影像品質(zhì)和處理速度方面都具有比以往方法更突出的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)多光譜各個(gè)波段之間波長(zhǎng)范圍不交叉覆蓋，并且全色波段能夠基本覆蓋到多光譜所有波段的波長(zhǎng)范圍時(shí)，融合效果較好。使用NNDiffuse融合方法須滿足如下條件：1）低分辨率影像的像元大小必須是高分辨率影像像元大小的整數(shù)倍，若不是，影像需要重采樣；2）影像必須有相同的投影信息；3）影像大小必須一致；4）確保影像左上角對(duì)齊，當(dāng)配準(zhǔn)精度小于1/2像元大小時(shí)，融合精度才不會(huì)受影響。

2 融合試驗(yàn)

2.1 數(shù)據(jù)及研究區(qū)概況

本試驗(yàn)以GF-2衛(wèi)星4m多光譜影像和1m全色影像為數(shù)據(jù)源[12]，以云霧覆蓋少、噪聲條帶少、時(shí)效性較好為原則選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展影像融合試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為2015年5月12日獲取的河南登封地區(qū)數(shù)據(jù)。登封市位于河南省中西部，其地形復(fù)雜，依地形大致可分為深山、淺山、丘陵和平地；南有箕山、熊山山脈，北有嵩山山脈，均為東西走向，地勢(shì)由南北向中間逐漸降低為丘陵河川。結(jié)合高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)的應(yīng)用特點(diǎn)，所選影像中的地物包括建筑物、林地、草地、耕地、裸地、道路等，地物類型比較全面，能夠充分體現(xiàn)高分辨率衛(wèi)星影像融合后的空間識(shí)別能力，確保融合及評(píng)價(jià)的有效性。

2.2 試驗(yàn)過程

利用ENVI 5.2對(duì)GF-2衛(wèi)星1m全色影像和4m多光譜影像進(jìn)行正射校正和自動(dòng)配準(zhǔn)[13]。將經(jīng)過預(yù)處理后的全色影像和多光譜影像分別進(jìn)行Brovey融合、PCA融合、GS融合、HPF融合以及NNDiffuse融合，其中，HPF融合通過ERDAS IMAGINE 9.2實(shí)現(xiàn)，其他方法通過ENVI 5.2實(shí)現(xiàn)。融合結(jié)果采用真彩色顯示，并進(jìn)行了2%的顯示拉伸。通過五種方法將選取的GF-2衛(wèi)星原始全色影像和原始多光譜影像（如圖1所示）進(jìn)行融合，融合后的影像效果如圖2所示。

（a）原始全色影像

（a）Original panchromatic image

（a）Brovey融合效果

（a）Result of Brovey image fusion

（b）PCA融合效果

（b）Result of PCA image fusion

（c）GS融合效果

（c）Result of GS image fusion

（d）HPF融合效果

（d）Result of HPF image fusion

（e）NNDiffuse融合效果

3 融合效果評(píng)價(jià)

3.1 定性評(píng)價(jià)

從空間分辨率上看，Brovey法、PCA法、GS法、HPF法及NNDiffuse法得到的影像均提高了原始多光譜影像的空間分辨率，極大地豐富了影像的信息，所有地物的空間結(jié)構(gòu)及各個(gè)地物之間的分界線都能準(zhǔn)確區(qū)分出，提高了判讀能力。圖像的地物立體感更強(qiáng)，地物的紋理也比原始多光譜影像清晰很多，因此，在提取影像信息的時(shí)候，能夠獲得更加豐富和準(zhǔn)確的結(jié)果，其中Brovey法的融合效果相對(duì)要差一些。

從光譜特征方面分析，Brovey法融合后影像整體光譜色調(diào)變化明顯，其植被和道路的顏色變化最大，光譜扭曲很嚴(yán)重，植被的顏色和藍(lán)色屋頂?shù)念伾行┙咏?，很容易造成錯(cuò)誤的地物劃分，其他地物則變化不明顯。PCA法、GS法、HPF法和NNDiffuse法融合后影像的色調(diào)基本接近于原始多光譜影像，總體上沒有太明顯的變化，較好地保留了影像的光譜信息。經(jīng)過觀察對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，HPF法融合后的植被顏色相對(duì)其他幾種方法要稍暗些；而PCA法、GS法融合后藍(lán)色屋頂和道路的顏色相比其他幾種方法有些加深；NNDiffuse法的目視效果最好，各個(gè)地物的顏色與原始影像都比較接近，總體效果最好。

3.2 定量評(píng)價(jià)

本文從圖像的亮度信息、信息量、清晰度、光譜信息這四個(gè)方面分別選取評(píng)價(jià)指標(biāo)來客觀評(píng)價(jià)影像的融合效果[14]，主要包括：1）反映亮度信息的均值和標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)；2）反映信息量的信息熵指標(biāo)；3）反映圖像清晰度的相關(guān)梯度指標(biāo)；4）反映光譜信息的偏差指數(shù)和相關(guān)系數(shù)指標(biāo)。

3.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）均值

均值在目視上表現(xiàn)為影像的平均亮度，也就是像素平均值。融合后影像像素平均值變化越小，則融合后影像的平均亮度越接近于原始影像，該融合方法的光譜保真性就越好[15]。計(jì)算公式為

（2）標(biāo)準(zhǔn)差

標(biāo)準(zhǔn)差指的是影像各個(gè)像元的灰度值相對(duì)于影像像元平均灰度值的離散程度。標(biāo)準(zhǔn)差越大，影像反差就越大，就更容易區(qū)分地物，有利于提取影像的信息。計(jì)算公式為

式中為影像標(biāo)準(zhǔn)差。

（3）信息熵

通常情況下，融合后圖像的熵值越大，則圖像包含的信息量就越多，說明融合的效果也就越好[16]。計(jì)算公式為

（4）平均梯度

平均梯度可以用來衡量圖像的清晰程度，它可以反映出圖像中紋理變化特征和微小細(xì)節(jié)反差。一般來說，融合后的圖像平均梯度越大，則表示圖像層次就越多，圖像越清晰，融合效果也就越好[17]。計(jì)算公式為

式中為影像某一波段的平均梯度。

（5）偏差指數(shù)

偏差指數(shù)指的是原始影像和融合后影像的灰度平均值之差，既可以反映地物融合后的光譜變異程度，又可以反映融合圖像對(duì)原始圖像光譜信息的保存能力[18]。偏差指數(shù)越小，則說明融合后圖像光譜變異程度越小，光譜保真能力越強(qiáng)。計(jì)算公式為

式中為偏差指數(shù)；(,)為融合后影像對(duì)應(yīng)(，)位置像元的灰度值；(,)為原始多光譜影像對(duì)應(yīng)(,)位置像元的灰度值。

（6）相關(guān)系數(shù)

融合后影像的光譜信息保存能力可以通過融合后影像與原始多光譜影像之間的相關(guān)系數(shù)來衡量[19]。通常情況下，兩幅影像的相關(guān)系數(shù)越大，說明融合后影像的光譜信息保存能力就越強(qiáng)。其計(jì)算公式為

3.2.2 定量評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述6個(gè)參數(shù)比較融合后影像在亮度信息、信息量、清晰度和光譜信息等方面的差異。計(jì)算過程全部通過MATLAB R2012a編程實(shí)現(xiàn)，各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1所示，具體變化趨勢(shì)如圖3所示。

表1 圖像融合評(píng)價(jià)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

Tab.1 Evaluation parameter statistics of image fusion

（a）均值

（a）Mean

（b）標(biāo)準(zhǔn)差

（b）Standard deviation

（c）信息熵

（c）Comentropy

（d）平均梯度

（d）Average gradient

（e）偏差指數(shù)

（e）Deviation index

（f）相關(guān)系數(shù)

對(duì)圖3中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的對(duì)比分析，可以得知：

1）對(duì)于影像的灰度平均值，Brovey法、PCA法和GS法融合后影像的灰度平均值相比原始多光譜影像均明顯變小，尤其是Brovey法，融合后影像亮度變化最大，光譜失真最為嚴(yán)重。HPF法融合后影像的均值與原始多光譜影像的均值最為接近，所以這種方法融合后的影像光譜畸變最小，亮度信息保持最好。而NNDiffuse法融合后影像的灰度均值比原始多光譜影像有所增大，但變化幅度不大。

2）標(biāo)準(zhǔn)差方面，Brovey法融合后影像的標(biāo)準(zhǔn)差變小，而且變化很大，得到的影像質(zhì)量很差。HPF法融合后影像的標(biāo)準(zhǔn)差和原始影像差不多，很接近，說明其地物可分性的能力與原始多光譜影像差不多。PCA法和GS法融合后影像的可見光波段的標(biāo)準(zhǔn)差均比原始影像要小，而近紅外波段比原始影像要大。NNDiffuse法融合后影像的標(biāo)準(zhǔn)差均比原始影像有所增大，所以NNDiffuse法融合后影像的地物可分性最好，包含的信息最多，綜合效果最好。

3）對(duì)于信息熵，Brovey法融合后影像的信息熵比原始影像要小很多，包含的信息量相對(duì)較少，信息表達(dá)能力較弱，效果較差。PCA法和GS法在近紅外波段的信息熵比較大，而HPF法和NNDiffuse法在可見光波段的信息熵較大。

4）平均梯度可以反映影像的細(xì)節(jié)表達(dá)能力，平均梯度越大，影像就越清晰。GS法各波段的平均梯度都大于PCA法，并且在近紅外波段上最大?？梢姽獠ǘ紊螲PF法的平均梯度最大，NNDiffuse法次之。綜合來看NNDiffuse法最好，說明影像較清晰，效果最好。Brovey法效果最差。

5）幾種方法的偏差指數(shù)結(jié)果中，NNDiffuse法融合后影像的總體偏差指數(shù)最小，光譜保真能力最強(qiáng)。其次是PCA法、GS法，Brovey法偏差最大。

6）相關(guān)系數(shù)反映的是融合后影像與原始影像光譜特征的相似程度，PCA法、GS法、HPF法和NNDiffuse法融合后的影像相關(guān)性都比較好，其中NNDiffuse法在可見光波段的相關(guān)性最好，而近紅外波段的相關(guān)性不如PCA法、GS法和HPF法。Brovey法總體效果最差，光譜扭曲嚴(yán)重。

值得注意的是，NNDiffuse法在近紅外波段的標(biāo)準(zhǔn)差、信息熵、平均梯度和相關(guān)系數(shù)上的值均略小于GS法和PCA法，而在可見光波段，NNDiffuse法融合后影像的這幾個(gè)參數(shù)值均優(yōu)于其他融合方法。

4 結(jié)束語

本文運(yùn)用Brovey、PCA、GS、HPF以及NNDiffuse五種方法對(duì)GF-2衛(wèi)星的全色影像和多光譜影像進(jìn)行了融合試驗(yàn)。通過定性和定量分析，綜合考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以得出：Brovey變換法的融合效果比較差；HPF變換法的影像光譜畸變最小，光譜信息保持最好；NNDiffuse變換法的綜合效果最好，其在可見光波段的融合效果很突出，而在近紅外波段的融合上，可以考慮PCA法和GS法，適宜監(jiān)測(cè)植被、提取水體等融合目標(biāo)。本次試驗(yàn)的結(jié)果可為GF-2衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的融合處理及應(yīng)用提供一定的參考和借鑒。

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（編輯：夏淑密）

ComparisonandEvaluationof Image Fusion Algorithms for GF-2 Satellite Images

XUE Jing1,2,3GUAN Yunlan2,3LI Yilong4ZHOU Bing5PEI Dongdong6

（1 91650 Army, Guangzhou 510320, China）（2 Faculty of Geomatics,East China University of Technology, Nanchang 330013, China）（3 Key Laboratory of Watershed Ecology and Geographical Environment Monitoring, NASMG, Nanchang 330013, China）（4 75838 Army, Guangzhou 510515, China）（5 Nanchang Urban Planning & Design Institute, Nanchang 330038, China）（6 Henan Province Highway Engineering Bureau Group Limited Company, Zhengzhou 450000, China）

The theory of fusion method and the feature of satellite sensor are different, so there is no certain fusion method which is applicable for all types of images. In this paper, it uses the panchromatic and multispectral data of GF-2 as the data source, and adopts five image fusion algorithms Brovey, PCA, GS, HPF and NNDiffuse to process PAN and MSS data. And then a comprehensive evaluation of the effectiveness of image fusion is made through subjective evaluation and quantitative analysis to explore a suitable fusion method for GF-2 satellite image. The results show that fusion image with HPF method has minimum spectral distortion and keep the best spectral information. NNDiffuse method has the best effect in general and the effect of fusion in visible bands is very outstanding. While in the near-infrared band, PCA method and GS method can be used. The results of this research provides the reference for fusion processing and application of GF-2 satellite data.

image fusion; fusion method; quality evaluation; GF-2 satellite

TP79

A

1009-8518(2017)02-0091-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.02.012

2016-10-28

國(guó)家自然科學(xué)基金（41401437）；江西省學(xué)位與研究生教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（JXYJG–2016–113）

薛晶，女，1990年生，2012年獲東華理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)工學(xué)學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)在東華理工大學(xué)測(cè)繪工程專業(yè)攻讀碩士學(xué)位，助理工程師。研究方向?yàn)檫b感圖像處理與應(yīng)用。E-mail：xj892316@163.com。

官云蘭，女，1975年生，博士，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榈孛嫒S激光掃描、攝影測(cè)量、遙感影像處理。E-mail：guan8098@163.com。