QuickBird高分辨率影像融合方法比較研究

樊旭艷,付春龍,韓 鵬,陳路路

(1.中國(guó)人民解放軍91039部隊(duì),北京102401;

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

高分辨率遙感影像的融合技術(shù)是當(dāng)前遙感信息處理與應(yīng)用領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向,發(fā)展高分辨率遙感影像融合技術(shù)具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值[1]。目前,針對(duì)各種具體應(yīng)用已形成了很多融合算法,其中應(yīng)用較多的有IHS變換法[2,3]、Brovey變換法[4]、PCA 變換法[5]和小波變換法,但是利用 PanSharp變換法、Gram-Schmidt變換法和PhotoShop法進(jìn)行融合研究的還比較少,尤其是將4種軟件平臺(tái)的各種方法進(jìn)行對(duì)比研究的還未見(jiàn)報(bào)道。利用4種軟件平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)的QuickBird數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合實(shí)驗(yàn),并對(duì)融合結(jié)果進(jìn)行了分析和比較。

1 典型融合方法

利用Brovey變換法、乘積變換法、主成分分析法(PCA)、Cylinder變換法 、Hexcone變換法 、IHS 改進(jìn)型變換法、高通濾波法(HPF)、Ehlers變換法、PanSharp變換法和Gram-Schmidt變換法等 10種方法對(duì)QuickBird實(shí)驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行了融合實(shí)驗(yàn),在這里僅介紹其中幾種比較典型的算法。

1.1 高通濾波法(HPF)

該方法就是通過(guò)高通濾波器將高分辨影像中的高頻信息提取出來(lái),同時(shí)去除了其大部分光譜信息,然后在高通濾波結(jié)果中加入光譜分辨率高的圖像,最后形成高頻特征信息突出的融合影像。

1.2 PanSharp變換法參數(shù)光譜特性

該方法利用最小方差技術(shù)對(duì)參與融合的波段的灰度值進(jìn)行最佳匹配并利用此原理調(diào)整單個(gè)波段的灰度分布以減少融合結(jié)果的顏色偏差,另外該方法還對(duì)輸入所有波段進(jìn)行一系列的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算并以此來(lái)消除融合結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)集的依賴性和提高融合過(guò)程的自動(dòng)化程度。這種方法利用PCI 9.0軟件和ENVI 4.5軟件都可以實(shí)現(xiàn),利用PCI 9.0軟件進(jìn)行融合時(shí),待融合影像除輸入全色波段和多光譜波段外,還至少需輸入一個(gè)參考波段,參考波段的選擇會(huì)直接影響融合影像的質(zhì)量。通過(guò)比較各個(gè)不同參考波段融合后的影像,認(rèn)為將多光譜影像的1、2、3、4四個(gè)波段都選為參考波段,此時(shí)融合效果最佳。而ENVI 4.5軟件不需要選擇參考波段。

1.3 Gram-schmidt變換法

該方法類(lèi)似于PCA變換法,它可以對(duì)矩陣或多維影像進(jìn)行正交變換,消除多光譜影像各波段之間的相關(guān)性。Gram-schmidt變換與PCA的區(qū)別是PCA變換后信息在各主成分之間重新分布,第一主成分包含的信息量最多,其他主成分的信息含量依次減少;而Gram-schmidt變換后各分量只是正交。各分量所包含的信息量相差不大,這樣可以改進(jìn)PCA中信息過(guò)分集中的問(wèn)題[6]。該方法很好地保持了多光譜影像的光譜信息,具體操作方法在ENVI軟件中實(shí)現(xiàn)。

1.4 PhotoShop融合法

該方法就是利用通用的PhotoShop圖像處理軟件對(duì)全色和多光譜數(shù)據(jù)融合,其具體步驟如下:

②將PAN放到同一個(gè)圖像窗口中,調(diào)整位置,使得同名像素嚴(yán)格配準(zhǔn);

③M圖層在上面,則將M的混合選項(xiàng)設(shè)置為“顏色”,如果PAN圖層在上面,則將PAN的混合選項(xiàng)設(shè)置為“亮度”,這時(shí)就得到了影像融合的效果。

這里,混合選項(xiàng)設(shè)置為“顏色”,則表示用基色PAN的亮度以及混合色M的色相和飽和度創(chuàng)建結(jié)果色,這樣可以保留PAN圖像中的灰階,并且給單色圖像PAN添加M的色相和飽和度;混合選項(xiàng)設(shè)置為“亮度”,則表示使用基色M的色相和飽和度以及混合色PAN的亮度創(chuàng)建結(jié)果色。這2個(gè)原理完全符合IHS變換的融合方法,因此都能達(dá)到好的融合效果。

2 圖像處理方法比較

對(duì)于遙感影像融合效果定量的評(píng)價(jià),應(yīng)綜合考慮空間信息與光譜信息。所以,一般應(yīng)綜合利用2類(lèi)統(tǒng)計(jì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià):一類(lèi)反映空間細(xì)節(jié)信息,如方差、信息熵和清晰度;另一類(lèi)反映光譜信息,如扭曲程度、偏差指數(shù)和相關(guān)系數(shù)。各種參數(shù)有各自的物理含義[5],各種參數(shù)指標(biāo)與遙感圖像融合質(zhì)量之間的關(guān)系如表1所示。

表1 參數(shù)指標(biāo)與圖像質(zhì)量的聯(lián)系

在試驗(yàn)中,計(jì)算了同一圖像數(shù)據(jù)的信息熵、清晰度、扭曲程度、偏差指數(shù)與相關(guān)系數(shù)等參數(shù),其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 性能統(tǒng)計(jì)參數(shù)

從表2的統(tǒng)計(jì)參數(shù)可以看出:

①傳統(tǒng)的融合算法如Brovey變換法、Cylinder變換法、Hexcone變換法及乘積變換法盡管說(shuō)很大程度上提高了影像的空間信息,但是光譜信息損失較大,其中利用Cylinder法融合后的影像,其扭曲程度僅達(dá)到了82.14,偏差指數(shù)達(dá)到了2.64;

②利用HPF法融合后的圖像其清晰度是最高的,但其扭曲程度除了傳統(tǒng)的融合算法它是最高的;

孟塞爾系統(tǒng)、CIE L*a*b*標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)、CIE 1931XYZ表色系統(tǒng)均是口腔領(lǐng)域常用的比色系統(tǒng)，且該3種系統(tǒng)的色度值可相互轉(zhuǎn)換。特別是孟塞爾表色系統(tǒng)，對(duì)口腔臨床比色參照系統(tǒng)的研發(fā)均具有指導(dǎo)作用，如Vita-3D master比色板和Vita Lumina Vacuum比色板等。

③主成分分析法在光譜信息保持方面是最好的,但其在空間分辨率的提高方面是最差的;

④IHS改進(jìn)型變換法和Ehlers變換法能較好地保持原多光譜影像的光譜信息,但空間解譯力差;

⑤Gram-Schmidt變換法和PanSharp變換法在提高空間分辨率的同時(shí),較好地保持了影像的光譜信息。與原多光譜圖像的相關(guān)系數(shù)大,偏差指數(shù)小,扭曲程度小,清晰度高。

3 特性分析

總體來(lái)說(shuō),各種融合方法都在提高影像的空間分辨率的同時(shí),較好地保持了多光譜影像的光譜信息。從空間結(jié)構(gòu)信息上看,道路、建筑物和農(nóng)田邊緣等線狀地物變得明顯,易于識(shí)別,地物內(nèi)部的紋理內(nèi)容也變得豐富起來(lái),清晰度和空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力大大提高。其中,ERDAS 9.1軟件的HPF法在空間信息增強(qiáng)方面效果最好,融合圖像的細(xì)節(jié)和紋理信息最豐富,其次是ENVI4.5軟件的Gram-Schmidt算法、PanSharp算法、PCI 9.0軟件的 PanSharp算法和ERDAS 9.1軟件的IHS改進(jìn)型變換法在空間信息增強(qiáng)方面較好,圖像的紋理信息也很豐富;第三是傳統(tǒng)的Brovey變換法、Hexcone變換法和Cylinder變換法,它們也大大提高了圖像的細(xì)節(jié)信息;第四是主成分分析法、乘積變換法、Ehlers變換法和PhotoShop融合法,它們?cè)谝欢ǔ潭壬弦蔡岣吡藞D像的空間分辨率,但圖像的細(xì)節(jié)信息差。

從光譜特性繼承方面來(lái)看,不同算法在光譜特性保持方面有較大差異。其中ENVI4.5軟件的PC算法與ERDAS 9.1軟件的PCA算法、Ehlers算法光譜信息損失小;ENVI4.5軟件的Gram-Schmidt算法、PanSharp算法和PCI 9.0軟件的PanSharp算法光譜信息損失較小;ERDAS 9.1軟件的HPF算法和IHS改進(jìn)型算法光譜信息損失較大;ERDAS 9.1軟件的乘積算法、Brovey算法和PhotoShop融合法光譜信息損失大;ENVI 4.5軟件的Brovey算法、PCI 9.0軟件的Hexcone算法和Cylinder算法的光譜信息損失非常大,與原多光譜圖像有很大的偏差。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)的QuickBird數(shù)據(jù)分別用Erdas 9.1中的Brovey法、乘積變換法、主成分分析法、HPF法和IHS改進(jìn)型融合法等主要圖像處理方法進(jìn)行了融合,其主要結(jié)果如圖1所示。

圖1 融合算法結(jié)果

結(jié)果表明,傳統(tǒng)的融合方法已經(jīng)不太適用于QuickBird影像的融合,它們?nèi)诤虾蟮闹饕獑?wèn)題主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面:

①光譜信息扭曲比較嚴(yán)重;

②過(guò)于依賴操作者的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)源參數(shù)的設(shè)置。

Gram-Schmidt變換法和PanSharp變換法在提高原始多光譜影像的空間信息的同時(shí)盡可能地保持了多光譜影像的光譜信息,2種方法差異不大,PanSharp法雖然PCI 9.0軟件和ENVI 4.5軟件都可以實(shí)現(xiàn),但PCI 9.0軟件需要選擇參考波段,這在一定程度上對(duì)應(yīng)用者是一種干擾,需要花費(fèi)大量的時(shí)間去實(shí)踐。

PhotoShop作為通用的圖像處理軟件也可以做影像融合,其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①融合過(guò)程簡(jiǎn)單實(shí)用,速度很快,操作過(guò)程“所見(jiàn)即所得”;②可以不考慮影像的覆蓋范圍,手工對(duì)齊影像后直接進(jìn)行融合;③成果以分層的形式存在,可以對(duì)影像進(jìn)行各種色彩調(diào)整、影像濾波,其處理效果是其他專業(yè)圖像處理軟件難以達(dá)到的。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用ENVI 4.5軟件進(jìn)行融合時(shí),不需選取參考波段,融合效果可與PCI 9.0相媲美,其方法簡(jiǎn)單、易操作、省時(shí),而PhotoShop作為通用的圖像處理軟件,其處理效果是其他專業(yè)圖像處理軟件難以達(dá)到的。結(jié)合這2種圖像處理平臺(tái)融合速度快以及所提供的融合算法融合效果都好的特點(diǎn),在相關(guān)領(lǐng)域或類(lèi)似圖像處理工作中綜合2種圖像處理軟件平臺(tái)使用,在影像融合處理方面能起到顯著的作用和效果。

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