CBERS－02B星HR高分辨率遙感數(shù)據(jù)融合研究分析

馬士彬，安裕倫，張躍紅

（1.貴州省六盤水師范學(xué)院 環(huán)境與資源科學(xué)系，貴州 六盤水553004；2.貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴陽550001）

遙感技術(shù)已經(jīng)迎來了三高時(shí)代，即高空間分辨率、高時(shí)間分辨率以及高光譜分辨率。國外已經(jīng)發(fā)射的高空間分辨率數(shù)據(jù)衛(wèi)星有Quick Bird，SPOT－5，IKONOS等，我國于2009年成功發(fā)射中巴資源衛(wèi)星02B星，并搭載高分辨率數(shù)據(jù)傳感器。對(duì)于高空間分辨率數(shù)據(jù)而言，其光譜分辨率一般較低。而遙感數(shù)據(jù)融合可將單一傳感器的多光譜信息或不同類別傳感器所提供的信息加以綜合，改善遙感信息提取的及時(shí)性和可靠性，提高數(shù)據(jù)的使用效率[1]。已有的融合方法有IHS變換融合法[2]、PCA 變換融合法[3]、Brovey變換融合法[4]、小波變換融合法[5]、Pan sharp融合法[6]、Gram—schmidt融合法[7]等。本文采用目前較為常用且較容易實(shí)現(xiàn)的幾種融合方法對(duì)CBERS－02B星HR數(shù)據(jù)的使用情況進(jìn)行分析，比較各方法對(duì)CBERS－02B星HR數(shù)據(jù)的適用性，為CBERS－02B星HR數(shù)據(jù)的使用提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

貴州省貴陽市地處貴州省中部黔中高原面中曹司盆地內(nèi)，包含建筑、河流、公路、林地、耕地、水域等用地類型。

本文將CBERS－02B星 HR數(shù)據(jù)與CBERS－02B多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并以SPOT－5 2.5m全色波段與10m多光譜數(shù)據(jù)融合的數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1.2 數(shù)據(jù)融合

本文采用Brovey變換、PCA變換、IHS變換、SVR變換4種方法進(jìn)行融合研究。由于CBERS－02BCCD數(shù)據(jù)的2，3，4波段的光譜范圍對(duì)應(yīng)SPOT－5多光譜數(shù)據(jù)的1，2，3波段，同時(shí)Brovey變換只能對(duì)多光譜的3個(gè)波段進(jìn)行融合，所以試驗(yàn)選取了CBERS－02B的2，3，4和SPOT－5的1，2，3波段分別參與融合（表1）。

表1 CBERS－02B和SPOT－5遙感數(shù)據(jù)基本參數(shù)

（1）PCA變換（主成分分析法）。PCA變換是建立在影像統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上的多維線性變換，具有方差信息濃縮、數(shù)據(jù)量壓縮的作用，數(shù)學(xué)上又稱K—L變換[8]。PCA變換的具體步驟為：多光譜波段經(jīng)過PCA變換后，將全色高分辨率圖像進(jìn)行灰度拉伸，使其均值和方差與PCA變換的第一分量的圖像一致；然后用拉伸過的高分辨率全色圖像代替第一分量，最后經(jīng)過PCA逆變換得到融合圖像。

（2）Brovey變換。Brovey變換是一種對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的較為簡單的方法。該方法通過歸一化后的多光譜波段與高分辨率影像乘積來增強(qiáng)影像的信息[9]。其融合后的紅（R）、綠（G）、藍(lán)（B）3個(gè)波段結(jié)果如下：

（3）SVR變換。Zhang[10]在 Munechika所提出SVR方法的基礎(chǔ)上又提出了一種改進(jìn)型的SVR方法，用來進(jìn)行全色和多光譜影像的融合。其步驟為：首先計(jì)算多光譜波段與全色波段之間的回歸系數(shù)，然后根據(jù)回歸系數(shù)和多光譜波段合成模擬高空間分辨率的全色影像，最后利用比值變換完成各波段的融合。其計(jì)算公式如下：

其中：XSPi——第i波段融合后灰度；PanH——高分辨率全色波段灰度值；XSLi——第i波段原始灰度值；PanLS——多光譜波段合成的全色波段灰度值；δi——高分辨率全色波段與多光譜波段XSLi間的回歸系數(shù)[11]。

（4）IHS變換。IHS變換是目前應(yīng)用十分廣泛的一種RGB彩色融合變換方法。IHS變換首先利用正變換將多光譜圖像從RGB三原色空間變換到IHS彩色空間，得到亮度I（Intensity）、色度H（Hue）和飽和度S（Saturation）3個(gè)分量；然后將高分辨率全色圖像與分離出的亮度I分量進(jìn)行直方圖匹配，使其灰度的均值和方差與分量I圖像一致；最后用匹配好的全色波段代替I分量，與分離出的H、S分量進(jìn)行IHS逆變換，重新回到RGB空間。RGB系統(tǒng)與IHS系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的關(guān)系式為[12－13]：

式中：I——亮 度；H——色 度；S——飽 和 度；v1，v2——中間變量。

2 融合效果對(duì)比與分析

2.1 光譜信息對(duì)比分析

本文選用灰度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、信息熵、相關(guān)系數(shù)4個(gè)可反映空間信息的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中：（1）灰度平均值。為像素的灰度平均值，對(duì)人眼反映為平均亮度。融合前后圖像對(duì)應(yīng)波段的像素灰度值的變化程度越小，說明光譜保持性能越好。（2）信息熵。圖像的熵值是衡量圖像信息豐富程度的一個(gè)重要指標(biāo)。一般來說，融合圖像的熵越大，表示所包含的信息越豐富，融合質(zhì)量越好。（3）標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差反映了圖像灰度相對(duì)于灰度均值的離散情況，可用來評(píng)價(jià)圖像的空間信息量的大小。標(biāo)準(zhǔn)差越大，則灰度級(jí)分布越分散，圖像的反差大，地物間可分性高。（4）相關(guān)系數(shù)。融合圖像與源圖像的相關(guān)系數(shù)能反映兩幅圖像光譜特征的相似程度，即融合方法保持光譜特性的能力[11，14－15]。

本文采用PCA、Brovey、SVR、IHS共4種變換法進(jìn)行融合，然后采用灰度平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、信息熵等指標(biāo)進(jìn)行比較。從目視比較的角度分析，本文采用的4種融合方法的融合結(jié)果在空間信息上均有所改善，并在一定程度上能夠保持光譜信息。PCA變換法融合的圖像色調(diào)較亮，其中水體顏色有一定程度的失真；Brovey融合法所得圖像整體色調(diào)適中，但城區(qū)較暗（圖1c、1d）。SVR變換所得圖像整體色調(diào)偏淡，尤其是綠地植被，但建筑和水體的色調(diào)適中；IHS變換在光譜保持方面較優(yōu)越，但圖像色調(diào)較原始多光譜數(shù)據(jù)變換較大（圖1e、1f）。

SVR變換法在方差、信息熵和灰度均值等空間信息評(píng)價(jià)因子中的值均高于其他融合方法，說明SVR變換法在空間信息增強(qiáng)方面以及圖像的細(xì)節(jié)效果較好。另外從影像各波段的相關(guān)系數(shù)來看，SVR變換法和IHS變換法在光譜保持方面效果最好。經(jīng)IHS變換法融合的圖像的灰度平均值最接近于多光譜圖像的原始值，說明它在保持光譜特性的能力上綜合效果最好（表2）。

表2 兩種影像數(shù)據(jù)的不同融合方法所得融合結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值

通過圖1和圖2的對(duì)比，從目視的角度可以看出，CBERS－02B星融合數(shù)據(jù)總體色調(diào)較暗。城區(qū)紋理信息豐富，植被的細(xì)節(jié)信息能夠得到比較明顯地反映。定量分析發(fā)現(xiàn)，各波段信息熵的值均小于SPOT影像融合數(shù)據(jù)，表明CBERS－02B星影像融合數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量低于SOPT數(shù)據(jù)；灰度均值與原始影像差距較小，能夠較好的保留原始影像的光譜信息；各波段方差值較小，僅為SPOT數(shù)據(jù)的1／4，表明CBERS－02B星融合數(shù)據(jù)的地物可辨別能力低于SPOT數(shù)據(jù)。CBERS－02B星融合影像各波段與原始影像的相關(guān)系數(shù)較高，與SPOT數(shù)據(jù)接近。

與SPOT數(shù)據(jù)對(duì)比，CBERS－02B星影像融合數(shù)據(jù)的4項(xiàng)指標(biāo)值均較低，其原因?yàn)椋?/p>

（1）原始多光譜影像的信息熵過低，均值不超過5.5，造成最終融合影像的質(zhì)量偏低。

（2）原始影像灰度值低，CBERS－02BCCD數(shù)據(jù)2—4波段的灰度均值僅為SOPT數(shù)據(jù)1—3波段灰度均值的49.01%。

圖1 不同融合方法的CBERS－02B星影像

圖2 不同融合方法的SPOT－5影像

2.2 空間紋理信息對(duì)比分析

采用簡單的高通濾波分別對(duì)CBERS－02B星全色波段數(shù)據(jù)和融合后的多光譜波段進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，并計(jì)算二者的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)程度越高表明空間紋理保持越好。濾波器采用3×3的sharpen Edge Filter模板[16]。

在CBERS－02B星同源數(shù)據(jù)融合過程中，PCA和SVR兩種變換都有較強(qiáng)的高頻信息保持能力，尤其是PCA變換后各波段與全色波段的相關(guān)系數(shù)都在0.9以上；相比較IHS變換過程中空間紋理細(xì)節(jié)丟失最嚴(yán)重。各波段間比較，4波段在4種融合方法中的值最小，表明在融合過程中近紅外波段的高頻細(xì)節(jié)導(dǎo)入效果相對(duì)較差（表3）。

表3 CBERS－02B融合影像波段高頻細(xì)節(jié)與CBERS－02BHR影像高頻細(xì)節(jié)的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

（1）通過分析可知，SVR變化法更適合CBERS－02B星同源數(shù)據(jù)融合，其信息熵、灰度均值、方差值均高于其他變換法，在保留高空間分辨率的同時(shí)更好的保留原始多光譜數(shù)據(jù)的光譜信息，同時(shí)高通濾波后與全色波段的相關(guān)系數(shù)較大，紋理清晰，地物可辨別能力強(qiáng)；融合過程中近紅外波段的高頻信息導(dǎo)入效果相對(duì)較差。

（2）通過與SPOT－5數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)CBERS－02B星的同源數(shù)據(jù)融合，最終影像的各指標(biāo)值均低于SPOT－5同源數(shù)據(jù)融合影像，其原因主要是由于CBERS－02B星多光譜數(shù)據(jù)的光譜信息和空間分辨率過低。所以在CBERS－02B星HR數(shù)據(jù)使用時(shí)，應(yīng)考慮選用其他來源的多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。

本文只做了CBERS－02B星同源數(shù)據(jù)的融合方法及融合影像質(zhì)量的分析研究。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，融合技術(shù)的不斷更新，應(yīng)進(jìn)一步驗(yàn)證更多的融合方法對(duì)CBERS－02B星HR數(shù)據(jù)的適用程度。同時(shí)應(yīng)進(jìn)行CBERS－02B星HR數(shù)據(jù)與其他多種來源多光譜數(shù)據(jù)的融合實(shí)驗(yàn)，以最大程度發(fā)揮CBERS－02B星HR數(shù)據(jù)的作用。

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