樊旭艳,付春龙,韩 鹏,陈路路

(1.中国人民解放军91039部队,北京102401;

2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

高分辨率遥感影像的融合技术是当前遥感信息处理与应用领域中的一个重要研究方向,发展高分辨率遥感影像融合技术具有十分重要的理论意义和应用价值[1]。目前,针对各种具体应用已形成了很多融合算法,其中应用较多的有IHS变换法[2,3]、Brovey变换法[4]、PCA 变换法[5]和小波变换法,但是利用 PanSharp变换法、Gram-Schmidt变换法和PhotoShop法进行融合研究的还比较少,尤其是将4种软件平台的各种方法进行对比研究的还未见报道。利用4种软件平台对试验的QuickBird数据进行了融合实验,并对融合结果进行了分析和比较。

1 典型融合方法

利用Brovey变换法、乘积变换法、主成分分析法(PCA)、Cylinder变换法 、Hexcone变换法 、IHS 改进型变换法、高通滤波法(HPF)、Ehlers变换法、PanSharp变换法和Gram-Schmidt变换法等 10种方法对QuickBird实验区数据进行了融合实验,在这里仅介绍其中几种比较典型的算法。

1.1 高通滤波法(HPF)

该方法就是通过高通滤波器将高分辨影像中的高频信息提取出来,同时去除了其大部分光谱信息,然后在高通滤波结果中加入光谱分辨率高的图像,最后形成高频特征信息突出的融合影像。

1.2 PanSharp变换法参数光谱特性

该方法利用最小方差技术对参与融合的波段的灰度值进行最佳匹配并利用此原理调整单个波段的灰度分布以减少融合结果的颜色偏差,另外该方法还对输入所有波段进行一系列的统计运算并以此来消除融合结果对数据集的依赖性和提高融合过程的自动化程度。这种方法利用PCI 9.0软件和ENVI 4.5软件都可以实现,利用PCI 9.0软件进行融合时,待融合影像除输入全色波段和多光谱波段外,还至少需输入一个参考波段,参考波段的选择会直接影响融合影像的质量。通过比较各个不同参考波段融合后的影像,认为将多光谱影像的1、2、3、4四个波段都选为参考波段,此时融合效果最佳。而ENVI 4.5软件不需要选择参考波段。

1.3 Gram-schmidt变换法

该方法类似于PCA变换法,它可以对矩阵或多维影像进行正交变换,消除多光谱影像各波段之间的相关性。Gram-schmidt变换与PCA的区别是PCA变换后信息在各主成分之间重新分布,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减少;而Gram-schmidt变换后各分量只是正交。各分量所包含的信息量相差不大,这样可以改进PCA中信息过分集中的问题[6]。该方法很好地保持了多光谱影像的光谱信息,具体操作方法在ENVI软件中实现。

1.4 PhotoShop融合法

该方法就是利用通用的PhotoShop图像处理软件对全色和多光谱数据融合,其具体步骤如下:

②将PAN放到同一个图像窗口中,调整位置,使得同名像素严格配准;

③M图层在上面,则将M的混合选项设置为“颜色”,如果PAN图层在上面,则将PAN的混合选项设置为“亮度”,这时就得到了影像融合的效果。

这里,混合选项设置为“颜色”,则表示用基色PAN的亮度以及混合色M的色相和饱和度创建结果色,这样可以保留PAN图像中的灰阶,并且给单色图像PAN添加M的色相和饱和度;混合选项设置为“亮度”,则表示使用基色M的色相和饱和度以及混合色PAN的亮度创建结果色。这2个原理完全符合IHS变换的融合方法,因此都能达到好的融合效果。

2 图像处理方法比较

对于遥感影像融合效果定量的评价,应综合考虑空间信息与光谱信息。所以,一般应综合利用2类统计参数来进行分析和评价:一类反映空间细节信息,如方差、信息熵和清晰度;另一类反映光谱信息,如扭曲程度、偏差指数和相关系数。各种参数有各自的物理含义[5],各种参数指标与遥感图像融合质量之间的关系如表1所示。

表1 参数指标与图像质量的联系

在试验中,计算了同一图像数据的信息熵、清晰度、扭曲程度、偏差指数与相关系数等参数,其统计结果如表2所示。

表2 性能统计参数

从表2的统计参数可以看出:

①传统的融合算法如Brovey变换法、Cylinder变换法、Hexcone变换法及乘积变换法尽管说很大程度上提高了影像的空间信息,但是光谱信息损失较大,其中利用Cylinder法融合后的影像,其扭曲程度仅达到了82.14,偏差指数达到了2.64;

②利用HPF法融合后的图像其清晰度是最高的,但其扭曲程度除了传统的融合算法它是最高的;

孟塞尔系统、CIE L*a*b*标准色度系统、CIE 1931XYZ表色系统均是口腔领域常用的比色系统，且该3种系统的色度值可相互转换。特别是孟塞尔表色系统，对口腔临床比色参照系统的研发均具有指导作用，如Vita-3D master比色板和Vita Lumina Vacuum比色板等。

③主成分分析法在光谱信息保持方面是最好的,但其在空间分辨率的提高方面是最差的;

④IHS改进型变换法和Ehlers变换法能较好地保持原多光谱影像的光谱信息,但空间解译力差;

⑤Gram-Schmidt变换法和PanSharp变换法在提高空间分辨率的同时,较好地保持了影像的光谱信息。与原多光谱图像的相关系数大,偏差指数小,扭曲程度小,清晰度高。

3 特性分析

总体来说,各种融合方法都在提高影像的空间分辨率的同时,较好地保持了多光谱影像的光谱信息。从空间结构信息上看,道路、建筑物和农田边缘等线状地物变得明显,易于识别,地物内部的纹理内容也变得丰富起来,清晰度和空间细节表现能力大大提高。其中,ERDAS 9.1软件的HPF法在空间信息增强方面效果最好,融合图像的细节和纹理信息最丰富,其次是ENVI4.5软件的Gram-Schmidt算法、PanSharp算法、PCI 9.0软件的 PanSharp算法和ERDAS 9.1软件的IHS改进型变换法在空间信息增强方面较好,图像的纹理信息也很丰富;第三是传统的Brovey变换法、Hexcone变换法和Cylinder变换法,它们也大大提高了图像的细节信息;第四是主成分分析法、乘积变换法、Ehlers变换法和PhotoShop融合法,它们在一定程度上也提高了图像的空间分辨率,但图像的细节信息差。

从光谱特性继承方面来看,不同算法在光谱特性保持方面有较大差异。其中ENVI4.5软件的PC算法与ERDAS 9.1软件的PCA算法、Ehlers算法光谱信息损失小;ENVI4.5软件的Gram-Schmidt算法、PanSharp算法和PCI 9.0软件的PanSharp算法光谱信息损失较小;ERDAS 9.1软件的HPF算法和IHS改进型算法光谱信息损失较大;ERDAS 9.1软件的乘积算法、Brovey算法和PhotoShop融合法光谱信息损失大;ENVI 4.5软件的Brovey算法、PCI 9.0软件的Hexcone算法和Cylinder算法的光谱信息损失非常大,与原多光谱图像有很大的偏差。

4 实验结果分析

对试验的QuickBird数据分别用Erdas 9.1中的Brovey法、乘积变换法、主成分分析法、HPF法和IHS改进型融合法等主要图像处理方法进行了融合,其主要结果如图1所示。

图1 融合算法结果

结果表明,传统的融合方法已经不太适用于QuickBird影像的融合,它们融合后的主要问题主要体现在以下2个方面:

①光谱信息扭曲比较严重;

②过于依赖操作者的经验和数据源参数的设置。

Gram-Schmidt变换法和PanSharp变换法在提高原始多光谱影像的空间信息的同时尽可能地保持了多光谱影像的光谱信息,2种方法差异不大,PanSharp法虽然PCI 9.0软件和ENVI 4.5软件都可以实现,但PCI 9.0软件需要选择参考波段,这在一定程度上对应用者是一种干扰,需要花费大量的时间去实践。

PhotoShop作为通用的图像处理软件也可以做影像融合,其优点主要体现在以下几个方面:①融合过程简单实用,速度很快,操作过程“所见即所得”;②可以不考虑影像的覆盖范围,手工对齐影像后直接进行融合;③成果以分层的形式存在,可以对影像进行各种色彩调整、影像滤波,其处理效果是其他专业图像处理软件难以达到的。

5 结束语

利用ENVI 4.5软件进行融合时,不需选取参考波段,融合效果可与PCI 9.0相媲美,其方法简单、易操作、省时,而PhotoShop作为通用的图像处理软件,其处理效果是其他专业图像处理软件难以达到的。结合这2种图像处理平台融合速度快以及所提供的融合算法融合效果都好的特点,在相关领域或类似图像处理工作中综合2种图像处理软件平台使用,在影像融合处理方面能起到显著的作用和效果。

[1]何海鹏,何国金.IKONOS高分辨率遥感影像融合方法比较研究[J].科技导报,2009,27(5):33-37.

[2]甄 静,何国金.高分辨率遥感影像融合存在的问题及改进措施[J].遥感信息,2005(4):45-48.

[3]周前祥,敬忠良,姜世忠.不同光谱与空间分辨率遥感图像融合方法的理论研究[J].遥感技术与应用,2003,18(1):41-45.

[4]GILLESPIE AR,KAHLE AB,WALKERR E.Color Enhancement of Highly CorrelatedMages-II.Channel Ratio and Chromaticity Transformation Techniques[J].Remot Sensing of Environment,1987,22(10):343-365.

[5]贾永红.多源遥感影像数据融合方法及其应用的研究[D].湖北:武汉大学,2001.40-432.

[6]谭永生,沈掌泉,贾春燕,等.QuickBird全色与多光谱影像融合方法比较研究[J].科技通报,2008,24(4):498-503.