geoeye-1多光譜與全色影像融合的適應(yīng)性及質(zhì)量評(píng)價(jià)研究

1、第 3 6卷 第 1期 西 南 師 范 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ( 自然科 學(xué)版)Vo 1 ．3 6No ． 1J o u r n a lo fS o u t h we s tC h i n aNo r ma lUn i v e r s i t y( Na t u r a lS c i e n c eE d i t i o n )2 0 1 1年 2月F e b ．2 0 1 1文章 編 號(hào) ： 1 0 0 0 —5 4 7 1 ( 2 0

2、1 1 ) 0 1 —0 2 0 3— 0 6G E O E Y E 一 1多光譜 與全 色影 像 融合 的 適應(yīng) 性及 質(zhì)量 評(píng) 價(jià) 研 究 張 治 清 ，何 宗重 慶 市 地 理 信 息 中 心 ， 重 慶 4 0 1 1 2 1摘 要 ：對 比分 析 了 HP F融 合 、 小 波 變 換 融 合 、 G r a m— s c h mi d t 變 換 融 合 、 P a n s h a r p變 換 融 合 、 P C A 變

3、換 融 合 對 G e o —e y e 一 1 影像 的適應(yīng)性 ， 并采用信息熵 、 標(biāo) 準(zhǔn)差、影像拂度 、 偏差度 、 光譜扭 曲程度和平均梯度等影像融合定量評(píng)價(jià)指 標(biāo) ，對 每 種 融合 方法 進(jìn)行 融合 質(zhì)量 評(píng) 價(jià) ．關(guān) 鍵 詞 ： 高 分辨率衛(wèi) 星遙感影像 ；G e o e y e1 ；影像融合 ； 適應(yīng)性 ；質(zhì)量評(píng) 價(jià) 中 圖分 類 號(hào) ：P 2 3 7文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 ：A影像 融合 即把高 空 間分辨 率影像 和 多

4、光譜 影像 融合起 來 ， 它 可 以有效 地把兩 種不 同傳 感 器 的優(yōu)點(diǎn) 結(jié) 合 在一 起 ，提高 對影像 的信 息分 析和 提取 能力 ．由于融 合算 法 的多 樣性 以及 同一 算法 對不 同影像 融合 效果 的多 變性 J ，比較研 究不 同算法 對 同一影像 的適應(yīng)性 ，對 于選 擇恰 當(dāng)?shù)?融合 算 法 至關(guān) 重要 ． 目前 已采 用 的 圖像 融合方 法 ， 基 于像元 的融 合算法 主要 有 副基 于色彩域 的融

5、 合算 發(fā) ( 如 HI S變換 ) 、 基 于空 間頻率 域 的濾 波融合 算法 ( 如 HP F變 換 ) 、 基 于代數(shù) 的融 合算 法 ( 如 P C A 變換 、B r o v e y變換 、加權(quán) 加 法變 換 、乘 法 變換 、比值 變換 、G r a m— s c h mi d t 變換 ) 、基于 信息分 解 的融合 算法 ( 如小 波變 換等 ) 、 基 于統(tǒng)計(jì) 的融 合算法 ( 如 P a n —s h a r p變

6、換 ) ．Ge o e y e 一 1是美 國最 大 的商 業(yè)衛(wèi) 星遙 感 公 司 G e o E y e于 2 0 0 8年 9月 6 日發(fā) 射 的迄 今 技 術(shù)最 先 進(jìn) 、 空 間分 辨率最 高 的商業(yè) 對地成 像 衛(wèi)星 ， 在 相關(guān) 文獻(xiàn) 上很 少 見 到對 Ge o e y e 一 1融 合及 其 效果 評(píng) 價(jià) 的研 究 ，本 文主要 研究 分析各 種融 合算 法對 Ge o e y e 一 1影像 的適 應(yīng)性．1 影 像 融

7、 合 方 法 1 ． 1P e A 變 換 融 合 主成份 分析 ( P C A) 是 在統(tǒng) 計(jì)特征 基礎(chǔ) 上進(jìn) 行 的一種 多維正 交線 性變換 ，稱為 K— L交換 ．對遙 感 圖像 數(shù)據(jù) 進(jìn)行 主成份 變換 ， 首 先需要 計(jì)算 出一 個(gè)標(biāo) 準(zhǔn)變換 矩 陣 ，通過 變換 矩 陣使 圖像 數(shù) 據(jù)轉(zhuǎn) 換 成一 組新 的圖像 數(shù)據(jù)—— 主成份 數(shù)據(jù) ．1 ． 2H P F融 合 HP F ( Hi g hP a s sF i l t e

8、 r高通 濾波 ) 融合 方法 是將 高空 間分 辨率影 像 中的高 頻 信息 ( 細(xì) 節(jié) 、邊緣 ) 提取 出 來 ， 疊 加 到低空 間分辨 率 多光譜影 像 中 J ．對 于 兩景 配 準(zhǔn) 的 ×”大 小 的影 像 ，高通 濾 波 方法 可 以通 過 下 收 稿 日期 ：2 0 0 9 —1 2— 0 9基金項(xiàng) 目：重慶市科委科技項(xiàng) 目( C S T C，2 0 0 9 C B 2 0 1 5 ) ；住房和城鄉(xiāng)建設(shè) 部軟

9、科學(xué)研究項(xiàng) 目、 研 究開發(fā)資助項(xiàng) 目( 2 0 0 9 一 R2 — 2 9 )作者簡介 ：張治清( 1 9 7 1 一 ) ， 男 ， 重慶人 ， 高級(jí)工程師 ， 主要從事遙感與 G I S的應(yīng)用研究1作．第 1 期 張 治清 ，等 ： G EOE Y E 一 1多光譜 與 全 色影像 融合 的適應(yīng) 性及 質(zhì)量評(píng) 價(jià)研 究 2 0 52 ． 3 偏 差 指 數(shù) 偏差 指數(shù) ( D e v i a t i o n ) 定 義為融

10、合波 段 與多光 譜波 段 的差值 的絕對 值與 多光譜 波 段影像 值之 比_ 8 ] ：。 一 砉㈤式中 z (，) 和(，) 分別表示原始多光譜影像與融合影像的像元值． 該指數(shù)用于檢查多光譜影像與融合 影像 之 間的偏差 程度 ， 該 值越 大 ，表示 影像 的融 合質(zhì) 量越差 ．’2 ． 4 扭 曲度指數(shù) 扭 曲度 ( Tw i s t i n g ) 描 述融 合后 影像 相對 于多光 譜 影像 的變形 情況 。 。 ] ，

11、 定 義 為 ：T —_ lZ ( i ，) 一z) l( 5 )式 中 Z ( i ，) 和 Z(， J ) 分 別表示 原 始多 光譜影 像 與融合 影像 的像 元值 ．了 1 增 大說 明光 譜變形 增加 ．2 ． 5 平均梯 度 ，平均梯度能敏感地反映圖像對細(xì)節(jié)的表達(dá)能力] ， 也可用來評(píng)價(jià)圖像 的模糊程度．一幅圖像模糊是指 圖像 中的邊界 和線 條兩側(cè) 附 近圖像 變模 糊 ，即灰 度變 化 率小 了，而 變 化率 的

12、大小 可 以用 梯 度 來表 示．其 計(jì) 算公 式為 ：G一!!!二!±! 』 2： ±!! 』 2 二!!±22( 6 )式 中 ： z(， J ) 為 遙感 影像 的第 i 行 、 第 J列 的灰 度 值 ； M 、N 分別為 遙感 影像 行數(shù) 和列數(shù) ．一 般來 說 ，G越 大 ， 圖像 層次越 多 ， 表 示 圖像 越 清晰．因此 可 以用來 評(píng)價(jià) 融合 圖像 在細(xì)節(jié) 表達(dá) 能力 上 的差 異 ．3

13、 試 驗(yàn) 與分 析 本 研 究 采 用 2 0 0 9年 9月 3日重 慶 市 北 部 新 區(qū) 高新 園 Ge o e y e 一 1多 光 譜 和 全 色 影 像 ，多光 譜 影 像 分 辨率 為 2m，全 色影 像 分 辨 率 為 0 。 5m．披 長 范 圍為 全 色 4 5 0 ～9 2 0n m，藍(lán) 波 段 4 5 0 ～ 5 1 0n m，綠 波 段 5 1 0 ～ 5 8 0n m，紅 波 段 6 5 5 ～ 6 9 0n

14、 m，近 紅 外 波 段 7 8 0 ～ 9 2 0n m．研 究 區(qū)域 地 形 起 伏 較 大 ，地 表 有 植 被 、建 筑 物 、道 路 、水 域 等 多種 復(fù)雜 地 物 ，地 物 類 型 豐 富 ，具 有 典 型性 和代 表性 ．3 ． 1 影 像 融合 利用 已經(jīng) 配 準(zhǔn) 過 的 Ge o e y e 一 1多 光譜 和 全 色影 像 分 別 采 用 P C A 變換 、HP F變 換 、小 波 變 換 、G r a m —s

15、 c h mi d t 變換 和 P a n s h a r p 進(jìn) 行 融合．其 中 P C A 變換 融合 、HP F融合 、小波 變換 融 合在 E r d a s9 ． 0中實(shí) 現(xiàn) ，Gr a m— s c h mi d t 變換融 合在 E NVI4 ． 5中實(shí) 現(xiàn) ， P a n s h a r p融合 在 P C I1 0 ． 2中實(shí)現(xiàn) ．原始 多 光譜 影 像 和融 合 結(jié)果 如 圖 1 ．3 ． 2融合質(zhì) 量評(píng) 價(jià) 1

16、 )定 性評(píng) 價(jià) 該 5種融合 方法 在不 同程 度上 對 Ge o e y e 一 1影像 的空 間信 息都 有一 定 的 改善 ，并保 持 了 光譜信 息 ．從影像 的清晰 度 、 紋 理信 息 和光譜 高保 真度來 看 ， P a n s h a r p融合 效果最 好 ， 其次 是 HP F變換融 合 ，最差 的是 P C A 變換 融合 ．P C A變換 融合 在邊 緣 區(qū)域 區(qū)分 不 明顯 ，且 光 譜 辨 析 度 不 強(qiáng)

17、，該 方 法 對 Ge o e y e 一 1影 像 融 合 效果 欠 佳 ．H P F變換有效地增強(qiáng) 了影像 的邊緣信息， 但影像銳化較為嚴(yán)重 ， 存在顆粒狀噪聲．小波變換融合有效地增 強(qiáng)了空間信息和光譜辨析度 ， 但存在斑塊狀噪聲信息， 在水域邊緣存在過渡不 自然現(xiàn)象．G r a m — s c h mi d t 融 合在高 層建 筑物 種存在 類似 于重影 現(xiàn)象 ．P a n s h a r p 算 法 在增強(qiáng) 空 間信息 的同時(shí)

18、 ，較好 地保持 了光譜信息 ．2 ) 定量評(píng)價(jià) 利用標(biāo)準(zhǔn)差、 信息熵 、 偏差指數(shù)、 扭曲度指數(shù)和平均梯度 5 個(gè)指標(biāo)對 P C A、 HP F 、 小波 變換 、Gr a m— S c h mi t 、 P a n s h a r p5種 融合算 法對 Ge o e y e - 1的 4個(gè)波 段融 合效 果進(jìn)行 定量 評(píng)價(jià) ( 表 1 ) ．標(biāo) 準(zhǔn)差 反 映 了 影 像 的反 差 ，標(biāo) 準(zhǔn) 差 越 大 ，可 辨 析 的 細(xì)節(jié) 信 息