高分一号遥感卫星影像融合及质量评价方法研究

第３８卷第８期　２０１５年８月　

测绘与空间地理信息　

ＧＥＯＭＡＴＩＣＳ＆ＳＰＡＴＩＡＬ　１ＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ　Ｖｏ１．３８，Ｎｏ．８　

Ａｕｇ．，２０１５　

高分一号遥感卫星影像融合及质量评价方法研究　王晓绵　，姜芸　（１．吉林市勘测设计院，吉林吉林１３２０１１；２．东北农业大学资源与环境学院，黑龙江哈尔滨１５００３０）　摘要：遥感技术正在突飞猛进的发展，影像融合技术得到了深入研究，本文在像素级融合的基础上，以高分一　号卫星影像为实验数据源，并用主成分变换、Ｂｒｏｖｅｙ变换、Ｇｒａｍ—Ｓｃｈｉｍｄｔ变换、ＨＳＶ变换等方法，进行试验研究，　并以主客观相结合的方式，对实验结果进行评价，最后得出结论，本文研究成果可对高分一号影像进一步应用提　供借鉴。　关键词：高分一号；影像融合；精度分析　中图分类号：１＇２３７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—５８６７（２０１５）０８—０１７８—０２　

ＧＦ－－－１　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｆｏｒ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　Ｉｍａｇｅ　Ｆｕｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　

ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｍｉａｎ　．ＪＩＡＮＧ　Ｙｕｎ　（１．Ｊｉｌｉｎ　Ｓｕｒｖｅｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉｌｉｎ　１３２０１１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００３０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｎｓｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｂｙ　ｌｅａｐｓ　ａｎｄ　ｂｏｕｎｄｓ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｉｍａｇｅ　ｆｕｓｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｇｅｔ　ｈａｓ　ｉｎ—ｄｅｐｔｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｐａｐｅｒ　ｉｎ　ｐｉｘ—　ｅｌ　ｌｅｖｅｌ　ｆｕｓｉｏｎ　ｏｆ　ｂａｓｅｄ　Ｓｈａｎｇ，ｔｏ　ＧＦ—ｌ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ｉｍａｇｅ　ｆｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｄａｔａ　ｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄ　ｍａｉｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，Ｂｒｏｖｅｙ　ｔｒａｎｓ—　ｆｏｒｍ，Ｇｒａｍ—Ｓｃｈｉｍｄｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＨＳＶ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ｍｅｔｈｏｄ，ｆ０ｒ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ａｎｄ　ｔｏ　ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｐｈａｓｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｏｆ　ｗａｙ，ｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｌａｓｔ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ，ｐａｐｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃａｎ　ｏｎ　ｈｉｇｈ　ｐｏｉｎｔｓ　ｆｌｉｎｔ，ｉｍａｇｅ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｆ－　ｅｒｅｎｅｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＦ一１　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ；ｉｍａｇｅ　ｆｕｓｉｏｎ；ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

０引　言　伴随着科学技术的进步，遥感影像技术也在不断地　发展，获取多源遥感数据的方法不断增多，获取影像的平　台也取得了突破性进展。２０１３年我国独立研究的高分一　号卫星发射成功，高分一号卫星具有服务时间高、稳定性　高、工作效率高的特点，不仅获取影像的覆盖面积大幅度　提高，而且能同时获取空间分辨率高、光谱特征丰富的影　像，使我国不再受其他国外卫星的束缚。遥感影像数据　融合在资源、环境、灾害调查与检测等领域应用前景广　阔，并且已经由学术探讨转到了社会生产阶段…。针对　我国自主研发遥感卫星的实际情况，需要更多的学者探　索研究，丰富和完善图像融合理论，因此，开展高分一号　卫星的影像融合及评价方法研究具有重要的现实意义。　

１融合的基本原理　影像融合可以分为像素级图像融合、决策级图像融　合、特征级图像融合三个层次。本论文所研究的融合方　

法是基于像素级融合层次上的，以主成分变换、Ｂｒｏｖｅｙ变　换、Ｇｒａｍ—Ｓｃｈｉｍｄｔ变换、ＨＳＶ变换为主要研究对象。　１．１　融合的基本原理　１）主成分变换（ＰＣＡ变换）　主成分分析法可去除相关因子对图像的影响，进行　主成分分析变换，首先需要一个变换矩阵：　Ｑ＝ＹＷ　（１）　式中，　为原多光谱影像波段的像素值向量，Ｑ为经过　Ｋ—　变换后所产生的每个主成分像素值向量，ｙ为主成分　变换向量。　主成分像素值Ｑ的协方差矩阵∑Ｑ：　ｆ，Ａ１　０　０］　∑Ｑ＝１　０　．０　ｌ　（２）　０　ｏ　Ａ　／ｌ　

式中，Ａ。，Ａ　，…，Ａ　为原始多光谱影像协方差矩阵特　征向量，任何波段的协方差矩阵都互不相关，各主成分之　间不存在信息的相关。　

收稿日期：２０１５—０５—２２　作者简介：王晓绵（１９６８一），女，河北昌黎人，高级工程师，本科学历，主要从事城市工程测绘、基础地理测绘、地理信息系统工程工作。　第８期　王晓绵等：高分一号遥感卫星影像融合及质量评价方法研究　１７９　２）Ｂｒｏｖｅｙ变换融合　Ｂｒｏｖｅｙ变换是多光谱图像的　个波段经过归一化后，　与高分辨率图像进行乘积运算的融合方法。　ｆ　Ｂｌ／ＢＩ＋曰２＋…＋Ｂ　】×Ｄ＝Ｂｌ—ｉ＇ｌ，ｅｗ　【Ｂｎ／Ｂｌ＋Ｂ２＋…＋Ｂ　】×Ｄ＝Ｂｎ一几ｅ　（３）　式中，Ｂｎ（１７，＝１，２，３…）为多光谱波段，Ｄ为高分辨率波　段，Ｂｎ—ｎｅｗ为融合后波段。　３）Ｇｒａｍ—Ｓｃｈｉｍｄｔ（ＧＳ）变换法　经过ＧＳ变换后的遥感图像，仅仅是对遥感图像进行　正交变换，经过这种方法变换后图像的各个分量的信息　没有改变。　４）ＨＳＶ变换融合　ＨＳＶ变换是先将多光谱影像进行彩色变换，分离Ｈ｛　色度（Ｈ）、饱和度（５）、亮度（Ｖ）分量；然后，将高分辨率　全色影像与分离的亮度分量进行直方图ｐ１；配；最后，将分　离的色度和饱和度分量与匹配后的高分辨率影像按照　ＨＳＶ反变换，进行彩色合成。　１．２影像融合质量评价方法　１）主观定性的评价方法　主观评价方法，是指由判别者直接用眼睛按照自己　的意志对融合后的图像进行评估，根据判别者的视觉感　受，运用统计结果和融合图像的效果进行判别。　２）客观定量评价方法　客观评价方法大致可以分为两类，一是单因素指标　评价，包括图像的均值、标准差、信息熵、清晰度等。另一　个是综合评价指标，包括相关系数、偏差指数等。　２实验资料获取与处理　本实验以黑龙江省伊春市的８　ｍ多光谱和２　ｍ全色　高分一号影像为实验数据。对高分一号卫星影像的全色　和多光谱影像分别进行了几何纠正，均采用西安８０坐标　系和高斯一克吕格投影，采用双线性内插法的重采样方　法，影像均采用３，２，１波段合成。　３　结果分析　本文分别对高分一号多光谱影像和全色影像进行主　成分变换、Ｂｒｏｖｅｙ变换、ＧＳ变换和ＨＳＶ变换，并通过主观　和客观相结合的方法对融合后的影像进行质最评价。　１）主观评价分析　从图ｌ可以看ｆｆ｛，在光谱特性方面，主成分变换和ＧＳ　变换最大限度地保持了原有图像的多光谱特性。本文采　用的方法均达到了空间分辨率增强的目的，清晰度也有　所改进。其中，主成分变换和ＧＳ变换比Ｂｒｏｖｅｙ变换和　ＨＳＶ变换的影像质量（光谱保真度）要高，Ｂｒｏｖｅｙ变换尽　管也提高了空间分辨率，但光谱失真最为严重，而主成　分、ＧＳ变换融合效果差异不大。　

（ｒ）ＧＳ变换局酃被人　（ｆＩ】｝ｌ　Ｖ变换　ａ齐Ｉ；牧人　图１　高分一号影像融合结果局部放大图　Ｆｉｇ．１　ＧＦ一１ｉｍａｇｅ　ｆｕｓｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｃａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　２）客观评价分析　为了能够较为客观地对融合后的影像质量进行定量　评价，本文选取信号、光谱特征、边缘强度等指标，对融合　结果进行定量比较，结果见表ｌ、见表２。　表１　高分一号不同融合算法单因素指标分析　Ｔａｂ．１　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｕｓｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｓｉｎｇｌｅ—ｆａｃｔｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＧＦ一１　ｉｍａｇｅ　

（下转第１８２页）　ｌ　８２　测绘与空间地理信息　２０１５鼻　图２地貌晕渲图分层设色　Ｆｉｇ．２　Ｈｉｌｌ—ｓｈａｄｉｎｇ　ｍａｐ　ｌａｙｅｒｅｄ　

位置指向明确，并符合制图【ｘ＝域的地理特征，使之达到相　关标准规范要求，并进行图廓整饰，达到制图数据所要求　的效果。　制图数据完成之后，通过制图软件加载生成好的地　貌晕渲　，使地貌晕渲　叠加在制图数据下面。通过叠加　地貌晕渲图不仅增强了制图数据的表现力，更好地反映　除了制图区域内的地貌特征，而且增强了制图区内的美　观度，更能直观地反映出区域特征。最后通过制图软件　对数据进行输出。　４结束语　利用Ｇｌｏｂａ！Ｍａｐｐｅｒ，Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ软件生成地貌晕渲图，　能够直观准确地反映出整个制图Ⅸ域内的地貌特征，弥　补了制图数据中某些区域缺少等高线的不足。通过对制　图数据叠加地图晕渲图增强了地图的表现力、美观度和　信息载负量。　参考文献：　［１］　朱国珍．基于ＤＥＭ的地貌晕渲地图的制作——以辽宁　省　维立体仿真地势图为例［Ｊ］．中国地名，２００７（２）：　７４—７５．　［２］　史保勇，李雪梅．大比例地貌晕渲的集中制作方法及比　较［Ｊ］．地理空间信息．２００７，５（４）：９９—１０１．　［３］　郭礼珍，李霖，张园玉．基于视觉表象的彩色晕渲地网彩　色设计［Ｊ］．武汉大学学报：信息科学版，２００４，２９（６）：　４９２—４９５．　［编辑：任亚茹］　

（上接第１７９页）　从表ｌ和表２中可以看　：　１）融合影像灰度各平均值越接近原始多光谱影像　的．则影像的光谱畸变越小，主成分变换和ＧＳ变换光谱　畸变最小，与主观定性的结论一致，且主成分变换比ＧＳ　略好一点，Ｂｒｏｖｅｙ变换光谱畸变最大。　２）ＧＳ变换略大于主成分变换，Ｂｒｏｖｅｙ变换标准差最　小，影像质量差。　３）ＧＳ变换方法信息熵最大，主成分变换其次，Ｂｒｏｖｅｙ　变换最小。　４）综合各个波段平均梯度的平均值来看，Ｂｒｏｖｅｙ平　均梯度最大，ＨＳＶ次之，最小的是主成分变换。　５）光谱相关系数反映了融合影像与原多光谱影像光　谱的相似程度，其值越大，与原始多光谱越接近。ＧＳ变换　的值最大，其次是主成分变换，ＨＳＶ变换最小。　６）偏差指数反映了融合影像与原始多光谱影像光谱　特征变化的程度。从表中可以明显看｝ｆ｜，ＧＳ变换偏差指　数值最小，其次是主成分变换，Ｂｒｏｖｅｙ变换值最大。　综合以上指标可以得出结论，ＧＳ变换对于高分一号　全色和多光谱影像融合效果最好。　４　结束语　日前，中高分辨率全色遥感影像与低空间分辨率多　光谱影像融合是目前影像融合技术的主流。高空间分辨　率影像数据的多样性和复杂性对遥感信息融合处理技术　提出了新的更高的要求。本文通过对遥感影像融合４种　方法的研究，以高分一号卫星获取的影像进行融合试验，　结果是以主观定性和客观定量相结合的方式对影像进行　的评价。本文没有在特征级、决策级的层次上进行试验；　在评价过程中，只选取了主、客观方法相一致的评价指　标，具有一定局限性，今后还需要在此方面进行深入　研究。