landsat7etm＋影像像素級融合方法研究

1、 第 5期 2 0 1 0年 l 0月礦 山測 量 M I NES URVE YI NGNO ． 50c t ． 2 0l 0d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1— 3 5 8 X ． 2 0 1 0 ． 0 5 ． 0 0 1囤 L a n d s a t7E T M+ 影像像素級融 合方法 研究水魏 冠 軍 ， 黨 亞民 ． f 。 章傳銀 ，( 1 ． 蘭 州交 通 大學(xué)

2、， 甘 肅 蘭州 7 3 0 0 0 0； 2 ． 山 東科 技 大學(xué) ， 山 東 青 島 2 6 6 5 1 0 ；3 ． 中 國測繪 科 學(xué)研 究 院 ， 北 京 1 0 0 0 3 9 )摘要 ： 文 中在研 究 遙感 影像 像 素級 融合 算 法 的基 礎(chǔ)上 ， 采 用 I H S 、 P C A、 B r o v e y 、 H P F及 Wa v e l e t 五種 遙 感影 像像 素 級 融合 方 法對 E T M +數(shù)

3、 據(jù) 的 多光 譜 與 全 色影 像 進(jìn) 行 融 合 實驗 ． 并從 融 合 影 像 的 光譜 質(zhì) 量 、 信 息損 失 、 對 比度扭 曲 、 空 間分 辨 力幾 個方 面進(jìn) 行 比較 分 析 。 結(jié)果 表 明 。 五 種 融合 方 法都 有 效 的 提 高 了影像 的 空間 分辨 率 ， 但在 一 定程 度上 I H S 、 P C A、 B r o v e y融 合影 像 光 譜 信 息較 原 始影 像 存在 一 定的 失 真 。

4、Wa v e l e t 融合 法 和 H P F融合 法在 信 息 量 和 光譜 保 真性 方 面較 好 。在 兼 顧 光譜 信 息和 空 間 信 息 綜 合 效 應(yīng) 的 基 礎(chǔ) 上 ， 認(rèn) 為 H P F 融 合 法 是 E T M + 多光 譜 與 全 色數(shù) 據(jù) 最 佳 的 融 合 方 法 。關(guān) 鍵詞 ：E T M +； 像 素 級 融合 ； I H S融合 ；Wa v e l e t 融 合 ；H P F融合 中圖 分類 號 ：

5、 P 2 3 7文 獻(xiàn)標(biāo) 識 碼 ： B文 章編 號 ： 1 0 0 l 一3 5 8 X( 2 0 1 0 ) 0 5— 0 0 0 5— 0 4遙 感 影 像 數(shù) 據(jù) 的 融 合 對 于 利 用 影 像 進(jìn) 行 的 分 類 、 特征 提 取 、 目標(biāo)識 別 以及大 規(guī) 模 遙 感 應(yīng) 用 具 有 十 分 重要 的意 義 。從 8 O年 代 開始 D a i l yM 等 ¨把 雷 達(dá) 圖像 ( S I R—A ) 和 L

6、a n d s a t —MS S的融 合 圖像 應(yīng) 用 于地 質(zhì)解 譯 ： L a n e rDT等 進(jìn) 行 了 L a n d s a t —R B V 和 MS S立 體 圖像 的融 合 ． 并將 數(shù) 據(jù) 用 于 土地 覆 蓋 制 圖。一 些 學(xué)者 針 對 E T M +， S P O T， I K O N O S ， Q U I C K — B I R D等多 分辨 率 傳感 器 的全 色 與多 光 譜 影像 進(jìn) 行 融合 研

7、究 已經(jīng)提 出了 十多種 不 同 的像 索 級 融 合方 法 。但 是 ． 不 同融合 方法 所 獲得 的 融合 圖像 質(zhì) 量 差 異 懸 殊 。缺乏 對選 用 合 適 融 合 方 法 的 理 論 指 導(dǎo) 。此 外 ， 實 際 中 只能依 賴 于 操 作 者 的經(jīng) 驗 來 選 擇 ， 這 些 問 題 制 約 著 遙感 融 合技 術(shù) 在實 際應(yīng) 用 中 的發(fā)展 。E T M +數(shù) 據(jù)廣 泛 應(yīng) 用 于 農(nóng)業(yè) 、 林 業(yè) 、 礦產(chǎn) 資源 調(diào)

8、 查 、 土 地 利用 與制 圖 、 環(huán) 境 監(jiān)測 等 領(lǐng) 域 。E T M +的全 色波 段與 多 光 譜 波 段 的影 像 獲 取 時 間 一 致 ， 有 相 同 的太 陽高 度 角 和 其 它 環(huán) 境 條 件 ， 兩 種 不 同 分 辨 率 的 數(shù)據(jù) 可 以不經(jīng) 配 準(zhǔn)而 實現(xiàn) 高精 度 融 合 。鑒 于 E T M +數(shù) 據(jù)在 空 間 、 光 譜 分 辨 率 和 信 噪 比等 方 面 所 具 有 的 優(yōu) 勢 ， 文 中 以 L

9、a n d s a t 7E T M + 數(shù) 據(jù) 為 例 ， 采 用 5種 不 同的像 素 級融 合算 法 對 L a n d s a t 7E T M 十全 色 和多 光 譜 數(shù)據(jù) 進(jìn) 行融 合 實驗 ， 并從 定 性 和定 量 兩個 方 面對 5種 融合 圖 像進(jìn) 行 分 析 比較 ， 探 討 適 用 于 E T M +影 像 基 金 項 目 ： 國 家 高 科 技 研 究 發(fā) 展 ( 8 6 3 ) 計 劃 ( 2 0 0 7 A

10、 A 1 2 Z 3 4 6 l的最 佳融 合方 法 ， 以期 充 分 利 用 L a n d s a t7E T M +的 全 色 高分 辨 率 和 多 光譜 特 性 ， 為 挖 掘 L a n d s a t 7E T M+的數(shù)據(jù) 應(yīng) 用潛 力 奠 定 基礎(chǔ) ． 進(jìn) 一 步 提 高 E T M +在 多個領(lǐng) 域 的廣 泛應(yīng) 用 。1像 素級 融 合方 法 簡介 一 般 而言 ， 按 照融 合 的水 平 及 特點 ， 遙 感 圖像 融

11、 合 可 以分 為 像 素 級 、 特 征 級 和 決 策 級 三 個 層 次 。像 素 級融 合 能 夠 保 持 盡 可 能 多 的原 始 數(shù) 據(jù) ， 提 供 其 他 融合 層 次不 能提 供 的細(xì) 微 信 息 ， 具 有最 高 的精 度 ，廣 泛應(yīng) 用 于圖像 增 強 、 變化 檢 測 和 圖像 分 類 等 領(lǐng) 域 。應(yīng) 用 于本 文 的像素 級 影像 融 合方 法包 括 以下五 種 。1 ． 1B r o v e y融 合 法 B

12、 r o v e y 融 合 是 由美 國科 學(xué) 家 R ． L ． B r o v e y建 立 模 型并 推 廣 而 得 名 ， 其 算 法 是 將 多光 譜 影像 空 間 分 解 為 色 度 和 亮 度 成分 ， 并 進(jìn) 行 計 算 ] 。B r o v e y融 合 法 的 表達(dá) 式如 下 ：1B a n d i ：x s i ／ ( 二 ∑X S i )×P A N， 正i式 中 ： B a n d i 為融 合后

13、圖像 第 i 波 段 當(dāng)前 像 元 的 灰 度值 ： X S i 為 多光 譜 圖像第 i 波 段 對 應(yīng)像 元 的灰 度 值 ； P A N為 高分辨 率 圖像 全 色 波 段 對 應(yīng)像 元 的灰 度 值 。其 特 點是 簡 化 了影 像 轉(zhuǎn) 換 過 程 的 系 數(shù) ， 在 增 強 影像 的同 時保 持 了原 多光譜 影 像 的光譜 信 息 。1 ． 2P CA 融 合 法 主成 份變 換 ( P C A) [ 73 又被 稱作 K—

14、I變 換 ， 是在 5第 5期 魏 冠 軍 等 ： L a n d s a t7E T M +影 像 像 素級 融合 方 法研 究 ’2 0 1 0年 l 0月圖 l全 色 圖像 圖 2多光 譜 圖 像 圖 3I H S融 合 圖 像 圖 4P C A 觸 合 圖 像 圈 5B r o v e y融 合 圖像 3融 合結(jié) 果的 比較 與分 析 影像 融 合 的一個 重要 步驟 就 是 對 融合 的效 果 進(jìn) 行 評 價 ， 由于

15、影像 融合 目的不 同 ， 影 像 融 合 的評 價 沒 有 固定 的 模 式 ， 一 般 可 分 為 主 觀 評 價 和 客 觀 評 價 。主觀評 價是 通 過 目視 判 讀 為 主 ， 目視判 讀 是 一 種 簡 單 、 直接 的評 價方 法 。 可 以根據(jù) 影 像 融 合前 后 的對 比 做 出定性 評 價 ， 缺 點是 因人而 異 。 具 有 主 觀性 和不 全 面性 ?？陀^ 評 價是 利用 影 像 的 統(tǒng)計 參 數(shù) 進(jìn) 行 判

16、 定 ?？?以彌 補主 觀評 價 的不足 。3 ． 1客 觀 評 價 根據(jù) Wa l d等 人¨· ”提 出 的融 合 圖像 評價 標(biāo) 準(zhǔn) ．本 文采用 4個 統(tǒng)計 標(biāo) 準(zhǔn)從量 上 對 融 合方 法 進(jìn) 行 綜合 比較 。這 4個 統(tǒng) 計 指 標(biāo) 參 數(shù) 分 別 是 ： 熵 、 聯(lián) 合 熵 、 相 對無 量綱 的全 局誤 差 以及通 用 圖像質(zhì) 量 指標(biāo) 。3 ． 1 ． 1 熵 和聯(lián)合 熵 本文采 用 熵和 聯(lián)合

17、熵對 圖 像 的融 合 效 果 進(jìn)行 定 量分 析評 價 。熵 是 信 息 度 量 的一 種 尺度 ， 影 像 的熵 是衡 量影像 信 息豐 富程 度 的一 個 重 要指 標(biāo) 。因 此通 過對圖像信息熵的比較可以對 比出圖像的細(xì)節(jié)表現(xiàn) 能力 。若融 合 圖像 的熵 越 大 ， 則 表示 融 合 圖 像 的信 息 增加 。 且 融合 圖像 所含 的 信息 越 豐 富 ， 融 合 質(zhì)量 越 好 。根據(jù)香 農(nóng) ( s h a n n o n

18、) 信息 論 的原 理 ， 一 幅 以 8比 圖 6Wa v e l e t 融 合 圖 像 圖 7HP F融 合 圖像 特位表 示 的 圖像 X的熵 為 H( x ) ，同理 三個 波段 的聯(lián) 合熵 為 H(，： ，) ， 公式如 下 ：2 5 5日 ()： 一∑PL 。 g ： P2 5 5H ( x，) = 一∑P a l 2 1 3 L o gP： i ，式 中 ： P為 圖像 上像 元 亮度值 為 的概 率 。為客 觀定量

19、地 評 價 各 種 融 合 方 法 效 果 。 對 原 始 E T M +影像 與融 合 的影像 的熵 與聯(lián) 合熵 統(tǒng)計 見 表 1 。從 表 l可 以看 出 ， 無論 采用 那 種方 法 進(jìn) 行融 合 ， 融 合 影 像各 分量 的熵 值都 比未 經(jīng) 融合 處理 的原 多波 段 影 像 的熵 值 大 ， 說 明 了 5種 融 合 方 法 都 能使 影 像 的 信 息 量增 加 。表 1原 始 E T M +影 像 與 5種 融 合 影

20、 像 的 熵 與聯(lián) 合熵 對 比 表 熵 25 ． 6 8 07 ． 9 0 87 ． 8 3 17 ． 5 3 67 ． 9 4 57 ． 9 9 636 ． 2 8 17 ． 8 9 37 ． 8 5 77 ． 2 5 87 ． 9 3 87 ． 9 4 045 ． 2 8 07 ． 8 0 77 ． 8 3 67 ． 6 3l7 ． 9 0 27 ． 9 5 8聯(lián) 合熵 1 4 ． 0 8 91 7 ． 9 3 31 7 ．