遙感圖像融合質(zhì)量評價方法

1、遙感圖像融合質(zhì)量評價方法武 堅 李崇偉王積武 李相全(68011部隊 甘肅 蘭州 730020)摘 要：圖像融合可為攝影測量與遙感提供高質(zhì)量的遙感融合圖像。遙感融合圖像質(zhì)量如何是圖像使用者關心的一個重要問題。本文運用主觀評價、客觀評價、幾何質(zhì)量等三種評價方法對融合后的遙感圖像的質(zhì)量展開討論。實踐表明這些評價方法能夠保證融合后圖像高質(zhì)量地應用于攝影測量與遙感生產(chǎn)。關鍵詞：主觀評價 客觀評價 幾何質(zhì)量 質(zhì)量評價1前言攝影測量與遙感1是以數(shù)字影像為基礎，來確定被攝物體的形狀、大小、空間位置及其性質(zhì)。遙感圖像是攝影測量與遙感最原始、最基本的資料。高質(zhì)量的遙感圖像是完成攝影測量與遙感的基礎。遙感影像融合

2、2是將多傳感器、多時相、多光譜和多分辨率影像的各自局部優(yōu)勢信息整合處理，以提供高分辨率、多光譜的單一圖像，解決遙感影像解譯過程中信息不足的問題。由此看出，圖像融合可以為攝影測量與遙感提供高質(zhì)量的遙感影像。2圖像融合的評價方法當前對融合后圖像的質(zhì)量評價主要是主觀目視與統(tǒng)計相關信息參數(shù)相結(jié)合的辦法，即：利用目視效果和信息熵、清晰度、平均梯度、偏差指數(shù)、均方根誤差等參數(shù)統(tǒng)計分析，而對融合后圖像的幾何量測性則關注較少。對于攝影測量與遙感應用，幾何精度是一個很重要的因素。本文結(jié)合攝影測量與遙感應用角度，來對分析融合后圖像的質(zhì)量做出評價。站在通用圖像處理角度，目前大多數(shù)對影像質(zhì)量評價分為主觀評價和客觀評價

3、，并結(jié)合起來使用。主觀評價是通過目視觀察進行分析，客觀評價是利用圖像的統(tǒng)計參數(shù)進行判定。嚴格意義上講，融合圖像的主客觀評價應該是一致的，即圖像的統(tǒng)計參數(shù)特征應該符合人眼的目視感覺。但由于遙感圖像融合具有特殊性，它不僅僅要求提高融合圖像的空間分辨率，而且要盡可能制約2。因此，對遙感融合圖像的質(zhì)量評價，應綜合考慮空間細節(jié)的增強和光譜保持原始圖像的光譜特征。此外，這兩個要求在很大程度上是不太相容，相互信息的保持兩個方面，利用圖像的統(tǒng)計參數(shù)結(jié)合目視觀察來分析與評價。對于攝影測量與遙感而言，影像的幾何質(zhì)量（影像的可量測性）是很重要的一個因素，它將決定融合圖像能否達到數(shù)字地形圖生產(chǎn)的精度限差4。因此，從主

4、觀、客觀、幾何質(zhì)量等三個方面對做出質(zhì)量評價可以保證融合后圖像高質(zhì)量地應用于攝影測量與遙感生產(chǎn)。2.1融合影像質(zhì)量的主觀評價主觀評價5是以人作為觀察者，對影像的質(zhì)量做出主觀定性評價。由于人眼對色彩具有強烈的感知能力，使得對光譜特征的評價是任何其他方法所無法比擬的。因此，通過主觀定性評價，基本可以確定融合方法的可用性。主觀方法評價影像的質(zhì)量受不同的觀察者、影像的類型、應用場合和環(huán)境條.件的影響較大。主觀質(zhì)量評分法是具有代表性的主觀評價方法。它是通過對觀察者的評分來判斷影像質(zhì)量。評分的步驟是先用某些原始標準影像建立質(zhì)量等級標準，然后由觀察者觀看被評價的影像，并于標準影像等級做出比較，得出被評價影像的

5、等級，如分為：優(yōu)秀、良好、中等和差四個等級。實際中，主觀評價的具體做法是提交融合后圖像給經(jīng)驗豐富、長期從事攝影測量與遙感的一線作業(yè)人員來評價。由于長期以來他們以全色光學影像作為作業(yè)對象，因此，對融合后影像所同時具有的高分辨率和多光譜特征能夠欣然接受。加之，以前對地物、地貌的解讀以形狀、大小、色調(diào)、陰影、紋理、位置和活動等七種特征1作為解釋與量測目標的依據(jù)，而對光譜特征則關注較少，因此，當融合圖像中包含了光譜信息后，目視效果柔和，地物、地貌信息特征明顯，地物判 讀相比單一全色影像容易，因此，主觀評價總體為優(yōu)良。2.2融合影像質(zhì)量的客觀方法評價采用影像的主觀評價法會不同程度地受到人類主觀因素的影響

6、?？陀^評價能夠克服主觀因素的影響，對融合影像的各種性能做出定量的評價。從遙感圖像分析和應用的角度，可運用信息熵、平均梯度、偏差度和均方根誤差等統(tǒng)計參數(shù) 2對融合圖像的質(zhì)量進行評價。（1）圖像信息量增加程度：信息熵信息量增加是圖像融合最基本的要求。圖像的信息熵是衡量信息量增加大小的重要參數(shù)，值越大，則該圖像中所含信息越豐富?？梢酝ㄟ^融合前后圖像信息熵的變化來反映，圖像信息熵的含義為圖像的平均信息量，其表達式為： N (1-1) I=-P(i)log(P(i)i=0N為像元值范圍其中P(i)為某像元值i在圖像中出現(xiàn)的概率，（一般為0255）。（2）圖像質(zhì)量改進的清晰程度：平均梯度在圖像清晰度方面，

7、平均梯度是其主要的衡量參數(shù)，反映了圖像微小細節(jié)反差變化的速率。平均梯度值越大，圖像越清晰。其公式為：G=1MNxfi-1j-1MN(i,j)2+yf(i,j)2 1 (1-2)式中xf(i,j)，yf(i,j)分別為像元(i,j)在x,y方向上的一階差分。（3）光譜信息的繼承程度：偏差指數(shù)利用偏差指數(shù)可以反映融合圖像與原始圖像在光譜信息上的匹配程度。例如，高空間分辨率影像A與多光譜影像B進行融合生成影像C，偏差指數(shù)定義為融合后圖像C與原始圖像B插值的絕對值與原始圖像B的影像值的比值，其公式為：C(i,j)-B(i,j)1 (1-3) D=MNB(i,j)MNi-1j-1如果偏差指數(shù)D較小，則說

8、明融合后的影像C在提高了空間分辨率的同時，較好地保留了多光譜影像B的光譜信息。（4） 融合效果的評定：均方根誤差在與原始圖像的相似度方面，均方根誤差是其直接反映。均方根誤差（RMSE）越小，說明融合效果相對越好。融合影像F和標準參考影像R間的均方根誤差定義為：(RRMSE=i=1j=1MNi,j-Fi,j)2(1-4)MN在影像質(zhì)量的客觀評價中，信息熵、平均梯度、偏差指數(shù)和均方根誤差等參數(shù)從不同角度定量地考慮了影像的融合質(zhì)量。采用上述四個參數(shù)指標對TM多光譜影像和SPOT5 Pan影像的融合后圖像進行參數(shù)統(tǒng)計定量分析，結(jié)果如表3.1所示：參數(shù)統(tǒng)計指標分析：IHS、小波融合法相比較，總體來說小波

9、融合法好，IHS法差。加權(quán)變換、PCA變換融合法與IHS、小波融合法相比較：偏差指數(shù)在增大，說明光譜保持上略有遜色；信息熵在提高，說明信息量增強；平均梯度大于IHS融合法說明空間分辨率在提高；從均方根誤差角度講，也在提高。綜合比較，加權(quán)變換、PCA變換融合法不如小波變換，與IHS相比各有特色。2.3 融合影像質(zhì)量的幾何質(zhì)量評價影像的幾何質(zhì)量表達了影像能正確恢復（量測）原始景物形狀的能力，幾何質(zhì)量的優(yōu)劣決定了數(shù)字影像能否應用于攝影測量與遙感。幾何質(zhì)量的評價3可以通過統(tǒng)計影像上一定數(shù)量檢測點和線段的誤差來描述，誤差值的獲取可以通過實地量測，也可以通過與基準影像比較獲得。其基本原理為：在基準影像上選

10、擇均勻分布的一組檢測點，利用人工判讀或算法匹配，在被檢測影像上找到相應的同名像點，被檢測影像的幾何質(zhì)量可用下式描述：xi=xi-x'iyi=yi-y'i1nx=xini=11nyiy=ni=1(1-5)其中xi、yi表示檢測點在x、y方向上的誤差；x、y表示被檢測影像在x、y方向的平均誤差?；鶞视跋竦倪x擇既可以是未經(jīng)處理前的影像，如更新前的原始影像，也可以是比被檢測影像精度更高的影像。檢測時，待檢測點應均勻分布在基準影像與被檢測影像上，盡量保證在影像的各主要位置（例如四角和中央）都有檢測點存在，但并不一定要求檢測點之間等距。因為對更新后的影像進行幾何質(zhì)量檢測時，如果要求待檢測點

11、呈現(xiàn)等距分布，則往往因地物特征發(fā)生變化而無法在被檢測影像上找到正確的同名像點。實驗中以原始SPOT5 Pan影像為基準，選取15個分布均勻的、非特征位置的點位，配準到多光譜TM影像和融合后影像上。分別統(tǒng)計全色影像上點位與TM影像以及融合后影像上點位存在的偏差，將各個點位的中誤差值列表來檢驗融合影像的幾何質(zhì)量。表4.1列出了各種方法的點位中誤差統(tǒng)計（單位為像素）：表4.1 融合結(jié)果與原始影像中誤差統(tǒng)計表可以看出，四種融合方法的融合后圖像在x方向和y方向的中誤差都在1個像素以內(nèi)。由此說明，所采用的融合方法所得結(jié)果的幾何質(zhì)量是可靠的，能夠保證攝影測量與遙感的數(shù)據(jù)采集要求。3小結(jié)遙感融合圖像作為一種產(chǎn)

12、品，對其進行質(zhì)量評價是圖像使用者關心的一個重要方面。由于多源遙感圖像融合因涉及到不同數(shù)據(jù)源，不同的數(shù)據(jù)獲取方式和不同的圖像融合方法，因而對融合結(jié)果的評價也是復雜的。因此，對融合的遙感影像的質(zhì)量評價是一個復雜的過程。本文針對攝影測量與遙感生產(chǎn)的應用，從主觀、客觀、幾何質(zhì)量等三個方面展開質(zhì)量評價，效果優(yōu)良。在實際生產(chǎn)中，將青海某地區(qū)的SPOT5多光譜影像和其全色影像融合試驗，融合后圖像應用到全數(shù)字攝影測量工作站，所采集的成果滿足相關技術指標。主要特點：融合后的圖像具有高空間分辨率和多光譜特征，生成立體明顯，目視效果優(yōu)于全色影像，地物判讀容易，數(shù)據(jù)采集速度明顯提高，應用融合圖像所采集的DEM、DLG

13、和DOM產(chǎn)品，精度符合成圖要求，作業(yè)效率整體得到提高。實踐表明，融合圖像經(jīng)過上述質(zhì)量的監(jiān)控，能夠為攝影測量與遙感提供高質(zhì)量的遙感圖像，滿足數(shù)字地形圖生產(chǎn)的需要。參考文獻：1張保明,馬秋禾.攝影測量與遙感M.北京:解放軍出版社，2008,4(1).13.2翁永玲,田慶久.遙感數(shù)據(jù)融合方法分析與評價綜述.遙感信息,2007,3：4954.3王昱，胡莘，張保明.數(shù)字影像質(zhì)量評價方法研究.測繪通報,2008,5：79.4張祖勛，張劍清.數(shù)字攝影測量M.武漢:武漢測繪科技大學出版社,2006，6.62165,175210.5覃征,鮑復民等.多傳感器圖像融合及其應用綜述,微電子學與計算機,2009, 21

14、(4).15.The Method of Quality Evaluation of Fused RS ImageWU Jian,LI Chong-wen, WANG Ji-wu, LI Xiang-quan（68011 troop,lanzhou,730020,China）Abstract: Image fusion can provide RS fused image with higher quality for photogrammetry and remote sensing. As a product to remote-sensing image, its quality is an important problem to users. This paper discusses the quality of fused RS image using three evaluation methods of subjective evaluation, objective evaluation and geom