數(shù)字圖像處理

遙感影像融合的方法

一．引言一般地,多光譜圖像的光譜分辨率較高,但空間分辨率比較低,即空間的細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力比較差;全色光學(xué)圖像具有高空間分辨率,但光譜分辨率較低。因此,人們將具有低空間分辨率的多光譜圖像和具有高空間分辨率的全色光學(xué)圖像進(jìn)行融合,使融合后的多光譜圖像具有較高的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力且同時(shí)保留多光譜圖像的光譜特性。

影像融合的目的主要是為了利于測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)的判讀更新，影像要清晰，對(duì)比度好，信息豐富，那么如何有效將獲取的全色影像和多光譜影像融合及影像增強(qiáng)，使得融合后的影像具有較高的紋理細(xì)節(jié)辨識(shí)能力？二．遙感影像融合的主要方法

測(cè)繪地理信息項(xiàng)目生產(chǎn)中普遍采用的影像融合方法主要是基于像素級(jí)的影像融合方法，各融合方法特點(diǎn)簡(jiǎn)要介紹如下：1．HCS融合算法最開(kāi)始專門(mén)為8波段worldView-2衛(wèi)星而設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)對(duì)3個(gè)以上、不多于8個(gè)波段進(jìn)行融合，融合結(jié)果能很好地保持原始多光譜影像的光譜信息；2.高通濾波融合方法（HPF）是用高通濾波器算子提取出高分辨率圖像的細(xì)節(jié)信息，然后簡(jiǎn)單的采用像元相加的方法，將提取出的細(xì)節(jié)信息疊加到低分辨率圖像上，這樣就實(shí)現(xiàn)了多光譜的低分辨率圖像和高分辨率全色圖像之間的數(shù)據(jù)融合；3.IHS變換可以把圖像的亮度、色度和飽和度分開(kāi)，圖像融合只在亮度通道上進(jìn)行；4.主成分變換法（PCA）是在遙感影像統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)上進(jìn)行的多波段影像正交線性變換；5．Subtractive融合算法能夠保留多波段(MS)影像顏色的同時(shí)，保留單波段（PAN）影像的紋理信息。6.小波變換法(Wavelet)是通過(guò)小波變換對(duì)變換區(qū)實(shí)現(xiàn)分頻，在分頻基礎(chǔ)上進(jìn)行遙感影像的融合；7.超分辨率貝葉斯法（Pansharp）及改進(jìn)算法ansharp2）是通過(guò)合并高分辨率的全波段影像（PAN）增強(qiáng)多波段影像的空間分辨率的一種影像融合技術(shù)，此種算法要求全波段影像和多波段影像同平臺(tái)、同時(shí)間（或時(shí)間間隔很短）獲得。三．融合影像

選擇含有水系、居民地、道路、植被和沙漠等要素的典型區(qū)域用主要基于像素級(jí)融合算法進(jìn)行影像融合。其效果如圖1所示。四.基于IHS變換、小波變換與高通濾波的遙感影像融合1.小波變換小波變換是圖像的一種多分辨分析方法,具有把圖像分解為不同頻率通道的算法與重構(gòu)算法,能以有效的信號(hào)表示方式來(lái)處理非平穩(wěn)信號(hào),已成為信號(hào)分析處理的一種強(qiáng)有力的工具。一般地,小波變換法就是,用高空間分辨率的全色圖像的細(xì)節(jié)分量替代低空間分辨率的多光譜圖像的細(xì)節(jié)分量,然后對(duì)多光譜圖像的小波系數(shù)進(jìn)行小波反變換,得到增強(qiáng)的多光譜圖像。由于小波變換法直接舍棄了全色圖像的低頻分量,即用多光譜圖像的低頻部分去替代全色圖像的低頻部分,因此,在增強(qiáng)結(jié)果中容易出現(xiàn)分塊效應(yīng),同時(shí),在一定程度上損失了全色圖像的細(xì)節(jié)信息,且其程度與小波分解的階數(shù)有關(guān),也就是,階數(shù)越低,細(xì)節(jié)信息損失越多,但光譜信息保留越多,反之亦然。因此,若小波分解的階數(shù)選得低,則增強(qiáng)后多光譜圖像的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力較差,但光譜特性保留程度好;若小波分解的階數(shù)選得高,則增強(qiáng)后多光譜圖像的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力較好,但光譜特性保留程度較差2.高通濾波(HPF)基于高通濾波的遙感影像融合高通濾波(HPF)法實(shí)現(xiàn)遙感影像融合的概念比較簡(jiǎn)單。一幅圖像通常由不同的頻率成分組成的,根據(jù)一般圖像頻譜的概念,高的空間頻率對(duì)應(yīng)影像中急劇變化的部分,而低的頻率代表灰度緩慢變化的部分。對(duì)于遙感圖像來(lái)說(shuō),高頻分量包含了影像的空間結(jié)構(gòu),低頻部分則包含了光譜信息。由于我們進(jìn)行遙感影像融合的目的在于盡量保留低分辨率的多光譜圖像的基礎(chǔ)上加上高分辨率全色圖像的細(xì)節(jié)信息。因此,我們可以用高通濾波器算子提取出高分辨率圖像的細(xì)節(jié)信息,然后簡(jiǎn)單的采用像元相加的方法,將提取出的細(xì)節(jié)信息疊加到低分辨率圖像上,這樣就實(shí)現(xiàn)了多光譜的低分辨率圖像和高分辨率全色圖像之間的數(shù)據(jù)融合。HPF法能夠在一定程度上提取全色影像細(xì)節(jié)信息,并把全色影像的細(xì)節(jié)信息直接疊加到多光譜影像上,因此,增強(qiáng)多光譜圖像的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力的同時(shí)也容易增加噪聲,影響視覺(jué)效果。3.IHS變換在圖像處理中經(jīng)常應(yīng)用的彩色坐標(biāo)系統(tǒng)(或稱彩色空間)有兩種。一種是由紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)3原色組成的彩色空間即RGB空間。另一種表色系統(tǒng)是IHS模型,它是基于視覺(jué)原理的一個(gè)系統(tǒng),定義了3個(gè)互不相關(guān),容易預(yù)測(cè)的顏色心理屬性,明度(I),色調(diào)(H)和飽和度(S)。為利用RGB系統(tǒng)和IHS系統(tǒng)各自在顯示與定量計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì),需要建立它們之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。兩種坐標(biāo)系的變換稱為彩色坐標(biāo)變換,通常把由RGB向IHS空間的變換稱為IHS變換,其反向變換即由IHS空間向RGB空間的轉(zhuǎn)換,稱為RGB變換。

IHS空間中3分量I,H,S具有相對(duì)獨(dú)立性,可分別對(duì)它們進(jìn)行控制,并且能夠準(zhǔn)確定量地描述顏色特征。因此,在遙感影像融合中,常常需要把RGB空間轉(zhuǎn)換為IHS空間,在IHS空間復(fù)合不同分辨率的數(shù)據(jù),即基于IHS變換的遙感影像融合技術(shù)。一般地,基于IHS變換法可以提高結(jié)果圖像的地物紋理特性,增強(qiáng)多光譜圖像的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力,但光譜失真較大。4.基于IHS變換、小波變換與高通濾波的遙感影像融合把IHS變換法、小波變換法和HPF法結(jié)合起來(lái),揚(yáng)長(zhǎng)避短。①I(mǎi)HS變換法可以提高結(jié)果圖像的地物紋理特性,增強(qiáng)其空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力,但光譜失真較大。②低分解層數(shù)的小波變換法能有效地保留圖像融合前后的光譜特性,但增強(qiáng)后多光譜圖像的空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力較差,容易出現(xiàn)地物紋理模糊。③HPF法對(duì)圖像細(xì)節(jié)的提高最為直接,只不過(guò)容易增加噪聲,影響視覺(jué)效果。但在小波變換域中使用HPF法,小波重構(gòu)可平滑和抑制噪聲。（1）利用IHS變換法來(lái)提高結(jié)果圖像的地物紋理特性,增強(qiáng)其空間細(xì)節(jié)表現(xiàn)能力;（2）利用小波變換法來(lái)保留多光譜影像的光譜特性;（3）利用HPF法（高通濾波融合方法）對(duì)小波變換的低頻部分進(jìn)行融合,以便盡量多保留全色影像的細(xì)節(jié)信息,避免融合后的影像出現(xiàn)細(xì)節(jié)模糊。

基于IHS變換、小波變換與高通濾波的遙感影像融合從上面的分析可知,在遙感影像融合中,IHS變換法、小波變換法和HPF法具有很大互補(bǔ)性。五.基于IHS變換、小波變換與高通濾波的遙感影像融合算法步驟

①把TM多光譜影像采樣到和SPOTPan全色影像數(shù)據(jù)一樣大,為了保持線性地物的邊緣,常采用3次內(nèi)插方法。②把TM多光譜影像從RGB空間變換到IHS空間,得到I(明度),

H(色調(diào))和S

(飽和度)3通道數(shù)據(jù)。③對(duì)I和SPOTPan進(jìn)行直方圖統(tǒng)一,使I和SPOTPan的幅度值保持一致。④利用小波變換法與HPF法對(duì)I和SPOTPan進(jìn)行融合:首先,分別對(duì)I和SPOTPan進(jìn)行一次小波變換;其次,用SPOTPan的高頻成分替代I的高頻成分;再次,使用HPF法對(duì)I和SPOTPan兩者的低頻部分進(jìn)行融合,即把SPOTPan低頻部分的細(xì)節(jié)成分疊加到I的低頻部分上;最后,對(duì)替換后I的小波系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)得到I′。⑤對(duì)H、S通道進(jìn)行中值濾波與適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展,得到去掉噪聲的H′、S′通道。⑥利用IHS反變換從I′、H′、S′獲得融合后