高分辨率遥感图像融合的光谱保真问题

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1、第 10卷 第 4期2008年 8月地 球 信 息 科 学GEO2INFORMATION SC IENCEVol110, No14Aug1, 2008收 稿 日 期 : 2007207205; 修 回 日 期 : 2008204205.基 金 项 目 : 福 建 省 自 然 科 学 基 金 项 目 (2008J0242) ; 福 建 师 范 大 学 优 秀 青 年 骨 干 教 师 培 养 基 金 2008100207。作 者 简 介 : 李 春 华 (1975 - ) , 女 , 在 职 博 士 研 究 生 , 讲 师 。 主 要 研 究 方 向 为 遥 感 与 地 理 信 息 系 统 建 模

2、 。E2mail: lchfzfj yahoo1com1cn高 分 辨 率 遥 感 图 像 融 合 的 光 谱 保 真 问 题李 春 华 1, 2 , 徐 涵 秋 1(1福 州 大 学 环 境 与 资 源 学 院 , 福 州 350002; 2福 建 师 范 大 学 地 理 科 学 学 院 , 福 州 350007)摘 要 : 分 析 高 分 辨 率 遥 感 图 像 融 合 光 谱 失 真 的 原 因 , 利 用 基 于 滤 波 原 理 的 W avelet、 SF IM融 合 算 法 和 基 于 统 计原 理 的 Gram2schm idt、 PC I pansharp模 块 提 供 的 融

3、 合 算 法 对 高 分 辨 率 遥 感 图 像 的 代 表 QuickB ird图 像 进 行 融 合 试验 。 结 果 表 明 : 这 四 种 融 合 算 法 虽 都 具 有 很 好 的 光 谱 保 真 性 , 但 从 光 谱 保 真 度 和 高 频 信 息 融 入 度 这 两 个 方 面 的定 量 分 析 来 看 , 基 于 统 计 原 理 的 融 合 方 法 总 体 上 优 于 基 于 滤 波 原 理 的 融 合 方 法 , 更 适 合 于 QuickB ird高 分 辨 率 遥感 图 像 的 融 合 。关 键 词 : 高 分 辨 率 遥 感 图 像 ; 光 谱 保 真 度 ; Qui

4、ckB ird图 像1 引 言大 部 分 的 地 球 资 源 卫 星 , 如 SPOT, IRS,Landsat7, IKONOS, QuickB ird和 O rbV iew 都 提 供了 高 空 间 分 辨 率 的 全 色 波 段 和 较 低 空 间 分 辨 率 的多 光 谱 波 段 。 但 是 在 遥 感 成 像 系 统 的 设 计 中 , 空间 分 辨 率 和 光 谱 分 辨 率 却 不 可 兼 得 , 有 两 个 原因 1, 2 (1 ) 受 到 遥 感 器 的 辐 射 度 量 特 性 的 影 响 ,传 感 器 在 感 应 来 自 目 标 物 反 射 或 辐 射 的 电 磁 波 的能

5、 力 是 有 限 的 , 由 于 多 光 谱 成 像 系 统 的 光 谱 带 宽很 窄 , 必 须 用 较 大 的 瞬 时 视 场 ( IFOV ) 才 能 收 集足 够 多 的 光 量 子 以 维 持 可 接 受 的 信 噪 比 ; 同 样 高空 间 分 辨 率 系 统 IFOV 很 小 , 则 必 须 加 宽 光 谱 通道 , 总 得 牺 牲 其 中 的 一 个 。 ( 2) 传 感 器 所 能 采 集的 数 据 量 的 限 制 , 以 及 从 遥 感 卫 星 向 地 面 站 传 输数 据 的 能 力 的 限 制 。图 像 的 融 合 技 术 能 将 高 空 间 分 辨 率 和 多 光 谱

6、分 辨 率 结 合 起 来 , 实 现 信 息 互 补 , 增 强 目 标 特 征 ,提 高 分 类 、 动 态 监 测 等 方 面 的 有 效 性 , 在 扩 展 遥感 成 像 系 统 的 应 用 领 域 方 面 具 有 重 要 意 义 。 以IKONOS和 QuickB ird为 代 表 的 高 分 辨 率 遥 感 卫 星的 发 展 , 使 得 传 统 的 遥 感 图 像 融 合 方 法 面 临 着 巨大 的 挑 战 3 。 如 H IS 变 换 法 , 主 成 分 分 析 法 ,BROVEY变 换 法 , 对 于 SPOT/ IRS Pan与 其 他 多 光谱 影 像 如 Landsat

7、 TM以 及 SPOT HRV MS等 的 融 合有 效 , 但 对 IKONOS和 QuickB ird的 Pan波 段 融 合多 光 谱 图 像 效 果 欠 佳 , 特 别 是 颜 色 差 异 , 它 直 接影 响 到 遥 感 数 据 的 使 用 效 益 。本 文 以 QuickB ird提 供 的 高 空 间 分 辨 率 的 全 色波 段 和 多 光 谱 图 像 融 合 为 例 , 通 过 基 于 滤 波 和 统计 原 理 的 4种 针 对 光 谱 失 真 的 改 进 方 法 : W avelet,SF IM , Gram2schm idt和 PC I pansharp的 对 比 , 以

8、 期寻 找 一 种 最 佳 的 适 合 目 前 新 型 高 分 辨 率 遥 感 图 像的 光 谱 保 真 融 合 方 法 。2 高 分 辨 率 遥 感 图 像 融 合 光 谱 失 真的 原 因211 不 同 遥 感 数 据 辐 射 差 异目 前 , 关 于 不 同 传 感 器 遥 感 数 据 融 合 前 的 辐射 水 准 归 一 化 处 理 很 少 提 及 , 由 于 不 同 传 感 器 之间 的 各 种 参 数 和 时 相 的 差 异 是 导 致 融 合 后 光 谱 失真 的 重 要 原 因 , 融 合 前 的 辐 射 校 正 显 得 尤 其 重 要 。辐 射 校 正 包 括 系 统 辐 射

9、 校 正 和 辐 射 精 校 正 ,如 表 1。 系 统 辐 射 校 正 是 根 据 辐 射 传 输 方 程 推 导 出的 遥 感 图 像 辐 射 误 差 校 正 模 型 来 消 除 遥 感 器 系 统本 身 的 辐 射 误 差 , 地 面 站 提 供 的 产 品 是 经 过 系 统辐 射 校 正 处 理 , 而 不 需 要 用 户 进 行 校 正 。 用 户 应该 考 虑 的 是 辐 射 精 校 正 包 括 大 气 的 影 响 引 起 的 辐射 误 差 及 太 阳 高 度 角 、 日 地 距 离 和 地 形 等 光 照 条件 差 异 引 起 的 辐 射 误 差 。 徐 涵 秋 4 ( 200

10、7) 把 其称 为 遥 感 数 据 正 规 化 。 目 前 对 不 同 传 感 器 融 合 前的 辐 射 精 校 正 很 少 提 及 , 更 多 的 是 从 融 合 算 法 上来 改 善 融 合 效 果 , 而 很 少 从 遥 感 成 像 的 机 理 及 图像 数 据 之 间 的 相 关 性 、 互 补 性 、 缺 损 性 和 冗 余 性等 方 面 入 手 , 真 正 实 现 不 同 遥 感 数 据 辐 射 水 准 归一 化 , 从 根 本 上 解 决 融 合 后 的 光 谱 失 真 问 题 5 。表 1 辐 射 校 正 的 含 义Tab11 In terpreta tion of rad i

11、om etr ic ca libra tion辐 射 校 正 类 别 含 义 处 理 部 门系 统 辐 射 校 正 根 据 辐 射 传 输 方 程 推 导 出 的 遥 感图 像 辐 射 误 差 校 正 模 型 来 消 除 遥感 器 系 统 本 身 的 辐 射 误 差卫 星 地 面 站辐 射 精 校 正 包 括 大 气 的 影 响 引 起 的 辐 射 误 差及 太 阳 高 度 角 、 日 地 距 离 和 地 形等 光 照 条 件 差 异 引 起 的 辐 射 误 差用 户212 传 统 融 合 方 法 对 新 型 高 分 辨 率 遥 感 图 像 失 真的 原 因传 统 的 融 合 方 法 如 H

12、IS变 换 法 , 主 成 分 分 析法 , BROVEY变 换 法 对 SPOT Pan与 低 分 辨 率 的MS影 像 Landsat TM的 融 合 是 比 较 成 功 的 , 融 合 后的 颜 色 偏 差 很 小 , 但 是 IKONOS、 QuickB ird的 Pan与 MS 的 融 合 颜 色 差 异 就 十 分 突 出 。 Z1Yun(2004) 3 分 析 了 传 统 融 合 方 法 对 新 型 高 分 辨 率 遥感 图 像 失 真 的 原 因 。 表 2表 示 四 种 传 感 器 SPOT5(HRV )、 Landsat7 ( ETM + )、 IKONOS、 QuickB

13、 ird的 Pan波 段 的 范 围 。表 2 不 同 传 感 器 对 应 的 Pan波 段 范 围Tab12 W avelength ranges of d ifferen t panchroma tic images传 感 器 名 称 Pan波 段 范 围 ( m)SPOT5 (HRV) 0151 0173Landsat7 ( ETM + ) 0152 0190IKONOS 0145 0190QuickB ird 0145 0190从 表 2中 可 以 看 出 SPOT5 (HRV ) 在 可 见 光 的范 围 , 而 Landsat7 ( ETM + )、 IKONOS、 QuickB

14、ird的 Pan波 段 已 经 从 可 见 光 波 段 扩 展 到 近 红 外 波 段 。我 们 以 IHS方 法 为 例 进 行 简 要 说 明 , 光 谱 失真 的 主 要 原 因 是 由 于 Landsat7 ( ETM + )、 IKONOS、QuickB ird的 Pan波 段 与 强 度 分 量 I之 间 的 差 异 明显 要 比 SPOT Pan波 段 与 强 度 分 量 I之 间 的 灰 度 差异 大 。 如 果 强 度 分 量 I影 像 被 一 个 差 异 很 大 的 影 像如 QuickB ird Pan代 替 , 那 么 利 用 H IS变 换 得 到 的融 合 结 果

15、存 在 着 严 重 的 光 谱 失 真 是 可 想 而 知 的 。虽 然 采 用 了 一 些 调 整 的 方 法 试 图 改 善 融 合 后 的 效果 , 如 将 QuickB ird Pan波 段 和 IHS变 换 后 得 到 的强 度 分 量 I影 像 进 行 光 谱 匹 配 , 但 光 谱 失 真 仍 然 明显 存 在 。因 此 , 下 文 就 能 解 决 这 一 问 题 的 一 些 新 的 算法 进 行 比 较 和 说 明 。3 融 合 光 谱 失 真 问 题 改 进 的 解 决 方法对 融 合 后 的 光 谱 失 真 问 题 进 行 改 进 的 方 法 有两 类 , 一 类 是 从

16、滤 波 的 角 度 来 处 理 , 通 过 滤 波 方法 提 取 出 高 空 间 分 辨 率 图 像 的 高 频 信 息 , 再 结 合算 法 将 高 频 信 息 融 入 多 光 谱 图 像 中 ; 另 一 类 则 是从 统 计 学 的 角 度 来 处 理 , 通 过 统 计 分 析 方 法 首 先对 参 与 融 合 的 各 个 波 段 进 行 最 佳 匹 配 , 避 免 了 传统 融 合 方 法 某 些 波 段 信 息 过 度 集 中 , 以 及 由 于 新型 高 分 辨 率 遥 感 图 像 的 全 色 波 段 波 长 范 围 的 扩 展所 带 来 的 光 谱 响 应 范 围 不 一 致 问 题 。 下 面 分 别 说明 四 种 典 型 方 法 的 基 本 原 理 。311 滤 波 法 融 入 高 频 纹 理 信 息(1) 小 波 变 换 的 融 合 方 法小 波 变 换 的 多 分 辨 率 分 析 是 当 前 信 号 与 图 像处 理 领 域 的 研 究 热 点 , 它 可 以 将 原 始 图 像