遙感影像融合質(zhì)量評價方法研究

王 樂，牛雪峰，魏 斌，陳立春

(1.吉林交通職業(yè)技術(shù)學院，吉林長春130021;2.吉林大學地球探測科學與技術(shù)學院，吉林長春130026)

一、引 言

遙感影像融合是將不同種類傳感器獲得的同一區(qū)域的影像數(shù)據(jù)進行處理，采用一定算法提取各自信息，將得到的信息進行有機結(jié)合的新技術(shù)。隨著該技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出大量同一區(qū)域的多光譜、多分辨率、多時相的影像數(shù)據(jù)，如何將大量遙感影像數(shù)據(jù)進行融合是目前需要解決的問題，因為它直接影響到遙感影像數(shù)據(jù)是否被充分利用，但是，選擇和確定何種融合方法通常取決于應(yīng)用的目的。

在研究遙感影像融合時，根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域提出了多種融合方法。由于融合手段多樣，融合技術(shù)千差萬別，利用哪種融合技術(shù)得到的影像質(zhì)量最好是遙感影像融合的關(guān)鍵所在。目前如何評價融合影像的質(zhì)量問題未得到很好的解決，原因是:同一融合算法，對不同種類的影像，得到融合效果不同;同一融合算法，對同一影像，不同觀察者認為的效果不同;由于應(yīng)用方面的不同，選擇的融合方法也不同［1］。因此，需要尋找一種最優(yōu)的評價融合影像方法，利用計算機選擇最佳算法滿足影像，進而為根據(jù)不同場合選擇不同算法提供依據(jù)［2］。

遙感影像融合不僅增加了多光譜影像空間分辨率，而且保持了原有的多光譜信息［3］，最重要的環(huán)節(jié)就是如何對融合影像進行評價。目前融合影像評價方法大都比較零散。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了遙感圖像融合的評價方法。

二、主觀融合效果評定法

主觀融合效果評定法利用人來判讀影像是否清晰，光譜是否發(fā)生畸變，并對影像的優(yōu)劣程度做出一個主觀定性評價。它主要用于判讀融合影像是否配準、紋理和色彩信息是否一致、融合影像整體亮度或反差是否合適、清晰度是否降低等，通過這種評定法可以對影像的各種信息進行比較，很容易得到各方面的差異。由于主觀性比較強，人眼對融合影像的感覺決定了影像的質(zhì)量［4］，因此該評定方法是最簡單、最常用的方法。其優(yōu)點是對明顯的影像信息進行快捷、方便的評價，在特定應(yīng)用領(lǐng)域中是十分可行的［5］;缺點是有較大的主觀性，不同的人評價的結(jié)果不同，因此一般還要對融合影像進行客觀融合效果評定［6］。

三、客觀融合效果評定法

客觀融合效果評定法是判定融合影像的統(tǒng)計參數(shù)。由于主觀融合效果評定法依賴于評價者的經(jīng)驗與水平，因此存在不確定性。而客觀融合效果評定法能克服人為因素的干擾，判斷不同融合方法的優(yōu)劣［7］，因此一些研究者提出一種不受人為影響的評定方法。目前，常用的客觀融合效果評定法指標主要有以下幾類。

1.信息熵EN

1984年現(xiàn)代信息論的創(chuàng)始人Shannon把平均信息量又稱為熵。衡量影像信息豐富程度的指標就是信息熵。影像融合最基本的要求就是信息量是否增加。然而信息的多少取決于影像的復雜程度，熵值越大，表示融合影像所含信息越豐富，融合質(zhì)量越好。其表達式為

式中，pi為屬性值i值的頻率。

2.標準差δ

影像灰度相對于灰度均值的離散情況稱為標準差，它可以作為評價影像反差的大小。標準差越小，灰度級分布越密集，影像反差越小，從而影像色調(diào)單一均勻，看不出更多信息;反之亦然。其計算公式為

3.偏差度DDR

偏差度亦稱相對偏差，是將影像各個像素灰度值與原始影像灰度值之差絕對值與原始影像相應(yīng)像素灰度值之比的平均值。公式為

偏差度反映了影像的匹配程度，偏差度小，說明融合影像較好地保留了原始影像的光譜信息［8］。

4.圖像均值

均值是體現(xiàn)像素灰度的平均值。若均值適中，則視覺效果良好［7］。其計算公式為

5.均方根誤差RMSE

均方根誤差用來反映融合影像與原始影像的相似度。均方根誤差越小，說明融合效果越好。其定義為

式中，F(xiàn)為融合影像;R為標準參考影像。

6.峰值信噪比PSNR

峰值信噪比用來評價影像的客觀標準，PSNR值用來認定某個處理程序是否令人滿意。輸出的影像通常在一定程度上與原始影像不同，具有局限性。峰值信噪比PSNR定義為［9］

7.扭曲程度D

扭曲程度反映了多光譜影像的失真程度，第k個光譜分量的光譜扭曲定義為

式中，R為源圖像;F為融合圖像;M、N為圖像的行列數(shù);F(i，j)、R(i，j)分別為融合前后同一波段相同位置對應(yīng)像元的灰度值。

四、試驗結(jié)果分析

為了驗證該融合效果評定法的精確性，本文通過3種融合方法(PCA、IHS、Brovey)進行了試驗，該試驗采用了分辨率為10 m的SPOT全色圖像和TM多光譜圖像進行融合，對影像進行了空間配準，選取區(qū)域大小為308像素×318像素，得到融合后的影像如圖1所示。

圖1 多種影像融合方法的融合效果

1.基于主觀效果評定法的比較分析

從主觀分析可以看出，3種方法融合后得到的影像均比原始影像信息豐富，影像變得清晰。融合后影像幾乎保持了原始影像的顏色信息，視覺效果好。從影像亮度來看，Brovey融合法相比原始影像發(fā)生了很大變化，而IHS變換融合效果最好，地貌信息可以用不同的顏色區(qū)分開。

2.基于客觀效果評定方法的比較分析

從表1的試驗數(shù)據(jù)可以看出，采用IHS融合影像無論是灰度均值、標準差，還是信息熵均要高于原始多光譜圖像。說明IHS融合圖像視覺效果較好，利于影像的目視判讀，性能相對較好。而PCA變換融合法的均方根誤差最大，說明融合效果最差。而從峰值信噪比來看，IHS融合法高于其他方法，綜合分析以上指標，即IHS變換優(yōu)于Brovey融合法，優(yōu)于PCA融合法。

表1 融合質(zhì)量評價指標對比

五、結(jié)束語

本文對遙感影像融合評價方法進行了整理，充分利用主觀評價方法與客觀評價方法相結(jié)合進行綜合評價。從評價指標來看，IHS變換融合法提高了信息量，在影像融合后的色彩上要優(yōu)于其他方法。Brovey變換融合法在保持高分辨率的空間信息上優(yōu)于PCA變換，但是丟失了一些原始影像中的輔助信息。

總之，遙感影像融合的質(zhì)量評價對選擇何種融合方法起著決定性作用，融合質(zhì)量的評價指標和方法還有待繼續(xù)探索研究。

［1］王樂，牛雪峰，王明常.遙感影像融合技術(shù)方法研究［J］.測繪通報，2011(1):6-8.

［2］徐勝祥，徐運清.Matlab在遙感圖像融合算法及質(zhì)量評價中的應(yīng)用［J］.計算機系統(tǒng)與應(yīng)用，2007(11):91-95.

［3］武堅，江洪，李云虎.遙感影像融合的質(zhì)量評價探討［J］.測繪技術(shù)裝備，2008，10(4):9-11.

［4］崔健.遙感圖像融合評價方法研究［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2008，21(6):65-71.

［5］王海暉，彭嘉雄，吳巍，等.多源遙感圖像融合效果評價方法研究［J］.計算機工程與應(yīng)用，2003(25):33-37.

［6］王玉真.遙感影像像素級融合方法概述［J］.科學實踐，2009，9(25):307-308.

［7］徐勝祥，徐運清.一種基于IHS和DWT變換的遙感圖像融合方法［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2008，25(10):229-230.

［8］邊輝，嚴衛(wèi)東，張平.多源遙感圖像融合效果評價研究［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2005，18(9):39-41.

［9］黃道穎，李祖鵬，莊雷.分布式Peer-to-Peer網(wǎng)絡(luò)Gnutella模型研究［J］.計算機工程與應(yīng)用，2003，39(5):60-63.