不同方法對(duì)遙感數(shù)字圖像鑲嵌的影響

陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 梁 超

遙感數(shù)字圖像作為3S技術(shù)的重要數(shù)據(jù)源，在3S技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用中發(fā)揮著重要的作用。遙感數(shù)字圖像的處理通常包括圖像的輻射校正、幾何校正、圖像裁剪、圖像增強(qiáng)和圖像專題信息提取等主要內(nèi)容。在實(shí)際應(yīng)用中，在利用遙感數(shù)字圖像進(jìn)行專題信息提取時(shí)，需要兩景或兩景以上相鄰的遙感圖像進(jìn)行鑲嵌方能得到完整的研究區(qū)域遙感圖像。數(shù)字圖像鑲嵌是將具有地理參考的兩幅或多幅互為鄰接的數(shù)字影像（它們有可能是在不同的攝影條件下獲取的）拼接在一起，構(gòu)成一幅新（數(shù)字）圖像的技術(shù)過程，也是遙感圖像處理中不可或缺的重要部分。

ERDAS IMAGE平臺(tái)是遙感數(shù)字圖像處理中常用的專業(yè)軟件，在國土資源調(diào)查、礦產(chǎn)開發(fā)、測(cè)繪勘探與遙感數(shù)字化制圖方面應(yīng)用廣泛。其數(shù)字圖像鑲嵌功能提供了五種不同的方法，每種方法的數(shù)學(xué)原理不同，對(duì)圖像鑲嵌結(jié)果產(chǎn)生的影響也會(huì)有相應(yīng)的差別，如灰度值、專題信息提取結(jié)果的變化等。不同方法對(duì)遙感數(shù)字圖像的影響，以及哪種是相對(duì)最優(yōu)的鑲嵌解決方法，各研究理論體系均有自身的優(yōu)勢(shì)和弊端。針對(duì)不同專項(xiàng)領(lǐng)域應(yīng)用需求，選擇合適的鑲嵌方法至關(guān)重要。本研究基于ERDAS IMAGE平臺(tái)，擬通過對(duì)同一時(shí)相相鄰兩景遙感圖像運(yùn)用五種不同方法進(jìn)行鑲嵌，分析不同鑲嵌運(yùn)算方式對(duì)遙感數(shù)字圖像灰度值以及專題信息提取的影響，以探明最優(yōu)的遙感數(shù)字圖像鑲嵌方法，為今后遙感數(shù)字圖像處理技術(shù)提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

本文以某地相同時(shí)間相鄰兩景遙感數(shù)字圖像為研究對(duì)象，采用前后對(duì)比差值法對(duì)遙感數(shù)字圖像鑲嵌的幾種常見方法做了探索。運(yùn)用遙感數(shù)字圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用程序ERDAS IMAGE平臺(tái)Overlay（覆蓋法）、Average（平均值法）、Feather（羽化法）、Maximum（最大值法）、Minimum（最小值法）五種圖像鑲嵌疊置方法，以像元灰度值和植被歸一化指數(shù)（NDVI）兩方面的變化，針對(duì)相同研究區(qū)塊，選擇不同的方法，對(duì)鑲嵌前后遙感數(shù)字圖像數(shù)字信息的影響變化進(jìn)行研究。結(jié)果表明：覆蓋法和羽化鑲嵌方法對(duì)遙感數(shù)字圖像鑲嵌前后相對(duì)影響程度近似相同，而且對(duì)灰度值的影響相對(duì)于其他三種方法最小，最小值法對(duì)NDVI值有輕微影響，五種方法均對(duì)鑲嵌前后植被指數(shù)影響不大，綜合考慮，對(duì)于遙感數(shù)字圖像灰度值和植被指數(shù)相關(guān)分析處理，選用覆蓋法或羽化法鑲嵌較為優(yōu)化。

1 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)特征

1.1 數(shù)據(jù)選取

本研究采用的遙感影像為某地相鄰兩景l(fā)andsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)，兩景影像獲取時(shí)間均為同一時(shí)間。Landsat系列衛(wèi)星采用參考系為WRS系統(tǒng)，是國際上很有代表意義的全球參考系之一。WRS參考系網(wǎng)格與Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)的成像區(qū)域緊密的契合，WRS網(wǎng)格的二維坐標(biāo)采用PATH和ROW進(jìn)行標(biāo)識(shí)。WRS有兩套系統(tǒng)，分別是WRS1和WRS2。1983年之后使用WRS2參考系，在此參考系統(tǒng)中，本文所選取的兩景遙感影像，軌道號(hào)分別為Path129/Row36（下稱“A”）和Path129/Row37（下稱“B”）。研究中為便于分析過程的相對(duì)一致性和數(shù)據(jù)結(jié)果的可比性，選用Band1_Coastal、Band 2_Blue、Band 3_Green、Band 4_Red、Band 5_NIR、Band 6_SWIR 1、Band 7_SWIR 2等7個(gè)波段圖像作為分析數(shù)據(jù)，空間分辨率均為30m。對(duì)A、B兩景遙感數(shù)字圖像每個(gè)波段均進(jìn)行正射校正、輻射校正和幾何精校正等預(yù)處理，使兩幅圖像具有相同的地理空間參考信息，盡可能在空間上地物信息的連續(xù)性和精確度損失最小。

1.2 AOI選取

利用遙感數(shù)字圖像彩色合成原理，對(duì)A和B選取的7個(gè)波段分別進(jìn)行彩色合成處理。為保證鑲嵌前后數(shù)據(jù)的可用性，本研究在A和B重疊區(qū)域隨機(jī)選取10個(gè)AOI研究塊，分別對(duì)A和B對(duì)應(yīng)的7個(gè)波段進(jìn)行掩膜提取，得到同一位置A和B各自對(duì)應(yīng)的7個(gè)波段的AOI數(shù)字圖像。每個(gè)AOI大小一致，均為4×4個(gè)柵格單元。進(jìn)而基于ERDAS IMAGE軟件平臺(tái)，分別運(yùn)用Overlay（覆蓋法）、Average（平均值法）、Feather（羽化法）、Maximum（最大值法）和Minimum（最小值法）五種圖像鑲嵌交接方法對(duì)A與B進(jìn)行鑲嵌處理，并對(duì)鑲嵌結(jié)果分別賦予C1、C2、C3、C4和C5標(biāo)注，以示區(qū)別。

2 遙感圖像鑲嵌方法

ERDAS IMAGE軟件提供的遙感數(shù)字圖像重疊區(qū)域鑲嵌交接關(guān)系有如下五種：

（1）Overlay（覆蓋法）：取影像疊置順序在前的影像的數(shù)字信息作為鑲嵌后疊置區(qū)的數(shù)字值；

（2）Average（平均值法）：疊加區(qū)域的各波段的灰度值是所有覆蓋該區(qū)域圖像灰度值運(yùn)算均值；

（3）Feather（羽化法）：取疊置覆蓋區(qū)域內(nèi)所有影像的灰度值的加權(quán)平均值作為重復(fù)覆蓋區(qū)的灰度值，其權(quán)重值一般是根據(jù)距離來確定的，如位于重疊區(qū)中間部分的取兩張影像的權(quán)值各50%；距中心10%的部分，其權(quán)值相應(yīng)取10%和90%；

（4）Maximum（最大值法）：疊置覆蓋區(qū)域拼接圖像中最大亮度值作為重疊區(qū)像元點(diǎn)的亮度值；

（5）Minimum（最小值法）：取疊置區(qū)域內(nèi)所有影像灰度值的最小值作為重疊覆蓋區(qū)灰度值。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同鑲嵌方法對(duì)遙感數(shù)字圖像灰度值的影響

通過對(duì)鑲嵌前后遙感數(shù)字圖像像元灰度值的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：

覆蓋法和羽化法對(duì)各波段鑲嵌后灰度值影響相對(duì)最小，而且覆蓋法對(duì)A和B鑲嵌前后相對(duì)影像程度和羽化法近似一致，均表現(xiàn)為與A總的相對(duì)差值平均為0，與B總的相對(duì)差值平均為-0.68；最大值法對(duì)A和B各波段鑲嵌后灰度值對(duì)比差值也相對(duì)較小，與A的相對(duì)差值平均為8.13，與B的相對(duì)差值平均為7.46；而平均值法對(duì)A和B各波段鑲嵌后灰度值的對(duì)比差值相對(duì)較大，與A的相對(duì)差值平均為-20.14，與B的相對(duì)差值平均為-20.82；對(duì)原始圖像各波段灰度值影響最大的鑲嵌方法為最小值法，對(duì)比差值結(jié)果表明，最小值法鑲嵌結(jié)果各像元灰度值與A的相對(duì)差值平均為-48.91，與B的相對(duì)差值為平均-49.59。

覆蓋法和羽化法對(duì)Band 4 Red波段影響最小，與A的相對(duì)差值為0，B的相對(duì)差值為0.39；對(duì)Band 6 SWIR 1波段影響較大，與A的相對(duì)差值為0，B的相對(duì)差值為-5.32；平均值法對(duì)Band 7 SWIR2波段影響相對(duì)較小，與A的相對(duì)差值為-16.79，B的相對(duì)差值為-20.81；對(duì)Band 5 NIR波段影響相對(duì)較大，與A的相對(duì)差值為-23.83，B的相對(duì)差值為-21.56；最大值法對(duì)Band1 Coastal波段影響相對(duì)最小，與A的相對(duì)差值為4.54，B的相對(duì)差值為5.25；對(duì)Band 6 SWIR 1波段影響相對(duì)較大，與A的相對(duì)差值為12.71，B的相對(duì)差值為7.39；最小值法對(duì)Band 7 SWIR 2波段影響相對(duì)較小，與A的相對(duì)差值為-43.89，B的相對(duì)差值為-47.91；對(duì)Band 6 SWIR 1波段影響最大，與A的相對(duì)差值為-52.11，B的相對(duì)差值為-57.43；可見覆蓋法和羽化法對(duì)任何波段鑲嵌后遙感數(shù)字圖像像元灰度值均與鑲嵌時(shí)覆蓋在上方的遙感數(shù)字圖像像元灰度值近似相等。

3.2 不同鑲嵌方法對(duì)NDVI值的影響

植被指數(shù)通過歸一化植被指數(shù)（NDVI）來表征。應(yīng)用于檢測(cè)植被生長狀態(tài)，植被覆蓋度和消除部分輻射誤差等，和植物的蒸騰作用、太陽光的截取、光合作用以及地表凈初級(jí)生產(chǎn)力等密切相關(guān)。

分別計(jì)算A和B10個(gè)感興趣研究區(qū)的NDVI分布特征值，通過五種疊加函數(shù)方法對(duì)其進(jìn)行鑲嵌，并對(duì)每個(gè)像元的數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得出，同一個(gè)研究區(qū)域位置不同方法，鑲嵌前后遙感數(shù)字圖像歸一化植被指數(shù)圖像特征總體變化不大，其中，最小值法對(duì)NDVI值影響相對(duì)稍微明顯與其他方法，因而，若要進(jìn)行植被分析，盡量避免選用最小值法。總體看出五種鑲嵌方法，對(duì)NDVI值的影響程度不明顯，10個(gè)AOI區(qū)域平均相對(duì)差值均近似接近于0。

4 結(jié)論

本文以某地相同時(shí)相相鄰兩景遙感數(shù)字影像為研究對(duì)象，采用前后對(duì)比差值方法對(duì)不同圖像鑲嵌方法對(duì)遙感數(shù)字圖像的影響進(jìn)行研究，探討基于ERDAS IMAGE五種圖像鑲嵌方法對(duì)遙感數(shù)字圖像的影響，結(jié)果表明：

（1）覆蓋法和羽化鑲嵌方法對(duì)遙感數(shù)字圖像灰度值的影響程度最小，并且相近；最小值法對(duì)遙感數(shù)字圖像鑲嵌前后灰度值的提取影響最大。

（2）除平均值法外，其他4種遙感數(shù)字圖像鑲嵌方法相對(duì)7個(gè)波段對(duì)Band 6（SWIR 1）圖像灰度值有較大影響，覆蓋法和羽化法對(duì)Band 4（Red）波段的圖像灰度值影響最小，而最小值法對(duì)Band 6（SWIR 1）圖像灰度值影響最大。

（3）五種方法對(duì)遙感數(shù)字圖像鑲嵌前后NDVI植被指數(shù)值的影響均不明顯。

綜上所述，遙感數(shù)字圖像鑲嵌作為遙感數(shù)字圖像處理的一個(gè)關(guān)鍵步驟，對(duì)遙感信息的提取和圖像質(zhì)量均有主要的影響。ERDAS IMAGE平臺(tái)提供的五種鑲嵌方法對(duì)遙感數(shù)字圖像灰度值有不同程度的影響而以覆蓋法和羽化法對(duì)圖像像元信息的保真度較高，然而五種方法對(duì)植被專題信息（NDVI）的提取并無明顯的影響，因此，對(duì)于后期涉及生態(tài)、自然資源等此類數(shù)據(jù)的處理分析時(shí)，在其他影響因素條件不變的前提下，數(shù)字圖像鑲嵌可以優(yōu)先考慮覆蓋法和羽化法。