王 樂，牛雪峰，魏 斌，陳立春

(1.吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林長春130021;2.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)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(jìn)行處理，采用一定算法提取各自信息，將得到的信息進(jìn)行有機(jī)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(shí)相的影像數(shù)據(jù)，如何將大量遙感影像數(shù)據(jù)進(jìn)行融合是目前需要解決的問題，因?yàn)樗苯佑绊懙竭b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(shí)，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(píng)價(jià)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(duì)不同種類的影像，得到融合效果不同;同一融合算法，對(duì)同一影像，不同觀察者認(rèn)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(píng)價(jià)融合影像方法，利用計(jì)算機(jī)選擇最佳算法滿足影像，進(jìn)而為根據(jù)不同場(chǎng)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(duì)融合影像進(jìn)行評(píng)價(jià)。目前融合影像評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法。

二、主觀融合效果評(píng)定法

主觀融合效果評(píng)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(duì)影像的優(yōu)劣程度做出一個(gè)主觀定性評(píng)價(jià)。它主要用于判讀融合影像是否配準(zhǔn)、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(píng)定法可以對(duì)影像的各種信息進(jìn)行比較，很容易得到各方面的差異。由于主觀性比較強(qiáng)，人眼對(duì)融合影像的感覺決定了影像的質(zhì)量［4］，因此該評(píng)定方法是最簡單、最常用的方法。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)明顯的影像信息進(jìn)行快捷、方便的評(píng)價(jià)，在特定應(yīng)用領(lǐng)域中是十分可行的［5］;缺點(diǎn)是有較大的主觀性，不同的人評(píng)價(jià)的結(jié)果不同，因此一般還要對(duì)融合影像進(jìn)行客觀融合效果評(píng)定［6］。

三、客觀融合效果評(píng)定法

客觀融合效果評(píng)定法是判定融合影像的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。由于主觀融合效果評(píng)定法依賴于評(píng)價(jià)者的經(jīng)驗(yàn)與水平，因此存在不確定性。而客觀融合效果評(píng)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(píng)定方法。目前，常用的客觀融合效果評(píng)定法指標(biāo)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(biāo)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(fù)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(dá)式為

式中，pi為屬性值i值的頻率。

2.標(biāo)準(zhǔn)差δ

影像灰度相對(duì)于灰度均值的離散情況稱為標(biāo)準(zhǔn)差，它可以作為評(píng)價(jià)影像反差的大小。標(biāo)準(zhǔn)差越小，灰度級(jí)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(jì)算公式為

3.偏差度DDR

偏差度亦稱相對(duì)偏差，是將影像各個(gè)像素灰度值與原始影像灰度值之差絕對(duì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)參考影像。

6.峰值信噪比PSNR

峰值信噪比用來評(píng)價(jià)影像的客觀標(biāo)準(zhǔn)，PSNR值用來認(rèn)定某個(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)像元的灰度值。

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該融合效果評(píng)定法的精確性，本文通過3種融合方法(PCA、IHS、Brovey)進(jìn)行了試驗(yàn)，該試驗(yàn)采用了分辨率為10 m的SPOT全色圖像和TM多光譜圖像進(jìn)行融合，對(duì)影像進(jìn)行了空間配準(zhǔn)，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(píng)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(píng)定方法的比較分析

從表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用IHS融合影像無論是灰度均值、標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(biāo)，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(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比

五、結(jié)束語

本文對(duì)遙感影像融合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了整理，充分利用主觀評(píng)價(jià)方法與客觀評(píng)價(jià)方法相結(jié)合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。從評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)對(duì)選擇何種融合方法起著決定性作用，融合質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(cè)繪通報(bào)，2011(1):6-8.

［2］徐勝祥，徐運(yùn)清.Matlab在遙感圖像融合算法及質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與應(yīng)用，2007(11):91-95.

［3］武堅(jiān)，江洪，李云虎.遙感影像融合的質(zhì)量評(píng)價(jià)探討［J］.測(cè)繪技術(shù)裝備，2008，10(4):9-11.

［4］崔健.遙感圖像融合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003(25):33-37.

［6］王玉真.遙感影像像素級(jí)融合方法概述［J］.科學(xué)實(shí)踐，2009，9(25):307-308.

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

［8］邊輝，嚴(yán)衛(wèi)東，張平.多源遙感圖像融合效果評(píng)價(jià)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(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2003，39(5):60-63.