趙益智，朱海天，李修楠，楊勁松，陳 鵬*

(1.自然資源部第二海洋研究所，浙江 杭州 310012; 2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012; 3.國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081)

0 引言

影像融合是衛(wèi)星遙感技術(shù)中的一種圖像處理方法，通過特定算法將來源于同質(zhì)或不同質(zhì)傳感器的多幅影像合成一幅信息更準(zhǔn)確、更全面的融合影像[1]，常用的方法有：強(qiáng)度-色度-飽和度(Intensity-Hue-Saturation,IHS)變換，Brovey變換(Brovey Transform，BT)，簡(jiǎn)單均值變換、施密特正交變換法(Gram-Schmidt，GS)和ESRI全色銳化變換等。這些融合方法均屬于像元級(jí)融合，即對(duì)影像進(jìn)行像素層級(jí)的處理[2]，其中，IHS變換是將多光譜影像表示成強(qiáng)度、色度和飽和度三個(gè)分量[3- 4]；BT是將多光譜各波段影像進(jìn)行歸一化后，再和高分辨率全色影像進(jìn)行波段運(yùn)算[5- 6]；簡(jiǎn)單均值變換法是計(jì)算多光譜影像紅、綠、藍(lán)波段灰度值與全色影像灰度值的均值[7]；GS變換是對(duì)多光譜影像多維數(shù)據(jù)進(jìn)行正交化處理，消除冗余信息并構(gòu)建各波段之間的相關(guān)性[8]；ESRI全色銳化變換通過多光譜波段的光譜靈敏度曲線與全色波段的重疊程度獲取權(quán)重值，使用加權(quán)平均和附加的近紅外波段創(chuàng)建全色銳化的輸出波段，獲取融合影像[7]。

高分二號(hào)衛(wèi)星(GF-2)是我國自主研發(fā)的光學(xué)遙感衛(wèi)星，可獲得多光譜影像(分辨率為4 m)和單波段全色影像(分辨率為1 m)[9]。肖昶 等[10]針對(duì)兩種影像開展了多種融合方法的比較，發(fā)現(xiàn)GS變換的效果最優(yōu)，融合影像的清晰度和銳化程度較高。

船舶為海洋經(jīng)濟(jì)、軍事活動(dòng)的重要工具，其遙感影像識(shí)別在民生、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。相較于海上船舶遙感影像，港口船舶影像中由于存在大量建筑物、集裝箱、碼頭等紋理或光譜特征與船舶相似的地物，識(shí)別難度較大。本文比較了IHS變換、BT、簡(jiǎn)單均值變換、GS變換和ESRI全色銳化變化5種方法對(duì)高分二號(hào)衛(wèi)星2種遙感影像的融合效果，通過定性和定量評(píng)價(jià)篩選出最優(yōu)的港口船舶影像融合方法。

1 數(shù)據(jù)來源

從中國海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)(https:// osdds.nsoas.org.cn/#/)下載越南峴港和我國寧波舟山港高分二號(hào)衛(wèi)星遙感影像各1幅，均為L(zhǎng)1A級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，由PMS2傳感器獲取，均包含4 m分辨率的多光譜影像和1 m分辨率的全色影像，其中峴港數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時(shí)間為2015年8月4日，寧波舟山港數(shù)據(jù)產(chǎn)品的時(shí)間為2020年8月23日。

2 研究方法

2.1 融合方法

采用IHS變換、BT、ESRI全色銳化變換、簡(jiǎn)單均值變換和GS變換對(duì)高分二號(hào)多光譜影像和全色影像進(jìn)行融合[4,11]，處理的主要步驟如下：

(1)結(jié)合數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)數(shù)據(jù)，對(duì)影像進(jìn)行傾斜改正和投影差改正，將影像重采樣成正射影像。

(2)對(duì)正射校正后的全色和多光譜影像進(jìn)行配準(zhǔn)，以ArcGIS為處理平臺(tái)，對(duì)配準(zhǔn)后的全色和多光譜影像進(jìn)行融合處理，獲取融合影像。

2.2 質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.2.1 定性評(píng)價(jià)

從細(xì)節(jié)特征、輪廓特征、光譜特征3個(gè)方面對(duì)影像融合的效果進(jìn)行目視判讀，其中細(xì)節(jié)特征指船只的清晰程度；輪廓特征指船只輪廓是否明顯、可辨，邊緣是否存在鋸齒；光譜特征指融合影像的色彩、亮度等與原始多光譜影像的差異[12-13]。

2.2.2 定量評(píng)價(jià)

通過均值、標(biāo)準(zhǔn)差、平均梯度、信息熵、均方根誤差、峰值信噪比、結(jié)構(gòu)相似性7個(gè)定量指標(biāo)[13-15](表1)對(duì)融合影像的光譜保真度、信息量提升度、清晰度3個(gè)特征進(jìn)行評(píng)價(jià)[16]。

表1 定量評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Quantitative evaluation indexes

定性評(píng)價(jià)簡(jiǎn)單、快速，但受限于觀察人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)；定量評(píng)價(jià)通過數(shù)值高低精確反映方法的優(yōu)劣，但有時(shí)會(huì)與人眼觀察結(jié)果不相符，有時(shí)部分指標(biāo)如均方根誤差、峰值信噪比等，對(duì)不同圖像表征差異較大，存在不穩(wěn)定性[17-18]。因此，在影像融合效果評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)綜合定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)的結(jié)果。

3 結(jié)果及分析

3.1 定性評(píng)價(jià)

5種融合方法獲得的峴港和寧波舟山港船舶影像的融合效果，分別如圖1和圖2所示，針對(duì)單個(gè)船舶(以峴港某船為例)的影像融合效果，如圖3所示。

圖1 峴港船舶融合影像對(duì)比Fig.1 Comparison of ship fusion images in Da Nang

圖2 寧波舟山港船舶融合影像對(duì)比Fig.2 Comparison of ship fusion images in Ningbo Zhoushan Port

圖3 船舶融合影像對(duì)比Fig.3 Comparison of ship fusion images

與原始多光譜影像相比，5種融合方法對(duì)船只細(xì)節(jié)特征以及輪廓特征的表達(dá)均有所提升，其中IHS變換(圖1c，2c和3c)、BT(圖1d，2d和3d)和GS變換(圖1g，2g和3g)3種方法的融合影像整體清晰度較高，船只輪廓明顯，但I(xiàn)HS變換和BT的船只輪廓邊緣均存在鋸齒。

各方法的融合影像與原始多光譜影像相比在色彩上均存在一定差異，其中ESRI全色銳化變換(圖1e 和2e)和GS變換(圖1g和2g)與原始多光譜影像較接近，IHS變換(圖1c和2c)和BT(圖1d和2d)與原始多光譜影像的差異較大。在圖像整體亮度方面，除簡(jiǎn)單均值變換外，其余各方法的融合影像均與原始多光譜影像接近。

綜合定性評(píng)價(jià)可知，在5種融合方法中，GS變換融合影像的清晰度、船只細(xì)節(jié)和輪廓等方面較原始多光譜影像有大幅提升，色彩保真和整體亮度方面與原始多光譜影像接近。

3.2 定量評(píng)價(jià)

各融合影像定量評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。

表2 峴港及寧波舟山港船舶融合影像定量評(píng)價(jià)Tab.2 Quantitive evaluation of ship fusion images in Da Nang and Ningbo Zhoushan Port

比較各融合影像的均值發(fā)現(xiàn)，對(duì)于峴港影像，IHS變換、ESRI全色銳化變換、簡(jiǎn)單均值變換及GS變換四種方法的均值與原始多光譜影像相差不大，其中最接近的為簡(jiǎn)單均值變換。對(duì)于寧波舟山港影像，GS變換的均值與原始多光譜影像均值最接近，其次為BT(表2)。均值體現(xiàn)圖像的整體亮度，均值過大導(dǎo)致影像曝光過度，過小導(dǎo)致圖像昏暗，均不利于船舶識(shí)別[14]。

標(biāo)準(zhǔn)差表示圖像灰度與灰度均值的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差的值越大，影像所含信息量越豐富[13]。從表2可知，峴港各融合影像的標(biāo)準(zhǔn)差的值依次為簡(jiǎn)單均值變換>GS變換>BT>ESRI全色銳化變換>IHS變換，寧波舟山港各融合影像的標(biāo)準(zhǔn)差依次為BT>ESRI全色銳化變換>IHS變換>GS變換>簡(jiǎn)單均值變換。由于不同的地物光譜存在差異，在寧波舟山港影像中除了船只以外存在大量建筑物等干擾地物，而峴港影像中只包含少量建筑物，導(dǎo)致這一指標(biāo)在兩地影像評(píng)價(jià)結(jié)果中差異較大。

平均梯度是反映圖像清晰度的指標(biāo)，值越大，圖像清晰度越高[15]。從表2可知，兩港口融合影像的平均梯度值均為IHS變換>BT>GS變換>ESRI全色銳化變換>簡(jiǎn)單均值變換。5種方法的融合影像平均梯度值總體大于原始多光譜影像，但均小于原始全色影像，其中IHS變換的融合影像清晰度最高。

由表2中信息熵指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，各融合影像的信息熵值多數(shù)大于原始全色與多光譜影像，其中，峴港各融合影像的信息熵值依次為GS變換>簡(jiǎn)單均值變換>IHS變換>BT>ESRI全色銳化變換，寧波舟山港為ESRI全色銳化變換>IHS變換>GS變換>BT>簡(jiǎn)單均值變換。信息熵反映圖像信息量提升度[15]，融合影像的信息熵大于原始全色與多光譜影像，說明了融合后圖像所包含的信息較原始圖片有提升，信息更豐富。

均方根誤差反映融合前后影像像元灰度的差異程度,值越小，表示光譜保真度越高，融合效果越好[13]。由表2可知，峴港各融合影像的均方根誤差值依次為GS變換

峰值信噪比是反映融合影像信息量提升度的指標(biāo)，值越大，表示融合影像的質(zhì)量越高[13]。由表2中峰值信噪比指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，峴港各融合影像的峰值信噪比值依次為GS變換>ESRI全色銳化變換>簡(jiǎn)單均值變換>IHS變換>BT，寧波舟山港為GS變換>BT>IHS變換>ESRI全色銳化變換>簡(jiǎn)單均值變換，表明GS變換融合影像從原始影像中獲取的信息最豐富。

結(jié)構(gòu)相似性反映融合影像與原始多光譜影像的像元灰度相似程度[13]。由表2可以發(fā)現(xiàn)，峴港各影像的結(jié)構(gòu)相似性值依次為GS變換>ESRI全色銳化變換>簡(jiǎn)單均值變換>IHS變換>BT，寧波舟山港影像的結(jié)構(gòu)相似性值依次為GS變換>ESRI全色銳化變換>BT>IHS變換>簡(jiǎn)單均值變換。在5種融合方法中，GS變換的光譜保真度最高。

綜上所述，在7個(gè)定量評(píng)價(jià)指標(biāo)中，GS變換在均方根誤差、峰值信噪比和結(jié)構(gòu)相似性3個(gè)指標(biāo)中均為最優(yōu)。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

定性和定量評(píng)價(jià)結(jié)果均顯示GS變換對(duì)港口船舶的高分二號(hào)衛(wèi)星遙感影像融合效果最佳。在影像清晰度方面，定性評(píng)價(jià)顯示GS融合影像的船只輪廓和細(xì)節(jié)較清晰，定量評(píng)價(jià)指標(biāo)也同樣反映了上述優(yōu)點(diǎn)。在光譜保真度方面， 定性評(píng)價(jià)顯示GS融合影像的亮度和色彩均與原始多光譜影像接近，定量指標(biāo)也反映了其光譜保真度高的特點(diǎn)。

針對(duì)不同地物目標(biāo)的影像融合研究[19- 20]顯示，GS變換在光譜保真和空間信息保持方面均有較好的效果。田青林 等[19]研究了多種面向地質(zhì)應(yīng)用的高分二號(hào)影像融合方法，發(fā)現(xiàn)GS變換在定性、定量評(píng)價(jià)中均具有較好的效果，而BT融合影像的色彩失真明顯。徐鵬 等[20]研究也表明GS變換優(yōu)于BT與IHS變換。

4 結(jié)論

針對(duì)峴港、寧波舟山港兩個(gè)區(qū)域的高分二號(hào)衛(wèi)星影像，使用IHS變換、BT、ESRI全色銳化變換、簡(jiǎn)單均值變換以及GS變換等5種方法進(jìn)行融合試驗(yàn)，開展定性和定量評(píng)價(jià)，結(jié)果均顯示GS變換的融合效果最優(yōu)，融合影像具有清晰度高、光譜保真度高、信息豐富等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于港口船舶識(shí)別。