遙感圖像融合質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

1、遙感圖像融合質(zhì)量評(píng)價(jià)方法武 堅(jiān) 李崇偉王積武 李相全(68011部隊(duì) 甘肅 蘭州 730020)摘 要：圖像融合可為攝影測(cè)量與遙感提供高質(zhì)量的遙感融合圖像。遙感融合圖像質(zhì)量如何是圖像使用者關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題。本文運(yùn)用主觀評(píng)價(jià)、客觀評(píng)價(jià)、幾何質(zhì)量等三種評(píng)價(jià)方法對(duì)融合后的遙感圖像的質(zhì)量展開討論。實(shí)踐表明這些評(píng)價(jià)方法能夠保證融合后圖像高質(zhì)量地應(yīng)用于攝影測(cè)量與遙感生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：主觀評(píng)價(jià) 客觀評(píng)價(jià) 幾何質(zhì)量 質(zhì)量評(píng)價(jià)1前言攝影測(cè)量與遙感1是以數(shù)字影像為基礎(chǔ)，來(lái)確定被攝物體的形狀、大小、空間位置及其性質(zhì)。遙感圖像是攝影測(cè)量與遙感最原始、最基本的資料。高質(zhì)量的遙感圖像是完成攝影測(cè)量與遙感的基礎(chǔ)。遙感影像融合

2、2是將多傳感器、多時(shí)相、多光譜和多分辨率影像的各自局部?jī)?yōu)勢(shì)信息整合處理，以提供高分辨率、多光譜的單一圖像，解決遙感影像解譯過(guò)程中信息不足的問(wèn)題。由此看出，圖像融合可以為攝影測(cè)量與遙感提供高質(zhì)量的遙感影像。2圖像融合的評(píng)價(jià)方法當(dāng)前對(duì)融合后圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要是主觀目視與統(tǒng)計(jì)相關(guān)信息參數(shù)相結(jié)合的辦法，即：利用目視效果和信息熵、清晰度、平均梯度、偏差指數(shù)、均方根誤差等參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，而對(duì)融合后圖像的幾何量測(cè)性則關(guān)注較少。對(duì)于攝影測(cè)量與遙感應(yīng)用，幾何精度是一個(gè)很重要的因素。本文結(jié)合攝影測(cè)量與遙感應(yīng)用角度，來(lái)對(duì)分析融合后圖像的質(zhì)量做出評(píng)價(jià)。站在通用圖像處理角度，目前大多數(shù)對(duì)影像質(zhì)量評(píng)價(jià)分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)

3、，并結(jié)合起來(lái)使用。主觀評(píng)價(jià)是通過(guò)目視觀察進(jìn)行分析，客觀評(píng)價(jià)是利用圖像的統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行判定。嚴(yán)格意義上講，融合圖像的主客觀評(píng)價(jià)應(yīng)該是一致的，即圖像的統(tǒng)計(jì)參數(shù)特征應(yīng)該符合人眼的目視感覺(jué)。但由于遙感圖像融合具有特殊性，它不僅僅要求提高融合圖像的空間分辨率，而且要盡可能制約2。因此，對(duì)遙感融合圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)，應(yīng)綜合考慮空間細(xì)節(jié)的增強(qiáng)和光譜保持原始圖像的光譜特征。此外，這兩個(gè)要求在很大程度上是不太相容，相互信息的保持兩個(gè)方面，利用圖像的統(tǒng)計(jì)參數(shù)結(jié)合目視觀察來(lái)分析與評(píng)價(jià)。對(duì)于攝影測(cè)量與遙感而言，影像的幾何質(zhì)量（影像的可量測(cè)性）是很重要的一個(gè)因素，它將決定融合圖像能否達(dá)到數(shù)字地形圖生產(chǎn)的精度限差4。因此，從主

4、觀、客觀、幾何質(zhì)量等三個(gè)方面對(duì)做出質(zhì)量評(píng)價(jià)可以保證融合后圖像高質(zhì)量地應(yīng)用于攝影測(cè)量與遙感生產(chǎn)。2.1融合影像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)主觀評(píng)價(jià)5是以人作為觀察者，對(duì)影像的質(zhì)量做出主觀定性評(píng)價(jià)。由于人眼對(duì)色彩具有強(qiáng)烈的感知能力，使得對(duì)光譜特征的評(píng)價(jià)是任何其他方法所無(wú)法比擬的。因此，通過(guò)主觀定性評(píng)價(jià)，基本可以確定融合方法的可用性。主觀方法評(píng)價(jià)影像的質(zhì)量受不同的觀察者、影像的類型、應(yīng)用場(chǎng)合和環(huán)境條.件的影響較大。主觀質(zhì)量評(píng)分法是具有代表性的主觀評(píng)價(jià)方法。它是通過(guò)對(duì)觀察者的評(píng)分來(lái)判斷影像質(zhì)量。評(píng)分的步驟是先用某些原始標(biāo)準(zhǔn)影像建立質(zhì)量等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，然后由觀察者觀看被評(píng)價(jià)的影像，并于標(biāo)準(zhǔn)影像等級(jí)做出比較，得出被評(píng)價(jià)影像的

5、等級(jí)，如分為：優(yōu)秀、良好、中等和差四個(gè)等級(jí)。實(shí)際中，主觀評(píng)價(jià)的具體做法是提交融合后圖像給經(jīng)驗(yàn)豐富、長(zhǎng)期從事攝影測(cè)量與遙感的一線作業(yè)人員來(lái)評(píng)價(jià)。由于長(zhǎng)期以來(lái)他們以全色光學(xué)影像作為作業(yè)對(duì)象，因此，對(duì)融合后影像所同時(shí)具有的高分辨率和多光譜特征能夠欣然接受。加之，以前對(duì)地物、地貌的解讀以形狀、大小、色調(diào)、陰影、紋理、位置和活動(dòng)等七種特征1作為解釋與量測(cè)目標(biāo)的依據(jù)，而對(duì)光譜特征則關(guān)注較少，因此，當(dāng)融合圖像中包含了光譜信息后，目視效果柔和，地物、地貌信息特征明顯，地物判 讀相比單一全色影像容易，因此，主觀評(píng)價(jià)總體為優(yōu)良。2.2融合影像質(zhì)量的客觀方法評(píng)價(jià)采用影像的主觀評(píng)價(jià)法會(huì)不同程度地受到人類主觀因素的影響

6、?？陀^評(píng)價(jià)能夠克服主觀因素的影響，對(duì)融合影像的各種性能做出定量的評(píng)價(jià)。從遙感圖像分析和應(yīng)用的角度，可運(yùn)用信息熵、平均梯度、偏差度和均方根誤差等統(tǒng)計(jì)參數(shù) 2對(duì)融合圖像的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。（1）圖像信息量增加程度：信息熵信息量增加是圖像融合最基本的要求。圖像的信息熵是衡量信息量增加大小的重要參數(shù)，值越大，則該圖像中所含信息越豐富。可以通過(guò)融合前后圖像信息熵的變化來(lái)反映，圖像信息熵的含義為圖像的平均信息量，其表達(dá)式為： N (1-1) I=-P(i)log(P(i)i=0N為像元值范圍其中P(i)為某像元值i在圖像中出現(xiàn)的概率，（一般為0255）。（2）圖像質(zhì)量改進(jìn)的清晰程度：平均梯度在圖像清晰度方面，

7、平均梯度是其主要的衡量參數(shù)，反映了圖像微小細(xì)節(jié)反差變化的速率。平均梯度值越大，圖像越清晰。其公式為：G=1MNxfi-1j-1MN(i,j)2+yf(i,j)2 1 (1-2)式中xf(i,j)，yf(i,j)分別為像元(i,j)在x,y方向上的一階差分。（3）光譜信息的繼承程度：偏差指數(shù)利用偏差指數(shù)可以反映融合圖像與原始圖像在光譜信息上的匹配程度。例如，高空間分辨率影像A與多光譜影像B進(jìn)行融合生成影像C，偏差指數(shù)定義為融合后圖像C與原始圖像B插值的絕對(duì)值與原始圖像B的影像值的比值，其公式為：C(i,j)-B(i,j)1 (1-3) D=MNB(i,j)MNi-1j-1如果偏差指數(shù)D較小，則說(shuō)

8、明融合后的影像C在提高了空間分辨率的同時(shí)，較好地保留了多光譜影像B的光譜信息。（4） 融合效果的評(píng)定：均方根誤差在與原始圖像的相似度方面，均方根誤差是其直接反映。均方根誤差（RMSE）越小，說(shuō)明融合效果相對(duì)越好。融合影像F和標(biāo)準(zhǔn)參考影像R間的均方根誤差定義為：(RRMSE=i=1j=1MNi,j-Fi,j)2(1-4)MN在影像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)中，信息熵、平均梯度、偏差指數(shù)和均方根誤差等參數(shù)從不同角度定量地考慮了影像的融合質(zhì)量。采用上述四個(gè)參數(shù)指標(biāo)對(duì)TM多光譜影像和SPOT5 Pan影像的融合后圖像進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)定量分析，結(jié)果如表3.1所示：參數(shù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)分析：IHS、小波融合法相比較，總體來(lái)說(shuō)小波

9、融合法好，IHS法差。加權(quán)變換、PCA變換融合法與IHS、小波融合法相比較：偏差指數(shù)在增大，說(shuō)明光譜保持上略有遜色；信息熵在提高，說(shuō)明信息量增強(qiáng)；平均梯度大于IHS融合法說(shuō)明空間分辨率在提高；從均方根誤差角度講，也在提高。綜合比較，加權(quán)變換、PCA變換融合法不如小波變換，與IHS相比各有特色。2.3 融合影像質(zhì)量的幾何質(zhì)量評(píng)價(jià)影像的幾何質(zhì)量表達(dá)了影像能正確恢復(fù)（量測(cè)）原始景物形狀的能力，幾何質(zhì)量的優(yōu)劣決定了數(shù)字影像能否應(yīng)用于攝影測(cè)量與遙感。幾何質(zhì)量的評(píng)價(jià)3可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)影像上一定數(shù)量檢測(cè)點(diǎn)和線段的誤差來(lái)描述，誤差值的獲取可以通過(guò)實(shí)地量測(cè)，也可以通過(guò)與基準(zhǔn)影像比較獲得。其基本原理為：在基準(zhǔn)影像上選

10、擇均勻分布的一組檢測(cè)點(diǎn)，利用人工判讀或算法匹配，在被檢測(cè)影像上找到相應(yīng)的同名像點(diǎn)，被檢測(cè)影像的幾何質(zhì)量可用下式描述：xi=xi-x'iyi=yi-y'i1nx=xini=11nyiy=ni=1(1-5)其中xi、yi表示檢測(cè)點(diǎn)在x、y方向上的誤差；x、y表示被檢測(cè)影像在x、y方向的平均誤差?；鶞?zhǔn)影像的選擇既可以是未經(jīng)處理前的影像，如更新前的原始影像，也可以是比被檢測(cè)影像精度更高的影像。檢測(cè)時(shí)，待檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)均勻分布在基準(zhǔn)影像與被檢測(cè)影像上，盡量保證在影像的各主要位置（例如四角和中央）都有檢測(cè)點(diǎn)存在，但并不一定要求檢測(cè)點(diǎn)之間等距。因?yàn)閷?duì)更新后的影像進(jìn)行幾何質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，如果要求待檢測(cè)點(diǎn)

11、呈現(xiàn)等距分布，則往往因地物特征發(fā)生變化而無(wú)法在被檢測(cè)影像上找到正確的同名像點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中以原始SPOT5 Pan影像為基準(zhǔn)，選取15個(gè)分布均勻的、非特征位置的點(diǎn)位，配準(zhǔn)到多光譜TM影像和融合后影像上。分別統(tǒng)計(jì)全色影像上點(diǎn)位與TM影像以及融合后影像上點(diǎn)位存在的偏差，將各個(gè)點(diǎn)位的中誤差值列表來(lái)檢驗(yàn)融合影像的幾何質(zhì)量。表4.1列出了各種方法的點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)（單位為像素）：表4.1 融合結(jié)果與原始影像中誤差統(tǒng)計(jì)表可以看出，四種融合方法的融合后圖像在x方向和y方向的中誤差都在1個(gè)像素以內(nèi)。由此說(shuō)明，所采用的融合方法所得結(jié)果的幾何質(zhì)量是可靠的，能夠保證攝影測(cè)量與遙感的數(shù)據(jù)采集要求。3小結(jié)遙感融合圖像作為一種產(chǎn)

12、品，對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)是圖像使用者關(guān)心的一個(gè)重要方面。由于多源遙感圖像融合因涉及到不同數(shù)據(jù)源，不同的數(shù)據(jù)獲取方式和不同的圖像融合方法，因而對(duì)融合結(jié)果的評(píng)價(jià)也是復(fù)雜的。因此，對(duì)融合的遙感影像的質(zhì)量評(píng)價(jià)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。本文針對(duì)攝影測(cè)量與遙感生產(chǎn)的應(yīng)用，從主觀、客觀、幾何質(zhì)量等三個(gè)方面展開質(zhì)量評(píng)價(jià)，效果優(yōu)良。在實(shí)際生產(chǎn)中，將青海某地區(qū)的SPOT5多光譜影像和其全色影像融合試驗(yàn)，融合后圖像應(yīng)用到全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站，所采集的成果滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。主要特點(diǎn)：融合后的圖像具有高空間分辨率和多光譜特征，生成立體明顯，目視效果優(yōu)于全色影像，地物判讀容易，數(shù)據(jù)采集速度明顯提高，應(yīng)用融合圖像所采集的DEM、DLG

13、和DOM產(chǎn)品，精度符合成圖要求，作業(yè)效率整體得到提高。實(shí)踐表明，融合圖像經(jīng)過(guò)上述質(zhì)量的監(jiān)控，能夠?yàn)閿z影測(cè)量與遙感提供高質(zhì)量的遙感圖像，滿足數(shù)字地形圖生產(chǎn)的需要。參考文獻(xiàn)：1張保明,馬秋禾.攝影測(cè)量與遙感M.北京:解放軍出版社，2008,4(1).13.2翁永玲,田慶久.遙感數(shù)據(jù)融合方法分析與評(píng)價(jià)綜述.遙感信息,2007,3：4954.3王昱，胡莘，張保明.數(shù)字影像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法研究.測(cè)繪通報(bào),2008,5：79.4張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量M.武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,2006，6.62165,175210.5覃征,鮑復(fù)民等.多傳感器圖像融合及其應(yīng)用綜述,微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2009, 21

14、(4).15.The Method of Quality Evaluation of Fused RS ImageWU Jian,LI Chong-wen, WANG Ji-wu, LI Xiang-quan（68011 troop,lanzhou,730020,China）Abstract: Image fusion can provide RS fused image with higher quality for photogrammetry and remote sensing. As a product to remote-sensing image, its quality is an important problem to users. This paper discusses the quality of fused RS image using three evaluation methods of subjective evaluation, objective evaluation and geom