宋加文,朱大明,付志濤,陳思靜

昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院,云南 昆明 650093

由于衛(wèi)星傳感器的物理限制,遙感影像中多光譜(multispectral,MS)影像空間分辨率較低,但光譜信息豐富;全色(panchromatic,PAN)影像空間分辨率高,但缺失光譜信息。通過PAN影像與MS影像融合可以生成具備高空間分辨率的MS影像,即全色銳化[1]。并且,隨著高分辨率MS影像在變化檢測[2]、土壤覆蓋測繪[3]和城市區(qū)域分類[4]等領(lǐng)域的需求越來越高,全色銳化技術(shù)已成為遙感領(lǐng)域的一個(gè)重要而熱門的問題[5]。

現(xiàn)有的全色銳化方法大致可歸為4類:基于變分優(yōu)化方法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法、多分辨率分析方法、分量替代方法[6]?；谧兎謨?yōu)化及機(jī)器學(xué)習(xí)的方法是過去幾年新興的一個(gè)研究方向,其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的融合結(jié)果,但這通常會(huì)增加算法的復(fù)雜性以及計(jì)算量,并且方法在不同衛(wèi)星影像上的泛化能力有限[1,7]?；诙喾直媛史治龇椒梢垣@得較高的光譜質(zhì)量,但容易產(chǎn)生一些空間退化,例如塊狀和混疊偽影。分量替代法是將MS影像變換到另一顏色空間,用PAN影像部分或全部信息替換變換后MS影像的分量信息,最后通過逆變換得到融合影像。包括主成分分析法(principal component analysis,PCA)、強(qiáng)度-色調(diào)-飽和度(intensity-hue-saturation,IHS)方法和Gram-Schmidt方法等[8]。分量替代方法容易產(chǎn)生光譜失真,但方法簡單高效,如果算法設(shè)計(jì)得當(dāng),也可以獲得具有競爭力的結(jié)果[7,9]。

近年來,邊緣保持濾波的方法在全色銳化中取得了良好的效果。文獻(xiàn)[10]使用雙邊濾波和雙尺度引導(dǎo)濾波獲取細(xì)節(jié)圖像,并將細(xì)節(jié)圖像注入MS影像中實(shí)現(xiàn)全色銳化。文獻(xiàn)[11]將MS影像和PAN影像分別分解為高頻分量和低頻分量,然后,利用引導(dǎo)濾波增強(qiáng)細(xì)節(jié)圖的光譜信息,此外,方法根據(jù)MS影像每個(gè)波段的自適應(yīng)系數(shù)對細(xì)節(jié)圖進(jìn)行細(xì)化。在以上兩個(gè)全色銳化方法中,邊緣保持濾波在影像分解、細(xì)節(jié)提取和圖像增強(qiáng)方面起到很好的效果,但由于算法的設(shè)計(jì)原因,融合影像均存在光譜失真以及空間細(xì)節(jié)不清晰的問題。

針對以上問題,本文基于分量替代法簡單高效的融合框架,并結(jié)合邊緣保持濾波的優(yōu)異性能,提出一種基于能量屬性(energy attribute,EA)和引導(dǎo)濾波的全色銳化方法:引入均值濾波,通過均值濾波和差分算子將MS影像的強(qiáng)度分量和PAN影像分解為高頻分量和低頻分量。高頻信息通過引導(dǎo)濾波增強(qiáng),然后使用像素最大值規(guī)則獲得決策圖,最后通過像素加權(quán)平均規(guī)則獲得融合高頻分量。低頻分量通過EA方法融合。本文方法的優(yōu)勢和貢獻(xiàn)為:①所提出的基于引導(dǎo)濾波和EA方法的融合策略可以有效地生成兩個(gè)預(yù)融合圖像,使融合后的影像能很好地保存源影像的空間細(xì)節(jié)和光譜信息;②均值和引導(dǎo)濾波均具備圖像去噪的功能,使得方法具有噪聲穩(wěn)健性的優(yōu)點(diǎn);③由于方法將圖像雙尺度分量分解,使得方法易于實(shí)現(xiàn)和理解,并且具有較高的計(jì)算效率。

1 總體流程

本文方法首先將多光譜影像上采樣至全色影像像素尺寸。MS影像是彩色圖像,PAN影像是灰度圖像,若直接在RGB顏色空間融合會(huì)導(dǎo)致光譜失真,本文將MS影像轉(zhuǎn)換至IHS顏色空間,生成強(qiáng)度(intensity,I)、色調(diào)(hue,H)和飽和度(saturation,S)分量。PAN影像與I分量通過均值濾波和差分算子計(jì)算獲得高頻分量和低頻分量。其中高頻信息通過引導(dǎo)濾波增強(qiáng),使用像素最大值規(guī)則獲得決策圖,最后高頻圖像通過像素加權(quán)平均規(guī)則與決策圖融合。低頻分量通過EA方法融合。結(jié)合新的低頻分量與高頻分量替代原I分量并逆IHS變換得到融合影像。

融合方法流程如圖1所示,具體步驟如下。

圖1 融合方法流程Fig.1 Flowchart of fusion method

(1) MS影像上采樣至PAN影像像素尺寸。

(2) MS影像轉(zhuǎn)換至IHS顏色空間,得到I、H和S分量。

(3) 根據(jù)I分量對PAN影像進(jìn)行直方圖調(diào)整。

(4) PAN影像和I分量通過均值濾波,得到高頻分量(IH1,IH2)與低頻分量(IL1,IL2)。

(5) 高頻分量IH1和IH2取絕對值后得IAH1和IAH2,通過引導(dǎo)濾波增強(qiáng)高頻信息得到IEH1和IEH2,然后使用像素最大值規(guī)則獲得決策圖IM,最后IH1、IH2與IM通過像素加權(quán)平均規(guī)則獲得FH。

(6)低頻分量IL1和IL2通過EA融合策略得FL。

(7)FH和FL取和得I′。

(8) 將I′與H、S分量結(jié)合轉(zhuǎn)換到RGB空間,得到最終融合影像F。

1.1 圖像分解

如何分解圖像之間的互補(bǔ)信息是圖像融合的主要挑戰(zhàn),目前雙尺度分量分解技術(shù)在圖像融合中應(yīng)用廣泛,例如多聚焦圖像融合[12-13]。而圖像雙尺度分量分解常通過均值濾波實(shí)現(xiàn),采用的主要方法為鄰域平均法。在頻率域上均值濾波是一種低通濾波器,可以去除圖像高頻信息,因此可以實(shí)現(xiàn)圖像去噪、圖像平滑和模糊等功能。故本文通過均值濾波分解圖像為高頻分量和低頻分量。PAN影像和I分量作為源圖像輸入均值濾波fm以模糊圖像。平均濾波圖像IL1和IL2計(jì)算公式為

IL1(x,y)=I1(x,y)*fm

(1)

IL2(x,y)=I2(x,y)*fm

(2)

式中,*表示卷積運(yùn)算符;I1和I2分別為PAN影像和I分量;IL1和IL2為對應(yīng)的低頻分量。然后通過計(jì)算源圖像和平均濾波圖像之間的差值提取高頻圖像,計(jì)算公式為

IH1(x,y)=I1(x,y)-IL1(x,y)

(3)

IH2(x,y)=I2(x,y)-IL2(x,y)

(4)

式中,IH1和IH2是通過差分算子提取的高頻分量。然后,計(jì)算高頻分量的絕對值

IAH1(x,y)=|IH1(x,y)|

(5)

IAH2(x,y)=|IH2(x,y)|

(6)

1.2 高頻分量融合

圖像的高頻分量主要包含圖像的邊緣輪廓等細(xì)節(jié)信息,因此在遙感影像中空間分辨率越高的區(qū)域往往具有更多的高頻信息。由于引導(dǎo)濾波(guided filter,GF)[14]可以通過合并引導(dǎo)圖像的信息來過濾輸入圖像,引導(dǎo)圖像可以是輸入圖像本身或不同的圖像。當(dāng)引導(dǎo)圖像是輸入圖像時(shí),GF充當(dāng)邊緣保持濾波器,可以保留輸入圖像的強(qiáng)邊緣。當(dāng)引導(dǎo)圖像是不同的圖像時(shí),GF將從引導(dǎo)圖像中提取結(jié)構(gòu)信息,并將結(jié)構(gòu)信息合并到輸入圖像中。因此,可以通過將I1和I2作為引導(dǎo)圖像的導(dǎo)向?yàn)V波來增強(qiáng)IAH1和IAH2,以獲得具有更多高頻信息的IEH1和IEH2

IEH1(x,y)=GFr,ε(I1,IAH1)

(7)

IEH2(x,y)=GFr,ε(I2,IAH2)

(8)

式中GFr,ε(·)表示引導(dǎo)濾波運(yùn)算;r和ε是GF的局部窗口半徑和正則化參數(shù),分別控制濾波器窗口大小和模糊度。

PAN影像中具有實(shí)現(xiàn)全色銳化所需的空間結(jié)構(gòu)信息,即具備豐富的高頻信息,圖像中高頻信息會(huì)對融合影像的清晰度及空間分辨率產(chǎn)生很大影響。并且PAN影像的空間結(jié)構(gòu)信息優(yōu)于I分量。所以,為有效保留高頻信息,通過像素最大值規(guī)則獲得決策圖

(9)

最后,高頻圖像與決策圖通過像素加權(quán)平均規(guī)則獲得融合高頻圖像

FH(x,y)=IM(x,y)IH1(x,y)+(1-
IM(x,y))IH2(x,y)

(10)

1.3 低頻分量融合

圖像的低頻分量是圖像強(qiáng)度變化平緩的區(qū)域,描述圖像的主要部分,是對整幅圖像強(qiáng)度的綜合度量。因此,所采用的融合策略會(huì)對最終融合影像質(zhì)量產(chǎn)生很大影響,如造成影像光譜失真等。為充分保留低頻分量中包含的信息,對低頻分量融合采用一種基于EA的融合方法[15]。該融合方法分為3個(gè)步驟。

(1) 首先計(jì)算低頻分量的固有屬性值

IP1=μ1+Me1

(11)

IP2=μ2+Me2

(12)

式中,μ和Me分別表示低頻分量IL1和IL2的平均值和中值。

(2) EA函數(shù)中E1和E2計(jì)算公式如下

E1(x,y)=exp(α|IL1(x,y)-IP1|)

(13)

E2(x,y)=exp(α|IL2(x,y)-IP2|)

(14)

式中,exp表示指數(shù)運(yùn)算符;α表示調(diào)制參數(shù)。

(3) 低頻分量的融合結(jié)果通過加權(quán)平均獲得

FL(x,y)=

(15)

1.4 影像重構(gòu)

結(jié)合FH和FL得到I′

I′(x,y)=FH(x,y)+FL(x,y)

(16)

I′替換MS影像I分量并進(jìn)行IHS-RGB變換,得到最終融合影像F。

2 融合試驗(yàn)

首先介紹試驗(yàn)的數(shù)據(jù)集、評價(jià)指標(biāo)和參數(shù)設(shè)置。然后在數(shù)據(jù)集上進(jìn)行大量的試驗(yàn),并從視覺效果和定量評價(jià)方面將所提方法與加性小波亮度比例方法(additive wavelet luminance proportional,AWLP)[16]、基于引導(dǎo)濾波的CPE方法[11]、參數(shù)自適應(yīng)脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法(parameter adaptive-pulse coupled neural network,PA-PCNN)[17]和基于局部梯度能量的方法(local gradient energy,LGE)[18]比較,以全面驗(yàn)證方法的有效性和泛化能力。

2.1 試驗(yàn)相關(guān)介紹

2.1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)集

本文使用SPOT-6、WorldView-2和Pléiades NEO衛(wèi)星影像制作試驗(yàn)數(shù)據(jù)集,并選取36對影像用于測試。測試影像包括建筑、道路、植被和水體等各種經(jīng)典場景,并且影像已提前進(jìn)行預(yù)處理。有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)集細(xì)節(jié)見表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)集細(xì)節(jié)

2.1.2 評價(jià)指標(biāo)

為客觀評價(jià)融合算法的性能,選取6個(gè)指標(biāo)來定量評價(jià)融合結(jié)果,這些指標(biāo)包括:光譜角度映射(spectral angle mapper,SAM)[19]、相對無量綱全局誤差(relative dimensionless global error in synthesis,ERGAS)[20]、相對平均光譜誤差(relative average spectral error,RASE)[21]、均方根誤差(root mean squared error,RMSE)[22]、通用圖像質(zhì)量指數(shù)(universal image quality indexes,UIQI)[23]和峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)[24]。其中,SAM是計(jì)算融合影像與參考影像之間的光譜角的絕對值,越小的SAM值意味著更少的光譜角度失真,理想值為0;ERGAS是對融合影像光譜及空間信息失真程度的衡量,可以評估融合影像的整體性能,值越小表示圖像質(zhì)量越好,理想值為0;RASE顯示影像光譜平均性能,光譜質(zhì)量越高,RASE值越低,理想值為0;RMSE通過計(jì)算像素值之差來比較兩幅影像的差異,RMSE值越小表示差異越小,理想值為0;UIQI反映融合影像的相關(guān)損失、亮度失真和對比度失真,值越大,表示融合方法效果越好,融合影像質(zhì)量越高,理想值為1;PSNR用來衡量有效信息與噪聲之間的比率,PSNR值越大影像質(zhì)量越好。

2.1.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

文中對比算法的參數(shù)依據(jù)相應(yīng)文章設(shè)置。本文方法中有4個(gè)自由參數(shù),分別為:均值濾波器的滑動(dòng)窗口大小ω、GF的局部窗口半徑r、GF的正則化參數(shù)ε和EA函數(shù)中的調(diào)制參數(shù)α。

選取數(shù)據(jù)集中3組圖像對自由參數(shù)進(jìn)行分析(圖2)。由圖2(b)—(d)可知,r,ε和α參數(shù)對融合影像的質(zhì)量影響較小。綜合定量指標(biāo)和視覺效果,將r固定為3,ε設(shè)置為0.1,α設(shè)置為5,并討論ω對融合性能的影響,結(jié)果如圖2(a)所示,隨著ω的增加各評價(jià)指標(biāo)整體趨勢是在上升后逐漸平緩。在定性分析中,當(dāng)ω設(shè)置為1～4時(shí)影像較為模糊,而ω大于10后影像開始逐漸產(chǎn)生偽影。結(jié)合影像的視覺效果和定量指標(biāo),將滑動(dòng)窗口大小ω設(shè)置為5。

2.2 SPOT6影像融合

第1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于SPOT-6衛(wèi)星影像,其中MS影像由RGB波段合成,從制作的SPOT-6衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)集中選取包含各類場景的影像用作測試,部分試驗(yàn)影像如圖3所示。

圖3 SPOT-6部分試驗(yàn)影像Fig.3 SPOT-6 partial test image

圖4是兩組SPOT6影像融合結(jié)果,可以看出MS影像的空間分辨率均被有效提升。其中CPE方法融合影像存在光譜失真,紋理細(xì)節(jié)模糊,影像整體視覺效果不佳。AWLP、PA-PCNN、LGE和本文方法的取得相似效果。但在第1行影像的特寫中可以看出,PA-PCNN和LGE方法在弧形長條部分并未有效融入光譜信息,而AWLP和本文方法色彩信息豐富,具備較高的光譜質(zhì)量。同時(shí),在第2行影像的局部放大區(qū)域也可以觀察到類似的結(jié)果。

圖4 SPOT-6影像融合結(jié)果Fig.4 SPOT-6 image fusion results

SPOT-6融合影像的定量評價(jià)平均值見表2,本文方法的6個(gè)定量指標(biāo)均取得最優(yōu)值,表明本文方法適用于融合中低分辨率的遙感影像,并且融合影像紋理細(xì)節(jié)和光譜信息豐富。其中AWLP方法的SAM、RASE和ERGAS指標(biāo)值為次優(yōu)值,即AWLP方法的光譜質(zhì)量僅次于本文方法而優(yōu)于其他方法,這與上述定性分析保持一致。而CPE方法的SAM和RASE指標(biāo)值為最差,驗(yàn)證了圖4中CPE方法存在光譜失真。

表2 SPOT-6融合影像的定量評價(jià)(平均值)

2.3 WorldView-2影像融合

第2組試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于WorldView-2衛(wèi)星影像,其中MS影像由RGB波段合成,部分試驗(yàn)影像如圖5所示。

圖5 WorldView-2部分試驗(yàn)影像Fig.5 WorldView-2 partial test image

圖6是兩組WorldView-2影像融合結(jié)果。在第1行紅色特寫中,除本文方法外,AWLP、CPE、PA-PCNN和LGE方法均未有效融入紅色的色彩信息,光譜信息丟失較為嚴(yán)重。在第2行綠色放大影像中船的位置也可以觀察到類似現(xiàn)象,從而本文方法可以更充分地保持源圖像的光譜信息。在隨機(jī)選取并放大的第2行黃色船只位置,PA-PCNN、LGE和本文方法融合影像的邊緣輪廓較AWLP和CPE方法融合影像更為清晰,且相較于對比方法,本文方法融合影像的色彩更加豐富自然。WorldView-2融合影像的定量評價(jià)平均值見表3,本文方法的6個(gè)評價(jià)指標(biāo)值均為最優(yōu),證明本文方法可以充分融入源影像的空間和光譜信息。

圖6 WorldView-2影像融合結(jié)果Fig.6 WorldView-2 image fusion results

2.4 Pléiades NEO影像融合

本組試驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于Pléiades NEO衛(wèi)星影像,MS影像真彩色合成,部分試驗(yàn)影像如圖7所示。

圖7 Pléiades NEO部分試驗(yàn)影像Fig.7 Pléiades NEO partial test image

圖8是兩組影像的融合結(jié)果。其中CPE方法有明顯的光譜失真,紋理細(xì)節(jié)較為模糊。AWLP、PA-PCNN、LGE和本文方法取得相似的融合結(jié)果,即影像具備良好的視覺效果。而在第1行影像紅色放大區(qū)域中黃色屋頂?shù)陌咨蛊鸩糠?本文方法比其他方法的紋理細(xì)節(jié)更為清晰,空間信息與PAN影像更為接近。在綠色放大影像中白色長條狀區(qū)域,AWLP和CPE方法影像出現(xiàn)不同程度的偽影,而PA-PCNN、LGE和本文方法的影像邊緣輪廓清晰,呈現(xiàn)出較高空間分辨率。Pléiades NEO融合影像的定量評價(jià)平均值見表4,本文方法的定量指標(biāo)均取得最優(yōu)值。表明本文方法在融合高分辨率遙感影像時(shí)具備良好性能。

表4 Pléiades NEO融合影像的定量評價(jià)(平均值)

圖8 Pléiades NEO影像融合結(jié)果Fig.8 Pléiades NEO image fusion results

綜合上述定量、定性分析及圖9點(diǎn)線圖趨勢可知(其中影像對1—15分別為SPOT-6、WorldView-2和Pléiads NEO在上文中展示的影像),在融合不同分辨率遙感影像時(shí),本文方法在視覺感知和定量指標(biāo)上都取得最優(yōu)的效果,驗(yàn)證了本文融合策略的可行性及方法有效性,同時(shí)證明本文方法具備良好的泛化能力。

2.5 時(shí)間效率對比

試驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境為:AMD Radeon(TM) Graphics顯卡和AMD Ryzen 7 4700U with Radeon Graphics 2.00 GHz處理器,16 GB內(nèi)存,操作系統(tǒng)為Windows10,編程軟件及版本為 Matlab R2017b。由圖10可知,本文方法在5種影像融合方法中平均運(yùn)行時(shí)間用時(shí)最少,較PA-PCNN方法快34.981 2 s,約為AWLP方法平均運(yùn)行時(shí)間的3/5,具有最高的計(jì)算效率。這是由于方法將圖像雙尺度分量分解,并且高頻和低頻分量的融合方法簡單高效。

圖10 平均運(yùn)行時(shí)間對比Fig.10 Average uptime comparison

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于EA和引導(dǎo)濾波的全色銳化方法,通過均值濾波和差分算子分解圖像為高頻分量與低頻分量,將引導(dǎo)濾波應(yīng)用于高頻分量增強(qiáng),低頻分量引入EA方法融合。方法易于實(shí)現(xiàn)和理解,計(jì)算效率高,并且可以有效結(jié)合源影像的空間細(xì)節(jié)和光譜信息。通過36對包含不同空間分辨率和場景的遙感影像測試,本文方法與AWLP、CPE、PA-PCNN、LGE 4種具有代表性方法相比,定量指標(biāo)SAM、ERGAS、RASE、RMSE、UIQI和PSNR較次優(yōu)值分別平均提高了77.13%、10.78%、9.57%、12.20%、1.35%及0.39%,定性評價(jià)也取得最優(yōu)的效果,從而驗(yàn)證了本文方法的有效性。由于異源遙感影像融合具有較高的技術(shù)難度,但是很有研究價(jià)值。在未來的研究中,異源遙感影像融合將是筆者工作的重點(diǎn),例如SAR與光學(xué)影像融合。