基于可操纵金字塔和IHS变换的遥感影像融合

1、基于可操纵金字塔和IHS变换的遥感影像融合李博1,肖模艳2,于加1(1.中国石油天然气管道工程有限公司,河北廊坊065000；2.武汉大学遥感信息工程学院,湖北武汉430072)摘要：提出了一种基于可操纵金字塔和IHS变换的遥感影像融合方法。对多光谱(MS)图像的强度分量和全色图像(PAN)分别进行可操纵金字塔分解,针对金字塔分解后的低频、高频和各带通子图像分别采取不同的融合规则获得融合子图像,再先后通过可操纵金字塔框架下的逆变换和IHS逆变换得到融合图像。实验结果表明,该方法在增强影像细节信息、保持光谱特性方面比传统的IHS融合法效果更好。关键词：图像融合；可操纵金字塔；IHS变换文章编号:

2、1672-4623(2011)06-0083-02中图分类号：P237.3文献标志码:B多源遥感影像融合作为一种遥感信息综合处理与分析的技术，近些年来一直是遥感领域的热门研究课题之一。如何融合多源遥感影像数据，目前较成熟的融合方法主要包括IHS变换法、PCA变换法、小波变换法、改进小波以及近年来众多学者们提出的一系列多尺度几何分析法1,2。本文通过对遥感影像融合中经常使用的IHS变换法和一种基于可操纵金字塔变换的融合法进行比较分析，并针对两种方法的特点，提出了一种基于可操纵金字塔和IHS变换相结合的影像融合方法。为n+1个方向的带通滤波器组(k=0，1，n)；2表示下采样，2表示上采样。1.2

3、IHS融合在色度学上，用亮度I、色度H和饱和度S作为颜色表示系统，称为IHS系统。IHS变换是指将RGB空间的图像分解成为空间信息(I)和光谱信息(H,S)4。IHS融合是将多光谱图像进行IHS变换，用全色图像与变换后的I分量直接进行直方图匹配，用配准后的图像直接代替多光谱图像的I分量，然后进行IHS逆变换，得到融合后的多光谱图像。IHS融合法极大提高了多光谱图像的空间分辨率，但是它在保持光谱特性方面明显不足，容易造成光谱信息的缺失。1.3基于可操纵金字塔和IHS变换的融合本文方法的关键是IHS变换和多光谱图像亮度分量与全色影像在可操纵金字塔框架下的融合。实验前，需要对高空间分辨率全色图像PA

4、N和低空间分辨率图像多光谱图像MS进行几何配准，重采样多光谱图像使其与全色图像大小相同。实现本文方法的具体步骤见图2。1基本原理1.1可操纵金字塔Freeman和Simoncelli等人3提出的可操纵方向金字塔变换(SteerablePyramidTransform)是一种基于方向滤波器的多尺度、多方向(大于3个)的图像变换方法，可操纵方向金字塔变换在频域中的分解和重构过程见图1。图1可操纵方向金字塔在频率域的分解和重构过程图中虚线的左边部分表示可操纵方向金字塔变换的分解过程，虚线的右边表示其重构过程。X（）,（）为原始图像和重构图像，H0（）为无方向的高通滤波器；L0（）和L1（）为低通和窄

5、带低通滤波器；Bk（）图3融合源图像和融合效果对比图收稿日期：2009-11-0984地理空间信息第9卷第6期经过配准、重采样后，两张图像的大小均为512512像素。为了验证本文提出的将可操纵金字塔与IHS结合进行融合的效果，本文方法与IHS变换融合进行了比较，其中IHS变换融合采用的是ERDAS中的IHS融合。图3(a)与图3(b)分别是全色影像(PAN)和多光谱影像(MS)，IHS融合法的融合结果如图3(c)所示，本文方法的融合结果如图3(d)所示。对于融合效果的评价，从主观和客观评价两方面进行。从目视情况来看，ERDAS中的IHS变换融合和本文方法在空间分辨率上都有明显的提高。由于IHS

6、变换采用了直接用全色图像（PAN）代替亮度分量I，如（c）图所示，虽然获得了全色图像在空间分辨率上较高的优点，但是光谱退化比较严重；而本文方法如图（d）所示，采用了将全色图像（PAN）与亮度分量进行基于可操纵金字塔的融合，在提高空间分辨率的同时，更好地保留了光谱信息。对融合方法的定量分析，本文从信息熵和相关系数两个方面进行评价，客观评价指标统计见表1。从信息熵的统计值来看，新方法信息熵较大，信息更丰富。从相关系数来看，新方法的相关系数远远高于传统IHS变换融合法，融合影像光谱保持性比后者要好。综合主观和客观两个方面的评价，新方法不但提高了多光谱图像的空间分辨率，而且融合影像所包含的信息量更大、

7、光谱保持性更好、融合效果更理想。表1客观评价指标统计RGBHSI图匹配RGB图2基于可操纵金字塔和IHS变换的图像融合流程图1)对多光谱图像MS进行IHS变换，得到亮度分量I(强度)、色度分量H和饱和度分量S。2)分别对多光谱图像的亮度分量I和与其进行直方图匹配后的全色图像执行可操纵金字塔框架下的分解。3)对步骤2)中亮度分量I和全色图像经过可操纵金字塔变换后的相应各子带图像系数(即图像的灰度值)按如下的融合规则进行融合处理。融合规则：对于低频子图像，直接选择多光谱图像的亮度分量I的低频信息作为可操纵金字塔融合后的低频信息；对于高频和各带通子图像，考虑到空间频率这一指标能用来衡量邻域图像的活跃

8、程度，空间频率越大，图像越活跃、越清晰，所以根据各子图像的空间频率来进行融合5。设待融合的两源图像A、B分解得到的高频和各带通子图像每个采样点邻域空间频图像MSIHS变换融合法本文方法RGBRGB7.41307.50827.10771117.47287.64767.46810.68620.34630.63017.70847.85047.56530.90790.86800.8858信息熵率为SFA()和SFB()，其中向量表示子图像采样相关系数点的位置。两幅子图像对应采样点()的系数用GA()和GB()表示，融合子图像的系数用GF(下式取值)表示，按3结语本文采用可操纵金字塔变换和IHS变换相结

9、合的方法对多光谱图像和全色图像进行融合。在可操纵金字塔变换融合中，对不同频率域的子图像，采用不同的融合规则。实验结果表明，本文方法克服了传统IHS变换融合光谱保持性差的缺点，同时融合之后的多光谱图像在空间分辨率上也有显著提高，是一种较为理想的多光谱图像融合方法。4)将经过步骤3)得到的低频子带，高频子带，以及各带通子图像在可操纵金字塔框架下进行重构。5)将步骤4)所得的重构图像作为新的亮度分量I和步骤1)所得色度分量H、饱和度分量S进行IHS逆变换，获得融合图像。2实验结果与分析参考文献1焦李成，谭山.图像的多尺度几何分析:回顾和展望J.电子学报，2003，31(12):1975-1981（下

10、转第88页）本实验用matlab6.5在微机上实现。实验数据为广东三水地区的全色图像(PAN)与多光谱图像(MS)，结果图像IHS变换可操纵金字塔变换融合HSII逆直方IIHS变换全色影像PAN多光谱影像MS88地理空间信息第9卷第6期表2武汉市城区1991-2009年景观水平上异质性指数特征值特征值时间ED(m/hm2)AREA-CV(%)SHEISHDISHAPEMNCOHESION1991200320090.83370.83840.845601.92281.92751.934127.818933.883334.8137679.0205684.0320685.26312.01792.007

11、22.000399.344199.248999.2354通过表2可知，1991-2009年间，武汉市城区景观整体异质性主要体现在以下4个方面：从景观破碎化程度来看，破碎化程度有增大趋势。从1991-2009年间，整体景观的边缘密度从27.8189m/km2，增为34.8137m/km2，说明了外部因素对整体景观作用力在加强，加大了整体景观被切割的程度，整体景观呈现逐步破碎化；均匀度指数和香农多样性指数呈增加趋势，均匀性增加表明优势度减小，这表明在1991-2009年间优势组分景观对景观整体的控制作用呈逐渐减弱趋势；平均斑块形状指数呈逐渐减小，表明了人类活动对湿地景观类型复杂性的影响在加深，湿地

12、景观在空间形状上在一定程度下也发生了变化；而从斑块结合度来看，斑块结合度也逐渐下降，说明各斑块类型和周围相邻斑块类型的空间连接程度在减小，整体景观的破碎化程度在加剧。斑块面积呈逐渐增大趋势，斑块总数目也增加，受武汉市城区整体景观斑块的总数、景观总面积与最小斑块面积之比的影响，使得景观的整体破碎化程度呈逐渐上升的趋势。3）近年来武汉市城区区域内的湿地景观格局发生了较大变化，各类湿地景观以及整体区域景观破碎化程度增大，湿地生物多样性降低，系统的稳定性下降。这表明人类活动对湿地的干扰在增强，城市化进程在一定程度上影响了湿地景观格局的变化，使得湿地生存空间呈现日益缩小的趋势。参考文献1孙广友，王海霞，

13、于少鹏城市湿地研究进展J地理科学进展，2004，23(5)：94-100湖北省计划委员会，湖北省国土办公室湖北省国土资源综合评价M北京：地震出版社，1992陈涛，杨武年3S技术在生态环境动态监测中的运用研究J中国环境监测，2003，19（3）：19-22JohnR.Jensen遥感数字影像处理导论M.北京：机械工业出版社，2007黄慧萍遥感技术在广东省湿地类型调查中的应用J国土资源遥感,1996(4):9-15陈秋晓，骆剑承，周成虎，等基于多特征的遥感影像分类方法J遥感学报，2004（6）：25-27LAlparone，M.Barni，MBetti，etal.Fuzzyclusteringof

14、Textur-edSARImagesBasedonaFractalDimensionFeatureJSinga-pore，1997YChang，FPeng，LLuo，etalLaserImagingfortheUnder-waterObjectandtheImageSegmentationBasedonFractalJ.Beijing，China，2003235结语41）本文使用了多尺度影像分割与目视解译相结合的方法来获取武汉市城区湿地景观类型信息。经过反复的实验，在对中分辨率影像进行分割时，得出将分割参数设置为（hs=10、hr=6.5、M=100）能够得到较好的分割结果。2）18年间武汉市

15、城区的湿地总面积从1991年的750.70km2降到2009年702.51km2，平均年下降率为2.68km2，其中自然湿地面积在1991-2003年间减少幅度较大，2003-2009年几乎没有变化，非湿地景观中建设用地增长最快；武汉市城区3期湿地景观的整体破碎度指数分别为0.0011、0.0027、0.0034，其斑块总数分别为537个、612个、712个，武汉市城区景观最小5678第一作者简介：邵军，硕士，主要从事遥感图像信息提取、数字城市和地理信息系统研究与运用工作。4（上接第84页）王仁礼，威铭尧，王慧.用于图像融合的HS变换方法的比较J.测绘学院报，2000，17(4):269-27

16、2基于易操纵金字塔的多传感器图像融合J.计算机工程与应用，2003(22):24-272焦李成，侯彪，王爽，等.图像多尺度几何分析理论与应用M.西安:西安电子科技大学出版社，2008FreemanW.T，AdelsonE.H.SteerableFiltersforEarlyVision，ImageAnalysis，andWaveletDecompositionJ.In:Proceedingsof3rdInternationalConferenceonComputeVision，1990：406-415.53第一作者简介：李博，硕士，主要研究方向为图像融合等。地理空间信息第9卷第6期4GEOSP

17、ATIALINFORMATIONIndex(Vol.9,No.6)AbstractTakingthebuildingofFujianJiulongRivercoastalDEMdataforexample,thepaperintroducedamethodofCoastalDEMconstruc-tionandaccuracyassessmentbasedonArcGISthroughintegratedtheland,marineandforeshoreflatareasdata.Theaccuracyassess-mentresultshowsthattheJiulongRiverarea

18、CoastalDEMofFujianmeetsnationalstandardsofDEMproduction.So,thispaperprovidesatechnicalsupportfortheapplicationofGISinthecoastalresourcein-tegratedmanagementbasedoninformation.KeywordsArcGIS,Coastal,DEMconstruction,Accuracyassess-ImageFusionBasedonSteerablePyramidandIHSTransformationbyLIBoAbstractThi

19、spaperproposedanewimagefusionmethodbasedonsteerablepyramidandIHSTransformation.Theintensitycomponentofmultispectralimage(MS)andpanchromaticimage(PAN)wasde-composedrespectivelybysteerablepyramidtransformation.Differentrulesareusedtofusesub-imagesoflowfrequency,highfrequency,andbandpass,andthenthefuse

20、dmultispectralimagecouldberecon-structedbyinversesteerablepyramidandIHStransformation.Theex-perimentresultsshowthatthenewmethodisbetterthanIHSfusiononsharpinginformationofdetailsandmaintainspectralcharacteristicsofmultispectralimage.Keywordsimagefusion;steerablepyramid;IHStransform（Page:83）（Page:93）

21、mentResearchonLandUse/CoverDynamicChangeswithRemoteSenseinGuanganCitybyChenNanAbstractAssocietytospeeduptheprocessofindustrialization,thecontradictionbetweeneconomicdevelopmentandecologicalenviron-mentbecomemoreandmoreprominent,soitisanimportantwaythatcarryoutthetypicalareaecologicalenvironmentremot

22、esensingdy-namicmonitoranalysistorecognizethepresentsituationofthenationlandutilizationchanges.BasedontheremotesensingandGIStech-nology,thispaperanalyzedlanduse/coverdynamicdegreechangesandtransferchangesoftheregionbetween2000-2007throughestab-lishingtheGuangancitylandutilizationdatabase,andestablis

23、hedthelanduse/coveroftheinitialstatematrixandtransitionprobabilityma-trix,andwithMarkovmodeltopredicttheareabetween2014-2021landuse/covertheevolutionoftrends.Theresultsshowthat：thefar-mingandthelawnareaofthisregionreducesyearbyyear,therateofriseoftheforestlandareaisquick.AlthoughtheGuanganreturningf

24、armlandtoforestprojecthasmadetheremarkableprogress,buthasactuallycreatedthefarmingandthelawnfiercereduction,doesnotfa-vortheecologicalenvironmentthebalanceddevelopment,thereforeshouldprotectthefarmingandthelawn,emphasizetheeconomyandenvironmentsustainabledevelopment.KeywordsLUCC，transfermatrix，Marko

25、vforecastmodel，Guangan（Page:96）ResearchonWetlandLandscapeChangeinWuhanCityBasedon3STechnologybySHAOJunAbstractThisthesishadtaken3StechnologyasitsresearchareaforWuhanCity.IthadanalyzedthewetlandlandscapespatternchangesinWuhanCityintherecenteighteenyearsbyusingtheLandsat-TMimagesinyear1991aswellasin20

26、03,andCBERS02B-CCDimagesofyear2009asitsdatasource,andbyextractingwetlandsinformationthroughthemethodofmulti-scaleimagesegmentationandvisualin-terpretation.Theresultsshowthatthecitynearlyeighteenyearstotalareaofwetlandreduced,thenumberofpatchesincreased,fragmen-tationlevelincreased,meanpatchshapeinde

27、xreduction,wetlandlandscapediversityindexdecreased,combinedwiththedecreaseofhumanactivitiesonwetlandlandscapedisturbanceincreased,urbanexpansionhasgreatlyaffectedthewetlandlandscapepatternchanges,urbanspacemakeswetlandsshrinkingtrend,wetlandpro-tectionisnotoptimistic.Keywords3STechnology，dynamicchan

28、ge，wetlandlandscapepat-InversionoftheLandTemperatureUsingSplit-windowAlgorithmbyWANGLimeiAbstractOnthebasisofanalyzingthesplitwindowalgorithm，somecommonlyemployedalgorithmswereintroduced.TheQinetalsplitwindowalgorithmwasanalyzedandselectedasthebestalgorithmfortemperatureretrieval.Radiometriccalibrat

29、ion，atmosphericandge-ometriccorrectionforMODISdatawereperformed.Atthesametime，Valoralgorithmsensitivetothereflectionofthevegetationwasusedtoe-valuatethespecificradioactivityoflandsurfaceandthelandsurfacetemperatureofJingjintangregionwashenceretrieved.Theresultsho-wedthatthetemperatureofurbanareawast

30、hehighest，andthetem-peratureofwaterbodythelowest.Theseretrievalresultsweremoreideal.Besides，QinetalsplitwindowalgorithmandValoralgorithmcouldimprovetheaccuracyoftemperatureretrieval，offeringagoodexampleofapplicationoftemperatureretrievalincomplicatedareas.Keywordssplitwindowalgorithm;thermalinfrared

31、remotesensing;tern，WuhanCity（Page:85）LandscapePatternChangesofRuralResidentialAreasinHillyCoun-tryofSouthernHunanbyWANGBinwuAbstractBasedonGIS,thetheoryoflandscapeecology,andthemethodofquantitativeanalysis,thelandscapepatternchangesofruralresidentialareawereanalyzedinBeihuDistrictinChenzhouCityinthe

32、recent5years.Manylandscapeindiceswerecalculatedwhichexpres-sestheruralsettlementsamount,thescaleoftheruralresidential,spa-cialformationandspacialdistribution,whileanalyzedthedynamicchangesofthelandscapepatternatdifferentaltituderuralresidential.Theresultsshowedthatruralresidentialareasgenerallygatheredingentleslopezone.Theareaofruralsettlementsincreasedby189.27hm2inBeihuDistrictfrom2004to2009.Theruralresidentialmeanpatchsize(MPS)increasedby5.57%inhillyareaofBeihuDistrictwithi