專利名稱：基于局部統(tǒng)計(jì)特性和彩色空間變換的遙感影像融合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于局部統(tǒng)計(jì)特性和彩色空間變換(IHS變換)的遙感影像融合方法(LSC法)，是圖像分析領(lǐng)域中的一項(xiàng)像素級(jí)圖像融合方法，在農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代遙感系統(tǒng)已能為用戶提供多種高空間分辨率、波譜分辨率和時(shí)間分辨率的圖像數(shù)據(jù)，遙感技術(shù)的應(yīng)用逐步從單一傳感器數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用轉(zhuǎn)向多波段、多傳感器、多平臺(tái)、多時(shí)相、多分辨力數(shù)據(jù)的綜合分析與應(yīng)用。
高分辨率衛(wèi)星影像的獲取目前可以以兩種不同方式進(jìn)行一種是高空間分辨率全色方式，另一種是高光譜分辨率的多光譜方式。全色影像的特征是具有很高的空間分辨率，特別適合于中比例尺制圖應(yīng)用和城市分析；多光譜影像提供地物豐富的光譜信息，適合于小比例尺專題制圖(如土地用圖制圖)。為了將全色影像的高空間分辨率與低分辨率多光譜影像的基本光譜信息的各自優(yōu)勢(shì)富集起來(lái)，可將這兩類影像進(jìn)行融合，得到的影像應(yīng)具有較高的幾何信息內(nèi)容，同時(shí)仍保持了良好的光譜信息質(zhì)量。所采取的融合方法不應(yīng)使原始多光譜影像的光譜特性發(fā)生畸變，保證在原始數(shù)據(jù)中光譜可分的那些目標(biāo)在融合影像中仍然是可分的。這樣的融合結(jié)果不僅允許對(duì)地物特征更精確的描述，使它們更適合于各種應(yīng)用，而且根據(jù)它們?cè)脊庾V標(biāo)志，更容易解譯。研究證明，光譜信息的保留特別適用于植被分析和城市制圖將高空間分辨率的影像和多光譜影像(低分辨率)進(jìn)行融合，這一技術(shù)中傳統(tǒng)的方法有IHS變換法、PCA(主成分分析)變換、HPF(高通濾波)方法等。在光譜信息保護(hù)方面，HPF方法融合效果比IHS變換法、PCA變換都要好。其基本思想是首先對(duì)多光譜影像進(jìn)行IHS變換，然后將高分辨率影像中的幾何信息逐像素地疊加到低分辨率影像中而進(jìn)行融合。高分辨率影像的高通濾波分量，對(duì)應(yīng)于影像空間的高頻分量，疊加到低分辨率影像上，高分辨率影像的高幾何信息內(nèi)容在融合結(jié)果中顯而易見(jiàn)。高通濾波法在融合過(guò)程中，直接用多光譜影像的I分量進(jìn)行融合，使光譜信息發(fā)生了變化。融合影像的可以改進(jìn)目視判讀的效果，提高分類制圖的精度，但是它不能用于地物識(shí)別和反演工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于局部統(tǒng)計(jì)特性和IHS變換的遙感影像融合方法，在提高多光譜影像空間分辨率的同時(shí)，更好地保留多光譜影像的光譜信息。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明技術(shù)方案的創(chuàng)新點(diǎn)在于對(duì)多光譜影像進(jìn)行IHS變換的基礎(chǔ)上，利用遙感影像的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)多光譜影像I(強(qiáng)度)分量進(jìn)行低通濾波，去除掉多光譜影像中的空間結(jié)構(gòu)信息，保留多光譜影像中的光譜信息，同時(shí)對(duì)高空間分辨率的全色遙感影像進(jìn)行高通濾波。通過(guò)對(duì)兩幅經(jīng)過(guò)濾波的遙感影像進(jìn)行局部窗口直方圖匹配，把高分辨率全色影像的像素值按像素點(diǎn)的位置，逐像素進(jìn)行灰度映射，得到融合后的I分量，再進(jìn)行IHS逆變換，得到融合結(jié)果。為了使融合影像盡可能保留原低分辨率多光譜影像的光譜信息，映射過(guò)程中局部窗口影像應(yīng)保持原低分辨率多光譜影像的對(duì)應(yīng)局部窗口的均值與方差。
本發(fā)明的遙感影像融合方法包括如下具體步驟1.對(duì)多光譜影像進(jìn)行IHS彩色空間變換，得到多光譜圖像的I分量。在IHS空間中，保留H、S分量不變；2.用高斯低通濾波器對(duì)多光譜影像I分量進(jìn)行濾波，去除掉多光譜影像中的空間結(jié)構(gòu)信息，保留多光譜影像中的光譜信息。在濾波過(guò)程中，對(duì)用于濾波的小窗口中的每個(gè)像素取不同的權(quán)值。權(quán)值是根據(jù)小窗口每個(gè)像素點(diǎn)與中心位置像素點(diǎn)的距離的大小，用高斯曲線擬合出來(lái)的，并進(jìn)行歸一化處理，歸一化處理是為了保證濾波前后小窗口內(nèi)的均值和方差沒(méi)有太大變化；像素點(diǎn)遠(yuǎn)離小窗口中心像素點(diǎn)時(shí)用小的權(quán)值，反之用大的權(quán)值；3.用高通濾波器對(duì)高分辨率影像進(jìn)行濾波，高通濾波器窗口大小與步驟2
中低通濾波器所用的窗口大小保持一致；4.對(duì)兩幅經(jīng)過(guò)濾波的遙感影像的直方圖進(jìn)行匹配，完成影像的融合。匹配的過(guò)程就是把高分辨率全色影像的像素值進(jìn)行灰度映射，得到融合后影像的I分量。在映射過(guò)程中，根據(jù)遙感影像的統(tǒng)計(jì)特性，使融合后局部窗口影像的I分量保持原低分辨率多光譜影像的I分量對(duì)應(yīng)局部窗口的均值與方差；5.把融合后的強(qiáng)度影像I′與原多光譜影的H、S分量經(jīng)過(guò)IHS彩色逆變換，即可獲得融合后的多光譜影像。
本發(fā)明的圖像融合方法采用低通濾波器對(duì)低分辨率影像進(jìn)行濾波，全色影像的局部均值和方差值與原始低分辨率光譜影像的相應(yīng)值進(jìn)行匹配，同時(shí)顧及了高分辨率全色影像的空間信息和低分辨率影像的原始光譜信息，融合影像高分辨率結(jié)構(gòu)信息來(lái)自于高分辨率全色影像。融合的影像在很好地保持多光譜影像的光譜信息的同時(shí)，提高了多分辨率遙感影像的空間分辨率，融合結(jié)果不僅對(duì)地物特征更精確的描述，使它們更適合于各種應(yīng)用，而且根據(jù)它們?cè)脊庾V標(biāo)志，更容易解譯。
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作進(jìn)一步描述。各部分具體實(shí)施細(xì)節(jié)如下1.對(duì)多光譜影像進(jìn)行IHS變換用常用的IHS變換方法對(duì)多光譜影像進(jìn)行處理，把多光譜影像變換到IHS空間，得到多光譜影像的I、H、S三個(gè)分量；在IHS空間中，保留H、S分量不變，對(duì)I分量進(jìn)行處理。
2.用高斯低通濾波器對(duì)多光譜影像I分量進(jìn)行濾波1)采用大小為w×h的窗口，根據(jù)公式(1)對(duì)多光譜影像進(jìn)行濾波(實(shí)際計(jì)算中，窗口大小可以取為5×5、9×9、15×15等)。
L‾(i,j;w,h)=Σi=1wΣj=1hω(w,h)L(i,j;w,h)......(1)]]>
其中ω(i，j)是濾波采用的權(quán)值；L(i，j；w，h)是濾波前多光譜影像I分量的像素值；L(i，j；w，h)是濾波后多光譜影像I分量的像素值。
2)計(jì)算權(quán)值按照以下的方法進(jìn)行計(jì)算(a)由公式F(x)=12π∫-∞xe-t22dt-∞<x<+∞]]>進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)小窗口每個(gè)像素點(diǎn)與中心位置像素點(diǎn)的距離的大小，用給出的公式擬合出小窗口每個(gè)像素的權(quán)值。對(duì)窗口中的每個(gè)像素取不同的權(quán)值，像素點(diǎn)遠(yuǎn)離中心像素點(diǎn)時(shí)用小的權(quán)值，反之用大的權(quán)值。
(b)為了保證小窗口的均值和方差沒(méi)有太大變化，對(duì)權(quán)值進(jìn)行歸一化處理，即滿足條件Σi=1wΣj=1hω(w,h)=1......(2)]]>3.用高通濾波器對(duì)高分辨率全色影像進(jìn)行濾波具體做法是用滑動(dòng)窗口(窗口大小可以取為5×5、9×9、15×15等)，按照下面的公式，對(duì)整幅圖像進(jìn)行濾波H‾(i,j)=1w×hΣi=1wΣj=1hH(i,j)......(3)]]>其中H(i，j)是濾波后的高分辨率全色影像的像素值，H(i，j)是濾波前高分辨率全色影像的像素值，濾波用的窗口為w×h(可以取為5×5、9×9、15×15，與步驟2中的窗口大小保持一致)4.對(duì)兩幅經(jīng)過(guò)濾波的遙感影像的直方圖進(jìn)行匹配，完成影像的融合。
通過(guò)局部窗口直方圖匹配，完成融合。即把(i，j)位置上的高分辨率全色影像H(i，j)的像素值進(jìn)行灰度映射，得到融合后的F(i，j)的像素值。計(jì)算采用以下的公式
F(i,j)=S(F)(i,j;w,h)[H(i,j)-H‾(i,j;w,h)]S(H)i,j;w,h+F‾(i,j;w,h).....(4)]]>其中S(F)(i，j；w，h)，S(L)(i，j；w，h)分別為以像素(i，j)為中心w×h窗口尺寸的融合后影像和低分辨率影像的局部標(biāo)準(zhǔn)差，F(xiàn)(i，j；w，h)是融合后影像的局部均值。
為了使融合影像盡可能保留原低分辨率多光譜影像的光譜信息，也就是說(shuō)，融合影像中的低頻成分與原低分辨率多光譜影像的低頻成分相同或非常接近，融合后局部窗口影像應(yīng)保持原低分辨率多光譜影像的對(duì)應(yīng)局部窗口的均值與方差，即滿足式(5)、(6)S(F)(i，j；w，h)＝S(L)(i，j；w，h)(5)F(i，j；w，h)＝L(i，j；w，h) (6)將式(5)、(6)代入式(4)中，得到如下的計(jì)算公式F(i,j)=S(L)i,j;w,h[H(i,j)-H‾(i,j;w,h)]S(H)i,j;w,h+L‾(i,j;w,h)......(7)]]>5.把融合后的強(qiáng)度影像I′與原多光譜影的H、S分量經(jīng)過(guò)IHS彩色逆變換，即可獲得融合后的多光譜影像。
表1給出了HPF法和LSC法融合結(jié)果的偏差指數(shù)的比較。窗口尺寸為15*15。偏差指數(shù)用來(lái)反映融合后影像與原始影像在光譜信息上的匹配程度。如果偏差指數(shù)較小，則說(shuō)明融合后的影像光譜信息保存得比較好。
從表中可以看出，LSC法得到的融合結(jié)果，各波段的偏差指數(shù)比用HPF法得到的融合結(jié)果要小得多。
表1HPF法和LSC法融合結(jié)果的偏差指數(shù)的比較

權(quán)利要求
1.一種基于局部統(tǒng)計(jì)特性和彩色空間變換的遙感影像融合方法，其特征在于包括如下具體步驟1)對(duì)多光譜影像進(jìn)行IHS彩色空間變換，得到多光譜圖像的I分量，在IHS空間中，保留H、S分量不變；2)用高斯低通濾波器對(duì)多光譜影像I分量進(jìn)行濾波，去除多光譜影像中的空間結(jié)構(gòu)信息，保留多光譜影像中的光譜信息，在濾波過(guò)程中，對(duì)用于濾波的小窗口中的每個(gè)像素取不同的權(quán)值，權(quán)值根據(jù)小窗口每個(gè)像素點(diǎn)與中心位置像素點(diǎn)的距離的大小，用高斯曲線擬合出來(lái)，并進(jìn)行歸一化處理；像素點(diǎn)遠(yuǎn)離小窗口中心像素點(diǎn)時(shí)用小的權(quán)值，反之用大的權(quán)值；3)用高通濾波器對(duì)高分辨率影像進(jìn)行濾波；4)對(duì)兩幅經(jīng)過(guò)濾波的遙感影像的直方圖進(jìn)行匹配，完成影像的融合，匹配的過(guò)程就是把高分辨率全色影像的像素值進(jìn)行灰度映射，得到融合后影像的I分量，在映射過(guò)程中，根據(jù)遙感影像的統(tǒng)計(jì)特性，使融合后局部窗口影像的I分量保持原低分辨率多光譜影像的I分量對(duì)應(yīng)局部窗口的均值與方差；5)把融合后影像的I分量與原來(lái)的H、S分量進(jìn)行IHS反變換，得到融合結(jié)果。
全文摘要
一種基于局部統(tǒng)計(jì)特性和彩色空間變換的遙感影像融合方法，在對(duì)多光譜影像進(jìn)行IHS變換的基礎(chǔ)上，利用遙感影像的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)多光譜影像I分量進(jìn)行低通濾波，同時(shí)對(duì)高空間分辨率的全色遙感影像進(jìn)行高通濾波，通過(guò)局部窗口直方圖匹配，把高分辨率全色影像的像素值按像素點(diǎn)的位置，逐像素進(jìn)行灰度映射，得到融合后的I分量，再進(jìn)行IHS逆變換，得到融合結(jié)果。本發(fā)明在很好地保持多光譜影像的光譜信息的同時(shí)，提高了多分辨率遙感影像的空間分辨率，融合結(jié)果不僅對(duì)地物特征更精確的描述，使它們更適合于各種應(yīng)用，而且根據(jù)它們?cè)脊庾V標(biāo)志，更容易解譯。
文檔編號(hào)G06T5/40GK1489111SQ0315047
公開日2004年4月14日 申請(qǐng)日期2003年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月21日
發(fā)明者敬忠良, 楊旭紅, 李建勛 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)