遥感影像融合质量评价方法研究

王 乐，牛雪峰，魏 斌，陈立春

(1.吉林交通职业技术学院，吉林长春130021;2.吉林大学地球探测科学与技术学院，吉林长春130026)

一、引 言

遥感影像融合是将不同种类传感器获得的同一区域的影像数据进行处理，采用一定算法提取各自信息，将得到的信息进行有机结合的新技术。随着该技术的发展，涌现出大量同一区域的多光谱、多分辨率、多时相的影像数据，如何将大量遥感影像数据进行融合是目前需要解决的问题，因为它直接影响到遥感影像数据是否被充分利用，但是，选择和确定何种融合方法通常取决于应用的目的。

在研究遥感影像融合时，根据不同的应用领域提出了多种融合方法。由于融合手段多样，融合技术千差万别，利用哪种融合技术得到的影像质量最好是遥感影像融合的关键所在。目前如何评价融合影像的质量问题未得到很好的解决，原因是:同一融合算法，对不同种类的影像，得到融合效果不同;同一融合算法，对同一影像，不同观察者认为的效果不同;由于应用方面的不同，选择的融合方法也不同［1］。因此，需要寻找一种最优的评价融合影像方法，利用计算机选择最佳算法满足影像，进而为根据不同场合选择不同算法提供依据［2］。

遥感影像融合不仅增加了多光谱影像空间分辨率，而且保持了原有的多光谱信息［3］，最重要的环节就是如何对融合影像进行评价。目前融合影像评价方法大都比较零散。本文在总结前人研究的基础上，系统地研究了遥感图像融合的评价方法。

二、主观融合效果评定法

主观融合效果评定法利用人来判读影像是否清晰，光谱是否发生畸变，并对影像的优劣程度做出一个主观定性评价。它主要用于判读融合影像是否配准、纹理和色彩信息是否一致、融合影像整体亮度或反差是否合适、清晰度是否降低等，通过这种评定法可以对影像的各种信息进行比较，很容易得到各方面的差异。由于主观性比较强，人眼对融合影像的感觉决定了影像的质量［4］，因此该评定方法是最简单、最常用的方法。其优点是对明显的影像信息进行快捷、方便的评价，在特定应用领域中是十分可行的［5］;缺点是有较大的主观性，不同的人评价的结果不同，因此一般还要对融合影像进行客观融合效果评定［6］。

三、客观融合效果评定法

客观融合效果评定法是判定融合影像的统计参数。由于主观融合效果评定法依赖于评价者的经验与水平，因此存在不确定性。而客观融合效果评定法能克服人为因素的干扰，判断不同融合方法的优劣［7］，因此一些研究者提出一种不受人为影响的评定方法。目前，常用的客观融合效果评定法指标主要有以下几类。

1.信息熵EN

1984年现代信息论的创始人Shannon把平均信息量又称为熵。衡量影像信息丰富程度的指标就是信息熵。影像融合最基本的要求就是信息量是否增加。然而信息的多少取决于影像的复杂程度，熵值越大，表示融合影像所含信息越丰富，融合质量越好。其表达式为

式中，pi为属性值i值的频率。

2.标准差δ

影像灰度相对于灰度均值的离散情况称为标准差，它可以作为评价影像反差的大小。标准差越小，灰度级分布越密集，影像反差越小，从而影像色调单一均匀，看不出更多信息;反之亦然。其计算公式为

3.偏差度DDR

偏差度亦称相对偏差，是将影像各个像素灰度值与原始影像灰度值之差绝对值与原始影像相应像素灰度值之比的平均值。公式为

偏差度反映了影像的匹配程度，偏差度小，说明融合影像较好地保留了原始影像的光谱信息［8］。

4.图像均值

均值是体现像素灰度的平均值。若均值适中，则视觉效果良好［7］。其计算公式为

5.均方根误差RMSE

均方根误差用来反映融合影像与原始影像的相似度。均方根误差越小，说明融合效果越好。其定义为

式中，F为融合影像;R为标准参考影像。

6.峰值信噪比PSNR

峰值信噪比用来评价影像的客观标准，PSNR值用来认定某个处理程序是否令人满意。输出的影像通常在一定程度上与原始影像不同，具有局限性。峰值信噪比PSNR定义为［9］

7.扭曲程度D

扭曲程度反映了多光谱影像的失真程度，第k个光谱分量的光谱扭曲定义为

式中，R为源图像;F为融合图像;M、N为图像的行列数;F(i，j)、R(i，j)分别为融合前后同一波段相同位置对应像元的灰度值。

四、试验结果分析

为了验证该融合效果评定法的精确性，本文通过3种融合方法(PCA、IHS、Brovey)进行了试验，该试验采用了分辨率为10 m的SPOT全色图像和TM多光谱图像进行融合，对影像进行了空间配准，选取区域大小为308像素×318像素，得到融合后的影像如图1所示。

图1 多种影像融合方法的融合效果

1.基于主观效果评定法的比较分析

从主观分析可以看出，3种方法融合后得到的影像均比原始影像信息丰富，影像变得清晰。融合后影像几乎保持了原始影像的颜色信息，视觉效果好。从影像亮度来看，Brovey融合法相比原始影像发生了很大变化，而IHS变换融合效果最好，地貌信息可以用不同的颜色区分开。

2.基于客观效果评定方法的比较分析

从表1的试验数据可以看出，采用IHS融合影像无论是灰度均值、标准差，还是信息熵均要高于原始多光谱图像。说明IHS融合图像视觉效果较好，利于影像的目视判读，性能相对较好。而PCA变换融合法的均方根误差最大，说明融合效果最差。而从峰值信噪比来看，IHS融合法高于其他方法，综合分析以上指标，即IHS变换优于Brovey融合法，优于PCA融合法。

表1 融合质量评价指标对比

五、结束语

本文对遥感影像融合评价方法进行了整理，充分利用主观评价方法与客观评价方法相结合进行综合评价。从评价指标来看，IHS变换融合法提高了信息量，在影像融合后的色彩上要优于其他方法。Brovey变换融合法在保持高分辨率的空间信息上优于PCA变换，但是丢失了一些原始影像中的辅助信息。

总之，遥感影像融合的质量评价对选择何种融合方法起着决定性作用，融合质量的评价指标和方法还有待继续探索研究。

［1］王乐，牛雪峰，王明常.遥感影像融合技术方法研究［J］.测绘通报，2011(1):6-8.

［2］徐胜祥，徐运清.Matlab在遥感图像融合算法及质量评价中的应用［J］.计算机系统与应用，2007(11):91-95.

［3］武坚，江洪，李云虎.遥感影像融合的质量评价探讨［J］.测绘技术装备，2008，10(4):9-11.

［4］崔健.遥感图像融合评价方法研究［J］.电脑开发与应用，2008，21(6):65-71.

［5］王海晖，彭嘉雄，吴巍，等.多源遥感图像融合效果评价方法研究［J］.计算机工程与应用，2003(25):33-37.

［6］王玉真.遥感影像像素级融合方法概述［J］.科学实践，2009，9(25):307-308.

［7］徐胜祥，徐运清.一种基于IHS和DWT变换的遥感图像融合方法［J］.计算机应用与软件，2008，25(10):229-230.

［8］边辉，严卫东，张平.多源遥感图像融合效果评价研究［J］.电脑开发与应用，2005，18(9):39-41.

［9］黄道颖，李祖鹏，庄雷.分布式Peer-to-Peer网络Gnutella模型研究［J］.计算机工程与应用，2003，39(5):60-63.