以水体为观测目标的Worldview-2融合方法评价

杜 泳,张霄宇,黄大松,江彬彬,陈建裕,邓 涵,姚玲玲,杨顶田

（1.浙江大学地球科学系,浙江杭州310027；2.国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江杭州310012；3.中国科学院南海海洋研究所,热带海洋环境国家重点实验室,广东广州510301）

以水体为观测目标的Worldview-2融合方法评价

杜 泳1,张霄宇1,黄大松1,江彬彬1,陈建裕2,邓 涵1,姚玲玲1,杨顶田3

（1.浙江大学地球科学系,浙江杭州310027；2.国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江杭州310012；3.中国科学院南海海洋研究所,热带海洋环境国家重点实验室,广东广州510301）

为了提高影像的分辨率、强化影像隐含的信息,在影像的预处理过程中往往需要将不同分辨率数据进行融合,实现优势互补.以Worldview-2的3景遥感影像为数据源,钱塘江重点河段为研究对象,对以水体悬浮泥沙为主要观测目标的遥感影像开展融合方法的评价,以及大面积水域对影像融合方法选择的影响机制的探讨.结果表明,大面积水体的存在会影响到融合影像保留源图像光谱信息的能力,影响了最佳融合方法的选择,Gram-Schmidt是最合适本次研究3幅影像的融合方法.经Gram-Schmidt融合后的影像能获取到更加详细的悬浮泥沙运移信息.

Worldview-2影像；水体；融合方法；悬浮泥沙浓度

影像融合是指采用一定的数学方法将不同来源或同一来源不同分辨率的遥感数据复合成一组多源遥感影像.融合方法多种多样,比较经典的有IHS变换［1-2］、Brovey变换［3-4］、Gram-Schmidt［5-6］、主成分变换（PCA）［7-8］、全景锐化（Pan sharpening）［9-10］、小波变换（Wavelet Fusion）［11-12］等.对融合效果的合理评判是找到最优融合方法的关键［13］.

目前,有效监控日益恶化的内陆水体生态环境已成为研究热点.为了对水体信息进行精细描述,需要进行数据融合以获得最佳的图像效果.鉴此,本文以钱塘江水体中悬浮泥沙遥感反演为应用目的,对钱塘江干流重点河段的3幅Worldview-2影像开展了以下研究：1）分别采用Pan sharpening、Gram-Schmidt、PCA和Wavelet Fusion这4种方法对3景影像进行融合；2）对不同融合方法下影像的融合效果进行主客观方法评价,重点探讨水体信息的提高程度,从而获得以水体为主要研究对象下的最佳融合方法,以及大面积水体存在时对最优融合方法选择的可能影响；3）应用融合后的影像进行钱塘江大缺口湾段水体中悬浮泥沙含量的高分辨率遥感反演.

1 数据及方法

1.1 Worldview-2影像

Worldview-2卫星是Digital Globe公司在2009年10月发射的第3代高分辨率商业卫星,能够提供给用户1个0.5 m空间分辨率（spatial resolution,SR）全色波段和8个1.8 m空间分辨率的多光谱波段数据.具体技术参数见表1所示.其中, λ为波长.

表1 Worldview-2影像各波段参数Tab.1 Band parameters of Worldview-2 image

本次研究采用的3幅影像分别为：影像1∶052976819010-01-P001（2012.11.11,11∶04∶51）；影像2∶052976819010-01-P002（2012.11.11,11∶04∶13）；影像3∶052976819010-01-P003（2012.3.25,11∶18∶27）.3幅影像的经纬度范围为：30° 21′06.12″～30°24′77″N,120°24′40.75″～120°44′46.55″E,主要包括钱塘江的老盐仓弯道、盐官江道和大缺口湾（如图1所示）.该河段涨、落潮流路分歧,水体容量大、潮汐动力强,稀释净化能力强,是钱塘江主要的排污受纳水域.采用高分辨率的遥感影像进行悬浮泥沙运移监控,可获得污染物迁移、河漫滩演变等信息,对于生态环境以及航道安全等管理具有重要的现实指导意义.

图1 研究区域的影像Fig.1 Image of study area

由于遥感图像中不同的波段反映不一样的地物特征,因此不同波段组合反映地面信息的能力也是有差异的［14-15］.本次研究采用最佳指数因子（OIF）［16］进行波段组合,其原理为波段间相关性越小,波段的标准差越大,波段组合的信息量就越大.如式（1）所示：

式中：Si为第i波段的标准差,Rij为i和j两波段的相关系数.OIF越大,表示该组合波段的影像信息越丰富.

表2 最佳指数因子计算结果Tab.2 Calculation results of optimum index factor

计算结果（如表2所示）表明,波段组合Band458的OIF值最大,其次是波段组合Band348和Band148.鉴于第8波段完全超出了全色波段的波长区间（450～800 nm）,本研究借鉴Aniruddha Ghosh［17］的研究成果,以及悬浮泥沙敏感波段［18-19］,排除第8波段的波段组合,最后选择Band147作为最佳组合波段.

1.2 融合方法

为了得到更加精细的水体信息,本研究采用Pan sharpening、Gram-Schmidt、PCA和Wavelet Fusion 4种方法对钱塘江的3幅Worldview-2数据进行了融合.融合方法简介［20］如表3所示.

表3 4种融合方法简介Tab.3 Introduction to four types of fusion method

2 影像融合效果

对3景Worldview-2的融合结果见图2、3和4.

图2 影像1的4种融合效果Fig.2 Fusion effects of Image 1

图3 影像2的4种融合效果Fig.3 Fusion effects of Image 2

2.1 主观融合效果评价

主观融合评价结果表明,3景影像在经过Pan sharpening方法融合后,图像的空间分辨率明显提高,但是整体亮度下降了.经Pan sharpening融合后的水体几乎呈黑色,悬浮泥沙信息被完全掩盖,Pan sharpening虽然被广泛采用,但显然不适用于本次研究.影像2经PCA融合后,明显存在清晰度下降,水体中悬浮泥沙纹理等精细信息丢失,因此直接判定PCA为影像2的非理想融合方法.

图4 影像3的4种融合效果Fig.4 Fusion effects of Image 3

将影像放大数倍后对典型地物进行目视判定来评价Gram-Schmidt、Wavelet Fusion和PCA中哪种方法更优秀.其中影像2只对Gram-Schmidt和Wavelet Fusion这2种方法进行主观评价,具体见图5、6和7.结果表明：影像1和3经过Gram-Schmidt和PCA融合后植被颜色鲜红且水体均比较明亮,优于Wavelet Fusion融合方法,并且Wavelet Fusion融合影像中河流颜色更偏暗,泥沙信息远不及Gram-Schmidt和PCA的清晰,由此肯定Gram-Schmidt和PCA较Wavelet Fusion优秀.由于Gram-Schmidt融合后的道路的亮度更强,道路上的行车线更清楚,因此主观融合效果评定结果表明：对3幅影像来说,在4种融合方法中,Gram-Schmidt为最优融合方法.

图5 影像1的3种融合方法对比Fig.5 Comparison of 3 kinds of fusion method of Image 1

图6 影像2的2种融合方法对比Fig.6 Comparison of 2 kinds of fusion method of Image 2

图7 影像3的3种融合方法对比Fig.7 Comparison of 3 kinds of fusion method of Image 3

2.2 客观融合效果评价

2.2.1 客观融合效果评价指标 客观融合效果评价指标很多,本研究主要采用的指标［21］如表4所示.假设原始图像为I,融合后图像为F,则原始图像和融合后图像函数分别为I（x,y）,F（x,y）.M和N分别为图像的行数和列数,则图像的大小为M× N,i＝1,2,…M；j＝1,2,…,N.n为图像的总的灰度级,pi为原始图像的灰度值,qi则为融合后图像的灰度值.VI和VF分别为原始图像和融合后图像的均值.

2.2.2 客观融合效果评价结果 3景影像的客观融合效果评价结果分别表5所示.

表4 客观融合效果评定指标简介Tab.4 Introduction to evaluation index of objective fusion performance

整幅影像的评价结果表明：1）经过Pan sharpening融合后的影像的图像均值、标准差和平均梯度相比原始多光谱影像和全色图像都大大减小了,从而造成影像昏暗、不清晰、犹如被蒙上一层雾的目视效果,与主观评价结果一致,Pan sharpening为最不理想的融合方法.2）3幅影像均有各自的最优融合方法.影像1的理想融合方法是Wavelet Fusion,其次是Gram-Schmidt；影像2的理想融合方法有2种：Wavelet Fusion和Gram-Schmidt；而影像3的理想融合方法是Gram-Schmidt.

表5 客观评价结果Tab.5 Results of objective evaluation

本次研究把钱塘江从影像中裁剪出来以观测水体的融合效果,结果表明：1）影像1、2中的水体经Pan sharpening融合后,其图像均值和标准差都远远大于原始多光谱影像和全色影像,偏离了实际,加上平均梯度大幅度减小导致水体一片漆黑,从而掩盖了影像信息；对于影像3,其水体经Pan sharpening融合后,均值、标准差与平均梯度均比原始多光谱影像和全色影像减小了,因而图像比较昏暗,只勉强能观察到水体信息.2）影像1的水体经Gram-Schmidt融合后其信息熵和相关系数是最大的且交叉熵是最小的,所以毫无疑问成为理想的融合方法；影像2的水体经Gram-Schmidt融合后,虽然其均值、标准差和信息熵不是最大的,但平均梯度和相关系数是最大的且交叉熵是最小的,因此综合评比后为适合影像2中水体的融合方法；3）影像3中的水体经Gram-Schmidt融合后效果略差于Wavelet Fusion.

综合主客观评价结果,最合适的本研究3幅影像的融合方法是Gram-Schmidt.

2.2.3 融合效果影响机制 将本次研究与国内外同类研究的比较后发现,同样采用Worldview-2数据,由于研究区域的不同,适合的融合方法也不一样,如表6所示.总的来说,在有大范围水体面积的研究区内,Gram-Schmidt是比较优秀的融合方法；而在矿区、城市等陆域研究区域,Pan sharpening是比较优秀的融合方法（如黄海［22］等）.

表6 国内外有关Worldview-2融合方法的研究对比Tab.6 Comparison of fusion methods adopted for Worldview-2 from studies of domestic and abroad___________

为了进一步探究地物分布特征对影像融合效果的可能影响,本次研究对整幅影像、水体影像和扣除水体后的影像在采用Pan sharpening和Gram-Schmidt融合后的效果进行了对比,结果显示：1）3幅影像经Pan sharpening融合后,整幅影像和扣除水体后的影像的图像均值等指标都偏离原始影像的实际,但与原始影像仍然保持相当高的相关性.而对于水体来说,不仅图像均值等指标偏离了实际,其相关系数在3幅影像中均是最小的.2）影像经Gram-Schmidt融合后,虽然也影响了其相关系数,但是由于它具备较好的保持空间纹理信息的能力,很好地保留了原始影像的光谱信息.因此,对于有大面积水域的遥感影像来说Gram-Schmidt是理想的融合方法.

由此可见,相关系数代表了融合后图像保留源图像的光谱信息程度,而融合过程中由于大面积水域的存在,造成局部区域纹理特征上相对单调,保留源图像光谱信息的能力是影响融合效果的重要因素.因此,影像中大面积水体的存在应该是选择最佳融合方法时需要考虑的一个因素.

3 应 用

本次研究采用融合前后影像3来反演钱塘江大缺口湾段水体中悬浮泥沙含量,不仅获得了高分辨率悬浮泥沙分布信息,同时也可对融合前后影像的具体应用质量进行对比.影像质量好,无云层覆盖,因此,本研究在ENVI环境下,基于快速大气校正（quick atmospheric correction,QUAC）模块自动收集融合后影像的象元信息,获取经验值完成大气校正,得到真实地物反射率数据.悬浮泥沙反演采用改进型Tassan模型［27］,适用于研究区域内二类水体,具体如式（2）：

式中：ρTSM为水体悬浮泥沙浓度,单位为mg／L；Rrs为遥感反射率,单位为sr－1；λband3、λband4、λband5为Worldview-2的波段,单位为nm.

如图8所示,融合后影像提供了更加详细的悬浮泥沙信息.不仅悬浮泥沙的地面分辨率得到了极大的提高,层次感也更加清晰,尤其是高值区和低值区的细节信息更加丰富,可以更好地观测到该河段悬浮泥沙的迁移路径和分布扩散信息.由此可见,采用融合影像进行水体中悬浮泥沙浓度反演具有很好的显示效果.

图8 影像3的悬浮泥沙浓度Fig.8 Suspended sediment concentration of Image 3

4 结 论

目前针对Worldview-2全色和多光谱影像融合的研究很少,而地物分布特点对融合效果的可能影响尚未有相关结论.因此,本研究尝试采用含有大面积水体的Worldview-2遥感影像,以Band147作为最佳波段组合,对经Pan sharpening、Gram-Schmidt、Wavelet Fusion和PCA 4种融合方法后的图像融合效果进行主客观评价,得到以下初步结论：

（1）主客观评价综合结果表明Gram-Schmidt是最合适本研究3幅影像的融合方法.

（2）根据对本次研究3幅影像融合方法评价结果,结合同类研究成果,认为Gram-Schmidt非常适用应用于存在有大范围水体的遥感影像,而在以矿区、城市等陆域地物目标为主的遥感影像中非常理想的Pan sharpening融合方法,在本次研究中表现不佳.因此,在实际应用中,大面积水域等特征地物的分布可以用于最优融合方法的初步选择.

（3）对融合效果影响机制的研究表明,大面积水体的存在会造成图像均值、标准差等指标偏离原始影像的实际,而最为关键的是,由于水体所含光学信息远不及陆域地物丰富,纹理特征相对单调,因此融合方法保留源图像光谱信息的能力,尤其是保持空间纹理信息的能力是评价其优越性的一个重要指标,在实际应用中应当予以考虑.

（4）经Gram-Schmidt融合后的影像所反演的悬浮泥沙信息由于具备较好的保持空间纹理信息的能力而使泥沙运移信息更加细腻,层次感也更加清晰.

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Evaluation of fusion methods for Worldview-2 aiming to water body observation

DU Yong1,ZHANG Xiao-yu1,HUANG Da-song1,JIANG Bin-bin1, CHEN Jian-yu2,DENG Han1,YAO Ling-ling1,YANGDing-tian3
（1.Department of Earth Science,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China；2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics,Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration, Hangzhou 310012,China；3.State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301）

The remote sensing data with different spatial resolutions were fused to construct images.In this study,three Worldview－2 images were used to investigate the concentration of suspended sediment in segments of Qiantang River.The fused effects were assessed and impacts from large area of water were analyzed.The results indicate that the large area of water affects the ability of fused image including the spectral information of original image.The size of water area in the remote sensing image is an important factor for selecting optimal fusing method.Gram-Schmidt is the ideal fusing method in this study.The detailed information of suspended sediment transport is constructed using the fused image.

Worldview-2 images；water body；fusing methods；suspended sediment concentration

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.05.026

P 237

A

1008-973X（2015）05-0993-08

2013-12-17. 浙江大学学报（工学版）网址：www.journals.zju.edu.cn／eng

国家自然科学基金资助项目（40706057,41376184）；浙江大学海洋学科交叉研究引导基金资助项目（2012HY006A）；浙江省环保科技计划资助项目（2013A021）；浙江省教育厅资助项目（Y201430393）；国家自然科学海峡两岸联合基金（U1405234）.

杜泳（1990－）,女,博士生,主要从事水环境生态遥感研究.E-mail：duyongstu＠163.com

张霄宇,女,副教授.E-mail：zhang_xiaoyu＠zju.edu.cn