第2章　遙感圖像融合基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 遙感圖像融合的研究背景與意義

本章主要以遙感圖像融合為例進(jìn)行介紹。首先對(duì)高分辨率遙感技術(shù)的發(fā)展和特點(diǎn)以及遙感圖像融合的研究意義進(jìn)行介紹。

2.1.1 高分辨率遙感技術(shù)的發(fā)展

遙感是在不與物體物理接觸的情況下獲取有關(guān)物體或現(xiàn)象的信息的方法，該術(shù)語特別適用于獲取有關(guān)地球的信息。航空攝影作為遙感的雛形，在第一次世界大戰(zhàn)期間成為一種寶貴的偵察工具，并在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)揮了極大的作用。將遙感傳感器合理地帶入太空是從在新墨西哥州白沙發(fā)射的德國V-2火箭上安裝自動(dòng)照相系統(tǒng)開始的。1957年人造衛(wèi)星（Sputnik）的出現(xiàn)幫助人們實(shí)現(xiàn)了將膠卷相機(jī)安裝在軌道飛船上的可能性。最初的人類宇航員攜帶照相機(jī)記錄下他們?cè)谔蘸叫袝r(shí)目標(biāo)區(qū)域的情況。從20世紀(jì)60年代開始，經(jīng)過調(diào)整的傳感器被安裝在飛行的氣象衛(wèi)星上從而獲得類似黑白電視圖像的地球照片。這些衛(wèi)星上的其他傳感器可以在一定高度范圍內(nèi)對(duì)大氣特性進(jìn)行探測(cè)或測(cè)量。

作為一種計(jì)劃用于重復(fù)收集地球相關(guān)信息的操作系統(tǒng)，20世紀(jì)70年代遙感技術(shù)逐漸走向成熟，開始搭載在Skylab（以及后來的航天飛機(jī)）和Landsat衛(wèi)星（第一顆專門用于監(jiān)測(cè)陸地和海洋表面的衛(wèi)星）上。到了20世紀(jì)80年代，各種專用傳感器（CZCS、HCMM和AVHRR等）被送入了太空。1982年，JPL（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）在航天飛機(jī)上使用了第一個(gè)非軍事雷達(dá)系統(tǒng)——航天飛機(jī)成像雷達(dá)（SIR-A）。20世紀(jì)80年代，遙感的商業(yè)應(yīng)用已在美國、法國、俄羅斯、日本等國家廣泛扎根。

隨著對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步以及人們對(duì)地球資源和環(huán)境認(rèn)識(shí)的不斷深化，用戶對(duì)高質(zhì)量遙感圖像的需求日益增長(zhǎng)。1986年法國發(fā)射SPOT-1號(hào)衛(wèi)星，使得現(xiàn)勢(shì)性極好的傳輸型高分辨率衛(wèi)星遙感圖像開始出現(xiàn)并投入廣泛應(yīng)用，這也引起了世界各國的普遍關(guān)注，遙感技術(shù)逐漸向高分辨率遙感技術(shù)過渡。高分辨率遙感圖像的出現(xiàn)，不僅使土地利用、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測(cè)等民用領(lǐng)域有了更可靠的數(shù)據(jù)來源，而且在軍事領(lǐng)域大大提高了目標(biāo)識(shí)別和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境仿真的精度，因此具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值。

美國的光學(xué)遙感衛(wèi)星技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。1972年，美國發(fā)射了連續(xù)對(duì)地觀測(cè)長(zhǎng)達(dá)40年的Landsat系列衛(wèi)星的第一顆。1999年，美國太空成像公司成功發(fā)射了第一顆商業(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星IKONOS，開創(chuàng)了商業(yè)高分辨率遙感衛(wèi)星的新時(shí)代。自此，美國商業(yè)高分辨率衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，相繼發(fā)射了世界上最先提供亞米級(jí)分辨率的商業(yè)衛(wèi)星QuickBird（2001年）、標(biāo)志著分辨率優(yōu)于0.5m的商用遙感衛(wèi)星進(jìn)入實(shí)用階段的GeoEye衛(wèi)星（2008年）和代表了美國當(dāng)前商業(yè)遙感衛(wèi)星最高水平的WorldView系列衛(wèi)星（從2007年開始）。Landsat系統(tǒng)是美國對(duì)地觀測(cè)體系內(nèi)負(fù)責(zé)中分辨率遙感的主要系統(tǒng)。Landsat-7衛(wèi)星屬于第三代衛(wèi)星，搭載有增強(qiáng)型專題制圖儀（ETM+）；Landsat-8衛(wèi)星屬于第四代衛(wèi)星，主要搭載陸地成像儀（OLI）和熱紅外遙感器（TIRS）。Landsat衛(wèi)星已連續(xù)對(duì)地觀測(cè)達(dá)40年，能實(shí)現(xiàn)廣域觀測(cè)，且對(duì)全球免費(fèi)開放，因此Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)也是應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。IKONOS衛(wèi)星、QuickBird衛(wèi)星、GeoEye衛(wèi)星、WorldView系列衛(wèi)星作為國外光學(xué)遙感衛(wèi)星的標(biāo)志，都能代表當(dāng)時(shí)商用光學(xué)遙感衛(wèi)星的頂尖技術(shù)水平。所有這些國外常見遙感衛(wèi)星的參數(shù)見表2.1。

與美國等發(fā)達(dá)國家相比，我國的遙感技術(shù)起步較晚。2006年，我國將高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)列入《國家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》，自此開展了“高分專項(xiàng)”計(jì)劃，旨在大力發(fā)展高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。高分辨率多模綜合成像衛(wèi)星（高分多模衛(wèi)星）是《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025年）》中分辨率最高的光學(xué)遙感衛(wèi)星，也是我國第一顆0.5m分辨率的敏捷智能遙感衛(wèi)星，于2018年立項(xiàng)。實(shí)際上，“高分專項(xiàng)”是一個(gè)非常龐大的遙感技術(shù)項(xiàng)目，包含多顆高分系列衛(wèi)星和其他觀測(cè)平臺(tái)，截止到目前，高分系列已經(jīng)從高分一號(hào)發(fā)展到高分十四號(hào)，其中高分一號(hào)至高分七號(hào)為民用衛(wèi)星，相關(guān)數(shù)據(jù)可在自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心的“自然資源衛(wèi)星遙感服務(wù)平臺(tái)”獲取，高分八號(hào)至高分十四號(hào)為軍用衛(wèi)星。圖2.1顯示了部分高分系列衛(wèi)星影像示例圖。

高分系列遙感衛(wèi)星具體信息如下。

（1）高分一號(hào)：2013年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射的光學(xué)成像遙感衛(wèi)星，服務(wù)主用戶為自然資源部等。衛(wèi)星搭載了2m分辨率全色相機(jī)和8m分辨率多光譜相機(jī)，以及四臺(tái)16m分辨率多光譜相機(jī)。高分一號(hào)衛(wèi)星突破了高空間分辨率、多光譜與高時(shí)間分辨率結(jié)合的光學(xué)遙感技術(shù)、多載荷圖像拼接融合技術(shù)、高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。在國內(nèi)民用小衛(wèi)星上首次具備中繼測(cè)控能力，可實(shí)現(xiàn)境外時(shí)段的測(cè)控與管理。

（2）高分二號(hào)：2014年8月19日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國自主研制的首顆空間分辨率優(yōu)于1m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，服務(wù)主用戶為自然資源部等。衛(wèi)星搭載了高分辨率1m全色相機(jī)和4m多光譜相機(jī)以實(shí)現(xiàn)拼幅成像。高分二號(hào)衛(wèi)星作為我國首顆分辨率達(dá)到亞米級(jí)的寬幅民用遙感衛(wèi)星，突破了亞米級(jí)大幅寬成像技術(shù)和高穩(wěn)定度快速姿態(tài)側(cè)擺機(jī)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)，標(biāo)志著我國遙感衛(wèi)星進(jìn)入了亞米級(jí)“高分時(shí)代”。

（3）高分三號(hào)：2016年8月10日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國首顆分辨率達(dá)到1m的C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)（SAR）衛(wèi)星，自然資源部為其主用戶。高分三號(hào)衛(wèi)星在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了全面優(yōu)化，具有高分辨率、大成像幅寬、多成像模式、長(zhǎng)壽命運(yùn)行等特點(diǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或超過國際同類衛(wèi)星水平，顯著提升了我國對(duì)地遙感觀測(cè)能力，是高分專項(xiàng)工程實(shí)現(xiàn)時(shí)空協(xié)調(diào)、全天候、全天時(shí)對(duì)地觀測(cè)目標(biāo)的重要基礎(chǔ)。

（4）高分四號(hào)：2015年12月29日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國第一顆地球同步軌道遙感衛(wèi)星。服務(wù)主用戶為民政部、國家林業(yè)和草原局、中國地震局、中國氣象局。它搭載了一臺(tái)可見光50m、中波紅外400m分辨率、大于400km幅寬的凝視相機(jī)，采用面陣凝視方式成像，具備可見光、多光譜和紅外成像能力，在軌設(shè)計(jì)壽命為8年。高分四號(hào)衛(wèi)星開辟了我國地球同步軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)的新領(lǐng)域。

（5）高分五號(hào)：2018年5月9日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是世界上第一顆同時(shí)對(duì)陸地和大氣進(jìn)行綜合觀測(cè)的衛(wèi)星，自然資源部為其主用戶。高分五號(hào)衛(wèi)星首次搭載了大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣主要溫室氣體探測(cè)儀、大氣多角度偏振探測(cè)儀、大氣環(huán)境紅外甚高分辨率探測(cè)儀、可見短波紅外高光譜相機(jī)、全譜段光譜成像儀共6臺(tái)載荷。高分五號(hào)衛(wèi)星所搭載的可見短波紅外高光譜相機(jī)是國際上首臺(tái)同時(shí)兼顧寬覆蓋和寬譜段的高光譜相機(jī)，標(biāo)志著我國實(shí)現(xiàn)了高光譜分辨率對(duì)地觀測(cè)能力。

（6）高分六號(hào)：2018年6月2日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，自然資源部為其主用戶。高分六號(hào)衛(wèi)星配置2m全色相機(jī)、8m多光譜高分辨率相機(jī)、16m多光譜中分辨率寬幅相機(jī)。高分六號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了8譜段CMOS探測(cè)器的國產(chǎn)化研制，國內(nèi)首次增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段。高分六號(hào)衛(wèi)星與高分一號(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行后，使遙感數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間分辨率從4天縮短到2天，真正實(shí)現(xiàn)了空間分辨率、時(shí)間分辨率和光譜分辨率的優(yōu)化組合。

（7）高分七號(hào)：2019年11月3日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，服務(wù)主用戶為自然資源部等。高分七號(hào)衛(wèi)星搭載的兩線陣立體相機(jī)可獲取20km幅寬、優(yōu)于0.8m分辨率的全色立體影像和3.2m分辨率的多光譜影像。搭載的兩波束激光測(cè)高儀以3Hz的觀測(cè)頻率進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)，地面足印直徑小于30m，并以高于1GHz的采樣頻率獲取全波形數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通過立體相機(jī)和激光測(cè)高儀復(fù)合測(cè)繪的模式，打破了地理信息產(chǎn)業(yè)上游的高分辨率立體遙感影像市場(chǎng)大量依賴國外衛(wèi)星的現(xiàn)狀，開啟了我國自主大比例尺航天測(cè)繪新時(shí)代。

（8）高分多模衛(wèi)星：2020年7月3日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，服務(wù)用戶包括自然資源部、應(yīng)急管理部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、生態(tài)環(huán)境部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家林業(yè)和草原局等。高分多模衛(wèi)星配置了4類有效載荷：1臺(tái)分辨率全色0.5m/多光譜2m的高分辨率光學(xué)相機(jī)、1臺(tái)20通道的大氣同步校正儀、1套數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備（含在軌圖像處理、區(qū)域提取功能）、1套星間激光通信終端。

總體來說，我國高分系列衛(wèi)星已經(jīng)形成覆蓋了從全色、多光譜到高光譜，從光學(xué)到雷達(dá)，從太陽同步軌道到地球同步軌道等多種類型的全面發(fā)展的遙感衛(wèi)星體系，構(gòu)成了一個(gè)具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率和高光譜分辨率能力的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)。我國高分系列衛(wèi)星的參數(shù)見表2.2。

2.1.2 遙感衛(wèi)星圖像的特點(diǎn)

遙感衛(wèi)星的種類繁多，能夠提供豐富的數(shù)據(jù)類型。本書只針對(duì)常見的高分辨率遙感衛(wèi)星展開研究。

在高分辨率遙感領(lǐng)域，圖像的質(zhì)量取決于空間分辨率和光譜分辨率。遙感成像系統(tǒng)的空間分辨率取決于一個(gè)像素捕獲的地面區(qū)域的面積，影響著場(chǎng)景內(nèi)細(xì)節(jié)的再現(xiàn)。隨著像素尺寸的減小，圖像的數(shù)字表示可以保留更多的場(chǎng)景細(xì)節(jié)。空間分辨率取決于IFOV（瞬時(shí)視場(chǎng)，即在給定的瞬間感測(cè)到的地面區(qū)域），對(duì)于給定的像素?cái)?shù)目，IFOV越小，空間分辨率越高。空間分辨率也被視為圖像中可用的高頻細(xì)節(jié)信息的清晰度。遙感領(lǐng)域的空間分辨率通常以米或英尺為單位，表示單個(gè)像素所覆蓋區(qū)域的長(zhǎng)度。圖2.2顯示了相同地面區(qū)域但具有不同空間分辨率的多光譜圖像，其中第一幅分辨率為2.44m的圖像是由QuickBird衛(wèi)星捕獲的，而另外兩幅分辨率分別為4.88m和9.76m的圖像是基于第一幅圖像模擬得到的。對(duì)比這三幅圖像可以看出，空間分辨率從9.76m增加到2.44m，圖像的細(xì)節(jié)信息變得更加清晰。

光譜分辨率是傳感器產(chǎn)生給定圖像的信號(hào)的電磁帶寬，光譜帶寬與光譜分辨率成反比。如果平臺(tái)捕獲的圖像具有多個(gè)光譜帶（通常為4～8個(gè)），則它們被稱為多光譜（MS）數(shù)據(jù)，而如果光譜帶的數(shù)量達(dá)到數(shù)百或數(shù)千個(gè)，則它們被稱為高光譜（HS）數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通常在提供MS或HS圖像的同時(shí)，也會(huì)提供全色（PAN）圖像。PAN圖像是一幅包含從可見光到熱紅外的反射數(shù)據(jù)的圖像，也就是說，它集成了色度信息。可見光譜帶的PAN圖像將紅色、綠色和藍(lán)色數(shù)據(jù)的組合捕獲到單個(gè)反射率度量中。

高分辨率遙感衛(wèi)星成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)常面臨相互約束的條件，其中最重要的約束條件是IFOV和信噪比（SNR）之間的權(quán)衡。由于與PAN傳感器相比，MS或HS的傳感器具有較小的光譜帶寬，因此對(duì)于給定的IFOV，它們通常具有較小的空間分辨率，以便收集更多的光量子并保持圖像的SNR。許多傳感器具有一組MS/HS波段和一個(gè)同步的更高空間分辨率PAN波段，即它們可以同時(shí)提供同一地面區(qū)域的PAN圖像和MS/HS圖像。隨著科技的發(fā)展，成熟的商業(yè)衛(wèi)星數(shù)量越來越多，先進(jìn)的商用衛(wèi)星提供的PAN圖像的空間分辨率甚至低于0.5m，而MS圖像的光譜分辨率可以高達(dá)8個(gè)波段，覆蓋可見光和近紅外范圍，HS圖像甚至可以擁有上百個(gè)光譜波段。

2.1.3 遙感圖像融合的研究意義

衛(wèi)星得到的PAN圖像具有高空間分辨率低光譜分辨率，而MS圖像則相反，具有低空間分辨率高光譜分辨率，這兩類圖像都不適用于后續(xù)較高級(jí)的遙感圖像處理和識(shí)別任務(wù)。既然物理限制使得單個(gè)衛(wèi)星傳感器無法獲得同時(shí)在空間域和光譜域中擁有最高分辨率的圖像，那么PAN圖像和MS圖像的融合是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的唯一可能性，即使用適當(dāng)?shù)乃惴ㄈ诤显嫉腜AN和低分辨率MS（LRMS）數(shù)據(jù)并生成具有更高分辨率的MS（HRMS）圖像。此過程屬于多傳感器數(shù)據(jù)融合中的像素級(jí)融合，稱為MS圖像的全色銳化。融合可以提高圖像的解譯能力，提供更可靠的結(jié)果。

全色銳化是指將衛(wèi)星在同一區(qū)域上同時(shí)捕獲的多光譜（MS）圖像和全色（PAN）圖像進(jìn)行融合的操作，如圖2.3所示。它可以看作數(shù)據(jù)融合的一個(gè)特殊問題，因?yàn)槠淠康脑谟趯AN圖像包含的空間細(xì)節(jié)（但不存在于MS圖像中）與MS圖像的光譜信息（相對(duì)于PAN圖像的單個(gè)波段）結(jié)合起來。銳化的目的是增加MS圖像的空間分辨率，因此，全色銳化可以在提高空間分辨率的同時(shí)，將光譜信息保留在MS圖像中，從而得到既具有高光譜分辨率也具有高空間分辨率的遙感圖像。

近幾年，由于使用高分辨率圖像（如Google Earth和Bing Maps等）的商業(yè)產(chǎn)品不斷增加，對(duì)高空間分辨率的多光譜數(shù)據(jù)的需求持續(xù)增長(zhǎng)。此外，MS圖像與PAN圖像融合是許多遙感任務(wù)增強(qiáng)圖像的重要前序步驟，如變化檢測(cè)、物體識(shí)別、視覺圖像分析和場(chǎng)景解釋，具體包括改善幾何校正，增強(qiáng)某些在單個(gè)數(shù)據(jù)中不可見的特征，使用時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)集更改檢測(cè)以及增強(qiáng)分類等。因此，探索更高效且有效的全色銳化技術(shù)一直是近幾年遙感圖像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。