第2章　遙感圖像融合基礎知識

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行介紹。首先對高分辨率遙感技術的發展和特點以及遙感圖像融合的研究意義進行介紹。

2.1.1 高分辨率遙感技術的發展

遙感是在不與物體物理接觸的情況下獲取有關物體或現象的信息的方法，該術語特別適用于獲取有關地球的信息。航空攝影作為遙感的雛形，在第一次世界大戰期間成為一種寶貴的偵察工具，并在第二次世界大戰期間發揮了極大的作用。將遙感傳感器合理地帶入太空是從在新墨西哥州白沙發射的德國V-2火箭上安裝自動照相系統開始的。1957年人造衛星（Sputnik）的出現幫助人們實現了將膠卷相機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記錄下他們在太空航行時目標區域的情況。從20世紀60年代開始，經過調整的傳感器被安裝在飛行的氣象衛星上從而獲得類似黑白電視圖像的地球照片。這些衛星上的其他傳感器可以在一定高度范圍內對大氣特性進行探測或測量。

作為一種計劃用于重復收集地球相關信息的操作系統，20世紀70年代遙感技術逐漸走向成熟，開始搭載在Skylab（以及后來的航天飛機）和Landsat衛星（第一顆專門用于監測陸地和海洋表面的衛星）上。到了20世紀80年代，各種專用傳感器（CZCS、HCMM和AVHRR等）被送入了太空。1982年，JPL（噴氣推進實驗室）在航天飛機上使用了第一個非軍事雷達系統——航天飛機成像雷達（SIR-A）。20世紀80年代，遙感的商業應用已在美國、法國、俄羅斯、日本等國家廣泛扎根。

隨著對地觀測技術的進步以及人們對地球資源和環境認識的不斷深化，用戶對高質量遙感圖像的需求日益增長。1986年法國發射SPOT-1號衛星，使得現勢性極好的傳輸型高分辨率衛星遙感圖像開始出現并投入廣泛應用，這也引起了世界各國的普遍關注，遙感技術逐漸向高分辨率遙感技術過渡。高分辨率遙感圖像的出現，不僅使土地利用、城市規劃、環境監測等民用領域有了更可靠的數據來源，而且在軍事領域大大提高了目標識別和戰場環境仿真的精度，因此具有重要的戰略價值。

美國的光學遙感衛星技術一直處于世界領先水平。1972年，美國發射了連續對地觀測長達40年的Landsat系列衛星的第一顆。1999年，美國太空成像公司成功發射了第一顆商業高分辨率遙感衛星IKONOS，開創了商業高分辨率遙感衛星的新時代。自此，美國商業高分辨率衛星產業蓬勃發展，相繼發射了世界上最先提供亞米級分辨率的商業衛星QuickBird（2001年）、標志著分辨率優于0.5m的商用遙感衛星進入實用階段的GeoEye衛星（2008年）和代表了美國當前商業遙感衛星最高水平的WorldView系列衛星（從2007年開始）。Landsat系統是美國對地觀測體系內負責中分辨率遙感的主要系統。Landsat-7衛星屬于第三代衛星，搭載有增強型專題制圖儀（ETM+）；Landsat-8衛星屬于第四代衛星，主要搭載陸地成像儀（OLI）和熱紅外遙感器（TIRS）。Landsat衛星已連續對地觀測達40年，能實現廣域觀測，且對全球免費開放，因此Landsat衛星數據也是應用最為廣泛的衛星數據。IKONOS衛星、QuickBird衛星、GeoEye衛星、WorldView系列衛星作為國外光學遙感衛星的標志，都能代表當時商用光學遙感衛星的頂尖技術水平。所有這些國外常見遙感衛星的參數見表2.1。

與美國等發達國家相比，我國的遙感技術起步較晚。2006年，我國將高分辨率對地觀測系統重大專項列入《國家中長期科學與技術發展規劃綱要（2006—2020年）》，自此開展了“高分專項”計劃，旨在大力發展高分辨率對地觀測衛星。高分辨率多模綜合成像衛星（高分多模衛星）是《國家民用空間基礎設施中長期發展規劃（2015—2025年）》中分辨率最高的光學遙感衛星，也是我國第一顆0.5m分辨率的敏捷智能遙感衛星，于2018年立項。實際上，“高分專項”是一個非常龐大的遙感技術項目，包含多顆高分系列衛星和其他觀測平臺，截止到目前，高分系列已經從高分一號發展到高分十四號，其中高分一號至高分七號為民用衛星，相關數據可在自然資源部國土衛星遙感應用中心的“自然資源衛星遙感服務平臺”獲取，高分八號至高分十四號為軍用衛星。圖2.1顯示了部分高分系列衛星影像示例圖。

高分系列遙感衛星具體信息如下。

（1）高分一號：2013年4月26日在酒泉衛星發射中心成功發射的光學成像遙感衛星，服務主用戶為自然資源部等。衛星搭載了2m分辨率全色相機和8m分辨率多光譜相機，以及四臺16m分辨率多光譜相機。高分一號衛星突破了高空間分辨率、多光譜與高時間分辨率結合的光學遙感技術、多載荷圖像拼接融合技術、高精度高穩定度姿態控制技術等關鍵技術。在國內民用小衛星上首次具備中繼測控能力，可實現境外時段的測控與管理。

（2）高分二號：2014年8月19日在太原衛星發射中心成功發射，是我國自主研制的首顆空間分辨率優于1m的民用光學遙感衛星，服務主用戶為自然資源部等。衛星搭載了高分辨率1m全色相機和4m多光譜相機以實現拼幅成像。高分二號衛星作為我國首顆分辨率達到亞米級的寬幅民用遙感衛星，突破了亞米級大幅寬成像技術和高穩定度快速姿態側擺機動等關鍵技術，標志著我國遙感衛星進入了亞米級“高分時代”。

（3）高分三號：2016年8月10日在太原衛星發射中心成功發射，是我國首顆分辨率達到1m的C頻段多極化合成孔徑雷達（SAR）衛星，自然資源部為其主用戶。高分三號衛星在系統設計上進行了全面優化，具有高分辨率、大成像幅寬、多成像模式、長壽命運行等特點，其主要技術指標達到或超過國際同類衛星水平，顯著提升了我國對地遙感觀測能力，是高分專項工程實現時空協調、全天候、全天時對地觀測目標的重要基礎。

（4）高分四號：2015年12月29日在西昌衛星發射中心成功發射，是我國第一顆地球同步軌道遙感衛星。服務主用戶為民政部、國家林業和草原局、中國地震局、中國氣象局。它搭載了一臺可見光50m、中波紅外400m分辨率、大于400km幅寬的凝視相機，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，在軌設計壽命為8年。高分四號衛星開辟了我國地球同步軌道高分辨率對地觀測的新領域。

（5）高分五號：2018年5月9日在太原衛星發射中心成功發射，是世界上第一顆同時對陸地和大氣進行綜合觀測的衛星，自然資源部為其主用戶。高分五號衛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儀、大氣多角度偏振探測儀、大氣環境紅外甚高分辨率探測儀、可見短波紅外高光譜相機、全譜段光譜成像儀共6臺載荷。高分五號衛星所搭載的可見短波紅外高光譜相機是國際上首臺同時兼顧寬覆蓋和寬譜段的高光譜相機，標志著我國實現了高光譜分辨率對地觀測能力。

（6）高分六號：2018年6月2日在酒泉衛星發射中心成功發射，自然資源部為其主用戶。高分六號衛星配置2m全色相機、8m多光譜高分辨率相機、16m多光譜中分辨率寬幅相機。高分六號衛星實現了8譜段CMOS探測器的國產化研制，國內首次增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段。高分六號衛星與高分一號衛星組網運行后，使遙感數據獲取的時間分辨率從4天縮短到2天，真正實現了空間分辨率、時間分辨率和光譜分辨率的優化組合。

（7）高分七號：2019年11月3日在太原衛星發射中心成功發射，服務主用戶為自然資源部等。高分七號衛星搭載的兩線陣立體相機可獲取20km幅寬、優于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高儀以3Hz的觀測頻率進行對地觀測，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據。衛星通過立體相機和激光測高儀復合測繪的模式，打破了地理信息產業上游的高分辨率立體遙感影像市場大量依賴國外衛星的現狀，開啟了我國自主大比例尺航天測繪新時代。

（8）高分多模衛星：2020年7月3日在太原衛星發射中心成功發射，服務用戶包括自然資源部、應急管理部、農業農村部、生態環境部、住房和城鄉建設部、國家林業和草原局等。高分多模衛星配置了4類有效載荷：1臺分辨率全色0.5m/多光譜2m的高分辨率光學相機、1臺20通道的大氣同步校正儀、1套數據傳輸設備（含在軌圖像處理、區域提取功能）、1套星間激光通信終端。

總體來說，我國高分系列衛星已經形成覆蓋了從全色、多光譜到高光譜，從光學到雷達，從太陽同步軌道到地球同步軌道等多種類型的全面發展的遙感衛星體系，構成了一個具有高空間分辨率、高時間分辨率和高光譜分辨率能力的對地觀測系統。我國高分系列衛星的參數見表2.2。

2.1.2 遙感衛星圖像的特點

遙感衛星的種類繁多，能夠提供豐富的數據類型。本書只針對常見的高分辨率遙感衛星展開研究。

在高分辨率遙感領域，圖像的質量取決于空間分辨率和光譜分辨率。遙感成像系統的空間分辨率取決于一個像素捕獲的地面區域的面積，影響著場景內細節的再現。隨著像素尺寸的減小，圖像的數字表示可以保留更多的場景細節。空間分辨率取決于IFOV（瞬時視場，即在給定的瞬間感測到的地面區域），對于給定的像素數目，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節信息的清晰度。遙感領域的空間分辨率通常以米或英尺為單位，表示單個像素所覆蓋區域的長度。圖2.2顯示了相同地面區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，圖像的細節信息變得更加清晰。

光譜分辨率是傳感器產生給定圖像的信號的電磁帶寬，光譜帶寬與光譜分辨率成反比。如果平臺捕獲的圖像具有多個光譜帶（通常為4～8個），則它們被稱為多光譜（MS）數據，而如果光譜帶的數量達到數百或數千個，則它們被稱為高光譜（HS）數據。衛星通常在提供MS或HS圖像的同時，也會提供全色（PAN）圖像。PAN圖像是一幅包含從可見光到熱紅外的反射數據的圖像，也就是說，它集成了色度信息。可見光譜帶的PAN圖像將紅色、綠色和藍色數據的組合捕獲到單個反射率度量中。

高分辨率遙感衛星成像系統的設計經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波段和一個同步的更高空間分辨率PAN波段，即它們可以同時提供同一地面區域的PAN圖像和MS/HS圖像。隨著科技的發展，成熟的商業衛星數量越來越多，先進的商用衛星提供的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8個波段，覆蓋可見光和近紅外范圍，HS圖像甚至可以擁有上百個光譜波段。

2.1.3 遙感圖像融合的研究意義

衛星得到的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較高級的遙感圖像處理和識別任務。既然物理限制使得單個衛星傳感器無法獲得同時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圖像的融合是實現該目標的唯一可能性，即使用適當的算法融合原始的PAN和低分辨率MS（LRMS）數據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據融合中的像素級融合，稱為MS圖像的全色銳化。融合可以提高圖像的解譯能力，提供更可靠的結果。

全色銳化是指將衛星在同一區域上同時捕獲的多光譜（MS）圖像和全色（PAN）圖像進行融合的操作，如圖2.3所示。它可以看作數據融合的一個特殊問題，因為其目的在于將PAN圖像包含的空間細節（但不存在于MS圖像中）與MS圖像的光譜信息（相對于PAN圖像的單個波段）結合起來。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，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）的商業產品不斷增加，對高空間分辨率的多光譜數據的需求持續增長。此外，MS圖像與PAN圖像融合是許多遙感任務增強圖像的重要前序步驟，如變化檢測、物體識別、視覺圖像分析和場景解釋，具體包括改善幾何校正，增強某些在單個數據中不可見的特征，使用時態數據集更改檢測以及增強分類等。因此，探索更高效且有效的全色銳化技術一直是近幾年遙感圖像領域的研究熱點。