第2章　遥感图像融合基础知识

2.1 遥感图像融合的研究背景与意义

本章主要以遥感图像融合为例进行介绍。首先对高分辨率遥感技术的发展和特点以及遥感图像融合的研究意义进行介绍。

2.1.1 高分辨率遥感技术的发展

遥感是在不与物体物理接触的情况下获取有关物体或现象的信息的方法，该术语特别适用于获取有关地球的信息。航空摄影作为遥感的雏形，在第一次世界大战期间成为一种宝贵的侦察工具，并在第二次世界大战期间发挥了极大的作用。将遥感传感器合理地带入太空是从在新墨西哥州白沙发射的德国V-2火箭上安装自动照相系统开始的。1957年人造卫星（Sputnik）的出现帮助人们实现了将胶卷相机安装在轨道飞船上的可能性。最初的人类宇航员携带照相机记录下他们在太空航行时目标区域的情况。从20世纪60年代开始，经过调整的传感器被安装在飞行的气象卫星上从而获得类似黑白电视图像的地球照片。这些卫星上的其他传感器可以在一定高度范围内对大气特性进行探测或测量。

作为一种计划用于重复收集地球相关信息的操作系统，20世纪70年代遥感技术逐渐走向成熟，开始搭载在Skylab（以及后来的航天飞机）和Landsat卫星（第一颗专门用于监测陆地和海洋表面的卫星）上。到了20世纪80年代，各种专用传感器（CZCS、HCMM和AVHRR等）被送入了太空。1982年，JPL（喷气推进实验室）在航天飞机上使用了第一个非军事雷达系统——航天飞机成像雷达（SIR-A）。20世纪80年代，遥感的商业应用已在美国、法国、俄罗斯、日本等国家广泛扎根。

随着对地观测技术的进步以及人们对地球资源和环境认识的不断深化，用户对高质量遥感图像的需求日益增长。1986年法国发射SPOT-1号卫星，使得现势性极好的传输型高分辨率卫星遥感图像开始出现并投入广泛应用，这也引起了世界各国的普遍关注，遥感技术逐渐向高分辨率遥感技术过渡。高分辨率遥感图像的出现，不仅使土地利用、城市规划、环境监测等民用领域有了更可靠的数据来源，而且在军事领域大大提高了目标识别和战场环境仿真的精度，因此具有重要的战略价值。

美国的光学遥感卫星技术一直处于世界领先水平。1972年，美国发射了连续对地观测长达40年的Landsat系列卫星的第一颗。1999年，美国太空成像公司成功发射了第一颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS，开创了商业高分辨率遥感卫星的新时代。自此，美国商业高分辨率卫星产业蓬勃发展，相继发射了世界上最先提供亚米级分辨率的商业卫星QuickBird（2001年）、标志着分辨率优于0.5m的商用遥感卫星进入实用阶段的GeoEye卫星（2008年）和代表了美国当前商业遥感卫星最高水平的WorldView系列卫星（从2007年开始）。Landsat系统是美国对地观测体系内负责中分辨率遥感的主要系统。Landsat-7卫星属于第三代卫星，搭载有增强型专题制图仪（ETM+）；Landsat-8卫星属于第四代卫星，主要搭载陆地成像仪（OLI）和热红外遥感器（TIRS）。Landsat卫星已连续对地观测达40年，能实现广域观测，且对全球免费开放，因此Landsat卫星数据也是应用最为广泛的卫星数据。IKONOS卫星、QuickBird卫星、GeoEye卫星、WorldView系列卫星作为国外光学遥感卫星的标志，都能代表当时商用光学遥感卫星的顶尖技术水平。所有这些国外常见遥感卫星的参数见表2.1。

与美国等发达国家相比，我国的遥感技术起步较晚。2006年，我国将高分辨率对地观测系统重大专项列入《国家中长期科学与技术发展规划纲要（2006—2020年）》，自此开展了“高分专项”计划，旨在大力发展高分辨率对地观测卫星。高分辨率多模综合成像卫星（高分多模卫星）是《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025年）》中分辨率最高的光学遥感卫星，也是我国第一颗0.5m分辨率的敏捷智能遥感卫星，于2018年立项。实际上，“高分专项”是一个非常庞大的遥感技术项目，包含多颗高分系列卫星和其他观测平台，截止到目前，高分系列已经从高分一号发展到高分十四号，其中高分一号至高分七号为民用卫星，相关数据可在自然资源部国土卫星遥感应用中心的“自然资源卫星遥感服务平台”获取，高分八号至高分十四号为军用卫星。图2.1显示了部分高分系列卫星影像示例图。

高分系列遥感卫星具体信息如下。

（1）高分一号：2013年4月26日在酒泉卫星发射中心成功发射的光学成像遥感卫星，服务主用户为自然资源部等。卫星搭载了2m分辨率全色相机和8m分辨率多光谱相机，以及四台16m分辨率多光谱相机。高分一号卫星突破了高空间分辨率、多光谱与高时间分辨率结合的光学遥感技术、多载荷图像拼接融合技术、高精度高稳定度姿态控制技术等关键技术。在国内民用小卫星上首次具备中继测控能力，可实现境外时段的测控与管理。

（2）高分二号：2014年8月19日在太原卫星发射中心成功发射，是我国自主研制的首颗空间分辨率优于1m的民用光学遥感卫星，服务主用户为自然资源部等。卫星搭载了高分辨率1m全色相机和4m多光谱相机以实现拼幅成像。高分二号卫星作为我国首颗分辨率达到亚米级的宽幅民用遥感卫星，突破了亚米级大幅宽成像技术和高稳定度快速姿态侧摆机动等关键技术，标志着我国遥感卫星进入了亚米级“高分时代”。

（3）高分三号：2016年8月10日在太原卫星发射中心成功发射，是我国首颗分辨率达到1m的C频段多极化合成孔径雷达（SAR）卫星，自然资源部为其主用户。高分三号卫星在系统设计上进行了全面优化，具有高分辨率、大成像幅宽、多成像模式、长寿命运行等特点，其主要技术指标达到或超过国际同类卫星水平，显著提升了我国对地遥感观测能力，是高分专项工程实现时空协调、全天候、全天时对地观测目标的重要基础。

（4）高分四号：2015年12月29日在西昌卫星发射中心成功发射，是我国第一颗地球同步轨道遥感卫星。服务主用户为民政部、国家林业和草原局、中国地震局、中国气象局。它搭载了一台可见光50m、中波红外400m分辨率、大于400km幅宽的凝视相机，采用面阵凝视方式成像，具备可见光、多光谱和红外成像能力，在轨设计寿命为8年。高分四号卫星开辟了我国地球同步轨道高分辨率对地观测的新领域。

（5）高分五号：2018年5月9日在太原卫星发射中心成功发射，是世界上第一颗同时对陆地和大气进行综合观测的卫星，自然资源部为其主用户。高分五号卫星首次搭载了大气痕量气体差分吸收光谱仪、大气主要温室气体探测仪、大气多角度偏振探测仪、大气环境红外甚高分辨率探测仪、可见短波红外高光谱相机、全谱段光谱成像仪共6台载荷。高分五号卫星所搭载的可见短波红外高光谱相机是国际上首台同时兼顾宽覆盖和宽谱段的高光谱相机，标志着我国实现了高光谱分辨率对地观测能力。

（6）高分六号：2018年6月2日在酒泉卫星发射中心成功发射，自然资源部为其主用户。高分六号卫星配置2m全色相机、8m多光谱高分辨率相机、16m多光谱中分辨率宽幅相机。高分六号卫星实现了8谱段CMOS探测器的国产化研制，国内首次增加了能够有效反映作物特有光谱特性的“红边”波段。高分六号卫星与高分一号卫星组网运行后，使遥感数据获取的时间分辨率从4天缩短到2天，真正实现了空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率的优化组合。

（7）高分七号：2019年11月3日在太原卫星发射中心成功发射，服务主用户为自然资源部等。高分七号卫星搭载的两线阵立体相机可获取20km幅宽、优于0.8m分辨率的全色立体影像和3.2m分辨率的多光谱影像。搭载的两波束激光测高仪以3Hz的观测频率进行对地观测，地面足印直径小于30m，并以高于1GHz的采样频率获取全波形数据。卫星通过立体相机和激光测高仪复合测绘的模式，打破了地理信息产业上游的高分辨率立体遥感影像市场大量依赖国外卫星的现状，开启了我国自主大比例尺航天测绘新时代。

（8）高分多模卫星：2020年7月3日在太原卫星发射中心成功发射，服务用户包括自然资源部、应急管理部、农业农村部、生态环境部、住房和城乡建设部、国家林业和草原局等。高分多模卫星配置了4类有效载荷：1台分辨率全色0.5m/多光谱2m的高分辨率光学相机、1台20通道的大气同步校正仪、1套数据传输设备（含在轨图像处理、区域提取功能）、1套星间激光通信终端。

总体来说，我国高分系列卫星已经形成覆盖了从全色、多光谱到高光谱，从光学到雷达，从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型的全面发展的遥感卫星体系，构成了一个具有高空间分辨率、高时间分辨率和高光谱分辨率能力的对地观测系统。我国高分系列卫星的参数见表2.2。

2.1.2 遥感卫星图像的特点

遥感卫星的种类繁多，能够提供丰富的数据类型。本书只针对常见的高分辨率遥感卫星展开研究。

在高分辨率遥感领域，图像的质量取决于空间分辨率和光谱分辨率。遥感成像系统的空间分辨率取决于一个像素捕获的地面区域的面积，影响着场景内细节的再现。随着像素尺寸的减小，图像的数字表示可以保留更多的场景细节。空间分辨率取决于IFOV（瞬时视场，即在给定的瞬间感测到的地面区域），对于给定的像素数目，IFOV越小，空间分辨率越高。空间分辨率也被视为图像中可用的高频细节信息的清晰度。遥感领域的空间分辨率通常以米或英尺为单位，表示单个像素所覆盖区域的长度。图2.2显示了相同地面区域但具有不同空间分辨率的多光谱图像，其中第一幅分辨率为2.44m的图像是由QuickBird卫星捕获的，而另外两幅分辨率分别为4.88m和9.76m的图像是基于第一幅图像模拟得到的。对比这三幅图像可以看出，空间分辨率从9.76m增加到2.44m，图像的细节信息变得更加清晰。

光谱分辨率是传感器产生给定图像的信号的电磁带宽，光谱带宽与光谱分辨率成反比。如果平台捕获的图像具有多个光谱带（通常为4～8个），则它们被称为多光谱（MS）数据，而如果光谱带的数量达到数百或数千个，则它们被称为高光谱（HS）数据。卫星通常在提供MS或HS图像的同时，也会提供全色（PAN）图像。PAN图像是一幅包含从可见光到热红外的反射数据的图像，也就是说，它集成了色度信息。可见光谱带的PAN图像将红色、绿色和蓝色数据的组合捕获到单个反射率度量中。

高分辨率遥感卫星成像系统的设计经常面临相互约束的条件，其中最重要的约束条件是IFOV和信噪比（SNR）之间的权衡。由于与PAN传感器相比，MS或HS的传感器具有较小的光谱带宽，因此对于给定的IFOV，它们通常具有较小的空间分辨率，以便收集更多的光量子并保持图像的SNR。许多传感器具有一组MS/HS波段和一个同步的更高空间分辨率PAN波段，即它们可以同时提供同一地面区域的PAN图像和MS/HS图像。随着科技的发展，成熟的商业卫星数量越来越多，先进的商用卫星提供的PAN图像的空间分辨率甚至低于0.5m，而MS图像的光谱分辨率可以高达8个波段，覆盖可见光和近红外范围，HS图像甚至可以拥有上百个光谱波段。

2.1.3 遥感图像融合的研究意义

卫星得到的PAN图像具有高空间分辨率低光谱分辨率，而MS图像则相反，具有低空间分辨率高光谱分辨率，这两类图像都不适用于后续较高级的遥感图像处理和识别任务。既然物理限制使得单个卫星传感器无法获得同时在空间域和光谱域中拥有最高分辨率的图像，那么PAN图像和MS图像的融合是实现该目标的唯一可能性，即使用适当的算法融合原始的PAN和低分辨率MS（LRMS）数据并生成具有更高分辨率的MS（HRMS）图像。此过程属于多传感器数据融合中的像素级融合，称为MS图像的全色锐化。融合可以提高图像的解译能力，提供更可靠的结果。

全色锐化是指将卫星在同一区域上同时捕获的多光谱（MS）图像和全色（PAN）图像进行融合的操作，如图2.3所示。它可以看作数据融合的一个特殊问题，因为其目的在于将PAN图像包含的空间细节（但不存在于MS图像中）与MS图像的光谱信息（相对于PAN图像的单个波段）结合起来。锐化的目的是增加MS图像的空间分辨率，因此，全色锐化可以在提高空间分辨率的同时，将光谱信息保留在MS图像中，从而得到既具有高光谱分辨率也具有高空间分辨率的遥感图像。

近几年，由于使用高分辨率图像（如Google Earth和Bing Maps等）的商业产品不断增加，对高空间分辨率的多光谱数据的需求持续增长。此外，MS图像与PAN图像融合是许多遥感任务增强图像的重要前序步骤，如变化检测、物体识别、视觉图像分析和场景解释，具体包括改善几何校正，增强某些在单个数据中不可见的特征，使用时态数据集更改检测以及增强分类等。因此，探索更高效且有效的全色锐化技术一直是近几年遥感图像领域的研究热点。