EOS／MOD l S最優融合方法研究
卓靜李登科鄧鳳東(陜西省農業遙感信息中心西安710015)
摘要：為了提高MODIS圖像的空間分辨率，本文對常用的HIS變換法、主成份分析法、簡單乘積法、Brovey
圖像融合算法和假彩色合成法的優缺點進行了分析，並結合EOS／MODIS遙感圖像特點，對融合後圖像進行了
簡單評價，最終認為使用主成份分析法的融合效果最好。
關鍵詞：MODIS 圖像融合
1引言
隨著遙感技術的發展，由不同傳感器獲取的同
壹地區的多光譜、多分解能力、多時相的影像越來
越多，為自然調查、環境監測等提供了豐富而又寶
貴的資料。但是這些單壹遙感手段獲取的資料在幾
何、光譜等方面存在壹定的局限性和差異性，如何
將它們各自的優勢互補起來是非常重要的。遙感數
據融合就是將這些優勢結合的好辦法。圖像融合可
以分為不同傳感器之問的融合，如SPOT和TM的融
合，同壹傳感器不同分辨率之間的融合，如MODIS
資料融合。但是不管是哪種融合，將高空間分辨率
圖像和多光譜圖像融合後的圖像都將具有更加豐富
的光譜、紋理和幾何形狀等信息，從而改善了圖像
的解譯效果和解譯可靠性。圖像融合的方法比較多，
如植被指數算法、纓帽變化、主成份分析、基於模
型的方法等等。從技術層次上來說，數據融合主要
包括像元級融合、特征級融合和決策級融合三個層
次，不同層次采用不同的融合方法。本文主要研究
特征級融合的HIS變換法、簡單乘積法、主成份分
析法、Brovey圖像融合算法和假彩色合成等五種常
用方法在MODIS數據融合中的優缺點。
2 MODI S資料介紹
MODIS(其全稱為： Moderate—Resolution
Imaging SpectroradioⅢeter)是美國1999年底發射
的Terra(EOS—AMI)星上搭載的唯壹進行直接廣播
的、當前世界新壹代“圖譜合壹”的光學遙感儀器。
它可以同時獲得覆蓋可見光、近紅外、遠紅外***36
個通道百米量級的遙感數據。MODIS數據具有多光譜
分辨率(***有36個通道)、高時間分辨率(每天過
頂兩次)、多空間分辨率(250m、500m和lO00m三種)
等特點?。它的空間分辨率高於NOAA／AVHRR，光譜
分辨率高於TM，正好填補了中間的空白。MODIS圖
像的光譜範圍從可見光到遠紅外，它的數據可以用
於生態環境監測、火情監測、幹旱監測等方面，如
可以將低分辨率波段的空間分辨率提高，它就可以
反映出很多NOAA不能反映的細節信息。例如在林火
監測方面MODIS數據更高精度和更高的飽和溫度，
對於林火的識別和分類具有更高的價值。在大範圍
生態環境監測上，250m分辨率作出的NDVI和分類
結果精度高於NOAA的結果，更具有參考價值。因此
如果能夠很好地把MODIS不同分辨率的數據進行融
合，則多光譜、中分辨率等優勢可以得到更好地發
揮。
3圖像的預處理
研究中用到的資料是仰角較高、雲量較少的
2002年l1月26日的MODIS圖像。將250m分辨率的
圖像在ENVI軟件中進行幾何精校正，以校正後圖像
為基準圖像人工選取GCP點分別校正其他分辨率的
圖像，使每幅圖像校正誤差在壹個像元內，這樣可
以很好地確保不同分辨率圖像之間的吻合程度，可
以提高融合圖像的質量。
4圖像的融合方法
4．1 HIS變換法
HIS變換法是融合最常用的方法之壹，相對於
RGB顏色空間來說，它是壹個對物體顏色屬性的描述
系統，其中I代表地物的亮度、H代表色度、S代表
顏色的飽和度，三者分別代表三個波段的平均輻射
強度、數據向量和等量的大小 。這種方法的具體做
法是：先將MODIS500m的圖像經HIS變換得到I、H、
S分量，再用250m的2波段數據(選取2波段的原
因在下面進行介紹)代替其中的1分量，再變換到
RGB顏色空間，形成新的圖像。這個新的圖像既保持
了高分辨率的亮度指標，又保留了多光譜的色度和
飽和度指標。但是融合得到的多光譜影像灰度值同
原多光譜影像有較大差異，即光譜特征被扭曲，基本
上保持了多光譜影像色調。
4．2簡單乘積法
Crippen在1989年利用加、減、乘、除四種方
法分別把壹幅亮度圖像轉為彩色圖像，結果表明只
有乘法對彩色的扭曲最小而得來的，計算公式如下 ：
DNf多光譜圖像)：l：DN(高分辨率圖像)=DⅣ(新圖像)
維普資訊
1O學術研究 測繪技術裝備季幹0 第9卷2007年第1期
這種方法是三種常用融合方法中最簡單、耗時
最少的方法，但是這種方法改變了多光譜數據的輻
射信息，圖像的亮度成分被增加，所以在城市、郊
區研究中，經常用這種方法把城市道路、人工特征
等高反射特征地物突顯出來。
4．3 Brovey圖像融合算法
Brovey 圖像融合也稱為色彩標準化
(Colornormalized)變換融合，由美國科學家
R．L．Brovey建立模型並推廣而得名。其算法是將多
光譜圖像的像方空間分解為色彩和亮度成分並進行
計算。其特點是：簡化圖像轉換過程的系數以最大
限度地保留多光譜數據的信息 。這種方法主要利用
了圖像的三個波段進行計算，計算公式如下 ：
(DN口1 I DN口1+DN口2+DN口3)木￡W高分辨率圖像=DN口1壹新圖像
(DN口2 IDN口1+DⅣB2+DN口3)木DⅣ高分辨率圖像=DN口2壹新圖像
( 3IDNB1+ 2+ 3)*DN~ m,mm= 圖像
B=波段
這種方法融合結果就是色調非常良好，幾乎完
整地保持了原始影像的色調信息。而且它可以增加
圖像直方圖高低部分的比率，提供城市中陰影、水
體和高反射地物的對比，因此它可以產生壹幅更高
程度反映圖像直方圖高低部分對比的RGB圖像。但
是這種方法對多光譜圖像的輻射信息有壹定程度的
改變，如果以後的研究中多光譜數據的輻射信息很
重要，那麽這種方法是不能采用的。
4．4主成份分析融合法
主成份分析(PCA)是壹種特征選擇方法，由此構
造出的每個新特征都是原特征的線性函數。它主要
是針對超過三個波段影像的融合。HIS變換法和
Brovey方法在超過三個波段時受到限制，只能抽取
和選擇多光譜圖像中的三個波段參與變化，這樣無
疑會使其他波段的信息丟失，不利於影像的綜合利
用。這種方法合成的圖像色調突出、植被覆蓋清晰，
並由色彩可區分不同的植被種類和長勢狀況，水體
表現良好，但深淺反映較差 。它是基於這樣的假設：
多光譜圖像的第壹主成份包含了幾乎全部波段的亮
度信息，其他成分包括光譜信息；並且多光譜數據
的亮度信息與高分辨率數據的信息相似。在融合的
過程中，高分辨率圖像的直方圖形狀保持不變，多
光譜圖像的第壹主成份被取代並進行反變換來達到
融合的方法。因此這樣融合的圖像既保持了多光譜
的特性，也具備了高分辨率的特點。這種方法是最
為常用的圖像融合方法，但是其運算時間較長。
4．5假彩色合成
假彩色合成是根據三原色成像原理，將精確配
準的三個波段的灰度圖像分別賦予R、G、B三色，
然後再將它們結合起來構成新的彩色圖像 。由於人
眼對彩色圖像的分辨能力比灰度圖像高的多，因此
這種方法被廣泛應用於圖像的目視解譯和專題制圖
中。在專題制圖中多壹個波段就會多壹些細節信息。
對於MODIS圖像，為了提高它的分辨率，這種方法
主要是利用250m的圖像來進行，但是250m圖像只
有兩個波段，這就需要給圖像增加第三個波段來滿
足這種方法的需求。這第三個通道的選擇有兩種方
法：壹是將250m其中的壹個波段進行重復賦予第三
波段，例如RGB通道分別賦予1通道、2通道、1通
道，這樣的組合方式最為簡單，不需要進行融合，
而且在制作專題圖時比較美觀、方便；另壹種方法
就是對500m的壹個通道進行重采樣，然後加入到
250m影像中。這樣可以使信息量增加，例如加入波
段7近紅外通道，這樣形成的3波段數據是假彩色
圖像，這樣的圖像可以很好地顯示林地信息。而且7
通道對明火及其能量敏感，可以用於監測火情。這
種方法雖然簡單方便，但是會丟失500m其他波段的
光譜信息，所以壹般只在制作專題圖時使用。
5結果分析與比較
5．1 MODIS高分辨率圖像的波段選取
眾所周知，MODIS250m分辨率的圖像有兩個波
段：壹個是紅光波段；另壹個是近紅外波段。而在
上面敘述的三種方法中，高分辨率圖像壹般只使用
壹個波段，如SPOT的全色波段。所以就需要對這兩
個波段的信息含量進行對比，哪個波段的信息量大，
就使用哪個波段進行融合，這樣融合後的圖像的信
息含量也比較大。在判別信息含量大小的時候，使
用了看直方圖分布情況和對比均方差大小的辦法。
直方圖的分布範圍較廣的說明其信息含量大。均方
差是反映灰度相對於灰度均值的離散情況，方差越
大，則灰度級分布越分散，此時，圖像中所有灰度級
出現概率越趨於相等，從而包含的信息量越大。均方
差的計算公式如下：
壓■———■壹
o=1f (Qj壹 Q) Ik壹1
’i=1
為第 個樣本值； Q為均值；k是樣本數。
通過這個公式得到1波段的均方差為1696．794，
2波段的均方差為2708．608，這說明了2波段的信
息量大於1波段。
從圖1和圖2顯示的直方圖上看，也說明了波
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測繪技術裝備季刊第9卷2007年第1期 學術研究11
段2的信息量大於波段1。
圖2 250m band2直方
5．2結果分析
在研究中，分別利用以上五種方法進行了融合。
圖3為250m波段2的MODIS圖像， 圖4是500m圖
像，圖5是利用250m的波段1重復賦值的假彩色合
成圖像(波段組合為波段1、波段2、波段1)， 圖6
是HIS變換法的結果圖像，圖7是簡單乘積法融合
後圖像，圖8是Brovey法融合後圖像，圖9是主成
份分析法融合後圖像。
圖3
圖4
圖5
圖6
圖7
圖8
圖9
對比融合後圖像、高分辨率圖像和多光譜圖像，
假彩色合成方法並沒有將500m分辨率圖像的空間分
辨率提高，沒有使用到MODIS圖像高光譜分辨率的
優勢；HIS的融合圖像和原始圖像的光譜存在較大差
異；簡單乘積法的融合效果最差，光譜特征發生了
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12學術研究 測繪技術裝備季刊第9卷2007年第1期
改變；Brovey融合後圖像明暗處的對比增加；主成
份分析法的融合效果最好，光譜特性和原始圖像最
為相似。
6結論
對於MODIS圖像，它的分辨率和多光譜特性決
定了主要用於大面積的遙感監測，例如幹旱監測、
霧監測、沙塵暴監測等，在這些方面的應用中光譜
特性是比較重要的。因此綜合考慮光譜特征和融合
效果等多方面因素，圖8的融合結果最為理想，即
在保持多光譜特性的原則下，采用主成份分析法進
行融合的效果最好。
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(上接第45頁)
序設置、作業細則、鑒定方案和鑒定環境都需要進
行編制和建立。
總之，數碼相機ADS40在我國的引進與應用，
是實現全數字航空攝影的裏程碑，是加快航測數字
化生產與建設的又壹有力工具，但ADS40相機畢竟
是新事物、新設備，技術含量高、配套軟件多，對
其了解、認識、學習、消化、吸收和應用需要壹個
過程，只有不斷試驗、探索和研究，加快生產應用
系統和接口的開發研制工作，才能使ADS40相機盡
早投入到生產應用中。
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