高空间分辨率的遥感影像在数字深圳中的应用

高空间分辨率的遥感影像在数字深圳中的应用
马 丹1 魏武明2 方圣辉1
（1. 武汉大学遥感信息工程学院,武汉武汉市珞瑜路129号， 430079)
（2. 温州市房产管理局龙湾分局，温州市龙湾区房管大楼, 325011）
摘 要：本文介绍了数字城市和高空间分辨率擦的遥感影像在推动数字城市中的重大作用，以美国的Quick Bird卫星高空间分辨率的图像和航空彩色图像融合为例，并对实验结果进行的讨论和分析；文中提出了快速更新地物的独特性和创新性对科学研究和生产实践具有一定的研究价值和实际的指导意义。

关键词： 数字城市 Quick Bird影像 图像融合
1.前言
数字城市广义上指城市的信息化，是用数字化的手段来处理、分析、管理整个城市，服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。

它既是城市信息化总的概述，又是城市信息化的目标；狭义上指综合运用GIS、GPS、RS、网络等关键技术建设服务于城市规划、建设、管理等，其主要内容是建设空间信息基础建设，并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。

要实现数字城市需要诸多学科，特别是信息科学技术的支撑。

这其中主要包括：信息高速公路和计算机宽带高速网络技术、高分辨率卫星影像、空间信息技术、大容量数据处理与存贮技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术。

高空间分辨率卫星遥感影像仅能呈现三维城市模型而且还提供具有相片质感的材质和纹理特征的表面描述，以及其他相关的属性信息，特别是在大范围地面目标的快速三维逼真重建方面具有显著的优势，和数字摄影测量技术国内外都把其作为数码城市建设和数据更新的主要技术手段。

它能提供覆盖全市的海量的、动态的基础地理信息，成为数字城市数据采集与更新的主要来源之一，是能够实现真三维和多时相的城市漫游、查询分析和可视化不可缺少的一部分，与城市专题信息与城市地理信息系统一体化将是数字城市的主要特征。

2. 高空间分辨率的Quick Bird遥感数据应用于数字城市中地物的更新
高分辨率不仅指高空间分辨率还包括高光谱分辨率和高时间分辨率。

空间分辨率指影像上所能看到的地面最小目标尺寸，空间分辨率越高就越能表达地面细小地物；光谱分辨率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，细分光谱可以提高和识别目标性质和组成成分的能力；时间分辨率指重复周期的长短，时间分辨率越高，就越能反映地表动态变化的详实数据。

高空间分辨率的遥感数据具有以下几个特点：单幅影像的数据量显著增加；成像光谱波段变窄；地物的几何结构和纹理信息更加明显；从二维信息到三维信息；高时间分辨率。

随着地球信息科学的迅猛发展，对地观测技术将逐渐实现多时相、多角度和高分辨率化。

美国的Quick Bird卫星是目前世界上商业卫星中分辨率最高、性能最优的一颗卫星。

成像方式为推扫式传感器，共有全色和多光谱两种模式，其中多光谱波段的空间分辨率为：2.44-2.88米，全色波段的空间分辨率0.61-0.72米。

0.61米的空间分辨率意味着城市中的房子、汽车在图像上可以看得很清楚。

这一点对大比例尺、高精度的数字城市来说，是非常重要的，也将成为建造数字城市的主要信息源。

在数字深圳城市的建模中，主要是应用Quick Bird遥感卫
星空间分辨率为0.61米的全色波段的遥感数据和航空彩色影像相结合的方式对地物进行了快速更新，并取得了预想的效果。

2.1快速全面更新深圳地物的实施方案
就目前最近几年深圳的城市发展来看，深圳的总体变化不是很大，部分局部区域发展较快、地物地貌变化较大，急需高空间分辨率的遥感数据对地物更新来真实反映深圳的快速发展。

在数字深圳地物更新中要求既包含Quick Bird图像中地物的几何特征信息,又要求能保留航空影像的光谱特征信息,实现了信息特征的互补。

针对深圳的城市发展变化情况，根据深圳的实际情况和应用需求，为快速全面更新深圳面貌并使融合具有多光谱的特征，提出了以下的方案：
第一步：将整个区域进行分类，根据政府建设情况和已有的矢量图等信息将整个区域划分为变化区域和无变化区域。

第二步：在变化较大的区域从Quick Bird图像上获取新的地物特征，能够更加方便快速地获取丰富的地物信息；变化不大的用航空影像，从多光谱上获取彩色信息，以便为了使融合后得到的彩色影像的光谱特征能与航空影像或是与实际地物的光谱相近。

采用航空影像和卫星影像进行先配准后融合，然后将融合后的彩色影像和航空影像进行镶嵌。

第三步：用变化区域的融合后的彩色图像来替换原始航空彩色图像旧的地貌特征，并与变化不大的区域无缝镶嵌并加以匀光处理，这样重叠区域（融合后得到的彩色图像）有多光谱的信息，未重叠（变化不大的区域）的地方也是多光谱的彩色信息，使整幅图像的地物特征和光谱特征连续、具有一致性；达到快速更新大片区域的并得到更新的彩色的多光谱影像的目的。

2.2关于更新地物的几点独特性和创新性
传统上，为了能达到既经济地快速更新地物特征又能获得较高分辨率彩色影像的目的，在科研和实际应用中一般运用低分辨率多光谱与高分辨率的全色影像进行融合来更新地物。

在快速全面更新深圳地物的实验中，有以下方面的独特性和创新性：
1）卫星和传感器的进一步发展，现在获取的卫星影像的空间分辨率远远高于以前。

尤其使现有的Quick Bird卫星的全色波段的空间分辨率几乎可以与一般的航空影像相比拟。

本实验采用的遥感数据非常特殊，采用的是0.61米的Quick Bird的全色波段和0.60米的航空彩色影像进行融合更新地物，这就导致了实验本身的融合方式具有独特性，即采用较低空间分辨率的全色波段遥感新数据与较高分辨率的多光谱遥感旧数据进行融合。

2）由于航空影像和卫星影像的空间分辨率不同，投影方式不同，成像原理也不同，呈现的地物特征也会有细微的区别，所以要先对航空影像作正射校正和辐射校正。

与以往的方式不同，在处理过程中直接利用ENVI 的头文件通过Quick Bird的头文件信息进行辐射校正。

3）融合时采用了ENVI 的image sharpen的功能进行Quick Bird全色影像的新地物特征与航空影像的彩色信息融合，并利用融合图像快速更新影像的地物特征。

而该功能和ERDAS中的Spatial Enhancement下Resolution Merge的功能相似，一般是用来提高影像的空间分辨率的。

4）由于深圳局部区域发展较快、变化较大导致短时期的遥感图像上地物变化较大，按照一般文献上的I（v）分量进行直方图匹配得到的融合光谱特征特别差。

在融合实验中为了获得更好的光谱特征采用了sat和hue分量作直方图匹配。

3. 实验结果及分析
以分辨率较为接近的具有较新地物的Quick Bird全色波段和旧的多光谱航空影像融合为例，形成的彩色遥感影像达到了更新地物和获得较真的光谱特征的目的。

着重于研究对变化较大区域不同时期的较高分辨率的航空彩色影像和较低分辨率的遥感数据的融合，并对常用
的融合方法和实验所使用的方法的融合效果作比较。

下面是所用的原始遥感数据及其效果图：
图1. 2002年Quick Bird全色波段图2. 2000年航空影像图3.image sharpen融合效果
图4.一般融合的效果图5.直方图匹配的效果图(hue) 图6.直方图匹配的效果图(sat)
从实验中我们得到以下的结果：
1）采用ENVI的image sharpen功能提高空间分辨率的方法可以简单快速的对遥感影像做融合，其效果并不比一般按融合做出来的效果差，不仅地物得到了更新也具有与多光谱的特征。

在实际处理时，提示输入高分辨率的影像，选择事实上分辨率较低为0.61米的QB影像，当接下来提示输入多光谱的影像时，选择分辨率为0.6米的航空影像。

这样ENVI处理后得到的结果就是一幅地物更新的彩色遥感影像，实际上就是得到了跟一般做融合一样的效果。

2）对两幅地物特征不同的影像进行融合时，用饱和度（S）或色度（H）分量与全色波段进行灰度直方图匹配，能使融合后影像的光谱特征与原多光谱影像的光谱特征更加相近。

以前文献中都使使用全色波段和I分量（或V分量）作直方图匹配，由于不同时期的灰度影像和彩色影像，而在实验中表明按照常用的这种方法得到的效果比不做灰度直方图匹配的还差，尤其是在地物变化较大的区域。

本证明，在地物变化较大的情况下做融合，为了得到更好的光谱特征，采用S或H分量做灰度直方图匹配能得到更好的视觉效果。

图5、6为在融合的过程中作了直方图匹配的效果。

可以看到作了hue和sat分量的灰度直方图匹配后，有了更好的视觉效果，色彩也更加丰富,突出了不同地物特征差异，光谱特征也与航空影像的光谱特征更加接近。

3）对相同区域的两幅遥感影像截取大致相同地物的相同区域进行局部融合来快速更新影像的地物特征。

应用时通过头文件信息使卫星影像和航空影像输出的像素大小一致，以保证两种不同的影像能够正确地进行融合。

由于采用粗校正的方法，易产生噪音，噪音会对融合的效果产生较大的影响，所以融合前还必须对QB影像进行去噪声的处理。

另外，采用的遥感影像的空间分辨率比较高信息量较大，实践证明用临近元采用方法就能取得很好的效果，而且计算量小。

图3和图4（见上图）分别是粗校正融合后采用两种不同的方法融合后的效果。

这种方法适合于实际应用中精度要求不是很高的快速地物更新。

4. 结论
实验结果表明利用高空间分辨率的遥感影像快速全面更新地物是可行的，对利用遥感影像提取专题信息具有良好的作用,经过融合以后的数据既具有高空间分辨率的优点,又具有多波谱影像特性。

航空影像和Quick Bird等高分辨率的卫星相结合的图像融合技术是一种具有一定推广价值的实用技术,具有可行性好、成本低、易实现等特点。

随着遥感对地观测技术的
发展和数字城市的研究深入，高空间分辨率的多源遥感影像信息融合是信息处理与获取领域
的一个新课题和研究方向；它可提高人们应用遥感数据的应用能力,增加决策的科学性和准确性。

参考文献
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[6]龚健雅.地理信息系统基础. 北京：科学出版社，2001.2
作者简介: 马丹，硕士研究生。

现主要从事遥感数字图像处理、地理信息系统理论与方法研究。

E-mail：madam_yurou@ & yurouma@
High Spatial Resolution RS Imagery Applying in the Digital City ShenZhen
Ma dan 1, Wei wuming2 , Fang shenghui 1
(1 School of Remote Sensing Information Engineering, Wuhan University,129 Luoyu
Road,Wuhan,China,430079)
(2 the department of estate management,Wenzhou,China,325011)
Abstract: In the paper, it introduced some key technology application the importance of high spatial resolution RS imagery in the digital city. The new methods of the image fusion were illustrated with the Quick Bird image and photographical image, the results and were discussed and analyzed. Some unique and innovation were produced. The research’s conclusion was some direction meaning.
Key Words: digital city 、 image fusion 、Quick Bird image。