空间重采样方法对遥感影像信息影响研究

张周威 ，余 涛 ，孟庆岩 ，胡新礼，李 畅

（1.北京大学 地球与空间科学学院，北京 100871；2.中国科学院 遥感与数字地球研究所，遥感科学国家重点实验室，北京 100101；3.国家航天局 航天遥感论证中心，北京 100101；4.华中师范大学 城市与环境科学学院，武汉 430079）

遥感影像的几何校正是遥感影像预处理流程中一个非常重要的组成部分，目的是地理经纬度的校正和对原始遥感影像数据进行重采样.然而重采样必然会导致影像的信息量变化.如何最大限度地保持原始影像的信息量一直是研究的热点问题.目前最常用的重采样方法是最邻近插值法、双线性插值法和三次卷积插值法.最近邻插值法的优点是输出影像仍然保持原来的像元值，简单而且处理速度快.但这种方法最大可产生半个像元的位置偏移，可能造成输出影像中某些地物的不连贯.双线性内插法具有平均化的滤波效果，边缘受到平滑作用，而产生一个比较连贯的输出影像，其缺点是破坏了原来的像元值，在后来的波谱识别分类分析中，会引起一些问题.三次卷积内插法对边缘有所增强，并具有均衡化和清晰化的效果.但是它仍然破坏的原来像元值，而且计算量较大［1］.

鲍文东等对遥感影像几何精校正中3种重采样内插方法进行定量比较，发现了3种方法的优缺点［1］.李石华和角媛梅从空间分辨率、几何校正精度、辐射精度和纹理等4 个方面对HJ－A－CCD 图像进行质量评价，并与同范围的CBERS－02B－CCD图像精细比较，发现HJ－A－CCD 的信息量、对比度、几何定位精度方面仍有很大改善空间［2］.张锐、姜挺选取刃边图像和真实遥感图像作为研究对象，对其进行多种辐射和重采样操作，研究重采样对调制传递函数估算的影响［3］.上述研究均未涉及到对重采样后图像的质量进行定量评价.

本文选取3种不同类型的遥感影像，利用上述3种重采样方法对其进行重采样，得到不同空间分辨率的重采样影像.最后，利用共性评价指标对每组重采样后遥感影像进行分析和评价，研究遥感影像信息量在重采样后如何发生改变.

1 数据来源

数据源1所使用的HJ－1A／B卫星数据接收时间为2008年9月8日，影像的大小为1024×1024.研究区选取我国台湾省的台湾岛主体部分作为研究对象（图1）.数据源2所使用的QuickBird－2卫星数据接收时间为2009年10月01日，影像的大小为1024×1024.研究区位于我国的北京市市区（图2）.数据源3选择机载Airborne Visible／Infrared Imaging Spectrometer（AVIRIS）高光谱成像光谱仪AVIRIS数据作为研究数据，空间分辨率为20m，并具有224 个谱段，波谱分辨率为10nm.其成像波长范围为0.38～2.5μm，视场角为30°，瞬时视场角为1mrad［4－5］.测试数据接收时间为1997年6月，影像的大小为1024×1024.由于AVIRIS 数据谱段较多，谱段范围较广，为了能够简化试验步骤，本文选择第40波段、第80波段和第102波段3个典型波段作为研究对象.研究区地处美国加利福利亚州美国航空航天局埃姆斯研究中心附近莫菲特菲尔德场，紧邻旧金山海湾（图3）.

图1 HJ－1A／B卫星数据Fig.1 HJ－1A／B data

图2 QuickBird－2 卫星数据Fig.2 QuickBird－2data

图3 AVIRIS 航空高光谱数据Fig.3 AVIRIS Hyperspectral data

2 分析与验证

2.1 评价指标定义及计算方法

影像质量评价其主要目的是用尽可能客观的、可定量的数学模型来表达重采样后影像信息量的损失程度.共性指标中的辐射精度是反映影像信息丰富程度的指标，同一地区的不同影像，若灰度分布范围越大，方差越大，则表明影像信息越丰富［6］.因此，采用灰度均值、灰度方差和直方图统计来对重采样后影像进行分析和评价.

2.2 评价结果分析

根据上述评价指标及其计算方法，得到各指标的评价结果.通过对HJ－1A／B 卫星遥感影像进行不同尺度的重采样，得到重采样后影像3个波段的均值、方差和直方图，将其按照不同尺度绘制成图4和图5.通过比较与分析可以得出，原始影像通过重采样后各个不同空间分辨率影像均值的变化非常小，不同尺度下的变化范围都在2%之内.重采样后不同分辨率影像的3个波段直方图存在几个波峰，而且显示的动态范围大，分辨率较低的300m 影像像元数量范围相对于30m 分辨率原始影像和3m 分辨率重采样影像要少.

图4 HJ－1A／B卫星影像最近邻重采样后和双线性重采样后不同分辨率R、G、B波段的方差Fig.4 Variance of nearest neighbor and bilinear resampled images with different resolution

图5 HJ－1A／B卫星影像三次卷积重采样后不同分辨率R、G、B波段的方差和3种不同重采样方法重采样后的不同分辨率影像R 波段方差比较Fig.5 Variance of cubic resampled images with different resolution and comparison of variance of resampled images with different resampling methods

图4和图5表明，重采样后影像方差随分辨率提高后稍微降低后保持不变，分辨率降低造成影像的方差减少.它表明重采样后的影像量分辨率降低后，其信息量也随之减少.同时，对通过3种不同重采样方法得到的结果进行比较分析得出，采用最近邻插值法对影像信息量的影响较小.三次卷积插值法次之，而双线性插值法对影像质量的影响较大.

采取相同的采样方法对QuickBird－2 卫星遥感影像进行不同尺度的重采样后得到重采样后影像3个波段的均值、方差和直方图.通过比较可以得出，原始影像在重采样后各个不同空间分辨率影像均值的变化较小，不同尺度下的变化范围都在3%之内.重采样后不同分辨率影像的直方图存在几个波峰，并且显示的动态范围大，122 m 分辨率影像像元数量相对于0.61 m 分辨率原始影像和0.24m 分辨率重采样影像要少.

图6 QuickBird－2影像最近邻重采样后和双线性重采样后不同分辨率R、G、B波段的方差Fig.6 Variance of nearest neighbor resampled images and bilinear resampled images with different resolution

图7 QuickBird－2影像三次卷积重采样后不同分辨率R、G、B波段的影像方差和3种不同重采样方法重采样后的不同分辨率影像R 波段方差比较Fig.7 Variance of cubic resampled images with different resolution and comparison of variance of resampled images with different resampling methods

图6和图7表明，重采样后影像方差在分辨率升高后略微降低，然后基本保持不变，而分辨率降低造成影像的方差不断减少，它表明影像的信息量不断减少.同时，通过对3种不同重采样方法得到的结果进行比较分析得出，采用最近邻插值法对影像质量的影响较小，三次卷积插值法次之，双线性插值法对影像质量的影响比较大.

最后对AVIRIS航空高光谱影像中第40、80和102波段的影像进行不同尺度的重采样，得到重采样后影像3个波段的均值、方差和直方图.对结果分析可以得出，原始影像通过重采样后各个不同空间分辨率影像均值的变化非常小，不同尺度下的变化范围都在2%之内.重采样后不同分辨率影像的3个波段直方图存在几个波峰，而且显示的动态范围大，分辨率较低的1 000m 影像像元数量范围相对于20m 分辨率原始影像和4m 分辨率重采样影像要少.

图8和图9表明，重采样后影像方差随分辨率提高后影像质量略微降低后基本保持不变，影像的方差随着分辨率降低而减少.它表明影像信息量随着分辨率的降低而减少.同时，对3种不同重采样方法得到的结果进行比较分析得出，采用最近邻插值法对影像质量的影响较小，双线性插值法次之，三次卷积插值法对影像质量的影响比较大.

2.3 影像应用潜力分析

通过上述试验可以看出，环境星影像经过不同空间分辨率重采样后，如果将空间分辨率提高，那么整个影像的信息量变化较小，可以被用于地表特征参量提取.如果将空间分辨率降低，那么影像的信息量将会减小，不适用于地表定量反演.

图8 最近邻重采样后和双线性重采样后AVIRIS影像不同分辨率不同波段的影像方差Fig.8 Variance of nearest neighbor resampled and bilinear resampled images with different resolution

图9 AVIRIS影像三次卷积重采样后不同分辨率不同波段的影像方差3种不同重采样方法重采样后的不同分辨率影像第40波段方差比较Fig.9 Variance of cubic resampled images with different resolution and comparison of variance of the resampled images with different resampling methods

3 结论

利用3种重采样方法对3种不同类型的遥感影像进行重采样后，研究发现不同分辨率重采样后影像信息量的变化规律.在以后的研究过程中，可根据实际情况，从影像纹理特征和影像能量特征对重采样后影像进行评价.重采样后影像空间分辨率降低使重采样后影像的方差减少.从影像的灰度统计信息分析，重采样后空间分辨率提高对影像的信息量影响非常小，相反，如果空间分辨率降低，影像信息量则有损失.通过定性和定量的比较分析，可以找到3种方法各自优缺点.在实际应用中，影像中的生物物理量同影像亮度变化直接相关，所以采用最近邻重插值法适合从遥感影像中提取生物物理信息，而其他的插值方法是利用均值法计算输出亮度值，通常丢失很有价值的光谱信息.双线性插值法的计算量和精度适中，如果忽略应用精度，也可以被采用.而当图像变形比较严重时，必须使用三次卷积插值来确保图像的质量.

［1］鲍文东，杨春德.几何精校正中三种重采样内插方法的定量比较［J］.测绘通报，2009，（3）：71－72.

［2］李石华，角媛梅.环境与灾害监测预报小卫星A 星CCD 影像质量评价［J］.红外技术，2009，31（3）：167－172.

［3］张 锐，姜 挺，于瑶瑶，等.图像重采样对调制传递函数估算的影响［J］.遥感学报，2012，16（3）：487－491.

［4］浦瑞良，宫 鹏.高光谱遥感及其应用［M］.北京：高等教育出版社，2006.3－5.

［5］童庆禧，张 兵，郑兰芬.高光谱遥感原理、技术与应用［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［6］任 平，杨存健，周介铭.HJ－1A／B 星CCD 多光谱遥感数据特征评价及应用研究［J］.遥感技术与应用，2010，25（1）：138－142.