超分辨率遥感图像在水土保持监测中的应用研究*

王 欢，王建华

(哈尔滨师范大学)

0 引言

我国由于特殊的自然地理和社会经济条件已经成为世界上水土流失最为严重的国家之一，水土流失严重影响农业生产;水土流失会造成大量泥沙下泄，淤积严重影响水资源开发利用，加剧洪涝灾害，影响交通运输，面对水土流失的可怕影响，生态环境保护已经刻不容缓．水土保持监测［1］工作就显得格外的迫切和重要．也正是因为如此，对水土保持监测工作时的时效性有很高的要求，由于监测工作繁琐环境多样，调查统计数据严重滞后于水土流失的变化等原因，让水土保持监测工作很难及时得到准确的资料，给水土保持工作增加了很大难度．只有在第一时间得到最准确可靠的资料，水土保持工作才能真正意义的保护生态环境．

1 遥感技术及现有不足

目前，遥感技术已经日趋成熟，广泛应用于农业、国防、交通等各个领域，由于遥感技术技术具有获取信息的速度快周期短，信息量大，条件限制少等特点，遥感技术也广泛应用与水土保持监测工作［2-3］中．

遥感技术现有的不足:在遥感图像获取过程中有很多因素会导致图像的质量下降或退化，如传感器的形状和尺度，光学系统的像差、大气扰动、离焦、运动等．另外在成像、传输、存储过程中，也会引入噪声，这些都会造成图像的模糊和变形，直接影响图像的分辨率．

由于许多领域的实际需要，人们对图像的质量要求越来越高，超分辨率技术应运而生．

2 超分辨率的基本概念、发展背景及应用领域

2．1 超分辨率的基本概念

图像超分辨率是指从一幅低质量、低分辨率图像或图像序列中恢复得到高分辨率图像．随着多媒体通信和信息处理技术的飞速发展，人们也对图像质量不断提出更高的要求，高分辨率图像在一些计算机视觉算法性能中能起到决定性的作用．但由于成像系统受本身的物理条件限制或者成本过高等原因获得人们满意的高分辨率图像是难以实现的．求助于超分辨率算法就成为一个自然的选择．超分辨率技术弥补了硬件方面的不足，从软件角度出发，提高了图像的分辨率，增强图像的可用性．即便可以获得更好的物理设备或仪器，超分辨率算法也会成为方便廉价的最佳替代选择．

2．2 超分辨率技术的发展背景

超分辨率概念最早由光学领域提出，在该领域中，将试图复原在衍射极限以外的数据的过程称为超分辨率．在1955年的雷达文献中，Toraldo di Francia首次使用“超分辨率”．

Tsai和 Huang［4］1984 年，首次提出由多帧低分辨率退化图像进行空间分辨率增强的概念Harris J L［5］和 Goodman J W［6］分别于 1964 年和1965年提出一种称为Harris-Goodman频谱外推的方法中最早提出复原这一概念，他们采用的是频域方法，是由场景经过平移的一组低分辨率图像来重建一幅高分辨率图像．随后，许多人加入研究当中，对频域方法进行改进，以扩大其算法的适用范围，因其方法的自身局限，实际应用中效果并不理想．后有人提出空域超分辨率的重建方法，如:非均匀间隔样本内插、概率论方法、凸集投影方法和最大后验概率估计方法等．空域方法与频域方法相比，有更多的灵活性和更广的适用范围，所以目前研究较多的是空域方法．

2．3 超分辨率技术的应用领域

由于超分辨率技术在一定条件范围内，不受成像系统在分辨率的限制，有效提高被处理图像的分辨率，因此在识别与定位、资源与环境的卫星遥感、视频增强与复原、医学计算机层析成像、安全监控等领域得到了广泛的应用．

3 遥感图像超分辨率技术及在水土保持监测中的应用

3．1 遥感图像超分辨率技术

现代遥感技术已实现对地的多平台、多传感器、多时相、多光谱以及全天候观测，获得大量的观测数据，对多数区域还可获得一些重复的影像．但遥感技术现存在的不足，想得到理想中的高分辨率图像还是难以实现的．如何提高遥感影像的分辨率成为新的攻关难题，采用基于信号处理的软件方法就成为这一难题的有效解决途径之一．其基本原理是应用同一地区多幅重复观测遥感影像之间进行信息的互补，用超分辨率重建算法恢复高分辨率图像．应用在遥感图像中的典型超分辨率重建算法有很多，如凸集投影法、迭代反投影法、最大后验概率法、非均匀空间距离内插法等．

图1和图2为实验［7］同一地域多幅低分辨率遥感图像通过非均匀空间距离内插法得到的高分辨率图像．

3．2 在水土保持监测中的应用

3．2．1 应用于黄土高原丘陵沟壑区水土保持监测中

水土保持是解决黄河泥沙、改善流域生态环境重要措施之一．黄土高原丘陵沟壑区则是黄河流域水土流失治理的重点区域．水土保持监测是水土流失治理的一项准备工作．梯田、果园、人工林草地和坝地等水土保持措施呈小片状分布，由于受到分辨率的限制，不能有效提取．遥感图像超分辨率技术可以有效克服这点，因超分辨率技术可以通过一系列低分辨率的遥感图像生成高分辨率的遥感图像，这样就为黄土高原丘陵沟壑区水土保持监测工作信息提取提供了可靠信息源．以往水土保持生态建设监测工作调查速度慢，工期长，精度低，其可复制性和变更性差，难以满足要求．相信随着超分辨率技术和遥感技术不断发展完善，在水土保持监测工作中会发挥更大的作用．

图1 一组低分辨率图像

图2 通过非均匀空间距离内插法得到的高分辨率图像

3．2．2 应用于建设项目水土保持监测中

建设项目的水土保持监测中［8-9］，对遥感图像分辨率的要求较高，但因为成本或者物理仪器设备的分辨率限制，图像的分辨率不能达到人们的要求．随着超分辨率技术的不断发展，应用的范围也延伸到了遥感领域，通过超分辨率重建算法，可以有效提高低分辨率遥感图像的分辨率，而且通过这种方式得到的高分辨率图像信息源的成本低，方便，准确．将超分辨率技术与遥感技术相结合应用于建设项目水土保持监测中能够及时、精准、客观、周期性地获取开发建设项目地表扰动、水土保持措施布局、水土流失面积分布等变化信息，综合评价开发建设项目水土流失防治情况，为开发建设项目水土保持监测报告、建设期监测报告和总监测报告的数据提供了保障，是一种值得推广的监测方法．

3．2．3 应用于预防采矿作业引起的地质灾害中

随着国民经济的飞速发展和人类生产生活的需要，自然资源大量地从地下开采出来，虽然在国家经济建设和改善人们物质生活做出了巨大贡献，但不科学合理的工程活动也引发了很多矿区的地质灾害和环境问题，如何对矿区进行及时准确得监测就成了矿区生态环境保护工作中的重点，遥感技术对于解决这一问题提供了有力的技术支撑，由于矿区道路、建筑、采矿点、设施、中转场和固体废弃物堆场等，分布不规则环境复杂，以及受成像系统分辨率的限制直接得到高分辨率的遥感影像困难很大，通过超分辨率技术在遥感图像中的应用，可以有效提高原有遥感图像的分辨率，因此超分辨率遥感技术能够快速、精准地对矿区进行监测，监测结果对整顿矿山开发秩序，治理矿区泥石流滑坡等地质灾害，恢复生态环境都具有重要意义．

4 遥感图像超分辨率技术在水土保持监测中的总结和展望

遥感图像超分辨率技术，可以改善由于图像退化导致的空间分辨率下降;突破成像系统的限制;发掘现有遥感图像数据潜能等优势．相信在超分辨率技术在不断探索如何获得准确的运动参数估计，图像退化模型，降低计算的复杂度的过程中，超分辨率重建效果会来越好，越来越多优越的超分辨率算法会用到遥感图像的处理中，将高分辨率的遥感图像应用于水土保持监测中，有望提取斑块较小的水土保持措施信息源，为土壤侵蚀预测、水土保持效益分析与评价和水土保持规划提供了高精度的数据支持．总之，超分辨率遥感图像的进一步深入研究必将使这一技术在水土保持监测工作中发挥更大的潜能，应用范围更加广阔，具有十分重要的意义．

［1］ 松良，吴兴中．我国水土保持监测工作的现状及问题［J］．水土保持通报，2009(2):25-29．

［2］ 赵帮元，李志华，郭玉涛，马红斌，张香娟．遥感在黄河流域水土保持监测中的应用［J］．水土保持研究，2004(2):34-38．

［3］ 郭玉涛，张生德．遥感技术应用于水土保持监测［J］．中国水利，2004(7):45-49．

［4］ Tsai R Y，Huang T S．Multipleframe image restoration and registration［C］．Advances in Computer Vision and Image Processing．Greenwich，CT:JAI Press Ine，1984:317-339．

［5］ Harris J L．Diffranction and ResolvingPower［J］．J 0，S A ，1964，54(7):931-936．

［6］ Goodman J W．Introduction to Fourier Oitics［M］．McGraw-Hill，NewYork，1968．

［7］ 黄秋兰．遥感图像的超分辨率重建技术空域方法研究．北京:中国地质大学出版社，2008．

［8］ 权刚．新技术在开发建设项目水土保持监测中的应用［J］．水土保持通报，2007(4):5-9．

［9］ 徐丰，曹宏，廖章志．遥感技术在开发建设项目水土保持监测中的应用——以洪家渡水电站为例．中国水土保持，2008(3):29-33．