遥感图像的尺度不变量研究

In the remote sensing data process, hypothesis is required to solve problems. Subjective and arbitrary hypothesis may induce wide deviations, particularly in remote sensing image fusion. Based on the current study of remote sensing image fusion, the applicant proposes a concept of "remote sensing image scale invariant", aiming at a systematical study of the hypotheses in remote sensing image fusion. The theories, methods and patterns of the scale invariant are established to discuss the application of scale invariant in image fusion. The main research contents include establishing candidate set of the scale invariant and extracting its index, researching scale invariant properties (e.g., stability), establishing scale invariant set that satisfies sufficient conditions, demonstrating fusion based on the scale invariant to develop new methods of image fusion and assessment, and exploring a new way of researching remote sensing scale problems based on the scale invariant. This research tries to establish a relatively integrated theoretical system and research pattern of scale invariant and lays a preliminary theoretical foundation for its application in other remote sensing techniques. The results have the potential to promote the study of a basic problem in remote sensing, i.e., scale problem, which can further be extended to other fields.

遥感数据处理过程中，许多问题求解需要进行问题假设。主观随意的假设会给研究带来很大偏差，尤其在遥感图像融合领域。申请人基于目前遥感图像融合理论模型研究， 提出“遥感图像的尺度不变量”概念，旨在系统研究遥感图像融合过程中涉及的假设。 通过建立尺度不变量的理论方法和研究模式，探讨尺度不变量在图像融合理论与技术研究中的应用。拟研究的主要内容包括：构建尺度不变量候选集，提取尺度不变量指标；研究尺度不变量性质（如稳定性）；构建构成充分条件的尺度不变量组合；基于尺度不变量的融合示范应用研究，设计新的图像融合方法和性能评价方法；基于尺度不变量，初探遥感尺度问题研究的新方法。该研究力争建立较为完整的尺度不变量理论体系和研究模式， 并为其在遥感其他技术领域的应用奠定初步理论基础。研究成果更有望促进遥感领域基本科学问题——尺度问题的研究，并推广至其他领域。

本项目以遥感图像融合为切入点，通过理论分析和实验验证系统研究了遥感图像的尺度不变量，初步建立了尺度不变量的理论和研究模式，并将其应用于遥感图像融合技术的研发、融合性能评价以及尺度转换方法设计等。主要研究进展有1)尺度不变量构建与性质研究。依据GCOS遥感图像融合统一理论框架，通过大量实验和理论分析，从已有的融合方法、融合性能评价指标中筛选出潜在的尺度不变量，构建了尺度不变量候选集，并分析了候选集的尺度变化特性和敏感性。2)遥感图像升尺度转换研究。根据遥感影像的成像过程，建立了一种符合光学遥感影像成像过程的图像退化方法MSD4FV，对比通用的图像退化方法，该方法减小了退化获得的低分辨率图像的融合结果与全尺寸图像的融合结果之间的性能差异，融合结果在尺度间一致性较好。3)无参考图像融合性能评价指标的设计。在前期尺度不变量分析基础上，将图像融合性能分解为光谱保持度、空间平滑度和细节保持度三个维度，设计了一种无参考图像融合性能评价指标Q。实验结果表明该指标的融合图像性能评价结果与专家经验和Wald方案一致，可以很好地表现融合算法的不同性能方面，且运算速度快，适用于遥感图像融合评价。4)基于尺度不变量的融合方法研究。从尺度不变量研究出发，提出了一种基于中频信号调制和补偿的遥感图像融合方法，主要解决了遥感图像融合中光谱保持性能与空间保持性能之间存在矛盾、光谱保持性能较好的算法严重受制于配准精度和调制传递函数（MTF）计算精度的问题。其次，开发了一种光谱保持型的快速遥感图像融合方法，主要用于解决遥感图像融合中光谱保持性能与空间增强性能以及运算性能之间存在的矛盾，该方法健壮性高，光谱保持性能和空间保持性能在较高水平上达到平衡，运算速度快，可满足实时融合的要求。