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基于優(yōu)化字典學習的遙感圖像融合方法

劉帆 裴曉鵬 張靜 陳澤華

劉帆, 裴曉鵬, 張靜, 陳澤華. 基于優(yōu)化字典學習的遙感圖像融合方法[J]. 電子與信息學報, 2018, 40(12): 2804-2811. doi: 10.11999/JEIT180263
引用本文: 劉帆, 裴曉鵬, 張靜, 陳澤華. 基于優(yōu)化字典學習的遙感圖像融合方法[J]. 電子與信息學報, 2018, 40(12): 2804-2811. doi: 10.11999/JEIT180263
Fan LIU, Xiaopeng PEI, Jing ZHANG, Zehua CHEN. Remote Sensing Image Fusion Based on Optimized Dictionary Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(12): 2804-2811. doi: 10.11999/JEIT180263
Citation: Fan LIU, Xiaopeng PEI, Jing ZHANG, Zehua CHEN. Remote Sensing Image Fusion Based on Optimized Dictionary Learning[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2018, 40(12): 2804-2811. doi: 10.11999/JEIT180263

基于優(yōu)化字典學習的遙感圖像融合方法

doi: 10.11999/JEIT180263 cstr: 32379.14.JEIT180263
基金項目: 國家自然科學基金(61703299, 61402319, 61403273),山西省自然科學基金(201601D202044)
詳細信息
    作者簡介:

    劉帆:女,1982年生,博士,講師,從事遙感圖像處理、機器學習的研究

    裴曉鵬:男,1991年生,碩士生,研究方向為粒計算、遙感圖像處理

    張靜:女,1994年生,碩士生,研究方向為遙感圖像處理

    陳澤華:女,1974年生,博士,教授,從事粒計算與知識工程、智能信息處理與智能控制、機器視覺與工業(yè)大數(shù)據(jù)等方向的研究

    通訊作者:

    陳澤華  zehuachen@163.com

  • 中圖分類號: TP751

Remote Sensing Image Fusion Based on Optimized Dictionary Learning

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61703299, 61402319, 61403273), The Shanxi Province Natural Science Foundation (201601D202044)
  • 摘要: 為提升全色圖像和多光譜圖像的融合效果,該文提出基于優(yōu)化字典學習的遙感圖像融合方法。首先將經(jīng)典圖像庫中的圖像分塊作為訓練樣本,對其進行K均值聚類,根據(jù)聚類結果適度裁減數(shù)量較多且相似度較高的圖像塊,減少訓練樣本個數(shù)。接著對裁減后的訓練樣本進行訓練,得到通用性字典,并標記出相似字典原子和較少使用的字典原子。然后用與原稀疏模型差異最大的全色圖像塊規(guī)范化后替換相似字典原子和較少使用的字典原子,得到自適應字典。使用自適應字典對多光譜圖像經(jīng)IHS變換后獲取的亮度分量和源全色圖像進行稀疏表示,把每一個圖像塊稀疏系數(shù)中的模極大值系數(shù)分離,得到極大值稀疏系數(shù),將剩下的稀疏系數(shù)稱為剩余稀疏系數(shù)。針對極大值稀疏系數(shù)和剩余稀疏系數(shù)分別選擇不同的融合規(guī)則進行融合,以保留更多的光譜信息和空間細節(jié)信息,最后進行IHS逆變換獲得融合圖像。實驗結果表明,與傳統(tǒng)方法相比所提方法得到的融合圖像主觀視覺效果較好,且客觀評價指標更優(yōu)。
  • 圖  1  傳統(tǒng)采樣方法結果

    圖  2  本文采樣方法結果

    圖  3  利用各稀疏系數(shù)重構結果

    圖  4  Road原圖像及融合結果

    圖  6  City原圖像及融合結果

    圖  7  City圖像融合結果關鍵局部區(qū)域

    圖  5  Road圖像融合結果關鍵局部區(qū)域

    圖  8  River原圖像及融合結果

    圖  9  River圖像融合結果關鍵局部區(qū)域

    圖  10  Fighter原圖像及融合結果

    圖  11  Fighter圖像融合結果關鍵局部區(qū)域

    表  1  字典性能對比

    字典 相似字典原子 較少使用的字典原子 總誤差
    Dr 13 11 0.614
    Dc 2 13 0.024
    Da 0 0 0.022
    下載: 導出CSV

    表  3  不同采樣率下字典訓練誤差對比

    算法 采樣10% 采樣30% 采樣50% 采樣70% 采樣90%
    KSVD算法 0.636 0.614 0.448 0.022 0.022
    本文算法 0.036 0.022 0.021 0.019 0.018
    下載: 導出CSV

    表  2  不同采樣率下字典訓練效率對比(s)

    算法 采樣10% 采樣30% 采樣50% 采樣70% 采樣90%
    KSVD算法 579.8 1280.5 1923.3 3235.4 6577.2
    本文算法 1562.4 2281.7 2936.4 4240.6 7578.9
    下載: 導出CSV

    表  4  Road原圖像融合結果的性能比較

    融合方法 ERGAS RASE SAM UIQI
    IHS方法 9.7446 24.5692 1.1642 0.3469
    NIHS方法 5.1226 33.7954 0.3466 0.8387
    NSST方法 6.6566 16.6560 1.0277 0.7262
    SR方法 8.2873 28.3787 1.1011 0.5979
    本文方法 5.0543 12.9461 0.6602 0.7925
    下載: 導出CSV

    表  5  City原圖像融合結果的性能比較

    融合方法 ERGAS RASE SAM UIQI
    IHS方法 13.1711 34.7595 2.7537 0.5705
    NIHS方法 6.2005 16.9826 1.5020 0.8981
    NSST方法 8.5364 23.4545 2.2660 0.8229
    SR方法 9.1183 46.6352 1.7720 0.7655
    本文方法 6.0461 18.8073 1.4300 0.8673
    下載: 導出CSV

    表  6  River原圖像融合結果的性能比較

    融合方法 ERGAS RASE SAM UIQI
    IHS方法 8.1003 14.5947 4.9814 0.7037
    NIHS方法 4.3391 12.7904 1.1056 0.9197
    NSST方法 5.6170 17.5402 3.1750 0.8637
    SR方法 9.3164 75.8740 4.6461 0.8020
    本文方法 4.2291 9.6131 2.9010 0.9307
    下載: 導出CSV

    表  7  Fighter原圖像融合結果的性能比較

    融合方法 ERGAS RASE SAM UIQI
    IHS方法 1.4788 4.2170 0.2381 0.9830
    NIHS方法 1.4199 4.0977 0.2392 0.9850
    NSST方法 1.5954 6.0820 0.3091 0.9834
    SR方法 2.3366 7.0861 0.3709 0.9508
    本文方法 0.9564 2.7291 0.1570 0.9929
    下載: 導出CSV
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圖(11) / 表(7)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2018-03-21
  • 修回日期:  2018-08-13
  • 網(wǎng)絡出版日期:  2018-08-31
  • 刊出日期:  2018-12-01

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