论文推荐︱许宁：HCT变换与联合稀疏模型相结合的遥感影像融合

         提出了一种基于HCT变换和联合稀疏模型的遥感影像融合方法，可更有效地利用多光谱所需谱段的光谱信息，最终得到所需谱段的融合影像。该方法将所需谱段的多光谱影像进行HCT变换，获取其亮度分量和角度分量；然后利用亮度分量和全色影像小波变换的低频分量进行联合稀疏模型的构建、系数求解和融合，得到融合的全色低频分量；最后将该低频分量与前面步骤所得其他分量分别进行小波逆变换和HCT逆变换，得到高质量的融合影像。试验利用Pleiades-1和WorldView-2两种卫星数据进行验证，并通过视觉效果和量化的融合评价指标进行对比和分析，验证了本文算法的有效性。

全色和多光谱影像融合旨在结合全色影像的空间细节和多光谱影像的光谱信息，得到空间分辨率和光谱分辨率兼优的高质量多光谱影像，有利于遥感影像的分类和目标识别等后续处理^[]。迄今为止，学者们提出了很多方法，这些方法可概括为基于组分替换、多分辨率分析以及稀疏表示的融合方法。其中，经典的组分替换融合方法有IHS变换^[]、PCA变换^[]算法，以及改进的组分替换算法GSA^[]、PRACS^[]等，这类算法在变换域内用全色谱段代替多光谱的某一个分量，并通过逆变换得到融合影像，算法计算简单，融合影像空间分辨率高，但是存在一定的光谱失真。而多分辨率分析方法，则是通过提取全色影像的高频信息来弥补多光谱影像缺少的细节，例如经典的WT^[]、AWLP^[]、NSCT^[]、CBD^[]等，这类方法在光谱保持方面得到了提升，但会损失一定的全色高频细节信息。另外，一种用于信号时-频变换的EMD^[]方法在遥感影像融合领域得到了应用，但也需结合IHS变换来获得更好的效果^[]。近年来，基于稀疏表示的遥感影像融合方法^[, , , ]得到了快速的发展，其通过大量参考影像进行训练，得到的冗余字典往往具有自适应性，更加符合人眼视觉特性，能够充分地考虑到图像本身的几何正则性，用于彩色图像融合具有较好的光谱特性保持特点。但这类方法通常需要在融合过程中进行冗余字典的训练、稀疏系数解算和数据的重构，计算复杂度高，实时性差。

为了兼顾这3类方法的优点，获取更高质量的融合影像，出现了IHS-WT^[]、DCT-IHS^[]、SVT-APCA^[]、IHS-CS^[]等一系列组合架构的融合方法。这类方法所表现出的良好的融合影像质量，确立了光谱和空间信息保持的遥感影像融合的一个重要研究方向。然而，这种组合架构的融合方法通常需要进行组分替换类方法的参与(如IHS色彩空间变换)，只有部分谱段(通常为3个谱段)用于变换处理，难以利用多光谱数据所有谱段的光谱信息，导致光谱畸变^[]仍然存在于融合影像中，使得这类遥感影像融合方法仍然需要进一步提升光谱信息的保持能力。基于稀疏表示的融合方法虽然在光谱保持上体现了一定优势，但其需要对遥感数据进行逐波段的稀疏求解和重构，对多光谱数据的处理无疑会导致计算复杂度大量增加。针对这些问题，并综合考虑到组合架构融合方法的优势，本文提出了一种基于HCT变换^[]和联合稀疏模型的遥感影像融合方法。HCT变换不仅能实现组分替换类融合方法的良好空间信息保持特性，同时能够对兼顾任意波段的多光谱图像进行处理，而联合稀疏表示方法能够更好地保持多光谱的光谱特性，进一步提升组合架构下遥感影像的融合质量。另外，由于只采用HCT变换的亮度分量参与稀疏表示求解和重构，无须逐波段进行处理

基于HCT和JSM融合方法流程图

Pleiades卫星数据(Ple-1)融合结果及局部放大显示

WorldView-2卫星数据(WV-1)融合结果

     全色和多光谱遥感影像融合的目的是得到空间分辨率高、光谱畸变小的多光谱影像，但光谱畸变一直是全色与多光谱影像融合的一个难点。本文结合近年来获得良好光谱保持效果的稀疏表示融合方法，引入能支持任意波段处理的HCT变换，提出了一种基于HCT变换和联合稀疏模型的遥感影像融合方法。相较传统的稀疏表示方法，联合稀疏模型充分利用了全色和多光谱的差异成分信息，而HCT则可利用所有的多光谱参与变换，不受传统IHS处理3个谱段的限制，同时处理过程中只对HCT变换的I分量进行联合稀疏处理，有效地提升了处理效率。验证试验分别选取Pleiades-1和WorldView-2两种卫星数据进行了试验。结果表明，本文方法在增强空间细节的同时，更好地保持了多光谱数据的光谱信息，得到了融合质量较好的融合影像。但在融合处理效率上，由于多种变换的参与以及联合稀疏表示分解的引入，导致融合方法所需执行时间长，这是后续需要进一步研究改进的地方。

基金项目：中国地质调查局地质调查(1212011120226);国家863计划(2012AA12A308);中国科学院科技服务网络计划(KFJ-EW-STS-046).

第一作者简介：许宁(1982-),男,博士生,研究方向为光学遥感影像配准、融合以及高光谱图像处理。E-mail:[e-mail]

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