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基于优化字典学习的遥感图像融合方法

刘帆 裴晓鹏 张静 陈泽华

刘帆, 裴晓鹏, 张静, 陈泽华. 基于优化字典学习的遥感图像融合方法[J]. 电子与信息学报, 2018, 40(12): 2804-2811. doi: 10.11999/JEIT180263
引用本文: 刘帆, 裴晓鹏, 张静, 陈泽华. 基于优化字典学习的遥感图像融合方法[J]. 电子与信息学报, 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

基于优化字典学习的遥感图像融合方法

doi: 10.11999/JEIT180263
基金项目: 国家自然科学基金(61703299, 61402319, 61403273),山西省自然科学基金(201601D202044)
详细信息
    作者简介:

    刘帆:女,1982年生,博士,讲师,从事遥感图像处理、机器学习的研究

    裴晓鹏:男,1991年生,硕士生,研究方向为粒计算、遥感图像处理

    张静:女,1994年生,硕士生,研究方向为遥感图像处理

    陈泽华:女,1974年生,博士,教授,从事粒计算与知识工程、智能信息处理与智能控制、机器视觉与工业大数据等方向的研究

    通讯作者:

    陈泽华  zehuachen@163.com

  • 中图分类号: 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: 为提升全色图像和多光谱图像的融合效果,该文提出基于优化字典学习的遥感图像融合方法。首先将经典图像库中的图像分块作为训练样本,对其进行K均值聚类,根据聚类结果适度裁减数量较多且相似度较高的图像块,减少训练样本个数。接着对裁减后的训练样本进行训练,得到通用性字典,并标记出相似字典原子和较少使用的字典原子。然后用与原稀疏模型差异最大的全色图像块规范化后替换相似字典原子和较少使用的字典原子,得到自适应字典。使用自适应字典对多光谱图像经IHS变换后获取的亮度分量和源全色图像进行稀疏表示,把每一个图像块稀疏系数中的模极大值系数分离,得到极大值稀疏系数,将剩下的稀疏系数称为剩余稀疏系数。针对极大值稀疏系数和剩余稀疏系数分别选择不同的融合规则进行融合,以保留更多的光谱信息和空间细节信息,最后进行IHS逆变换获得融合图像。实验结果表明,与传统方法相比所提方法得到的融合图像主观视觉效果较好,且客观评价指标更优。
  • 图  1  传统采样方法结果

    图  2  本文采样方法结果

    图  3  利用各稀疏系数重构结果

    图  4  Road原图像及融合结果

    图  6  City原图像及融合结果

    图  7  City图像融合结果关键局部区域

    图  5  Road图像融合结果关键局部区域

    图  8  River原图像及融合结果

    图  9  River图像融合结果关键局部区域

    图  10  Fighter原图像及融合结果

    图  11  Fighter图像融合结果关键局部区域

    表  1  字典性能对比

    字典 相似字典原子 较少使用的字典原子 总误差
    Dr 13 11 0.614
    Dc 2 13 0.024
    Da 0 0 0.022
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    表  3  不同采样率下字典训练误差对比

    算法 采样10% 采样30% 采样50% 采样70% 采样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
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    表  2  不同采样率下字典训练效率对比(s)

    算法 采样10% 采样30% 采样50% 采样70% 采样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
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    表  4  Road原图像融合结果的性能比较

    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
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    表  5  City原图像融合结果的性能比较

    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
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    表  6  River原图像融合结果的性能比较

    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
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    表  7  Fighter原图像融合结果的性能比较

    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
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-21
  • 修回日期:  2018-08-13
  • 网络出版日期:  2018-08-31
  • 刊出日期:  2018-12-01

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