信息从无到有：光学遥感图像超分辨率技术研究
钱学森空间技术实验室李峰课题组在国家自然科学基金和实验室自主创新课题的资助下，成功突破了遥感图像超分辨率重构的关键技术，利用多时相、同一场景的低分辨率遥感图像采用后处理的方式重构出高分辨率图像。
 “一张图胜过千言万语”，图像作为获取信息最直接途径，对其所承载信息量的提升一直是人类的不懈追求，从近年来高分辨率图像的不断更新发展中可见一斑。但在很多领域如遥感、医疗、安防等，图像分辨率的提升往往受到成像传感器的硬件成本、制造工艺和信息传输条件的限制。特别是对体积、功耗、重量要求苛刻的卫星遥感领域，加大光学系统设计所带来体积和重量的增加是无法忽视的，因此如何在不增加卫星相机体积和重量的前提下，利用多时相低分辨率图像获取更多的高频信息，即遥感图像超分辨率重构成为研究者关注的问题。 钱学森空间技术实验室李峰课题组在国家自然科学基金和实验室自主创新课题的资助下，成功突破了遥感图像超分辨率重构的关键技术，利用多时相、同一场景的低分辨率遥感图像采用后处理的方式重构出高分辨率图像。图像配准和图像重构是超分辨率重构的两个关键技术。本课题针对由于大气扰动和平台抖动导致的图像间非规则的几何畸变和位置错位的问题，提出了适用于遥感图像的快速弹性图像配准方法；针对由于地表特征的复杂性而难以找到单一的通用变换域实现遥感图像的稀疏性表达的问题，构建了遥感图像在多重变换域下的稀疏表达，并把其作为先验模型引入到最大后验概率重构方法中，形成以ℓ1范数最小化为核心的超分辨率重构代价函数。相关成果发表在IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing上（F. Li, L. Xin, et al., 2017，SCI二区）。 依据上述方法，我们基于高分四号卫星数据开展了多组应用实验。高分四号是我国第一颗地球同步轨道光学遥感卫星，采用面阵凝视成像的方式，搭载了一台全色可见光50米/中波红外400米分辨率、大于400公里幅宽的凝视相机，具备可见光、多光谱和红外成像能力，具有高时间分辨率、宽阔的一次成像观测视野的优势。我们分别采用北京地区和海南三亚地区的全色遥感影像（空间分辨率为50米）进行2倍空间分辨率提升实验，并与常规方法（普通插值低分辨率图像LR和流行的超分辨率方法IBP）相比较。图1为对北京地区进行超分辨率重构的实验结果，原始图像数据为在两天内采集到的该地区的3幅图像，为了进一步说明重构效果，我们对图1第一行红框内的区域图像（故宫(微博)区域）进行了放大显示，并显示在第二行。在我们的重构图中红色箭头标注位置可以明显看到白色方块，对比Google Earth的实景图可以得知这是故宫东侧的一个停车场，而这是在其它方法的重构图像中难以得到的信息。 海南三亚地区的实验结果如图2所示，重构图由7幅连续拍摄采集到的GF-4图像经过超分辨率重构得到。为了进一步说明重构效果，我们同样放大了第一行红框区域的图像并显示在第二行，可见只有从我们的重构图像中可以看出有四个小码头，同样对比Google Earth，可以测得其中每个码头的宽度为21米左右，有趣的是，原始GF-4全色遥感影像的空间分辨率为50米，可见我们的方法确实在一定程度上实现了空间分辨率的提升。  北京地区超分辨率重构的实验结果  海南三亚地区超分辨率重构的实验结果 |
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