تحليل قابليت شاخص‌هاي ارزيابي كيفيت تصاوير تلفيق‌شده ماهواره‌اي با مدلسازي تخريب طيفي و مكاني

A Performance Analysis of Quality Assessment Metrics of Satellite Fused Images through Spectral and Spatial Distortion Modeling

تلفيق تصاوير ماهواره‌اي و ايجاد داده هايي با قابليت مكاني و طيفي بالاتر از داده هاي موجود جايگاه و نقشي ويژه در مباحث سنجش از دور دارد. اين درحالي است كه دقت و كارآيي همه مراحل پردازش در مسير استفاده از اين داده ها به دقت و اعتمادپذيري داده توليدشده وابسته است. درنهايت، استفاده بهينه از تصوير تلفيق‌شده مبتني بر دقت روش تلفيق است. بررسي اين مهم به انتخاب درست شاخص ارزيابي، متناسب با هدف و حيطه كاربرد تصوير تلفيق‌شده، نياز دارد. ارجحيت حفظ اطلاعات مكاني و طيفي دركاربردهاي گوناگون، همچون منابع طبيعي، مناطق شهري و مانند آن، متفاوت است. بنابراين، انتخاب بهترين روش تلفيق با بررسي ازطريق شاخص هاي ارزيابي كيفيت تصوير متناسب با حيطه كاربرد تصوير يكي از چالش‌هاي كاربران در اين زمينه است. ازاين‌رو، مقاله حاضر به آناليز و ارزيابي بيست روش رايج ارزيابي كيفيت تصوير، با هدف معرفي شاخص مناسب در بين شاخص هاي مطرح براساس كاربرد تصوير تلفيق‌شده، معرفي عوامل تفاوت نظر شاخص ها در بيان كيفيت و ارايه مدلي براي دريافتن تواناي هريك از شاخص ها در نمايش اعوجاجات رخ‌داده در جنبه اطلاعات طيفي و مكاني تصوير پرداخته است. بدين منظور، دو شاخص فيلتر بالاگذر و زاويه نگاشت طيفي به‌منزله مبناي اطلاعات مكاني و طيفي تصوير درنظر گرفته شد و عملكرد هريك از شاخص ها در بيان كيفيت داده‌هاي شبيه‌سازي‌شده، كه شامل تصاويري با اعوجاج طيفي و مكاني كنترل شده است، بررسي شد. براي ايجاد اعوجاج طيفي از اثر اعمال فيلتر بالاگذر، جابه‌جايي باند و تغيير تن رنگ بهره گرفته شده است. همچنين، از فيلتر پايينگذر و عملگرهاي فرسايشي با عنصر ساختاري با ابعاد متفاوت براي مخدوش كردن اطلاعات مكاني استفاده شده است. در بررسي‌هاي انجام‌شده در اين تحقيق، از تصاوير ماهوارههاي Landsat8،EO-1 وWorldview كه قدرت تفكيك طيفي و مكاني متفاوت دارند، استفاده شد. از هر تصوير قطعاتي با كاربري اراضي متفاوت به‌منزله تصاوير تست برش داده شد. نتيجه ارزيابي شاخص ها روي تصاوير تست دسته‌بندي شاخص‌ها، از نظر توانايي نمايش انحرافات طيفي و مكاني، در سه گروه قرار مي‌گيرد. دسته نخست روش‌هاي مبتني بر نويز براي ارزيابي كلي تصوير در مقابل نويز است، شامل شاخص‌هاي ERGAS، MSE، PSNR، WSNR. دسته دوم روش‌هاي هم‌سو با روش نگاشت زاويه طيفي« SAM» كه به‌دليل نمايش بهتر انحرافات طيفي، براي برآورد تخريب اطلاعات طيفي تصوير مناسب‌تر است و شاخص‌هاي BIAS, RASE, Q, MSSIM, NQM, FSIM, SRSIM, SAM را دربر مي‌گيرد. دسته سوم شاخص هم‌روند با شاخص فيلتر بالاگذر «HPF»، شامل شاخص‌هاي MAD و RFSIM است كه براي برآورد تخريب اطلاعات مكاني تصوير مناسب‌تر است

Satellite image fusion and creating data with spectral and spatial capabilities greater than those of the existing data is of special interest and position in Remote Sensing. However, the accuracy and efficiency of all processing stages of using these data depend on the precision and reliability of the produced data. The optimum utilization of fused images relies, ultimately, on the precision of the employed fusion method. Evaluation of this important aspect requires selection of an optimum assessment metric which is appropriate for the objectives and application areas of fused images. Different application areas such as, natural resources, civil areas and etc. have different preferences with regard to maintaining the spectral and spatial data. Therefore, selection of the best fusion method, that is appropriate for the application area of the image, through image quality assessment metrics is one of the users’ challenges in this field. The present paper, thus, attempts to provide an analysis and assessment of 20 common image quality assessment methods so as to identify and introduce the most optimum metrics based on the area of application of fused images. It also tries to introduce the factors causing differences in the way quality is assessed by the metrics. And then present a model for identifying the capabilities of each metric for displaying the distortions that occur in the spectral and spatial aspects of data. To this end, two metrics of high-pass filter and spectral angle mapper are taken into consideration as spectral and spatial data comparison bases, and the performance of metrics with regard to their assessment of the quality of simulated data, that contain images with controlled spectral and spatial distortions, is evaluated. Spectral distortions were introduced by high-pass filter effect, band displacement and changing color tone. Low-pass filter and attrition filters with structural elements of different dimensions were also used for introducing spatial distortions. Due to offering different spectral and spatial resolutions, images from Landsat8, EO-1, and Worldview satellites were used. Pieces with different land applications were cropped from these images to serve as test images. The assessment of the metrics tested on these images resulted in the categorization of metrics into three groups as per their capability for displaying spectral and spatial distortions. The first group included methods that functioned on the basis of noise for overall assessment of images with respect to their noise; these methods included ERGAS, MSE, PSNR, WSNR, and SNR indices. The second group were those aligned with Spectral Angular Mapper method that are suitable for assessment of images with sensitive applications as they display the spectral distortions with greater precision; These methods include BIAS, RASE, Q, MSSIM, NQM, FSIM, SRSIM, and SAM indices. The third group is also compatible with high-pass filter of HPF, RFSIM and MAD that are of a greater capability for displaying spatial distortions.