Основные сведения о панхроматическом слиянии

Слияние с панхроматическим каналом использует панхроматическое изображение (или канал растра) для объединения с многоканальным набором растровых данных более низкого разрешения. В результате получается многоканальный набор растровых данных с разрешением панхроматического растра в областях их наложения.

Слияние с панхроматическим каналом является радиометрической трансформацией, которая доступна через пользовательский интерфейс или посредством использования инструмента геообработки. Ряд компаний-поставщиков поставляют многоканальные растры с низким разрешением вместе с панхроматическими изображениями с высоким разрешением на те же участки. Слияние с панхроматическим каналом используется для увеличения пространственного разрешения и улучшения визуализации многоканального изображения с помощью одноканального изображения высокого разрешения.

ArcGIS предлагает пять способов объединения данных для создания изображения с повышенным разрешением: преобразование Бровея, преобразование по модели IHS, трансформация слияния Esri, трансформация по среднему арифметическому и спектральный метод слияния Gram-Schmidt. Каждый из этих методов использует собственную модель увеличения пространственного разрешения при обработке цвета, и каждый из них позволяет использовать взвешивание для включения четвертого канала данных (например, канал ближней инфракрасной области, доступный в большом количестве источников многозональных изображений). При добавлении взвешивания и включении инфракрасного компонента, визуальное качество выходных цветов улучшается.

Brovey

Преобразование Бровея, основанное на спектральном моделировании, было разработано для увеличения визуального контраста в верхней и нижней областях гистограммы. Данное преобразование использует метод, в котором значение яркости каждого перевыбранного пиксела многозонального изображения умножается на отношение значения яркости соответствующего пиксела панхроматического изображения к сумме яркостей всех зон многозонального изображения. При этом, предполагается, что спектральный диапазон панхроматического изображения соответствует каналам многозонального.

При преобразовании Бровея, основное уравнение использует красный, зеленый, синий (RGB) и панхроматический каналы для вычисления новых красного, зеленого и синего каналов. Например:

Red_out = Red_in / [(blue_in + green_in + red_in) * Pan]

Однако, при использовании весов и ближнего инфракрасного канала (если он есть), усовершенствованная формула для каждого канала приобретает вид:

DNF = (P - IW * I) / (RW * R + GW * G + BW * B)
Red_out = R * DNF
Green_out = G * DNF
Blue_out = B * DNF
Infrared_out = I * DNF

, где:

P = panchromatic image
R = red band
G = green band
B = blue band
I = near infrared
W = weight

Esri

Трансформация слияния Esri использует взвешенное усреднение вместе с дополнительными данными канала близкой к инфракрасной области (необязательно) для создания панхроматических выходных каналов. Результат взвешенного усреднения используется для вычисления значения уравнивания (ADJ), которое необходимо для получения выходных значений. Например:

ADJ = pan image - WA
Red_out = R + ADJ
Green_out = G + ADJ
Blue_out = B + ADJ
Near_Infrared_out = I + ADJ

Те же веса могут быть использованы в методах Esri или Gram-Schmidt Веса для мультиспектральных каналов зависят от наложения кривых спектральной чувствительности для мультиспектральных каналов с панхроматическим каналом. Веса являются относительными, и могут быть отнормированы при использовании. Мультиспектральный канал с самым большим перекрытием с панхроматическим каналом должен получить наибольший вес. Мультиспектральный канал, который не пересекается с панхроматическим каналом, должен получить вес, равный 0. Изменением значения веса ближней инфракрасной области, можно получить более или менее естественный оттенок зеленого.

Некоторые предлагаемые веса для обычных датчиков следующие (порядок: красный, зеленый, синий, инфракрасный):

• GeoEye - 0.6, 0.85, 0.75, 0.3
• IKONOS - 0.85, 0.65, 0.35, 0.9
• QuickBird - 0.85, 0.7, 0.35, 1.0
• WorldView–2 - 0.95, 0.7, 0.5, 1.0

Gram-Schmidt

Метод слияния Gram-Schmidt основан на общем алгоритме для векторной ортогонализации - ортогонализации Gram-Schmidt. Данный алгоритм получает векторы в качестве входных данных (например, 3 вектора в трехмерном пространстве), которые не являются перпендикулярными, затем поворачивает их таким образом, что после этого они становятся перпендикулярными (ортогональными). В случае с изображениями, каждому каналу (панхроматическому, красному, зеленому, синему и инфракрасному) соответствует вектор с несколькими измерениями (#dimensions = #pixels).

В методе слияния IHS мультиспектральные каналы декоррелируются с помощью преобразования их в пространство IHS. Канал с интенсивностью низкого разрешения заменяется панхроматическим каналом высокого разрешения, и результат преобразуется обратно в высоком разрешении, чтобы получить мультиспектральные каналы (MS) высокого разрешения.

Первым шагом в методе слияния Gram-Schmidt является создание панхроматического канала с низким разрешением, путем вычисления взвешенного среднего мультиспектральных каналов. Далее, эти каналы декоррелируются с использованием алгоритма ортогонализации Gram-Schmidt, при этом каждый канал считается одним многомерным вектором. Этот смоделированный панхроматический канал с низким разрешением используется в качестве первого вектора; он не поворачивается и не изменяется с помощью преобразований. Панхроматический канал с низким разрешением затем заменяется панхроматическим каналом с высоким разрешением, и все каналы преобразуются обратно в высоком разрешении.

Все веса каналов, предлагаемые методом Esri, могут быть также использованы в методе Gram-Schmidt.

Подробности описаны в следующем патенте:

Laben, Craig A., and Bernard V. Brower. Process for Enhancing the Spatial Resolution of Multispectral Imagery using Pan-Sharpening. Патент U.S. Patent 6,011,875, заполненный 29 апреля 1998г. и выпущенный 4 января 2000 г. Eastman Kodak Company, Rochester, N.Y.

IHS

Преобразование по модели IHS включает трансформацию RGB и интенсивности, оттенка и насыщенности. Каждая координата представлена позицией в трехмерной системе координат цветового куба. Пикселы, имеющие одинаковые компоненты красного, синего и зеленого, расположены на серой линии, соединяющей противоположные углы внутри куба (Lillesand and Kiefer 2000). Оттенок является текущим цветом; он описывает цветовой тон и его положение в спектре. Оттенок описывается значениями синего, оранжевого, красного и коричневого. Насыщенность отражает значение освещенности (или белизны), измеренное в процентах (от 0 до 100). Например, красный с насыщенностью 0 процентов является чистым красным цветом. При увеличении процента насыщенности, добавляется больше белого, и красный становится розовым. Если насыщенность 100 процентов, оттенок более не имеет значения (т.е., красный потеряет окраску и превратится в белый). Интенсивность описывает значение яркости, основанное на количестве света, излучаемого цветом. Темно-красный имеет меньшую интенсивность, чем ярко-красный. Если интенсивность составляет 0 процентов, оттенок и насыщенность теряют значение (т.е., цвет потерян, объект становится черным).

Преобразование по модели IHS конвертирует цветное изображение из цветовой модели RGB в цветовую модель IHS. Значения интенсивности заменяются значениями, полученными из панхроматического изображения, которое использовалось для увеличения подробности текущего; взвешенным значением; и значением дополнительного канала ближней инфракрасной области. Полученное изображение выводится в цветовом режиме RGB. Новое значение интенсивности вычисляется по формуле:

Intensity = P - I * IW

Простое среднее

При трансформации по среднему арифметическому к каждой комбинации выходных каналов применяется усреднение по среднему арифметическому. Например:

Red_out= 0.5 * (Red_in + Pan_in)
Green_out = 0.5 * (Green_in + Pan_in)
Blue_out= 0.5 * (Blue_in + Pan_in)

Как увеличить разрешение за счет панхроматического изображения

Чтобы применить технику слияния с панхроматическим каналом к многоканальному набору растровых данных ArcMap, воспользуйтесь методом отображения Модель RGB (RGB Composite) на закладке Символы (Symbology) или нажмите кнопку Слияние (Pan-sharpen) в окне Анализ изображений (Image Analysis).

Чтобы создать набор растровых данных, как результат слияния с панхроматическим каналом, используйте инструмент Создать набор растровых данных с панхроматической настройкой (Create Pan-Sharpened Raster Dataset), либо после его создания в ArcMap можно экспортировать слой в набор растровых данных.