Notions de base de l'amélioration de la netteté panchromatique

L'affinage panchromatique fusionne une image panchromatique (ou canal raster) de résolution supérieure avec un jeu de données raster multicanaux de résolution inférieure. On obtient ainsi un jeu de données raster multicanaux de la résolution du raster panchromatique et dont les deux rasters se recouvrent complètement.

L'affinage panchromatique est une transformation radiométrique disponible à partir de l'interface utilisateur ou d'un outil de géotraitement. Plusieurs sociétés d'imagerie fournissent des images multicanaux basse résolution et des images panchromatiques haute résolution des mêmes scènes. L'affinage panchromatique est utilisé pour augmenter la résolution spatiale et offrir une meilleure visualisation de l'image multicanaux à l'aide d'une image monocanal haute résolution.

ArcGIS dispose de cinq méthodes de fusion d'images pour créer une image améliorée : la transformation Brovey, la transformation IHS (Intensité, Teinte, Saturation), la transformation d'affinage panchromatique Esri, la transformation par moyenne simple et la méthode d'affinage spectral Gram-Schmidt. Chaque méthode utilise des modèles différents pour améliorer la résolution spatiale tout en préservant la couleur. De plus, certaines sont ajustées de manière à intégrer une pondération, de sorte qu'un quatrième canal puisse être inclus (par exemple, un canal proche infrarouge disponible dans de nombreuses sources d'images multispectrales). L'ajout d'une pondération et l'activation de l'élément infrarouge améliorent la qualité visuelle des couleurs en sortie.

Brovey

La transformation Brovey est basée sur la modélisation spectrale. Elle a été élaborée dans le but d'augmenter le contraste visuel au niveau des extrémités supérieure et inférieure de l'histogramme des données. Elle fait appel à une méthode qui multiplie chaque pixel multispectral ré-échantillonné par le rapport de l'intensité du pixel panchromatique correspondant sur la somme de toutes les intensités multispectrales. Cette transformation suppose que la gamme spectrale couverte par l'image panchromatique est identique à celle recouverte par les canaux multispectraux.

Dans la transformation Brovey, l'équation générale utilise le rouge, le vert et le bleu (RVB), ainsi que les canaux panchromatiques pour générer de nouveaux canaux RVB. Par exemple :

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

Toutefois, en utilisant la pondération et le canal proche infrarouge (si disponible), l'équation ajustée pour chaque canal devient

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

où les données en entrée sont les suivantes :

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

ESRI

La transformation d'affinage panchromatique Esri utilise une moyenne pondérée et le canal proche infrarouge supplémentaire (facultatif) pour créer ses canaux améliorés en sortie. Le résultat de la moyenne pondérée est utilisé pour créer une valeur d'ajustement (ADJ), qui servira ensuite à calculer les valeurs en sortie. Par exemple :

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

Les mêmes pondérations peuvent être utilisées pour les méthodes Esri ou Gram-Schmidt. Les pondérations des canaux multispectraux dépendent de la zone de superposition des courbes de sensibilité spectrale des canaux multispectraux avec le canal panchromatique. Les pondérations sont relatives et seront normalisées dès qu'elles seront utilisées. Le canal multispectral qui présente la plus grande zone de superposition avec le canal panchromatique doit avoir la pondération la plus élevée. Un canal multispectral qui ne présente aucune zone de superposition avec le canal panchromatique doit avoir une pondération égale à 0. La modification de la valeur de pondération proche infrarouge permet de faire varier l'éclat de la couleur verte en sortie.

Il est conseillé d'utiliser les pondérations suivantes pour les capteurs les plus courants (ordre : rouge, vers, bleu, infrarouge) :

• 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

La méthode d'affinage panchromatique Gram-Schmidt repose sur un algorithme général d'orthogonalisation de vecteurs, l'orthogonalisation Gram-Schmidt. Cet algorithme utilise des vecteurs (par exemple, 3 vecteurs dans un espace 3D) qui ne sont pas orthogonaux au début, puis les fait pivoter afin qu'ils finissent par être orthogonaux. Dans le cas d'une image, chaque canal (panchromatique, rouge, vert, bleu et infrarouge) correspond à un vecteur hautes dimensions unique (nb dimensions = nb pixels).

Avec la méthode d'affinage panchromatique IHS, les canaux multispectraux sont décorrélés en les transformant en espace IHS. Le canal d'intensité basse résolution est remplacé par le canal panchromatique haute résolution, et le résultat est retransformé en haute résolution pour obtenir les canaux multispectraux (MS) haute résolution.

Avec la méthode d'affinage panchromatique Gram-Schmidt, il convient d'abord de créer un canal panchromatique basse résolution en calculant la moyenne pondérée des canaux MS. Ces canaux sont ensuite décorrélés à l'aide de l'algorithme d'orthogonalisation Gram-Schmidt, chaque canal étant traité comme un vecteur multidimensionnel. Le canal panchromatique basse résolution simulé sert de premier vecteur. Il n'est ni pivoté, ni transformé. Le canal panchromatique basse résolution est ensuite remplacé par le canal panchromatique haute résolution, et tous les canaux sont retransformés en canaux haute résolution.

Les pondérations de canal suggérées pour la méthode Esri peuvent également être utilisées par la méthode Gram-Schmidt.

Pour obtenir plus d'informations à ce sujet, reportez-vous au brevet suivant :

Laben, Craig A. et Bernard V. Brower. Process for Enhancing the Spatial Resolution of Multispectral Imagery using Pan-Sharpening. U.S. Patent 6,011,875, classé le 29 avril 1998 et publié le 4 janvier 2000. Eastman Kodak Company, Rochester, N.Y.

IHS

IHS est une transformation des valeurs RVB, ainsi que de l'intensité, la teinte et la saturation. Chaque coordonnée est représentée par une position 3D dans le cube des couleurs. Les pixels dont les composantes rouge, verte et bleue sont identiques figurent sur la ligne grise qui va du cube jusqu'à l'angle opposé (Lillesand et Keifer, 2000). La teinte est la couleur réelle ; elle décrit la nuance de la couleur, ainsi que sa position dans le spectre chromatique. Bleu, orange, rouge et marron sont des termes qui décrivent la teinte. La saturation décrit la valeur de luminosité (ou blancheur) mesurée en pourcentage, entre 0 et 100 %. Par exemple, lorsque vous associez du rouge à une saturation de 0 %, il apparaîtra aussi rouge que possible. A mesure que le pourcentage de saturation augmente, du blanc est ajouté et le rouge vire au rose. Si la saturation est de 100 %, parler de teinte est vide de sens (le rouge perd sa couleur et devient blanc). L'intensité décrit une valeur de luminosité en fonction de la quantité de lumière émanant d'une couleur. L'intensité d'un rouge foncé est moindre que celle d'un rouge vif. Si l'intensité est de 0 %, parler de teinte et de saturation est vide de sens (la couleur disparaît et devient noire).

La transformation IHS convertit l'image couleur d'un modèle RVB en modèle IHS. Elle remplace les valeurs d'intensité par celles obtenues à partir de l'image panchromatique utilisée pour affiner l'image, une valeur de pondération et la valeur issue d'un canal proche infrarouge facultatif. L'image qui en résulte est générée à l'aide du modèle de couleurs RVB. L'équation utilisée pour dériver la valeur d'intensité modifiée est la suivante :

Intensity = P - I * IW

Moyenne simple

La méthode de transformation par moyenne simple applique une équation de moyenne simple à chaque combinaison de canaux en sortie. Par exemple :

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

Procédure d'affinage panchromatique

Pour appliquer la méthode d'affinage panchromatique à un jeu de données raster multicanaux dans ArcMap, utilisez le moteur de rendu Composition colorée RVB dans l'onglet Symbologie ou le bouton Affinage panchromatique. dans la fenêtre Analyse d'image.

Pour créer un jeu de données raster après affinage panchromatique, utilisez l'outil Créer un jeu de données raster affiné. Après en avoir créé un dans ArcMap, vous pouvez également exporter la couche vers un jeu de données raster.