パンシャープンの基礎

パンシャープンは、高解像度パンクロマティック画像（またはラスタ バンド）を低解像度マルチバンド ラスタ データセットと融合させます。その結果、2 つのラスタが完全にオーバーラップする場所でパンクロマティック ラスタの解像度を持つマルチバンド ラスタ データセットが生成されます。

パンシャープンは、ユーザ インタフェースまたはジオプロセシング ツールを通じて利用できる放射量変換です。同じシーンの低解像度マルチバンド イメージと高解像度パンクロマティック イメージがさまざまな画像ベンダから提供されています。パンシャープンは、空間解像度を向上させ、高解像度のシングルバンド イメージを使用してマルチバンド イメージの表示を改善するために使用されます。

ArcGIS では、パンシャープン イメージを作成するために、Brovey 変換、IHS 変換、Esri パンシャープン変換、Simple Mean 変換、および Gram-Schmidt スペクトル シャープン手法の 5 つの画像融合方式が用意されています。これらの手法はそれぞれ異なるモデルを使用して、空間解像度を向上させると同時にカラーを維持します。また、これらの手法は 4 つめのバンド（多くのマルチスペクトル イメージ ソースで利用可能な近赤外バンドなど）を追加できるように、ウェイトにより調整されます。ウェイトを追加して、赤外成分を有効にすると、出力カラーの表示品質が向上します。

Brovey

Brovey 変換は、スペクトル モデリングに基づき、データのヒストグラムの両端の視覚コントラストを際立たせるために開発されたものです。この変換方式では、リサンプリングされたマルチスペクトル ピクセルに、対応するパンクロマティック ピクセル明度とすべてのマルチスペクトル明度の合計との比率を掛ける方法を使用します。この場合は、パンクロマティック イメージがカバーする空間範囲とマルチスペクトル チャネルがカバーする範囲が同じであることが前提となります。

Brovey 変換では、一般式で赤、緑、青（RGB）とパンクロマティック バンドを入力として使用し、新しい赤、緑、青バンドを出力します。たとえば次のようになります。

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

ただし、ウェイトと近赤外バンド（利用可能な場合）を使用することにより、各バンドの計算式は次のように調整されます。

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

入力は次のとおりです。

P = パンクロマティック イメージ R = 赤のバンド G = 緑のバンド B = 青のバンド I = 近赤外バンド W = ウェイト

Esri

Esri パンシャープン変換は、加重平均と（オプションの）追加の近赤外バンドを使用して、パンシャープンされた出力バンドを作成します。加重平均の結果は、出力値の計算に使用されるアジャスト値（ADJ）を作成するために使用されます。たとえば次のようになります。

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

Esri または Gram-Schmidt 手法には、同じウェイトが使用できます。マルチスペクトル バンドのウェイトは、パンクロマティック バンドとマルチスペクトル バンドのスペクトル感度曲線の重なりによって異なります。ウェイトは相対的なもので、使用されるときに正規化されます。パンクロマティック バンドと最大の重なりを持つマルチスペクトル バンドのウェイトを最大にする必要があります。パンクロマティック バンドとの重なりがまったくないマルチスペクトル バンドのウェイトは 0 にする必要があります。 近赤外ウェイト値を変更すると、緑の出力が多少鮮やかになることがあります。

一般的なセンサーの推奨ウェイトを示します（順序: 赤、緑、青、赤外）。

• 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

Gram-Schmidt パンシャープン手法は、ベクタ直交化すなわち Gram-Schmidt 直交化の一般的なアルゴリズムに基づいています。このアルゴリズムは、直交していないべクタ（3D 空間の 3 つのベクタなど）を回転させて、これらを直交させるものです。画像の場合、各バンド（パンクロマティック、赤、緑、青、および赤外）は、1 つの高次元ベクタと一致します（次元 = ピクセル）。

IHS パンシャープン手法では、マルチスペクトル バンドは、IHS 空間に変換されることによって非相関化されます。低解像度の明度バンドは、高解像度のパン バンドに置き換えられて、結果として、高解像度でバック変換され、高解像度のマルチスペクトル バンド（MS）になります。

Gram-Schmidt パンシャープン手法の最初の手順は、MS バンドの加重平均を計算することによって、低解像度のパン バンドを作成することです。次に、Gram-Schmidt 直交化のアルゴリズムを使用して、これらのバンドを非相関化し、各バンドを 1 つの多次元ベクタとして扱います。シミュレートされた低解像度のパンクロマティック バンドは、最初のベクタとして使用され、回転されたり変換されたりはしません。その後、低解像度のパンクロマティック バンドは、高解像度のパンクロマティック バンドに置き換えられ、すべてのバンドが高解像度に逆変換されます。

Gram-Schmidt 手法では、Esri 手法で示したのと同じバンド ウェイトも使用できます。

詳細については、次の特許で説明されています。

Process for Enhancing the Spatial Resolution of Multispectral Imagery using Pan-Sharpening（Laben, Craig A. および Bernard V. Brower 考案、米国特許 6,011,875、1998 年 4 月 29 日申請、2000 年 1月 4 日発行、Eastman Kodak Company, Rochester, N.Y）

IHS

IHS 変換は、RGB および明度、色相、彩度の変換です。各座標はカラー キューブ内の 3D 座標位置によって表されます。赤、緑、青成分が均一なピクセルは、キューブから対角線上に伸びるグレーのライン上にあります（Lillesand and Kiefer 2000）。色相は実際の色であり、色合いとカラー スペクトルでの位置を表します。青、オレンジ、赤、茶は色相を表す単語です。彩度は、0 ～ 100% の割合で計測される明るさ（または白さ）の値を表します。たとえば、赤と彩度 0% を混ぜるとそのままの赤になります。彩度の割合が高くなるに従い、白が多く追加され、赤がピンクに変化します。彩度が 100% の場合、色相は意味を持ちません（基本的に、赤はその色を失い、白になります）。明度は、色が発する光の量に基づいて明るさの値を表します。暗い赤は明るい赤よりも明度が少なくなります。明度が 0% の場合、色相と彩度は意味を持ちません（基本的に、色が失われ、黒になります）。

IHS 変換は、カラー イメージを RGB カラー モデルから IHS カラー モデルに変換します。明度値を、画像を高解像度化するために使用されるパンクロマティック画像から取得した値、加重値、およびオプションの近赤外バンドから求められた値と置き換えます。最終的な画像は、RGB カラー モードを使用して出力されます。変換された明度値を得るための方程式は次のとおりです。

明度 = P - I * IW

Simple Mean

Simple Mean 変換は、出力バンドの組み合わせごとに単純な平均の計算式を適用します。たとえば次のようになります。

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

パンシャープン処理の方法

ArcMap でマルチバンド ラスタ データセットにパンシャープン手法を適用するには、[シンボル] タブで RGB コンポジット レンダリングを使用するか、画像解析ウィンドウの [パンシャープン] ボタン をクリックします。

パンシャープンの結果としてラスタ データセットを作成するには、[パンシャープン ラスタ データセットの作成（Create Pan-sharpened Raster Dataset）] ツールを使用します。または、ArcMap でレイヤを作成した後、そのレイヤをラスタ データセットへエクスポートします。