Основные сведения о панхроматическом слиянии

Что такое панхроматическое слияние?

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.

Пример панхроматического слияния.

Методы панхроматического слияния

ArcGIS предлагает пять способов объединения данных для создания изображения с повышенным разрешением: преобразование Бровея (Brovey), 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

Слияние с панхроматическим каналом Esri использует взвешенное усреднение и дополнительный канал ближней инфракрасной области (дополнительно) для создания слитых с панхроматическим 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

Веса для мультиспектральных каналов зависят от наложения кривых спектральной чувствительности для мультиспектральных каналов с панхроматическим каналом. Веса являются относительными, и могут быть нормализованы 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.

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, а 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.

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

Литература

Подробное описание этой методики приводится в следующем патенте:

Laben, Craig A., and Bernard V. Brower. Process for Enhancing the Spatial Resolution of Multispectral Imagery using Pan-Sharpening. Патент США 6,011,875, подан 29 апреля, 1998 и издан 4 января, 2000.

IHS

Метод панхроматического слияния IHS конвертирует мультиспектральное изображение из RGB в значения яркости, оттенка и насыщенности. Канал с интенсивностью низкого разрешения заменяется панхроматическим каналом высокого разрешения. Если мультиспектральное изображение содержит инфракрасный канал, он вычитается с использованием весового коэффициента. Новое значение интенсивности вычисляется по формуле:

Intensity = P - I * IW

Затем изображение обратно трансформируется из IHS в RGB с более высоким разрешением.

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.