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パンシャープンの基礎

パンシャープンとは

パンシャープンは、高解像度パンクロマティック画像 (またはラスター バンド) を低解像度マルチバンド ラスター データセットと融合させます。 その結果、2 つのラスター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 ラスターの解像度を持つマルチバンド ラスター データセットが生成されます。

パンシャープンは、ラスター関数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ーから提供されています。 このプロセスは、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。

パンシャープンの例

パンシャープンの例

パンシャープン方法

パンシャープン画像を作成するために、Brovey 変換、Esri パンシャープン変換、Gram-Schmidt スペクトル シャープン方法、IHS 変換、Simple Mean 変換の 5 つの画像融合方法があります。 これらの方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、これらの方法は 4 つ目のバンド (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、出力色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。 この変換方法では、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画像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、次に示すように、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。

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

ただし、ウェイトと近赤外バンド (使用できる場合) を使用することで、各バンドに対して調整された式は以下のとおりになります。

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

入力は次のとおりです。

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

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、次に示すように、出力値の計算に使用する調整値 (ADJ) を作成するために使用されます。

\(ADJ \space = \space pan \space image \space - \space WA\)
\(\\Red_out \space = \space R \space + \space ADJ\)
\(\\Green_out \space = \space G \space + \space ADJ\)
\(\\Blue_out \space = \space B \space + \space ADJ\)
\(\\Near_Infrared_out \space = \space I \space + \space ADJ\)

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ことで、緑の出力をより鮮やかにしたり、暗くしたりできます。

Gram-Schmidt

Gram-Schmidt パンシャープン方法は、ベクター直交化すなわち 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、直交していないベクター (3D 空間の 3 つのベクターなど) 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 つの高次元ベクターと一致します (次元数 = ピクセル数)。

Gram-Schmidt パンシャープン方法の最初の手順は、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 つの多次元ベクターとして扱います。 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、最初のベクターとして使用され、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。

一般的なセンサーの推奨ウェイトを示します (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

参考情報

この方法の詳細については、次の特許で説明されています。

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

IHS

IHS パンシャープン方法は、マルチスペクトル画像を RGB から明度、色相、彩度に変換します。 低解像度の明度は、高解像度パンクロマティック画像に置き換えられます。 マルチスペクトル画像に赤外バンドが含まれる場合は、加重係数を使用して減算することによって、そのことを考慮に入れます。 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。

\(Intensity \space = \space P \space - \space I \space * \space IW\)

次に、画像を IHS からより高解像度の RGB に変換して戻します。

Simple Mean

Simple Mean 変換は、次に示すように、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。

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