Основы панхроматического слияния

Что такое панхроматическое слияние?

Панхроматическое слияние использует панхроматическое изображение (или канал растра) высокого разрешения для слияния с многоканальным набором растровых данных низкого разрешения. В результате получается многоканальный набор растровых данных с разрешением панхроматического растра в областях их полного перекрытия.

Панхроматическое слияние является радиометрической трансформацией, доступной через растровую функцию или из инструмента геообработки. Ряд компаний-поставщиков поставляют многоканальные растры с низким разрешением вместе с панхроматическими изображениями с высоким разрешением одной и той же сцены. Этот процесс используется для увеличения пространственного разрешения и улучшения визуализации многоканального изображения с помощью одноканального изображения высокого разрешения.

Методы панхроматического слияния

Имеется пять способов объединения данных для создания изображения с панхроматическим слиянием: преобразование Бровея, преобразование слияния с панхроматическим каналом Esri, метод повышения спектральной резкости Грама-Шмидта, преобразование по модели Интенсивность, Тон, Насыщенность (IHS) и преобразование по среднему арифметическому. Каждый из этих методов использует собственную модель улучшения пространственного разрешения при сохранении цвета, и каждый из них позволяет использовать взвешивание для включения четвертого канала данных (например, канал ближней инфракрасной области, доступный в большом количестве источников мультиспектральных изображений). При добавлении взвешивания и включении инфракрасного компонента, визуальное качество выходных цветов улучшается.

Brovey

Преобразование Brovey, 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 пересчитанного пиксела мультиспектрального изображения умножается на отношение значения яркости соответствующего пиксела панхроматического изображения к сумме всех мультиспектральных интенсивностей. При этом, предполагается, что спектральный диапазон панхроматического изображения соответствует мультиспектральным каналам.

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

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

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

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

, где:

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

Esri

Преобразование Слияние с панхроматическим каналом Esri использует взвешенное усреднение и дополнительный ближний инфракрасный канал (дополнительно) для создания слитых с панхроматическим выходных каналов. Результат взвешенного усреднения используется для вычисления значения уравнивания (ADJ), которое необходимо для получения выходных значений, например.

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

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 совсем не перекрывается с панхроматическим каналом, должен получить вес 0. Изменением взвешенного значения 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 использует 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 (число измерений равняется числу пикселов).

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.

Для часто используемых предлагаются следующие веса (красный, зеленый, синий и инфракрасный, соответственно):

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

Справочная информация

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:

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

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.

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