Паншарпенинг в QGIS с использованием Orfeo ToolBox

Эта страница опубликована в основном списке статей сайта
по адресу http://gis-lab.info/qa/qgis-pansharp-otb.html

В данной статье рассказывается о том как произвести паншарпенинг в QGIS посредством инструментария Orfeo ToolBox. [via Misanthrope's Thoughts]

Введение[править]

При работе с данными дистанционного зондирования Земли зачастую приходится решать задачу улучшения снимков с низким разрешением за счёт снимков с высоким. В QGIS нет встроенного инструмента паншарпенинга, но есть возможность подключения инструментов Orfeo ToolBox (OTB), где они есть.

Немного теории[править]

На удивление сложно найти определение для слова "паншарпенинг". Попробуем сформулировать его своими словами, взяв за основу описание из книги Шовергердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений - М.: Техносфера, 2010. (с. 416):

Паншарпенинг (от анг. Panchromatic sharpening) - это процесс объединения изображений в пространственной области основная задача которого заключается в передаче высокочастотного содержания изображения с высоким разрешением (обычно панхроматического) изображению с низким разрешением (обычно мультиспектральному).

Одним из наиболее простых алгоритмов паншарпенинга является модуляция высоких частот. В этом алгоритме для получения улучшенного изображения в канале PXS панхроматический снимок PAN попиксельно умножается на изображение с низким разрешением XS, после чего полученный результат нормируется на низкочастотную компоненту панхроматического снимка PAN_smooth (панхроматический снимок, обработанный сглаживающим фильтром с окном, соответствующим размеру пикселя изображения с низким разрешением):

где i и j - индексы пикселей.

Паншарпенинг в OTB и QGIS[править]

С программной точки зрения процесс паншарпенинга делится на две стадии: 1) подготовительную, во время которой разрешение и экстент мультиспектрального растра приводится в соответствие с экстентом и разрешением панхроматического растра (это необходимо для проведения операций растровой алгебры, вовлекающих оба растра); 2) непосредственно паншарпенинг.

Использование утилиты OTB[править]

OTB по своей сути является набором консольных утилит и приложений. За паншарпенинг отвечает приложение otbcli_BundleToPerfectSensor. Оно совмещает в себе обе стадии, описанные выше, и запускается следующей консольной командой:

 otbcli_BundleToPerfectSensor -inp pan_image -inxs xs_image -out output_image

где pan_image, xs_image и output_image соответсвенно - пути к панхроматическому, мультиспектральному и результирующему растрам. О дополнительных опциях читайте в документации.

Запуск паншарпенинга из QGIS[править]

В QGIS инструменты OTB подключаются через модуль Processing. После установки OTB на компьютер зайдите в QGIS в настройки модуля Processing (Processing -> Options -> Providers) и активируйте интеграцию с OTB (инструкция на английском):

Теперь в Processing Toolbox у вас появится набор инструментов Orfeo Toolbox. К сожалению, в инструментарий входят только консольные утилиты, но не приложения (то есть модуль otbcli_BundleToPerfectSensor не доступен из QGIS). Поэтому не спешите сразу запускать утилиты паншарпенинга (Orfeo Toolbox -> Geomentry -> Pansharpening), так как здесь требуется, чтобы все входные растры имели идентичный экстент и разрешение, то есть выполняется только вторая стадия. Чтобы выполнить первую - необходимо воспользоваться модулем Superimpose sensor (Orfeo Toolbox -> Geometry -> Superimpose sensor).

Модуль Superimpose sensor имеет следующие параметры:

Reference input - базовое изображение, к параметрам которого будет приведено обрабатываемое изображение (здесь выбираем панхроматическое).
The image to reproject - изображение, чьи параметры будут приведены к параметрам базового изображения (здесь выбираем мультиспектральное).
Default elevation - средняя высота изображения над эллипсоидом.
Spacing of the deformation field - интервал расстояния поля деформации (coarser deformation field).
Interpolation - тип интерполяции.
Available RAM - ограничение использования оперативной памяти. (Если изменение дефолтного значения приводит к вылету модуля - обновите Processing.)
Output image - результирующий растр.

Интерфейс модуля Superimpose sensor

После трансформации мультиспектрального растра можно переходить непосредственно к паншарпенингу. Модуль Pansharpening(rsc) имеет следующие параметры:

Input PAN image - панхроматическое изображение высокого разрешения.
Input XS image - мультиспектральное изображение, приведённое к параметрам панхроматического.
Algorithm - алгоритм для паншарпенинга (не изменяется, для использования других алгоритмов (LMVM и Bayesian) используйте соответсвующие модули Pansharpening(bayes) и Pansharpening(lvmv))
Available RAM - ограничение использования оперативной памяти. (Если изменение дефолтного значения приводит к вылету модуля - обновите Processing.)
Output image - результирующий растр.

Интерфейс модуля Pansharpening(rsc)

Давайте посмотрим на результат паншарпенинга при помощи указанных модулей.

Пахроматический растр с пространственным разрешением 0,5 м

Мультиспектральный растр с пространственным разрешением 2,0 м

Мультиспектральный растр после паншарпенинга при помощи OTB

Результат выглядит довольно неплохо, и что немаловажно, был получен очень бытро - OTB использует многопоточную обработку и задействует все ядра вашего процессора.

Создание модели[править]

Согласитесь, гораздо удобнее было бы обойтись без промежуточных операций и растров. Этого можно добиться путём создания соответствующей модели для Processing Toolbox. В качестве входных параметров модели следует использовать панхроматический и мультиспектральный растры. Последний сначала подготавливается при помощи Superimpose sensor, а затем обрабатывается при помощи Pansharpening(rsc).

Модель паншарпенига

Интерфейс модели будет выглядеть следующим образом:

High resolution panchrome raster - панхроматическое изображение высокого разрешения.
Low resolution raster - мультиспектральное изображение низкого разрешения.
pansharpened OTB - результирующий растр.

Интерфейс модели паншарпенига

Файл модели[править]

Вы можете скачать модель в виде текстового файла отсюда. Архив необходимо распаковать в папку ".../.qgis2/processing/models/". После этого она появится у вас в списке моделей Processing toolbox (необходим рестарт QGIS).

Заключение[править]

В данной статье был рассмотрен процесс паншарпенинга изображений при помощи инструментов OTB, запускаемых при помощи модуля Processing в QGIS. OTB позволяет получить качественный и быстрый (благодаря многопоточной обработке) результат. Для паншарпенинга в QGIS удобнее всего создать соответствующую модель при помощи Model Builder, чтобы избежать проволочек, связанных с промежуточными файлами.