افزایش وضوح بصری یا پن شارپن کردن تصاویر (PanSharpening)

هدف از پن شارپن کردن تصاویر ( PanSharpening) در سنجش از دور دستیابی به بالاترین سطح وضوح بصری یا قدرت تفکیک مکانی و جزئیات یک تصویر است. این کار با ترکیب یک تصویر چند طیفی ( رنگی ) که دارای رزولوشن یا قدرت تفکیک مکانی پایین‌تر می‌باشد با یک تصویر پانکروماتیک با وضوح بالاتر انجام می‌شود. در نهایت پس از افزایش وضوح تصاویر می‌توان یک تصویررنگی با وضوح طیفی و مکانی عالی به دست آورد. بسیاری از سرویس دهنده ها و منابع دانلود تصویر ماهواره‌ای مانند گوگل ارث نیز از همین تکنیک برای افزایش وضوح تصاویر خود بهره می‌برند.

یکی از کاربردهای این تکنیک ارائه یک طبقه بندی دقیق‌تر می‌باشد که به عنوان ابزاری نوین در استخراج اطلاعات مکانی مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف از پن شارپن کردن تصاویر، افزایش کیفیت و محتوای اطلاعات موجود در هر یک از داده های اولیه است تا به این وسیله بتوان به استنتاج های ویژه‌ای دست یافت. تصاویر پن شارپن شده می‌تواند عملیات تفسیر را بهتر کرده و دقت کار را نیز افزایش دهد. اما نکته قابل توجه این است که در فرایند PanSharpening می‌بایست طیف و دامنه موج الکترومغناطیسی در یک رنج پهنای باند باشند.

نمای کلی پن شارپنینگ ( PanSharpening )

در اکثر موارد نوار پانکروماتیک (سیاه و سفید) تصاویری با قدرت تفکیک مکانی بالا و وضوح طیفی پایین‌تر هستند. این در حالی است که تصاویر چند طیفی (رنگی) تصاویری با رزولوشن پایین اما با وضوح طیفی بالا هستند. با ترکیب این دو تصویر، می‌توانید یک تصویر نهایی ایجاد کنید که هم قدرت تفکیک مکانی و هم وضوح طیفی بالایی داشته باشد و امکان نمایش دقیق‌تری از سطح زمین را فراهم کند.

فرآیند PanSharpening شامل اعمال یک الگوریتم ریاضی است تا سلول‌های تصویر پانکروماتیک بتوانند اطلاعات با وضوح طیفی بالا را در خود ذخیره کرده و محصول بهتری را ارائه دهند.

مزایا و معایب پن شارپن کردن ( PanSharpening )

در اینجا برخی از مزایا و معایب پن شارپن کردن به اختصار آورده شده است:
1- افزایش جزئیات: با ترکیب قدرت تفکیک مکانی بالای تصاویر پانکروماتیک و اطلاعات طیفی تصاویر چند طیفی، PanSharpening خروجی با وضوح طیفی و قدرت تفکیک مکانی بالا تولید می‌کند. این کار ترکیبی اجازه می‌دهد تا تجزیه و تحلیل دقیق‌تری نسبت به تصاویر اولیه ایجاد شود.
2- بهبود تجسم: با افزایش جزئیات تصویر، کاربران می‌توانند به‌راحتی اشیاء و ویژگی‌های داخل تصاویر را شناسایی کنند. این امر می‌تواند برای جایی که تشخیص تک تک اشیاء در تصویر مهم باشد، مانند تفسیر تصاویر ماهواره‌ای ویا حتی تفسیر عکسهای هوایی، مفید باشد.
3- طبقه بندی آسان‌تر: جزئیات بیشتر و اطلاعات رنگی تصاویر تلفیق‌شده، امکان شناسایی دقیق‌تر اشیاء و ویژگی‌های درون تصویر را فراهم می‌کند و تخصیص آنها به کلاس‌های خاص را آسان‌تر می‌کند.
4- مقادیر طیفی ناسازگار: یکی از معایب PanSharpening این است که حفظ یکپارچگی طیفی داده ها در آن دشوار است. به عنوان مثال، معمولاً انجام آنالیز NDVI بر روی یک تصویر پن شارپن شده پس از پردازش توصیه نمی‌شود.

تصویرسازی برای پن شارپن کردن

اگر می‌خواهید از تکنیک پن شارپن استفاده کنید، باید بدانید کدام تصویر ماهواره‌ای حاوی نوار پانکروماتیک است. در اینجا چند نمونه از داده‌های سنجش از راه دور با باند پانکروماتیک آورده شده است:
Landsat8 :
این ماهواره محصول همکاری بین ناسا و سازمان زمین شناسی ایالات متحده (USGS) است. لندست ۸ اخذ مستمر داده و در دسترس بودن داده‌های لندست را با استفاده از دو حسگر اصلی، یکی سنسور تصویربرداری زمین عملیاتی(OLI) و دیگری سنسور حرارتی مادون قرمز (TIRS) انجام می‌دهد. این دو سنسور به ترتیب، اطلاعات تصویر برای 9 باند موج کوتاه و 2 باند طول موج حرارتی را جمع‌آوری می‌کنند.
Landsat طولانی ‌ترین آرشیو تصاویر ماهواره‌ای را از زمین دارد. داده‌های آن 100٪ رایگان بوده و در USGS Earth Explorer موجود است. برای Landsat-8، نوار پانکروماتیک 8 با قدرت تفکیک مکانی 15 متر می‌باشد. لندست به طور مداوم تعداد باندهای طیفی و رزولوشن تصاویر را در طول سال‌ها افزایش داده و روز به روز تصاویر باکیفیت‌تری را ارائه می‌کند.
Worldview-2 :
این ماهواره شامل 9 باند طیفی است. باندهای ساحلی، آبی، سبز، زرد، قرمز، لبه قرمز و NIR دارای وضوح 1.58 متر هستند. این سنجنده فعال در مدار ۷۷۰ کیلومتری، تصاویری با قدرت تفکیک مکانی ۴۶ سانتی‌متر در باند پانکروماتیک و 1.45 سانتی‌متر در باندهای طیفی ارائه می‌کند. قدرت تفکیک طیفی جدید به این سنجنده قابلیت‌های بی‌نظیری در زمینه‌ پروژه‌های تهیه و بررسی پوشش زمین مانند کیفیت سطوح جاده‌ای، بررسی وضعیت سلامت پوشش گیاهی و عمق سنجی در محدوده‌های آبهای کم عمق و عمق اقیانوسها را ایجاد کرده است.
SPOT-7 :
ماهواره اسپات (SPOT) یکی ازجالبترین ماهواره‌های جهان با قدرت تفکیک بسیار بالا می‌باشد و بیشتر به منظور کاوش در سطوح مختلف منابع زمین، تشخیص و پیش‌بینی پدیده‌های اقلیم‌شناسی، پایش فعالیت‌های انسانی و پدیده‌های طبیعی در نظر گرفته شده است. اگرچه SPOT-7 فقط شامل 5 باند طیفی است، یکی از آنها نوار پانکروماتیک با قدرت تفکیک مکانی 1.5 متر است. 4 باند دیگر نیز شامل آبی، سبز، قرمز و نزدیک به مادون قرمز در اندازه پیکسل 6 متر هستند.

نرم افزار مناسب برای انجام پن شارپنینگ

تکنیک‌های پن شارپنینگ می‌تواند، به‌دلیل ماهیت باند پانکروماتیک، منجر به اعوجاج طیفی در هنگام شارپ کردن تصاویر ماهواره‌ای شود. برای مثال نوار پانکروماتیک Landsat به نور آبی حساس نیست. در نتیجه ممکن است ویژگی‌های طیفی تصویر رنگی تلفیق شده دقیقاً با تصویر RGB با وضوح پایین مطابقت نداشته و در نتیجه تن رنگ‌ها تغییر کند. این امر منجر به توسعه الگوریتم‌های بسیاری شده است که سعی در کاهش این اعوجاج طیفی و تولید تصاویر بصری دلپذیر دارند. روش‌ها و نرم‌افزارهای مختلفی برای پن شارپن کردن وجود دارد. برخی از نرم افزارهای طراحی شده برای PanSharpening عبارتند از :
PanFusion :
این نرم‌افزار رایگان بصورت پرتابل بوده و نیازی به نصب ندارد و صرفاً جهت تلفیق تصاویر و پن شارپ کردن آن‌ها توسعه داده شده است. شما می‌توانید یکی از 18 روش پیشنهادی این نرم‌افزار را استفاده کرده و نتیجه کار را در همان نرم‌افزار مشاهده نمائید.
ArcGIS Pro :
هنگامی که تصاویر مناسب داشته باشید، می‌توانید آن را به پروژه ArcGIS Pro خود اضافه کرده و سپس از ابزار PanSharpening Window’s Image Analysis برای ترکیب آنها استفاده کنید. ابزار PanSharpening در ArcGIS Pro به شما امکان می‌دهد نوع الگوریتمی را که می‌خواهید برای ترکیب تصاویر استفاده کنید، مانند Brovey، Simple Mean یا IHS ، را نیز انتخاب کنید.
QGIS 3 :
اگر از QGIS 3 استفاده می‌کنید، PanSharpening درToolbox پیش‌فرض موجود است. می‌توانید از ابزار PanSharpening در جعبه‌ابزار GRASS استفاده کنید، که گزینه‌ای برای Brovey، IHS و PCA در اختیار شما قرار می‌دهد. یا اینکه می‌توانید از ابزار PanSharpening در جعبه‌ابزار GDAL استفاده کنید.
ERDAS Imagine :
ERDAS Imagine یک نرم افزار قدرتمند سنجش از دور و تجزیه و تحلیل تصویر است که توسط شرکت Hexagon Geospatial توسعه یافته است. PanSharpening بخشی از مجموعه اصلی ابزارهای رستری ERDAS Imagine است. اگر می‌خواهید PanSharpening را انجام دهید، ابزار PanSharpening را درقسمت Raster پیدا کنید.

کاربردهای پن شارپنینگ در تحقیق و صنعت

پن شارپنینگ معمولاً در تحقیقات سنجش از دور و کاربردهای تجاری که در آن تصاویر با وضوح بالا ضروری است، استفاده می شود. از آنجایی که وضوح بالا است، معمولاً می‌توان آن را در برنامه‌های نقشه‌ای تحت وب مانند Google Earth یا Apple Maps پیدا کرد.
علوم زیست محیطی: تصاویر PanSharpened در علوم محیطی، می‌تواند به نظارت بر تغییرات پوشش زمین، ارزیابی منابع آب و شناسایی انواع پوشش گیاهی کمک کند.
برنامه ریزی شهری: تصاویر PanSharpened در برنامه‌ریزی شهری، برای مکان یابی ساختمان ها، جاده ها و سایر زیرساخت ها و همچنین برای ترسیم مراکز جمعیتی و روندهای توسعه استفاده می شود.
کشاورزی: با استفاده از تصاویر PanSharpened در کشاورزی، می توانند رشد و سلامت محصول و سایر نیازهای کشاورزی را کنترل کنند.
نظامی و شناسایی: تصاویر PanSharpened همچنین در ارتش برای شناسایی و نظارت و همچنین برای نقشه برداری از زمین و شناسایی هدف استفاده می‌شود.
تجاری: در نهایت، تصاویر PanSharpened در زمینه تجزیه و تحلیل جغرافیایی استفاده می شود. شرکت‌ها از این نوع تصاویر برای درک بهتر مشتریان خود، شناسایی فرصت‌های جدید بازار و کسب بینش عمیق تر در مورد عملیات تجاری خود استفاده می‌کنند.