Avaliação de Técnicas de Fusão Aplicadas à Imagem GeoEye

7/26/2019 Avaliao de Tcnicas de Fuso Aplicadas Imagem GeoEye

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Avaliao de tcnicas de fuso aplicadas imagem GeoEye

Andr Ferreira Borges

Mayt Maria Abreu Pires de Melo Silva

Sergio Donizete FariaMarcos Antnio Timb Elmiro

Universidade Federal de Minas GeraisInstituto de Geocincias

Av. Antnio Carlos, 6627. Belo Horizonte, MG [email protected], [email protected]

Abstract

The fusion can be defined by applying a set of methods and tools for merging data from different sources in

order to obtain higher quality information. This study aims to evaluate the fusion of images from GeoEye in two

softwares. The study area comprises part of the region of Alphaville, located on the city of Nova Lima, Brazil.

We applied four fusion methods: IHS, Brovey, Simple-mean and ESRI, in ArcGIS 10.0 and just IHS fusion

technique in SPRING 5.2.1. The four image fusion techniques are far superior when compared to multispectral

and panchromatic states image before processing takes place. The method IHS provides sharper contour of

targets besides presenting the colors in a way closer to reality, there is an improvement in visibility and

distinction of ground targets, resulting in images with spatial resolution of 0.50 m. In ArcGIS software, merge

operations provided images with less noise compared to image generated in SPRING in 8 bits, but no significant

difference in 11-bit. The product obtained by the fusion of ArcGIS showed better results compared to the fusionperformed in SPRING, which substantially decreases the time spent post-processing steps that will result in an

image with better visual quality fused noisy.

Keywords: remoto sensing, image processing, image fusion, sensoriamento remoto, processamento de imagens,fuso de imagens.

1. Introduo

Os sensores pticos carregados a bordo de satlites trouxeram a possibilidade de obtenode imagens das mais variadas regies do globo terrestre, possibilitando a aquisio de dadosespaciais a custos acessveis. Nesse contexto, tem sido cada vez maior a utilizao dos dadose tcnicas de sensoriamento remoto para monitoramento ambiental e planejamento municipal,

por fornecer dados sobre a cobertura vegetal da Terra, com diferentes resolues espectrais,

espaciais e temporais.Dentre os sistemas para aquisio de imagem de alta resoluo tem-se o satlite

GEOEYE-1, lanado em setembro de 2008, com um sensor ptico capaz de alcanar 41 cm deresoluo espacial no modo pancromtico e 1,6 metros no modo multiespectral. Permitetambm a realizao de visadas laterais e obteno de imagens estereoscpicas. Para usurioscivis, a resoluo espacial no modo pancromtico degradada para 50 cm (GEOEYE, 2011).

Na Tabela 1 so apresentadas as principais caractersticas do GEOEYE-1.

As imagens pancromticas possuem melhor resoluo espacial quando comparadas simagens multiespectrais, sendo que essas ltimas possuem melhor resoluo espectral. Asimagens pancromticas podem ser combinadas com imagens multiespectrais fazendo a fuso

dessas imagens. A fuso consiste na obteno de uma nova imagem, com melhor resoluoespacial do que a imagem multiespectral original e mantendo a qualidade espectral,combinando as diferentes caractersticas espectrais e espaciais das imagens (WALD, 1999;

Anais XVI Simpsio Brasileiro de Sensoriamento Remoto - SBSR, Foz do Iguau, PR, Brasil, 13 a 18 de abril de 2013, INPE

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SCHNEIDER et al., 2003; KALPOMA; KUDOH, 2007). A nova imagem pode ser utilizadaem anlise da cobertura vegetal e mapeamentos de uso do solo.

Tabela 1Caractersticas do GEOEYE-1.Resoluo Espacial 0.41m (Pancromtico) e 1.64m (Multispectral)

Resoluo Espectral (PAN) 450-900 nm

Resoluo Espectral(Multispectral)

Azul: 450-520 nmVerde: 520-600 nm

Vermelho: 625-695 nmInfra Vermelho: 760-900 nm

Faixa Imageada 15,2 kmInclinao Visada Lateral at 60 GrausResoluo Radiomtrica 11 bitsVida til > 10 anosCapacidade de Revisita 3 dias ou menosAltitude 684 km

Hora de Passagem 10:30 A.M. GMTFonte:GEOEYE, 2011.

Existem diversos mtodos para a fuso de imagem e dentre eles tem-se os mtodos:PANSHARPENING, IHS, Componentes Principais, Transformao de Brovey,Transformao de Walvelet, entre outros (POHL, 1999; SCHNEIDER et al., 2003;MAGALHES et al., 2011). O emprego desses mtodos depende da natureza dos dadosoriginais e da finalidade da aplicao do produto.

2. Objetivo

Este trabalho tem como objetivo gerar a fuso de imagens do satlite GeoEye, em doissoftwares de processamento digital de imagens, com os mtodos disponveis. Para isso executada a fuso das cenas das bandas multiespectrais (Blue, Red e Green resoluo 2 m)com a banda pancromtica (resoluo 0,50 m).

3. Material e mtodos

A rea de estudo compreende a regio do condomnio Alphaville, situado no Municpiode Nova Lima, MG, conforme apresentado no mapa de localizao da Figura 1.

Figura 1. Mapa de localizao da rea de estudo.

Para a realizao deste trabalho so utilizados os seguintes materiais: cenas do sensor GEOEYE-1 (pancromtica e multiespectral) rastreadas em 2 de

outubro de 2011; softwareSPRING 5.2.1; software ArcGIS 10.0.


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Na Figura 2 apresentada a composio colorida da imagem GeoEye da rea de estudo,com 2 metros de resoluo.

Figura 2. Imagem GeoEye: composio colorida R3G2B1.

3.1 Mtodos de fuso

Os mtodos de fuso aplicados so: IHS, Brovey, ESRI e Simple-mean, utilizando osoftwareArcGIS 10.0; e IHS e Componentes Principais no SPRING 5.2.1.

O mtodo IHS consiste em projetar a informao de cores representadas no espaovermelho, verde e azul (RGB) para outro conjunto de eixos de medio de cores. O sistemaIHS possui a vantagem de apresentar as cores de uma forma mais aproximada quela utilizada

pelo sistema da viso humana, os tons so descritos em termos de Intensidade (I), Matiz (H) eSaturao (S). A componente intensidade a medida do brilho de uma determinada cor, amatiz o comprimento de onda dominante da cor observada e a saturao o grau de purezada cor (MATHER, 1991; SANTOS et al., 2010). Aps a gerao das componentes IHS, nosdois softwares, foi realizada a transformao inversa, utilizando a banda pancromtica nolugar da componente I, gerando assim uma composio colorida com resoluo de 0,50metros.


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A transformao Brovey consiste numa combinao aritmtica entre uma imagemmultiespectral de baixa resoluo espacial representada no espao RGB e uma imagem

pancromtica de alta resoluo. cada banda da imagem multiespectral multiplicada pelarazo da imagem pancromtica dividida pela soma das bandas da imagem multiespectral

(VRABEL, 1996; SCHNEIDER; 2003; PINHO, 2005; ESRI, 2012).A fuso pela transformao Simple-mean consiste na aplicao de uma equao de mdia

aritmtica simples para cada combinao de bandas de sada, utilizando o valor mdio entre overmelho, verde e azul dos valores de cada pixel da imagem pancromtica (ESRI, 2012).

A transformao ESRI aplica uma mdia ponderada, cujo resultado cria um valor deajuste, e a banda adicional do infravermelho-prximo, opcionalmente, para calcular os valoresde sada (ESRI, 2012).

Na transformao por Componentes Principais a principal tarefa analisar as correlaesentre as imagens brutas e produzir um novo conjunto de imagens com menor correlao entresi. O mtodo da fuso de imagens por componente principal baseia-se na substituio da

primeira componente pela imagem de resoluo maior, a qual pode ser contrastada de forma ater mdia e varincia prximas s da primeira componente (CROSTA, 1992; NAPOLEO etal., 2001).

Nesse mtodo, a banda do Azul foi substituda pela banda de alta resoluo espacial, ouseja, pela banda pancromtica. Como a resoluo destas diferente, foi realizado umareamostragem das bandas RGB, sendo assim realizado uma subdiviso dos pixels de 2 metros

para 0,50 metros, atravs da tcnicas do vizinho mais prximo.

Em todos os mtodos de fuso aplicados, optou-se por utilizar as bandas correspondentes

ao espectro visvel (bandas 1, 2 e 3) para realizar a fuso com a pancromtica e obter aresoluo geomtrica de 0,50 metros.

As imagens obtidas pela aplicao dos mtodos de fuso nos softwares ArcGIS eSPRING foram avaliadas qualitativamente quanto qualidade visual. De maneira geral, aavaliao visual o primeiro mtodo utilizado, permitindo ao observador avaliar o resultadogeral da fuso no que se refere preservao das bordas e do espectro da imagem de altaresoluo em relao imagem de baixa resoluo. No entanto, esse processo de cartersubjetivo e depende do intrprete (LEONARDI et al., 2009).

4. Resultados e discusso

A fuso das bandas espectrais nosoftwareSPRING possvel aps prvia transformaoda imagem GeoEye de 11 bits para 8 ou 16 bits. No primeiro processamento foi realizada aconverso de 11 bits para 8 bits utilizando o mtodo de interpolao vizinho mais prximo. Oresultado da fuso IHS est representado na Figura 3(a).

Com a fuso IHS realizada entre a imagem pancromtica e a multiespectral, nota-se umamelhora na visibilidade e distino dos alvos terrestres, resultando em imagens com resoluoespacial de 0,50 m. Entretanto o resultado obtido no processamento com 8 bits evidenciou umrudo intenso na imagem, sendo necessrio um ps-processamento para eliminao desserudo e consequente melhoria da visualizao da imagem. O rudo apareceu

predominantemente nas reas de vegetao, provocando o aparecimento de pixels brancos. Aimagem foi descartada e realizou-se um novo processamento em 16 bits como representado

na figura 3(b).


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(a) 8 bits

(b) 16 bits

Figura 3. Imagem GeoEye resultante da fuso IHS no SPRING.

Os resultados obtidos atravs dos outros mtodos de fuso propostos esto apresentadosna Figura 4. Os resultados correspondem a fuso das bandas 1, 2 e 3 com a pancromtica daimagem GeoEye. Na Figura 4(a) apresentada a imagem multiespectral em composio falsa-

cor. Nas Figuras 4(b), 4(c), 4(d) e 4(e) so mostradas as imagens resultantes da fuso dasimagens pancromtica e multiespectral, pelos mtodos Brovey, Simple-mean, ESRI e IHS,respectivamente, no software ArcGIS. Na Figura 4(f) mostrada a imagem resultante dafuso no software SPRING pelo mtodo IHS. O resultado do mtodo das ComponentesPrincipais representado na Figura 4(g).

A anlise visual das imagens obtidas a partir da aplicao dos diferentes mtodos defuso aumenta a possibilidade de observao de diferentes alvos, quando se observou amesma rea sobre as diferentes formas de fuso. O mtodo IHS apresenta maior nitidez docontorno dos alvos alm de apresentar as cores de uma forma mais prxima da realidade. Noentanto, no possvel inferir que um mtodo seja melhor ou pior do que o outro, pois serianecessria a anlise conjunta de vrias caractersticas da imagem.


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(a) Original (b) Brovey (ArcGIS)

(c) Simple-mean(ArcGIS) (d) ESRI (ArcGIS)

(e) IHS (ArcGIS) (f) IHS (SPRING)

(g) Componentes Principais (SPRING)

Figura 4. Comparao entre a imagem multiespectral original e as imagens resultantes dafuso.

No software ArcGIS, as fuses realizadas proporcionaram imagens com menos rudocomparada imagem gerada no SPRING em 8 bits, mas no apresentou diferenasignificativa em 11 bits, como pode ser observado na Figura 5.


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(a) (b)Figura 5. Imagem resultante da fuso: (a) SPRING (16 bits); (b) ArcGIS (11 bits).

Numa avaliao visual dos resultados possvel afirmar, em termos geomtricos, que osprodutos da fuso obtidos no ArcGIS e no SPRING so satisfatrios A diferena noprocessamento est no fato do ArcGIS aceitar como entrada uma imagem com resoluoradiomtrica de 11 bits, ou seja, com 2048 nveis de cinza, que representa a resoluo originaldas cenas. Enquanto que no SPRING, a imagem ao ser convertida para 8 bits gerou umaimagem fusionada com rudos; com 16 bits, a imagem fusionada apresentou uma boaqualidade, sem rudos.

Os resultados obtidos demonstram a possibilidade de utilizao desses softwares paragerao de imagens fusionadas.

5. Concluso

Na fuso realizada entre a imagem pancromtica e a multiespectral notvel a melhorana visibilidade e distino dos alvos terrestres, resultando em quatro imagens com resoluoespacial de 0,50m.

Os mtodos de fuso produzem imagens que so superiores as imagens originaismultiespectral e pancromtica, antes de realizada a transformao. O mtodo IHS apresentamaior nitidez do contorno dos alvos, alm de apresentar as cores mais prximas da realidade.

O produto da fuso obtido atravs do ArcGIS apresentou melhor resultado comparado fuso realizada no SPRING com 8 bits, o que deve estar relacionado a saturao de nveis decinza ao realizar a transformao de 11 para 8 bits.


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