DIN 18740-7-2014 Photogrammetric products - Part 7 Requirements for pansharpening《摄影测量产品 第7部分 PanSharpening要求》.pdf

1、Dezember 2014DEUTSCHE NORM DIN-Normenausschuss Bauwesen (NABau)Preisgruppe 11DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 07.040; 37.040.01; 91.020!%:“2239396www.din.deD

2、DIN 18740-7Photogrammetrische Produkte Teil 7: Anforderungen an das PansharpeningPhotogrammetric products Part 7: Requirements for pansharpeningProduits photogrammtriques Partie 7: Exigences pour le pansharpeningAlleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang

3、20 SeitenDIN 18740-7:2014-12 2 Inhalt Seite Vorwort 3 Einleitung .4 1 Anwendungsbereich .5 2 Normative Verweisungen 5 3 Begriffe .5 4 Anforderungen an die Eingangsdaten 6 4.1 Koregistrierung 6 4.2 Spektrale Anforderungen 7 5 Anforderungen an das Pansharpening .7 5.1 Allgemeines 7 5.2 Anforderungen a

4、n die Sensoren 7 5.3 Verfahren 7 5.4 Rumliche Bildgte .8 5.5 Spektrale Bildgte .8 Anhang A (normativ) Spezifikation fr das Pansharpening optischer Bilddaten 9 Anhang B (informativ) Beispiel fr die Spezifikation fr das Pansharpening optischer Bilddaten. 11 Anhang C (informativ) Beispiele zur Bewertun

5、g von Datenstzen digitaler Luftbildkameras . 13 C.1 Allgemeines . 13 C.2 Beispiel 1: Datensatz eines bebauten Bereichs mit unterschiedlichen Gebudestrukturen . 14 C.3 Beispiel 2: Datensatz im Bereich mit einem Sportplatz und grere zusammenhngende Bildbereiche unterschiedlicher Objektklassen 17 Liter

6、aturhinweise . 20 DIN 18740-7:2014-12 3 Vorwort Dieses Dokument wurde vom DIN-Normenausschuss Bauwesen (NABau), Fachbereich 03 Vermessungs-wesen, Geoinformation“, Arbeitsausschuss NA 005-03-02 AA Photogrammetrie und Fernerkundung“ erarbeitet. Es wird auf die Mglichkeit hingewiesen, dass einige Eleme

7、nte dieses Dokuments Patentrechte berhren knnen. Das DIN und/oder die DKE sind nicht dafr verantwortlich, einige oder alle diesbezglichen Patentrechte zu identifizieren. Die Normenreihe DIN 18740 Photogrammetrische Produkte besteht aus Teil 3: Anforderungen an das Orthobild Teil 4: Anforderungen an

8、digitale Luftbildkameras und digitale Luftbilder Teil 5: Anforderungen an die Klassifizierung optischer Fernerkundungsdaten Teil 6: Anforderungen an digitale Hhenmodelle Teil 7: Anforderungen an das Pansharpening DIN 18740-7:2014-12 4 Einleitung Zur vielseitigeren Verwendbarkeit von Sensoren und zur

9、 Verbesserung der Auswertung ist es zweckmig, spektrale Daten eines Sensors oder unterschiedlicher Sensoren miteinander zu fusionieren. Damit wird eine verbesserte geometrische und spektrale Datengrundlage fr eine digitale Weiterverarbeitung erhalten. Prinzipiell ist die Fusion von Daten verschieden

10、er Fernerkundungssensoren (z. B. Radardaten, thermale Daten) mglich. Diese Norm bezieht sich auf die Fusion optischer Fernerkundungsdaten zum Zwecke des Pansharpenings. Daneben gibt es in der Photogrammetrie und Fernerkundung eine Vielzahl von zustzlichen Anwendungen, die Fusionstechnologien verwend

11、en. Darber hinaus werden Fusionstechnologien bei der Auswertung von GNSS und IMU-Daten zur Orientierung und Georeferenzierung von Bildern und bei der Integration von verteilten Sensoren in Sensornetzwerken und Sensorschwrmen eingesetzt. Fr die Fusion von Bild- und Hhendaten wird auf DIN 18740-3 verw

12、iesen. DIN 18740-7:2014-12 5 1 Anwendungsbereich Diese Norm gilt fr Bilddaten optischer Sensoren und legt Anforderungen an die Eingangsdaten und an Verfahren zum Pansharpening (Fusion auf Daten-/Signalebene) fest. Die fusionierten Bilddaten bilden die Grundlage fr Anwendungen in Photogrammetrie, Fer

13、nerkundung und Kartographie. 2 Normative Verweisungen Nicht anwendbar. 3 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe: 3.1 Fusion (en: fusion; fr: fusion f.) Prozedur, in der Daten unterschiedlicher Herkunft zusammengefhrt werden, mit dem Ziel, anwendungs-spezifisch quali

14、tativ verbesserte Informationen zu generieren BEISPIEL Daten unterschiedlicher Herkunft sind z. B.: Multisensor-Daten oder Hhen- und Texturdaten. 3.2 Pansharpening (en: pansharpening; fr: pansharpening m.) Verbesserung der rumlichen Auflsung von multispektralen Bilddaten durch Kombination von niedri

15、g aufgelsten multispektralen Bilddaten und hher aufgelsten panchromatischen Bilddaten 3.3 CIELAB-Farbraum (en: CIELAB colour space; fr: espace colorimtrique CIELAB m.) Umrechnung der CIE-Normfarbwerte in einen annhernd gleichfrmigen, dreidimensionalen Gegen-farbenraum QUELLE: DIN EN ISO 105-A08:2003

16、-01, 2.2 Anmerkung 1 zum Begriff: Im Farbraum ist der Farbabstand unabhngig von der Farbe und wird fr die Bewertung der Gte von Bildern nach dem Pansharpening verwendet. 3.4 Punktbildverschmierungsfunktion PSF (en: point spread function; fr: fonction dtalement des points f.) Reaktion eines (optische

17、n) abbildenden Systems auf ein punktfrmiges Objekt QUELLE: DIN 18716:2012-08, 5.3.1 3.5 Bodenauflsung GSD (en: ground sample distance; fr: rsolution au sol f.) Abstand der Mittelpunkte der von einem Sensorelement erfassten Oberflchenelemente bezogen auf eine mittlere Gelndehhe und eine mittlere Flug

18、hhe bzw. Bahnhhe QUELLE: DIN 18716:2012-08, 5.4.1 3.6 Koregistrierung (en: co-registration; fr: co-enregistrement m.) Herstellung einer rumlich eindeutigen Zuordnung zwischen den Bildkoordinaten abgebildeter Objekte in unterschiedlichen Datenstzen DIN 18740-7:2014-12 6 QUELLE: DIN 18716:2012-08, 6.2

19、.7 3.7 Signal-Rausch-Verhltnis SNR (en: signal to noise ratio; fr: rapport signal bruit m.) Verhltnis aus Signal und Rauschen QUELLE: DIN 18716:2012-08, 5.3.7 3.8 spektraler Winkel (en: spectral angle; fr: angle spectral m.) Differenz der n-dimensionalen Farbvektoren vor und nach Pansharpening 3.9 i

20、nertiales Messsystem IMU (en: inertial measurement unit; fr: systme de mesures inertiales m.) Messsystem zur Erfassung von Beschleunigungen und Winkelbeschleunigungen zur Bestimmung von rumlichen Bewegungen und somit Positionen und Ausrichtung 3.10 Globales Navigationssatellitensystem GNSS (en: glob

21、al navigation satellite system; fr: systme de positionnement et de datation par satellites m.) Satellitennavigationsystem, das fr eine weltweite Positionierung, Navigation und Zeitbestimmung (PNT) genutzt werden kann QUELLE: DIN 18709-3:2012-10, 8.2 4 Anforderungen an die Eingangsdaten 4.1 Koregistr

22、ierung Bei der Fusion von Bilddaten ist die exakte Koregistrierung der genutzten Bilddaten von entscheidender Bedeutung. Die eindeutige geometrische Zuordnung des Bildinhaltes in den verwendeten Datenstzen muss daher sichergestellt sein. Die Genauigkeit der Koregistrierung rzwischen den multispektra

23、len und panchromatischen Bildern fr das Pansharpening muss bezogen auf die geringer aufgelsten multispektralen Bilddaten folgender Relation gengen: 21r(1) Dabei ist rGenauigkeit der Koregistrierung (Pixel); Verhltnis der Bodenauflsung (GSD) zwischen dem niedrig- und hochaufgelsten Kanal. BEISPIEL Be

24、i rumlich niedrig auflsenden Multispektralkanlen von 100 cm (GSD) und einem hochauflsenden panchromatischen Kanal von 20 cm (GSD) ergibt sich ein Verhltnis = 5 und somit eine Mindestgenauigkeit der Koregistrierung rvon 1/10 Pixel bezogen auf 100 cm (GSD). ANMERKUNG Bei Fernerkundungssystemen wird hu

25、fig ein Verhltnis von 1:4 (GSD von panchromatischem zu multispektralem Kanal) nicht unterschritten. DIN 18740-7:2014-12 7 4.2 Spektrale Anforderungen Fr radiometrische Auswertungen sollte der panchromatische Kanal den Wellenlngenbereich aller verwendeten multispektralen Kanle umfassen. 5 Anforderung

26、en an das Pansharpening 5.1 Allgemeines Auf der Grundlage mehrerer multi- oder hyperspektraler Bildkanle meist einheitlich rumlich niedriger Auflsung und eines rumlich hher auflsenden panchromatischen Bildkanals werden hoch aufgelste multi- oder hyperspektrale Bilddaten berechnet. Hierbei sind neben

27、 der unterschiedlichen rumlichen Auflsung auch Unterschiede in der spektralen Auflsung zu beachten. Die Gte des resultierenden Datensatzes wird durch das Grenverhltnis der eingehenden multi- oder hyperspektralen Pixel und des panchromatischen Pixels, die Gte der Koregistrierung (geometrische Kalibri

28、erung) sowie der radiometrischen Kalibrierung der einzelnen Bildkanle und des darauf basierenden Pansharpening bestimmt. Die Qualitt der abgeleiteten Daten bestimmt sich aus dem konsistenten Erhalt der rumlichen, spektral-radiometrischen und ggf. farbmetrischen Charakteristik der Eingangsdaten. 5.2

29、Anforderungen an die Sensoren Die spektrale Charakteristik der multispektralen Kanle und des panchromatischen Kanals muss kalibriert sein. Der Hersteller muss die Umrechnung der gemessenen Grauwerte in Strahldichten und das SNR fr spezifische Umweltverhltnisse (Sonnenstand, Albedo, Standardatmosphre

30、n) angeben. Die Bilddaten mssen Mindestanforderungen an die Datenqualitt hinsichtlich Koregistrierung nach 4.1 und des durch die Aufgabenstellung vorgegebenen SNR erfllen. 5.3 Verfahren Verfahren zum Pansharpening knnen entsprechend ihrer Vorgehensweise nach unterschiedlichen Kriterien gruppiert wer

31、den. Die Verfahrensgruppen umfassen unterschiedliche Vorverarbeitungsschritte. Daher ist anzugeben, welcher Verfahrensgruppe das genutzte Verfahren angehrt, welche Verarbeitungsschritte durchgefhrt und welche Parametereinstellungen genutzt werden. Im Allgemeinen werden die Verfahren nach ihrer mathe

32、matischen Vorgehensweise in mindestens vier Hauptgruppen eingeteilt: Arithmetische Verfahren, wie z. B. Brovey-Transformation; Substitutionsmethoden, wie z. B. Hauptkomponententransformation und IHS-Transformation; Filterverfahren im Ortsraum, wie z. B. Hochpassfilterung und Fusion; Frequenzbasierte

33、 Verfahren, wie z. B. waveletbasierte Verfahren. In Tabelle 1 sind Vorverarbeitungsschritte angegeben. Tabelle 1 Vorverarbeitungsschritte Vorverarbeitung arithmethische Verfahren Substitutions-verfahren Filterverfahren (Ortsraum) frequenzbasierte Verfahren Interpolation + + + Spektrale Anpassung + G

34、lttung o o Legende + im Allgemeinen erforderliche Vorverarbeitungsschritte o optionale Vorverarbeitungsschritte DIN 18740-7:2014-12 8 Eine Interpolation erfolgt zur Anpassung der geometrischen Auflsung der multispektralen Daten an die geometrische Auflsung der panchromatischen Daten. Eine spektrale

35、Anpassung kann zur Angleichung von spektralen Eigenschaften des genutzten panchromatischen Bildes an den zu ersetzenden Bildkanal im Rahmen von Substitutionsverfahren erfolgen. BEISPIEL Bei einem Verfahren basierend auf einer Hauptachsentransformation wird die erste Hauptkomponente durch die hher au

36、fgelsten panchromatischen Bilddaten ersetzt und anschlieend werden diese Daten zurcktransformiert. Erste Hauptkomponente und die panchromatischen Bilddaten werden sich im Allgemeinen jedoch in ihren spektralen Eigenschaften wie Mittelwert und Signalvarianz unterscheiden, so dass in diesem Fall durch

37、 eine lineare radiometrische Transformation die panchromatischen Bilddaten so transformiert werden knnen, dass ihr Mittelwert und Signalvarianz denen der ersten Hauptkomponente entsprechen. 5.4 Rumliche Bildgte Die bernahme der zustzlichen rumlichen Strukturinformationen des hher aufgelsten panchrom

38、atischen Bildes in den multispektralen Bilddatensatz ist nachzuweisen. Dies muss anhand folgender Vorgehensweisen erfolgen: visuelle Beurteilung: Untersuchung auf Artefakte (z. B. Farbsume), insbesondere in Kantenbereichen. Analyse der PSF im panchromatischen Bild und Vergleich mit dem pangeschrften

39、 multispektralen Bild (z. B. mit Hilfe eines Siemenssterns). Korrelation zwischen den Kantenbildern des panchromatischen Ausgangsbildes und des Endproduktes (nach dem Pansharpeningprozess). ANMERKUNG Zur Berechnung der Korrelation zwischen Kantenbildern knnen fr jeden einzelnen pangeschrften Bildkan

40、al oder fr ein gewichtetes Mittel der pangeschrften Bildkanle Kantenbilder (z. B. Sobelbetrag) berechnet und korreliert werden. Im Falle der Mittelung sollten die Gewichte der Einzelkanle so bestimmt werden, dass sie den Beitrgen der Spektralbereiche fr die panchromatischen Bilddaten angepasst sind.

41、 5.5 Spektrale Bildgte Die Erhaltung der spektralen Eigenschaften des niedriger aufgelsten multispektralen Ausgangsbildes in den hher aufgelsten multispektralen Bilddatensatz ist nachzuweisen. Dies muss anhand folgender Vorgehensweisen erfolgen: visuelle Beurteilung ber eine nderung der Farbverteilu

42、ng und Artefakte; Vergleich der Histogramme der Rot-, Grn- und Blauanteile der einzelnen Bilder; konkrete Grauwertanalysen an ausgewhlten Objektklassen (zum Beispiel Strae oder Wiese) sowie sehr hellen und sehr dunklen Flchen fr die differenzierte Beurteilung von eventuellen nderungen der spektralen

43、 Eigenschaften; Bestimmung der Bhattacharrya- und/oder Jeffrey-Matusita-Distanz fr homogene Bereiche zwischen den multispektralen und den pangeschrften multispektralen Bilddaten; Bestimmung des Farbabstands im CIELAB-Farbraum fr true color“ Bildprodukte; Bestimmung der nderung des spektralen Winkels

44、 fr hyperspektrale Bilddaten fr homogene Bereiche der hyperspektralen und pangeschrften hyperspektralen Daten. DIN 18740-7:2014-12 9 Anhang A (normativ) Spezifikation fr das Pansharpening optischer Bilddaten Dem Anwender dieses Formblattes ist unbeschadet der Rechte des DIN an der Gesamtheit des Dok

45、uments die Vervielfltigung gestattet. Formblatt nach DIN 18740-7 fr die Anforderungen an pangeschrfte optische Bilddaten 1)Projekt: 1 Beschreibung der multispektralen Eingangsbilddaten Bezeichnung Wellenlngenbereich GSD siehe Liste auf besonderem Blatt 2 Beschreibung der panchromatischen Eingangsbil

46、ddaten Wellenlngenbereich GSD 3 Angaben zum Panschrfungsverfahren Verfahrensgruppe arithmetische Verfahren Substitutionsverfahren Filterverfahren (Ortsraum) frequenzbasierte Verfahren Verfahrensname Vorverarbeitung Interpolation Glttung spektrale Anpassung 1) Dieses Formblatt steht auerdem auf der I

47、nternetseite der DGPF (Deutsche Gesellschaft fr Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation) unter www.dgpf.de zur Verfgung.DIN 18740-7:2014-12 10 Projekt: 4 Angaben zu pangeschrften Bilddaten Bezeichnung Wellenlngenbereich GSD siehe Liste auf besonderem Blatt 5 Qualittsprfung Dokumentation interne Qualittsprfung rumliche Bildgte visuelle Bewertung Artefakte Analyse PSF Korrelation Kantenbilder Angaben: . Weiteres . . . spektrale Bildgte visuelle Bewertung Artefakte Vergleich von Histogrammen (Bildkanle) Vergleich von Histogra