高分辨率卫星的全色波段波谱范围设置的考虑以及融合的结果

pansharp fuse

目前大多数高分辨率光学卫星都是PMS（全色多光谱）模式，即一个RGBN四波段的MS，一个1/4分辨率的PAN。但是目前对于PAN的波谱范围有不同的设置，GF系列都是采用同时包含可见光和近红外（后面简称全谱段模式），而北京二号、吉林一号则只包括可见光的部分（后面简称可见光模式）。这样的设置是卫星上天前就固定了。哪种设置更优呢？

注意LANDSAT7/8的全色（波段8）设置也有调整，反映了上面说的两种选择

从信息量上来说，可见光的三个波段之间相关性很强，也就是信息的冗余度高，而近红外则和可见光差别很大。以前硬件受限的情况下，SPOT1~5卫星宁可不要蓝色波段也要保留近红外，就是这个道理。如果PAN的部分包含了可见光的成分，那么从信息量的角度应该是全谱段模式更好。

但是具体使用的时候有一个问题，就是用户更多使用可见光的融合图像，而只在较少的分析模式使用到近红外的波段。因此融合出来的结果中可见光波段的质量更为关注。

我们通过一个标准化的实验来定量说明。

通过Worldview3卫星的1.2M多光谱的RGBN四个波段作为标准答案，然后利用这个数据加以退化，构造一个4.8M的MS，以及一个1.2M的PAN。

构造PAN的时候做三种形式

PAN1 = 0.33 * B + 0.33 * G + 0.34 * R

PAN2 = 0.5 * R + 0.5 * N

PAN3 = 0.25 * B + 0.25 * G + 0.25 * R + 0.25 * N

其中PAN2是目前高分卫星比较接近的模式，PAN1是吉林一号接近的模式

然后我们用最简单的类PCI的pansharp算法，将融合的结果和标准答案检查各个波段的均方差

实验结果如下

PAN1:

6.0477    7.2154    8.2980   21.9964
总和 43.5575

PAN2:

8.7387    9.6053    9.3140   13.0506
总和 40.7086

PAN3:

6.9290    7.8970    8.8169   15.2306
总和 38.8735

可以看到在PAN1的模式下，近红外的误差非常大，可能会认为该波段的融合结果其实是不太能用的。而RGB的误差是最小的，就是说如果只考虑使用RGB融合结果，那么这个模式是最优的。

在PAN2模式下，可见光波段误差会较大，但是近红外误差只有PAN1的60%。

在PAN3模式下，可见光波段误差和PAN1大一些非常有限，而近红外也只比PAN2大一些。

我认为PAN3可能是最优的模式，但是实际上传感器的光谱曲线可能不容易做成严格矩形的，比如高分卫星的全色传感器上蓝色、绿色能量比较有限，容易退化成PAN2模式。

联系方式

陈甫 副研究员
中国科学院空天信息创新研究院
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