(57)【要約】  波長分解能が高いスペクトル画像を元スペクトル画像から生成する画像生成システムであって、演算部とメモリとを備え、前記演算部は、前記元スペクトル画像に当てはまる回帰曲線を求め、前記求められた回帰曲線にセンサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成し、前記生成されたスペクトル画像と前記元スペクトル画像との差分を計算し、前記計算された差分と所定の閾値とを比較し、前記比較の結果、前記差分が前記所定の閾値より小さい場合、前記求められた回帰曲線に前記センサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成し、前記比較の結果、前記差分が前記所定の閾値より大きい場合、前記生成されたスペクトル画像を前記元スペクトル画像として再度演算を行うために、前記求められた回帰曲線に前記センサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成する。
2013145201.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長分解能が高いスペクトル画像を元スペクトル画像から生成する画像生成システムであって、
スペクトル画像を生成するための演算を行う演算部と、
前記演算部によって実行されるプログラムを格納するメモリと、を備え、
前記演算部は、
前記元スペクトル画像に当てはまる回帰曲線を求め、
前記求められた回帰曲線にセンサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成し、
前記生成されたスペクトル画像と前記元スペクトル画像との差分を計算し、
前記計算された差分と所定の閾値とを比較し、
前記比較の結果、前記差分が前記所定の閾値より小さい場合、前記求められた回帰曲線に前記センサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成し、
前記比較の結果、前記差分が前記所定の閾値より大きい場合、前記生成されたスペクトル画像を前記元スペクトル画像として再度演算を行うために、前記求められた回帰曲線に前記センサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成することを特徴とする画像生成システム。
【請求項２】
請求項１に記載の画像生成システムであって、
前記演算部は、前記元スペクトル画像に前記計算された誤差に所定の計数を乗じた値を加えることによって、前記再度演算を行うための元スペクトル画像を生成することを特徴とする画像生成システム。
【請求項３】
請求項１に記載の画像生成システムであって、
前記センサは、応答特性関数が異なる複数のセンサ素子を有し、
前記演算部は、前記センサ素子毎に異なる応答特性関数を用いて、異なるスペクトル画像を生成することを特徴とする画像生成システム。
【請求項４】
スペクトル画像を生成するための演算を行う演算部と、前記演算部によって実行されるプログラムを格納するメモリとを有する画像生成システムを用いて、波長分解能が高いスペクトル画像を元スペクトル画像から生成する画像生成方法であって、
前記元スペクトル画像に当てはまる回帰曲線を求める第１ステップと、
前記求められた回帰曲線にセンサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成する第２ステップと、
前記生成されたスペクトル画像と前記元スペクトル画像との差分を計算する第３ステップと、
前記計算された差分と所定の閾値とを比較する第４ステップと、
前記比較の結果、前記差分が前記所定の閾値より小さい場合、前記求められた回帰曲線に前記センサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成する第５ステップと、
前記比較の結果、前記差分が前記所定の閾値より大きい場合、前記生成されたスペクトル画像を前記元スペクトル画像として再度演算を行うために、前記求められた回帰曲線に前記センサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成する第６ステップと、を含むことを特徴とする画像生成方法。
【請求項５】
請求項４に記載の画像生成方法であって、
前記第６ステップは、前記元スペクトル画像に前記計算された誤差に所定の計数を乗じた値を加えることによって、前記再度演算を行うための元スペクトル画像を生成することを特徴とする画像生成方法。
【請求項６】
請求項４に記載の画像生成方法であって、
前記センサは、応答特性関数が異なる複数のセンサ素子を有し、
前記第２ステップ及び前記第６ステップにおいて、前記センサ素子毎に異なる応答特性関数を用いることを特徴とする画像生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイパースペクトル画像を生成する画像生成システムに関し、特に、波長分解能が低いマルチスペクトル画像から、波長分解能が高いハイパースペクトル画像を生成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
地上に設置された地物（建物、樹木、道路、水域など）は太陽光線を反射する。航空機や人工衛星等に搭載されたセンサは、地物からの反射光を取得し、取得した反射光を周波数帯域毎に分離し、複数の周波数帯域のマルチスペクトル画像を生成する（図７参照）。マルチスペクトル画像のうち、波長分解能が高い（数百個の狭帯域なバンドを含む）スペクトル画像をハイパースペクトル画像という。【０００３】
ハイパースペクトル画像は、スペクトルの特徴が多く含まれており、地物を識別するための高いポテンシャルを有するために、その重要度が増している。しかし、ハイパースペクトル画像は広くは使われていない。現在のセンサ技術によると、波長分解能が高いハイパースペクトル画像は航空機から得られ、人工衛星は波長分解能が低いマルチスペクトル画像を提供するだけである。すなわち、このスペクトル画像を生成するために航空機に搭載されるセンサは、波長分解能が高いため、数百個の狭帯域なバンドを含むハイパースペクトル画像が得られる。【０００４】
ここで、図８を用いて、一般的なマルチスペクトル画像とハイパースペクトル画像との違いについて説明する。マルチスペクトル画像は、紫色から赤外線の間に複数の周波数帯域の画像を含み、一つの周波数帯域の幅が４０〜１００ｎｍの波長である。白黒画像は、可視光（約４００〜９００ｎｍ）を数百ｎｍ幅の一つの帯域とし、帯域内の光の強度を検出したものである。なお、白黒画像は、前述したマルチスペクトル画像と組み合わせて使用されることがある。ハイパースペクトル画像は、マルチスペクトル画像と同様に紫色から赤外線の間に複数の周波数帯域の画像を含むが、一つの周波数帯域の幅が２０〜５０ｎｍの波長であり、マルチスペクトル画像より波長分解能が高い。【０００５】
しかし、航空機に搭載されるセンサは高価であり、また、航空機は人工衛星と比べて低い高度を飛行するので、撮影範囲が狭く、広い領域を撮影するためのコストが高くなる。一方、人工衛星に搭載されるセンサは低分解能であるが、人工衛星は高い高度を飛行するので、撮影範囲が広く、低コストで広い領域の画像を得ることができる。そのため、ハイパースペクトル画像を取得するコストが高いとことが一つの問題となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】N. Keshava and J. Mustard, "Spectral unmixing", IEEE Signal Processing Magazine, vol. 19, pp. 44-57, Jan. 2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
地上に設置された地物は、その種類（建物、樹木、道路、水域など）によって、反射光のスペクトルの特徴が異なる。しかし、可視光の帯域内で数個の測定値しか含まないマルチスペクトル画像では、反射光のスペクトルの特徴から地物の違いを判定することは困難である。一方、可視光の帯域で数十から数百個の測定値を含むハイパースペクトル画像を用いると、地物の種類を特定することができる。さらに、樹木の種類を特定したり、作物の生育状況を確認することができる。【０００８】
このため、人工衛星によって撮影されたマルチスペクトル画像から波長分解能が高いハイパースペクトル画像を生成することが求められている。【０００９】
この問題を解決するために、マルチスペクトル画像からハイパースペクトル画像を生成する方法が提案されている。このうち最も単純な方法は補間（例えば、線形補間）である。しかし、線形補間によって求められたスペクトルは粗く、スペクトルの本来の特徴が見出せる可能性が低い。このため、測定されたスペクトルを複数のスペクトル成分に分解するスペクトル・アンミキシング技術が提案されている（非特許文献１参照）。【００１０】
しかし、スペクトル・アンミキシングは、地物の種類の数及びタイプを知る必要があるが、多くの場合に必要な情報を現実に得ることは困難である。このため、スペクトル・アンミキシングは、ハイパースペクトル画像を生成するためには不十分で、信頼性に乏しく、実用的でない。【００１１】
本発明は、地物からの反射光によるスペクトル曲線を再構成し、スペクトルの特徴を見出すための情報を与えることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、元スペクトル画像から、波長分解能が高いスペクトル画像を生成する画像生成システムであって、スペクトル画像を生成するための演算を行う演算部と、前記演算部によって実行されるプログラムを格納するメモリと、を備え、前記演算部は、前記元スペクトル画像に当てはまる回帰曲線を求め、前記求められた回帰曲線にセンサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成し、前記生成されたスペクトル画像と前記元スペクトル画像との差分を計算し、前記計算された差分と所定の閾値とを比較し、前記比較の結果、前記差分が前記所定の閾値より小さい場合、前記求められた回帰曲線に前記センサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成し、前記比較の結果、前記差分が前記所定の閾値より大きい場合、前記生成されたスペクトル画像を前記元スペクトル画像として再度演算を行うために、前記求められた回帰曲線に前記センサの応答特性関数を乗じてスペクトル画像を生成する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の代表的な態様によれば、簡単な方法で、地物からの反射光を再現したハイパースペクトル画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態の画像生成システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態のマルチスペクトル画像を取得する方法を説明する図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態の画像生成システムによるスペクトル超分解能画像の生成の概念を説明する図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態の画像生成システムによるスペクトル超分解能画像の生成の概念を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態の画像生成システムの処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態の画像生成システムの処理によるスペクトルの変化を説明する図である。
【図６】本発明の実施形態の画像生成システムによって生成されるスペクトルを説明する図である。
【図７】マルチスペクトル画像を取得する方法を説明する図である。
【図８】マルチスペクトル画像及びハイパースペクトル画像を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態の主要な特徴は、センサ応答関数（ＳＲＦ）を用いることによって、地物からの反射光を再現したスペクトルを作成することである。従来の方法は、主に、画像とその属性に着目しており、センサの影響は無視されていた。本発明は、センサの物理モデルに基づいて、スペクトルを復元するための方法を提供する。これは、センサの影響を排除した理想的な連続スペクトル曲線である。ハイパースペクトル画像は、生成された理想的なスペクトル曲線上で点をサンプリングすることによって生成される。
【００１６】
図１は、本発明の実施形態の画像生成システムの構成を示すブロック図である。
【００１７】
本実施形態の画像生成システムは、演算部１０、記憶装置２０、通信インターフェース３０及び媒体ドライバ４０を有する。
【００１８】
演算部１０は、プログラムを実行するプロセッサ（ＣＰＵ）１０１、不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ１０２及び揮発性の記憶素子であるＲＡＭ１０３を有する。ＲＯＭ１０２は、不変のプログラム（例えば、ＢＩＯＳ）などを格納する。ＲＡＭ１０３は、記憶装置２０に格納されたプログラム及びプログラムの実行時に使用されるデータを一時的に格納する。
【００１９】
記憶装置２０は、例えば、磁気記憶装置、フラッシュメモリ等の大容量かつ不揮発性の記憶装置であり、プロセッサ１０１によって実行されるプログラム及びプログラムの実行時に使用されるデータを格納する。すなわち、プロセッサ１０１によって実行されるプログラムは、記憶装置２０から読み出されて、ＲＡＭ１０３にロードされて、プロセッサ１０１によって実行される。
【００２０】
通信インターフェース３０は、所定のプロトコルに従って、他の装置との通信を制御するネットワークインターフェース装置である。媒体ドライバ４０は、画像生成システムに導入されるプログラムやデータが格納された記録媒体５０を読むためのインターフェース（例えば、光ディスクドライブ、ＵＳＢポート）である。
【００２１】
次に、本願で開示されるスペクトル超分解能画像の生成の概念について説明する。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態のスペクトル画像Ｓを取得する方法を説明する図である。
【００２３】
前述したように、地物（建物、樹木、道路、水域など）は太陽光線を反射する。人工衛星等に搭載されたセンサは、地物からの反射光Ｒを取得し、取得した反射光を周波数帯域毎に分離し、複数の周波数帯域を含むスペクトル画像Ｓを生成する。
【００２４】
スペクトル画像を生成するセンサは周波数によって感度が異なり、この感度の変化はセンサ応答特性関数（ＳＲＦ：Sensor Response Function）として表される。このＳＲＦを用いると、スペクトル画像Ｓは式（１）によって表される。
Ｓ＝Ｒ×ＳＲＦ＋Ｎ  …（１）
式（１）において、Ｎはノイズである。
【００２５】
なお、複数のセンサ素子を搭載する場合、通常、センサ素子毎に応答特性関数が異なる。この場合、後述する処理において、センサ素子毎に異なる応答特性関数を用いて、異なるスペクトル画像を生成する。
【００２６】
図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の実施形態の画像生成システムによるハイパースペクトル画像の生成の概念を説明する図である。
【００２７】
地上に設置された地物（建物、樹木、道路、水域など）を所定の空間分解能（ｍ／ｐｉｘｅｌ）で、所定の波長分解能（ｎｍ／ｂａｎｄ）で撮影し、複数の周波数帯域を含むマルチスペクトル画像を取得する。その後、各ピクセルの波長分解能がより高い周波数特性を持つハイパースペクトル画像に変換する。
【００２８】
図３Ｂに、低い波長分解能の撮影画像（マルチスペクトル画像）の周波数特性と、波長分解能が高いハイパースペクトル画像の周波数特性とを示す。図示するように、ハイパースペクトル画像は波長分解能が高く、ハイパースペクトル画像に含まれる各周波数帯域幅（波長幅）が狭い。
【００２９】
図４は、本発明の実施形態の画像生成システムの処理を示すフローチャートである。また、図５及び図６は、図４に示す処理によるスペクトルの変化を説明する図である。
【００３０】
まず、人工衛星等によって撮影された画像スペクトルをＳ（０）と定める（Ｓ１）。Ｓ（０）は離散関数であり、図５において実線及び●で示す。
【００３１】
その後、Ｓ（０）の測定値に曲線を当てはめ、回帰曲線Ｒ（０）を求める（Ｓ２）。Ｒ（０）は連続関数で与えられ、図５において破線で示す。このとき、パラメータｉは０である。この曲線の当てはめには、最小二乗法による多項式曲線の当てはめを用いることができる。なお、Ｓ（ｉ）は画像スペクトルの離散値（離散関数）であり、Ｒ（ｉ）は反射光線のスペクトルの値（連続関数）である。
【００３２】
その後、パラメータｉに１を加えた後（Ｓ３）、式（２）を用いて、画像スペクトルＳ（１）を計算する（Ｓ４）。
Ｓ（ｉ）＝Ｒ（ｉ−１）×ＳＲＦ  …  （２）
式（２）において、ＳＲＦは、センサの応答特性関数であり、画像スペクトルＳ（ｉ）の帯域内におけるセンサの感度の周波数特性を示す。
【００３３】
次に、式（３）を用いて、前回の計算値からの差分Ｅ（ｉ）を計算する（Ｓ５）。
Ｅ（ｉ）＝Ｓ（ｉ）−Ｓ（ｉ−１）  …  （３）
なお、図５において、Ｅ（０）を●と▲との間隔によって示す。
【００３４】
その後、計算された差分Ｅ（ｉ）と所定の閾値（Ｅｒｒｏｒ）と比較する（Ｓ６）。その結果、差分Ｅ（ｉ）が所定の閾値（Ｅｒｒｏｒ）より小さければ、画像スペクトルＳ（ｉ）が十分に収束していると判定し、回帰曲線Ｒ（ｉ）を最終的に求められる曲線Ｃと定める（Ｓ９）。図６において、曲線Ｃは破線で示される連続関数であり、画像スペクトルＳ（０）より高い波長分解能を持つ。すなわち、曲線Ｃは連続関数なので、いずれの波長においても、スペクトルの値（信号強度）を得ることができる。
【００３５】
その後、定められた曲線Ｃに、ＳＲＦを乗じることによって、ハイパースペクトル画像（Ｉｍａｇｅ）を求めることができる（Ｓ１０）。
【００３６】
一方、差分Ｅ（ｉ）が所定の閾値（Ｅｒｒｏｒ）以上であれば、画像スペクトルＳ（ｉ）が、まだ収束していないと判定し、式（４）を用いて、差分Ｅ（ｉ）に所定の係数Ｋを乗じた値を画像スペクトルＳ（ｉ−１）に加算し、画像スペクトルＳ（ｉ）を求める（Ｓ７）。
Ｓ（ｉ）＝Ｓ（ｉ−１）＋Ｋ×Ｅ（ｉ）  …  （４）
なお、係数Ｋは、０より大きく、１以下の値であればよい。係数Ｋに大きな値を選択することによって、収束計算を早くすることができ、計算量を削減することができる。一方、係数Ｋに小さな値を選択することによって、求められるハイパースペクトル画像（Ｉｍａｇｅ）の精度を向上させることができる。
【００３７】
図５において、ＫＥ（０）を●と◆との間隔によって示す。なお、図示を省略するが、画像スペクトルＳ（１）は、◆を結んだ離散関数である。
【００３８】
その後、ステップＳ２と同様の方法によって、Ｓ（ｉ）（離散関数Ｓ（１））に含まれる各値に曲線を当てはめ、回帰曲線Ｒ（ｉ）を求める（Ｓ８）。図５において、Ｒ（１）は一点鎖線で示される連続関数である。その後、ステップＳ３に戻り、次のループを実行する。
【００３９】
本実施形態によって生成されるハイパースペクトル画像は、地物からの反射光によるスペクトルの十分な特徴を復元することができる。通常、提供者からマルチスペクトル画像と共に提供されるＳＲＦを除き、事前の準備は不要である。そのため、本実施形態は、実用的であり、かつ、信頼性が高いハイパースペクトル画像が得られる。また、今までは、ハイパースペクトル画像だけが、スペクトルの特徴を見出すために使用可能であったが、本実施形態は、マルチスペクトル画像からハイパースペクトル画像を生成するので、マルチスペクトル画像からスペクトルの特徴を見出すための新しい方法を提供する。
【００４０】
また、本発明の実施形態の方法は、スタンドアロンなシステム（望ましくは、サーバ計算機）で実行されるプログラムで行うことができる。例えば、リモートセンシングによって得られたデータを提供する事業者が、ハイパースペクトル画像を生成し、これを分析するサービスを提供することが可能になる。
【００４１】
以上、本発明を添付の図面を参照して詳細に説明したが、本発明はこのような具体的構成に限定されるものではなく、添付した請求の範囲の趣旨内における様々な変更及び同等の構成を含むものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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