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Bridging the Quality Gap in Remote Sensing Satellite Imagery Using Super-Resolution and Transfer Learning

Schließen der Qualitätslücke in der Satellitenfernerkundung durch Super-Resolution und Transferlernen

Severin Brochhagen, Hamed Amini Amirkolaee, Hossein Arefi

In the realm of remote sensing, the quality variation of satellite images poses a substantial challenge across numerous application fields. Environmental monitoring, urban planning, agricultural management, and disaster response depend on high-quality data for accurate results. This paper presents a novel approach to address this issue by employing advanced super-resolution techniques. Real-ESRGAN, a state-of-the-art super-resolution convolutional neural network and known for its proficiency, is trained on a large diversity of contents, ranging from people, handmade objects and environments to flora and fauna, and natural sceneries including underwater and dim light conditions. Leveraging the concept of transfer learning we acclimate this model to the inherent features of satellite images. We show that by shifting the knowledge from the pre-trained generalised Real-ESRGAN model towards satellite imagery, we obtain highly realistic and detail-rich results. This narrows the quality gap between low- and high-resolution imagery, thus facilitating more accurate analyses and comparisons. We train the model using Sentinel-2 and PlanetScope data to accommodate it to real-world satellite imaging conditions. Our methodology offers an accessible and cost-effective solution to obtain high-quality imagery from open data sources, approaching the standards of premium satellite solutions, without the need for highly specialised techniques.

Im Bereich der Fernerkundung stellen die Qualitätsschwankungen bei Satellitenbildern in zahlreichen Anwendungsbereichen eine große Herausforderung dar. Umweltüberwachung, Stadtplanung, Landwirtschaftsmanagement und Katastrophenschutz sind auf hochwertige Daten angewiesen, um genaue Ergebnisse zu erzielen. In diesem Beitrag wird ein neuartiger Ansatz vorgestellt, um dieses Problem durch den Einsatz fortschrittlicher Superresolution-Techniken zu lösen. Real-ESRGAN, ein hochmodernes superauflösendes neuronales Netz, das für seine Leistungsfähigkeit bekannt ist, wird auf eine große Vielfalt von Inhalten trainiert, die von Menschen, handgefertigten Objekten und Umgebungen über Flora und Fauna bis hin zu natürlichen Landschaften, einschließlich Unterwasser- und Dämmerlichtbedingungen, reichen. Das Konzept des Transferlernens wird genutzt und das Modell an die Besonderheiten von Satellitenbildern angepasst. Es wird gezeigt, dass durch die Verlagerung des Wissens aus dem vortrainierten verallgemeinerten Real-ESRGAN-Modell auf Satellitenbilder äußerst realistische und detailreiche Ergebnisse erzielt werden können. Dadurch wird die Qualitätslücke zwischen niedrig- und hochauflösenden Bildern verkleinert, was genauere Analysen und Vergleiche ermöglicht. Das Modell wird mit Sentinel-2- und PlanetScope-Daten trainiert, um es an die realen Bedingungen von Satellitenbildern anzupassen. Die entwickelte Methode bietet eine zugängliche und kosteneffektive Lösung, um qualitativ hochwertige Bilder aus offenen Datenquellen zu erhalten, die sich den Standards von Premium-Satellitenlösungen annähern, ohne dass dafür hochspezialisierte Techniken benötigt werden.

DOI: 10.14627/avn.2024.1.6
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