幾種無人機(jī)正射影像處理軟件的比較

黎治坤，鄭史芳，劉　銳，黃小川

(廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510000)

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幾種無人機(jī)正射影像處理軟件的比較

黎治坤，鄭史芳，劉銳，黃小川

(廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510000)

摘要：為了考察幾種主流軟件的無人機(jī)影像處理能力，本文在同等硬件環(huán)境和相同數(shù)據(jù)的條件下，對PixelGrid、DPGrid、PHOTOMOD、Inpho、IPS生成正射影像圖的效率和質(zhì)量進(jìn)行了比較，并對比較結(jié)果及各軟件的特點(diǎn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)字正射影像圖(DOM)制作；質(zhì)量；效率；對比

無人機(jī)航攝相對于傳統(tǒng)航攝具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、快速機(jī)動靈活的優(yōu)點(diǎn)，在應(yīng)急救災(zāi)、高分辨率影像制作領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但由于飛行姿態(tài)不穩(wěn)定、航片角較大、裝載非專業(yè)數(shù)碼相機(jī)、小像幅小基高、存在像點(diǎn)位移等原因，無人機(jī)影像處理對處理軟件的處理能力和穩(wěn)定性具有特殊的要求。目前國內(nèi)較為常用的無人機(jī)影像處理軟件主要有：PixelGrid4.0、DPGrid、PHOTOMOD5.3、Inpho5.7、IPS4.0。PixelGrid是中國測繪科學(xué)研究院研發(fā)的集航空攝影測量、無人機(jī)航測、衛(wèi)星影像遙感及衛(wèi)星雷達(dá)遙感等數(shù)據(jù)后處理于一體的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：①多核多線程的影像處理技術(shù)，可對批量影像進(jìn)行畸變糾正、格式轉(zhuǎn)換、旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)、灰度增強(qiáng)等操作；②基于SIFT算法的快速匹配技術(shù)，較以往的影像匹配能力有較大的提升；③新版本重寫了新的平差算法，較傳統(tǒng)的PATB平差有改進(jìn)。DPGrid是武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院研發(fā)的航空攝影測量、無人機(jī)航測的綜合應(yīng)用平臺，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：①空三完成后的DSM、DEM、DOM可以一鍵式自動化完成，具有良好的互操作性，具備DEM與DOM同步編輯功能；②各種功能可以定制；③與現(xiàn)有立體測圖設(shè)備及軟件結(jié)合緊密。PHOTOMOD系列軟件產(chǎn)品是俄羅斯Racurs公司的集航空攝影測量、無人機(jī)航測、傾斜攝影測量、近景攝影測量、衛(wèi)星影像遙感及衛(wèi)星雷達(dá)遙感等數(shù)據(jù)后處理于一體的綜合應(yīng)用系統(tǒng)，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：①軟件界面精簡，模塊化集成度較高；②支持影像畸變改正；③平差模塊效率較高。Inpho由德國inpho公司推出，是歐洲最著名的航空攝影測量與遙感處理軟件，可以全面系統(tǒng)地處理航測遙感、激光、雷達(dá)等數(shù)據(jù)，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：①高精度的空三加密模塊，便捷的空三分區(qū)操作；②UASMaster模塊是專門針對無人機(jī)影像處理的高效模塊；③分布式處理與多線程并發(fā)運(yùn)算；④可由DSM直接生成DOM。IPS是卡洛斯公司的推出的全數(shù)字?jǐn)z影測量工作站系統(tǒng)，它能夠快速、 準(zhǔn)確地處理航拍圖像數(shù)據(jù)，主要有如下優(yōu)點(diǎn)：①高效率的空三加密模塊，支持超大數(shù)據(jù)量的區(qū)域網(wǎng)平差；②強(qiáng)大的勻色模塊，在無參考影像的情況下能將兩張差別很大的影像勻色成一致；③一鍵式自動化的流程處理，即設(shè)置完工程后可以一鍵式得到最終的數(shù)字正射影像圖。本文以相同范圍內(nèi)的無人機(jī)影像為對象，對軟件的主要性能尤其是影像質(zhì)量和處理效率進(jìn)行考察。

一、總體思路

測試的總體思路是采用相同的硬件平臺、數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)對軟件的執(zhí)行效率、硬件利用率等進(jìn)行評測。

1. 硬件平臺

鑒于各軟件對硬件需求不同，為保證測試效果，充分發(fā)揮當(dāng)前軟件的能力，保證各軟件對當(dāng)前主流硬件充分利用的能力，統(tǒng)一采用了同一個高性能硬件平臺，硬件平臺的具體參數(shù)見表1。

2. 數(shù)據(jù)情況

從標(biāo)準(zhǔn)流程和應(yīng)急出圖兩個方面考慮，測試選取2個數(shù)據(jù)區(qū)域：一為廣東某島全域，用來測試常規(guī)數(shù)字正射影像生產(chǎn)；另一塊為汕頭市應(yīng)急區(qū)洪災(zāi)應(yīng)急影像數(shù)據(jù)，用來測試軟件的應(yīng)急快速處理能力。數(shù)據(jù)區(qū)域概況見表2。

表1　測試平臺硬件

表2　數(shù)據(jù)區(qū)域概況圖

3. 對比指標(biāo)

根據(jù)前期設(shè)計，測試的主要指標(biāo)設(shè)計敘述如下。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段：主要測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的簡易性，是否必須進(jìn)行影像畸變改正。

空三測量階段：主要測試影像匹配的速度和精度，絕對定向操作的速度和精度，空三成果的精度。

正射鑲嵌階段：主要測試DSM、DEM的速度和精度，DOM鑲嵌成圖及編輯的速度和精度。

二、對比流程

攝影測量的一般流程由數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、空三測量和正射鑲嵌3大部分組成。其中，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備包括相機(jī)文件、POS文件的編輯，影像畸變等操作?？杖郎y量包括影像匹配、絕對定向、測量平差、成果輸出等幾個步驟，而影像匹配是主要的評價指標(biāo)，對數(shù)據(jù)處理的精度和效率有著直接的影響。對自動匹配生成的DSM進(jìn)行濾波操作可以得到正射糾正需要的DEM，但是局部(主要是居民地密集區(qū))仍需要交互編輯。DEM的交互編輯關(guān)系到作業(yè)效率和成果的精度。利用DEM進(jìn)行單張像片的正射糾正，然后進(jìn)行鑲嵌操作將單張像片拼接成大幅正射影像成果。

根據(jù)前期設(shè)計，主要的數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)處理流程示意圖

依軟件設(shè)計的不同，以上子過程順序可能會不同，也可能綜合處理，但總體流程是一致的。以下為幾個軟件的具體測試流程。

PixelGrid和DPGrid兩個軟件在使用方法和接口方面有很多相似和互通之處，PixelGrid則在無人機(jī)空三算法方面有著較高的效率，DPrid則在數(shù)據(jù)后處理方面有非常好的交互性，兩個軟件的相互配合使用可以最大限度地提高效率，本次比較中PixelGrid和DPGrid作為一個整體進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。具體細(xì)節(jié)如下：①利用PixelGrid對航空影像數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，內(nèi)業(yè)先進(jìn)行初步分區(qū)和自由網(wǎng)平差，并據(jù)此進(jìn)行像控設(shè)計；②按照像控設(shè)計結(jié)果，進(jìn)行像控點(diǎn)外業(yè)選刺、觀測、計算和資料整理；③內(nèi)業(yè)在自由網(wǎng)平差基礎(chǔ)上，加入像片控制測量成果進(jìn)行空中三角測量的區(qū)域網(wǎng)平差并輸出空中三角測量最終成果；④根據(jù)空中三角測量最終成果使用DPGrid進(jìn)行后續(xù)處理，生成并編輯DEM、DOM。這個版本的PixelGrid采用的是多線程匹配，單線程空三轉(zhuǎn)點(diǎn)，處理慢而且單區(qū)匹配片數(shù)不能過大，導(dǎo)致最后測試區(qū)分區(qū)過多，

接邊工作量太大，整體效率和色調(diào)一般。

PHOTOMOD將數(shù)據(jù)劃分為3個工程區(qū)域，在本測試中，將數(shù)據(jù)處理過程分為以下5部分：①根據(jù)項(xiàng)目數(shù)據(jù)和軟件特點(diǎn)構(gòu)建3個測區(qū)；②利用多線程和GPU輔助加速對測區(qū)影像進(jìn)行匹配，添加控制點(diǎn)，平差；③點(diǎn)云提取、濾波、生成DEM；④利用GPU加速對單張航片進(jìn)行正射糾正；⑤利用GPU加速對影像進(jìn)行拼接、勻光勻色，并劃分片區(qū)出圖。這個版本的PHOTOMOD采用了CPU+GPU輔助加速的匹配方式，在空三匹配、正射糾正及鑲嵌成圖速度上有了較大的提高，然而這個版本GPU作為輔助作用未全部參與整個空三運(yùn)算和后期影像的糾正，在速度上還有提升的空間。另外，該版本軟件平差算法容易出現(xiàn)運(yùn)算迭代循環(huán)，平差錯誤不容易剔除。

Inpho將數(shù)據(jù)劃分為一個整區(qū)，采用虛擬子區(qū)匹配、分區(qū)合并的方式，在軟件匹配上成功率上有較大優(yōu)勢。另外INPHO采用的是根據(jù)影像顏色分布可以進(jìn)行人工調(diào)整進(jìn)行，成圖效果是對比軟件中效果最好的，更接近真實(shí)色彩。然而該版本Inpho所有模塊不支持超過16線程運(yùn)算，匹配效率不高，UAVMaster模塊單次不支持超過6000張影像同時處理，每張影像不能超過4000萬像素，ApplicationsMaster模塊對于初始POS精度依賴較為明顯，對于大面積低紋理水域匹配效果不佳，對于高差太大地區(qū)存在匹配效果較差等不足。

IPS將數(shù)據(jù)劃分為一個整區(qū)，利用CPU+GPU硬件全加速對整區(qū)進(jìn)行匹配。在本次對比中，空三匹配過程中最大限度利用硬件性能，成圖速度也最快， 然而IPS在DEM后編輯方面存在不足，無法實(shí)現(xiàn)對于濾波效果不好的地區(qū)進(jìn)行實(shí)時編輯，同時IPS后處理與其他軟件對接尚不夠完善，有待加強(qiáng)。數(shù)據(jù)效率和精度統(tǒng)計結(jié)果的具體情況見表3、表4。

表3　效率統(tǒng)計表　h

三、分析與比較

根據(jù)工作流程，從以下幾個方面對各軟件進(jìn)行了橫向?qū)Ρ群驮u價。

1. 軟件功能及流程設(shè)計對比

軟件設(shè)計對航空攝影流程理解的全面性體現(xiàn)在軟件界面上，即流程是否清晰、功能是否完備、容錯能力存在與否。

表4　精度統(tǒng)計表　m

注：中誤差統(tǒng)計采用野外實(shí)測的控制點(diǎn)為基準(zhǔn)。

2. 資源使用和處理效率對比

軟件對硬件資源的利用主要體現(xiàn)在CPU、內(nèi)存、顯卡GPU的利用率上，在單位時間內(nèi)對其利用率越高，處理效率也越高。

數(shù)據(jù)處理效率包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的效率、空三處理效率、正射鑲嵌的效率(DSM/DEM、DOM編輯等)。

3. 測繪成果精度對比

利用實(shí)測的野外控制點(diǎn)對各軟件制作的數(shù)字正射影像圖進(jìn)行檢測，并統(tǒng)計點(diǎn)位中誤差。

4. 成果的完整性對比

是否能夠得到完整的成果，是否能輸出需要的精度報告等附加文件。橫向?qū)Ρ鹊慕Y(jié)果見表5。

表5　性能橫向比較表

四、結(jié)論

通過實(shí)際測試可以得出以下結(jié)論：

1) 從成圖精度來看所有參與評測的5款軟件都能滿足1∶2000正射影像成圖要求，橫向比較Inpho的匹配點(diǎn)位更可靠，精度及可靠性更高。

2) 從成圖效率來看，IPS總體效率最高，能夠快速生成正射影像圖。

3) 圖面質(zhì)量：Inpho>PHOTOMOD>IPS>DPGrid>PixelGrid。

4) 成圖效率：IPS>Inpho>PHOTOMOD>PixelGrid>DPGrid。

5) 友好易用：IPS>Inpho>PixelGrid>PHOTOMOD>DPGrid。

6) 資源利用：IPS>PHOTOMOD>Inpho>PixelGrid>DPGrid。

7) 成果交互：DPGrid>PixelGrid>Inpho>PHOTOMOD>IPS。

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Comparison of Several Kinds of Image Processing Software for UnmannedAerialVehicle

LI Zhikun，ZHENG Shifang，LIU Rui，HUANG Xiaochuan

收稿日期：2016-03-15

作者簡介：黎治坤(1982—),男，工程師，主要從事工程測量、攝影測量與遙感、測繪航空攝影測量及傾斜攝影測量技術(shù)方面的研究工作。E-mail：273126148@qq.com

中圖分類號：P23

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)06-0082-05

引文格式： 黎治坤，鄭史芳，劉銳，等. 幾種無人機(jī)正射影像處理軟件的比較[J].測繪通報，2016(6)：82-86.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0196.