PhotoScan Pro軟件在無(wú)人機(jī)應(yīng)急航攝中的應(yīng)用

趙云景，龔緒才，杜文俊，周 力

(云南省基礎(chǔ)測(cè)繪技術(shù)中心，昆明 650034)

0 引言

云南省是自然災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)的省份之一。頻繁的自然災(zāi)害造成了巨大的人民生命和財(cái)產(chǎn)損失。利用無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)靈活、航攝周期短等優(yōu)勢(shì)可以快速獲取相關(guān)影像，為災(zāi)區(qū)的災(zāi)害排查和人員施救提供直接有效的數(shù)據(jù)。但是，如果采用傳統(tǒng)攝影測(cè)量軟件對(duì)無(wú)人機(jī)影像進(jìn)行后期處理，則對(duì)航線敷設(shè)、飛行控制及影像質(zhì)量等有嚴(yán)格要求;同時(shí)，在自然災(zāi)害發(fā)生的地區(qū)，客觀上也會(huì)存在諸如天氣與地形等和航攝有關(guān)的不利條件，這將導(dǎo)致影像的后期處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響無(wú)人機(jī)影像時(shí)效性的發(fā)揮。如何克服這些困難，并能在第一時(shí)間內(nèi)獲取災(zāi)區(qū)可靠的影像數(shù)據(jù)，本文通過(guò)救災(zāi)實(shí)例，結(jié)合PhotoScan Pro軟件自身功能特點(diǎn)和非常規(guī)的航線設(shè)計(jì)，總結(jié)出了一些無(wú)人機(jī)應(yīng)急航攝數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗(yàn)和方法;最后，通過(guò)對(duì)多款無(wú)人機(jī)航攝軟件應(yīng)用的比較，認(rèn)為PhotoScan Pro軟件的數(shù)據(jù)處理效果較好。

1 PhotoScan Pro簡(jiǎn)介

PhotoScan Pro是一款基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)自動(dòng)進(jìn)行三維重建的軟件。該軟件在應(yīng)用時(shí)無(wú)需設(shè)置初始值，無(wú)需相機(jī)檢校和控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，依據(jù)最新的計(jì)算機(jī)多目視覺(jué)影像三維重建技術(shù)，就可以對(duì)具有影像重疊的照片進(jìn)行處理;也可以通過(guò)給予的控制點(diǎn)生成真實(shí)坐標(biāo)的三維模型。無(wú)論是航攝像片還是高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像，都可以使用該軟件進(jìn)行處理。整個(gè)工作流程都是完全自動(dòng)化的［1］。具體來(lái)說(shuō)，PhotoScan Pro軟件能夠支持傾斜影像、多源影像、多光譜影像及多航高、多分辨率影像等各類影像的自動(dòng)空三處理;具有影像掩模添加、畸變?nèi)コ裙δ埽軌蝽樌幚矸浅Ｒ?guī)的航線數(shù)據(jù)或包含航攝漏洞的數(shù)據(jù);同時(shí)它還支持多核、多線程CPU運(yùn)算，支持GPU加速運(yùn)算，支持?jǐn)?shù)據(jù)分塊拆分處理，高效快速地處理大數(shù)據(jù);除此之外，軟件操作簡(jiǎn)單，容易掌握。

PhotoScan Pro與傳統(tǒng)航攝軟件最顯著的區(qū)別在于它使用的是運(yùn)動(dòng)信息中恢復(fù)三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)(structure from motion，SfM)的方法。SfM三維重建的主要過(guò)程如下:

1)利用SIFT［2］算子從每張影像上提取特征點(diǎn)并獲取其對(duì)應(yīng)的Descriptor;

2)根據(jù)POS或其他約束關(guān)系選出可能具有重疊關(guān)系的像對(duì);

3)對(duì)每一像對(duì) Descriptor進(jìn)行匹配，并使用RANSAC算法［3］進(jìn)行粗差剔除，消除誤匹配;

4)根據(jù)計(jì)算機(jī)多目視覺(jué)原理，將各像對(duì)匹配的同名像點(diǎn)連接統(tǒng)一起來(lái)，在逐次平差迭代過(guò)程中，剔除粗差，估算出視覺(jué)場(chǎng)景中相機(jī)和由匹配點(diǎn)形成的稀疏點(diǎn)云的相對(duì)位置;

5)結(jié)合相機(jī)的GPS和像控點(diǎn)的位置坐標(biāo)，通過(guò)Damped Least－Squares(DLS)算法來(lái)獲取相機(jī)和稀疏點(diǎn)云的真實(shí)空間位置。

2 影像處理流程

根據(jù)PhotoScan Pro特點(diǎn)制定的無(wú)人機(jī)航攝應(yīng)急影像數(shù)據(jù)的處理流程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)快速處理(左)及一般快速處理(右)流程Fig.1 Flow chart of data fast processing(left)and general fast processing(right)

在快速處理流程中(圖1(左))，將不再執(zhí)行點(diǎn)云密集匹配步驟，SfM重建后便利用稀疏點(diǎn)云建立地形格網(wǎng)模型，通過(guò)格網(wǎng)DEM輸出DOM，以最快速度對(duì)無(wú)人機(jī)應(yīng)急航拍影像進(jìn)行拼接處理;在一般快速處理流程中(圖1(右))進(jìn)行了密集匹配，通過(guò)對(duì)密集點(diǎn)云的分類編輯修正導(dǎo)出DOM的拼接錯(cuò)誤，對(duì)影像拼接質(zhì)量有嚴(yán)格要求時(shí)可采用此方法。

3 影像處理方法

3.1 運(yùn)用掩模拼接影像

PhotoScan Pro的掩模功能可以避免因影像大面積遮擋而無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)拼接的問(wèn)題，這是其他傳統(tǒng)攝影測(cè)量軟件所不具備的功能。

自然災(zāi)害突發(fā)時(shí)，常伴隨著多云或雷雨天氣，特別像云南省，由于地形氣候的特殊性，天空經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)高度不足300 m的散云，影響航攝影像的質(zhì)量。以2014年“5·24”盈江地震的應(yīng)急航拍為例(圖2)，同航線上連續(xù)2張受災(zāi)城鎮(zhèn)的影像均有散云遮擋(稱影像“進(jìn)云”現(xiàn)象)，拍攝時(shí)遇到這樣的情況一般采取的方法是:

圖2 “進(jìn)云”單片截圖(左)和“去云”拼截圖(右)Fig.2 Cloud spliced image(left)and cloud removing image(right)

1)在航攝區(qū)域的同位置采用多次往返航線設(shè)計(jì)和拍攝，如圖3所示。在設(shè)計(jì)航線時(shí)只需要保證一定的航向及旁向重疊即可。

圖3 非常規(guī)應(yīng)急航線設(shè)計(jì)Fig.3 Unconventional emergency routes design

2)利用PhotoScan Pro逐一對(duì)單張照片中的云霧進(jìn)行掩模，如圖4所示;再按照PhotoScan Pro生成DOM與DEM的操作流程來(lái)進(jìn)行［4］。

圖4 掩模影像Fig.4 Image added masks

圖5為2012年安寧市王家灘森林火災(zāi)的實(shí)例?；鹎槭且缘缆穲D層作為空間位置參考來(lái)判斷的。

圖5 王家灘拼接影像Fig.5 W angjiatan mosic image

從圖5可以看出，與采用掩模功能的PhotoScan Pro軟件拼接的影像相比，采用其他攝影測(cè)量軟件拼接的影像在質(zhì)量上明顯要差。采用PhotoScan Pro軟件拼接的影像雖然會(huì)出現(xiàn)部分空洞，但地物影像在空間位置上不會(huì)出現(xiàn)重大偏差，對(duì)于過(guò)火面積的估算和火災(zāi)防范都具有很高的參考價(jià)值。

運(yùn)用PhotoScan Pro的掩模功能可以處理“進(jìn)云”影像，它對(duì)單獨(dú)影像云層覆蓋率沒(méi)有特別要求，只需要通過(guò)不同時(shí)間對(duì)相同地區(qū)進(jìn)行多次拍攝，最終達(dá)到影像內(nèi)容能夠拼湊成一個(gè)完整影像目的即可。在實(shí)際作業(yè)中，云層或煙霧覆蓋率達(dá)到80%的單片依然參與計(jì)算。在掩模的編輯上，軟件提供人工圈定和自動(dòng)圈定2種方式，整個(gè)添加掩模的時(shí)間與進(jìn)云的單片數(shù)量成反比。在實(shí)際工作中，除了特殊情況，一般進(jìn)云的影像在整個(gè)架次中所占的比重都是很小的，對(duì)比采用降低飛行高度或者等天氣好后重新航拍等方法來(lái)說(shuō)，效率上無(wú)疑是大大提高了。

3.2 運(yùn)用體積量算功能測(cè)量模型體積

使用此功能前，需要首先利用PhotoScan Pro生成該區(qū)域的三維模型。在生成格網(wǎng)時(shí)，需采用以下參數(shù)，Surface type:Height－field;Interpolation:Enabled or Extrapolated［5］。將帶有地理參考信息的模型通過(guò)去除多余次要面及封閉模型2個(gè)步驟后，就可以利用體積量算功能來(lái)求解模型的體積了。圖6示出了2014年福貢縣城西面臘土底河一處的山體滑坡，利用PhotoScan Pro對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)所獲得的0.05 m高分辨率影像進(jìn)行處理，結(jié)合體積量算功能快速估算滑坡體方量?；麦w體積由坍塌的土方量與地表堆積的土方量相加而得。

圖6 滑坡體影像(左:滑坡區(qū)域;右:體積量算界面)Fig.6 Landslide image

從圖6可以看出，估算的體積為78 173 m3左右。從滑體的方量大小看，屬于大型滑坡。

3.3 運(yùn)用地面點(diǎn)云分類功能修正DOM錯(cuò)誤

利用地面點(diǎn)云分類功能糾正拼接后房屋扭曲現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)密集點(diǎn)云的自動(dòng)或手工方式將房屋、水域等地物進(jìn)行分類，用于重建網(wǎng)格并生成新的DTM，最終輸出新的DEM和 DOM［6］。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)影像主要內(nèi)容為村莊和山林混雜時(shí)，自動(dòng)分類效果不會(huì)很理想，此時(shí)需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行人工分類，這將會(huì)花費(fèi)許多時(shí)間。在應(yīng)急測(cè)繪保障時(shí)，取而代之的是屏蔽所有無(wú)錯(cuò)誤單片，僅重新輸出錯(cuò)誤位置所在單片的DOM，再利用這張DOM進(jìn)行替換的方法來(lái)處理影像扭曲問(wèn)題。圖7就是利用此方法對(duì)“5·24”盈江地震蘇典鄉(xiāng)房屋拼接錯(cuò)誤進(jìn)行改正的例子。

圖7 盈江影像拼接錯(cuò)誤修正Fig.7 Yingjiang imagemosaic error correction

4 影像處理效果評(píng)價(jià)

以元陽(yáng)老集寨無(wú)人機(jī)影像為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)PhotoScan Pro軟件與其他比較成熟的同類后期軟件如IPS與PPSG的處理效果進(jìn)行了對(duì)比。攝區(qū)囊括了云南省地形的絕大部分特征，航帶之間旋偏角很大，有航攝漏洞;總體旁向重疊率在10%～90%間;除此之外，地表還存在大面積植被覆蓋。

測(cè)試結(jié)果表明，3款軟件均具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。表1列出了不同軟件的影像處理時(shí)間。

表1 老集寨無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)處理時(shí)間的比較Tab.1 Processing time of Laojizhai UAV data(min)

從表1可以看出，PhotoScan Pro的處理時(shí)間較短，主要與該軟件不需進(jìn)行單片畸變處理而只需要整理POS數(shù)據(jù)有關(guān)。

其次比較精度，如表2所示，選擇像控點(diǎn)50點(diǎn)，檢查點(diǎn)抽取10點(diǎn);檢查點(diǎn)抽取分布原則為測(cè)區(qū)內(nèi)部均勻分布，隨機(jī)抽取。

表2 老集寨無(wú)人機(jī)影像數(shù)據(jù)的平差結(jié)果Tab.2 Adjustment results of Laojizhai UAV data

3款軟件均能滿足《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量空中三角測(cè)量規(guī)范》(GB23236—2009)中對(duì)精度的要求。但3款軟件各具優(yōu)缺點(diǎn)。PhotoScan Pro與IPS的處理速度較快，但I(xiàn)PS是全英文系統(tǒng)且不支持掩模功能，在易用性與應(yīng)急處理能力上有所欠缺;PhotoScan Pro缺乏正射影像編修和直接三維點(diǎn)云環(huán)境支撐下的瀏覽量測(cè)能力，而PPSG又恰好能彌補(bǔ)這點(diǎn)不足。

前面已經(jīng)提到，在應(yīng)急測(cè)繪保障服務(wù)中首要的是時(shí)間保障，之所以在結(jié)果比較中加上交互式空三處理，也主要是為了添加像控點(diǎn)后評(píng)定軟件處理精度所需。在應(yīng)急測(cè)繪保障中，這個(gè)步驟通常是不具備實(shí)施的條件的。一般處理得到的影像結(jié)果為具有WGS－84地理坐標(biāo)信息的可量測(cè)影像，所以就應(yīng)急航攝而言，PhotoScan Pro這款軟件無(wú)疑是首選。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)PhotoScan Pro軟件SfM三維重建方法的理解，配合PhotoScan Pro的優(yōu)缺點(diǎn)，有針對(duì)性地制定出了無(wú)人機(jī)在應(yīng)急航拍中影像處理的快速流程和一般快速流程。面對(duì)實(shí)際應(yīng)急救災(zāi)中所遇到的困難，對(duì)軟件中的各項(xiàng)功能進(jìn)行充分合理運(yùn)用，并由此改變了無(wú)人機(jī)航線設(shè)計(jì)的方法。其中利用PhotoScan Pro中掩模功能，并配合與之相應(yīng)的非常規(guī)航線設(shè)計(jì)方法，利用DEM輸出單張DOM來(lái)改正有拼接錯(cuò)誤影像的方法均是在實(shí)際作業(yè)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，并在多次應(yīng)急測(cè)繪保障服務(wù)中得到了較好的應(yīng)用效果，解決了應(yīng)急救災(zāi)中對(duì)時(shí)間和影像質(zhì)量的雙重需求。除此之外，現(xiàn)階段計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)對(duì)攝影測(cè)量產(chǎn)生革命性的影響，許多類似優(yōu)秀的軟件也孕育而生，如IPS和PPSG等，它們都各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。如何發(fā)揮各種軟件的長(zhǎng)處，進(jìn)一步提高PhotoScan Pro與其他軟件的綜合應(yīng)用，還需要進(jìn)行更深入研究。

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