地震應(yīng)急無人機影像處理軟件對比研究

賀 專

地震應(yīng)急無人機影像處理軟件對比研究

賀 專

相比于傳統(tǒng)的航攝軟件的龐大，針對于無人機的智能化、輕量化影像處理軟件的發(fā)展十分迅速，不需要專業(yè)知識也能操作，方便了它們的行業(yè)應(yīng)用。本文選取了三款常用軟件Pix4d、Photoscan、Smart3d進(jìn)行評價，以大疆精靈3獲取的1個架次209張照片作為實驗數(shù)據(jù)，從處理流程、耗時、正射影像圖、三維模型等方面對這三款軟件進(jìn)行對比研究。研究表明在耗時方面，從低到高依次是Pix4d、Photoscan、Smart3d；在生成正射影像圖方面適合用Pix4d、Photoscan；在生成三維模型方面適合用Smart3d。

Pix4d Photoscan Smart3d 地震 無人機

1 引言

無人機在地震應(yīng)急遙感中發(fā)揮著越來越重要的作用。地震發(fā)生后，需要快速地獲取災(zāi)情信息，傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感手段的機動性可能不如無人機。無人機到達(dá)目的地以后，能快速展開和起飛作業(yè)，且能在云層以下拍攝，獲取的影像清晰無遮擋、分辨率較高。在無人機影像后期處理軟件的幫助下，不但能獲取到災(zāi)區(qū)的正射影像圖，而且可以對災(zāi)區(qū)進(jìn)行三維建模，因此在道路勘察、滑坡和堰塞湖監(jiān)測、房屋損失評估等方面具有很大的應(yīng)用前景。近年來，以大疆為代表的民用無人機市場的爆發(fā)，加快了無人機的智能化進(jìn)程，操作簡單、成本低、便于攜帶等優(yōu)勢更是加快了無人機在地震應(yīng)急行業(yè)中的應(yīng)用。

適用于無人機影像處理軟件的發(fā)展也十分迅速。相較于以往一些龐大的、繁雜的、需要專業(yè)知識的遙感影像處理軟件，如今市面上已經(jīng)出現(xiàn)一批專門針對無人機影像處理的商用軟件，諸如Pix4d、Photoscan、Smart3d等。 這 些軟件智能化程度高，人工干預(yù)少，不需要相關(guān)專業(yè)知識就能操作，甚至不需要地面控制點，也能產(chǎn)出有效的成果。

三款軟件各有優(yōu)勢，本文通過選取同一組測區(qū)數(shù)據(jù)，使用它們進(jìn)行處理，然后從正射影像圖、三維模型、耗時等方面對它們進(jìn)行對比研究。

2 測區(qū)數(shù)據(jù)

測區(qū)選在國家地震緊急救援訓(xùn)練基地，位于北京西郊鳳凰嶺。基地是國家和省級地震災(zāi)害緊急救援隊進(jìn)行專業(yè)技能訓(xùn)練的場地，擁有餡餅狀倒塌建筑、斜樓等多種地震模擬廢墟，適合進(jìn)行此次地震應(yīng)急航拍工作。

表1 無人機參數(shù)表

表2 相機參數(shù)表

采用的機型為大疆精靈3（DJI Phantom 3 Advanced），電池續(xù)航時間約23分鐘，最大飛行速度16m/s。搭載的相機型號為DJI FC300S，焦長3.61mm（35mm等效焦距20mm），圖像尺寸4000×3000，像元大小1.56μm。

適用于大疆的自主航線規(guī)劃及飛行的免費軟件有Altizure、DJI GS Pro等，可安裝在Ipad上運行。本試驗采用Altizure，只需輕點屏幕劃定飛行區(qū)域、設(shè)置航高、重疊率、相機等參數(shù)后，就能智能規(guī)劃飛行航線，控制無人機自動起飛并執(zhí)行航拍任務(wù)。

本次試驗航向重疊率為86%，旁向重疊率為76%，相對航高為108m。合適的飛行計劃能避免疏漏，為了達(dá)到更精細(xì)的三維建模，重疊率可以適當(dāng)提高。現(xiàn)場獲取完數(shù)據(jù)后，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊度的快速檢測，若不滿足要求，則要重新采集或者補點。

試驗總共獲得209張照片，照片的EXIF元數(shù)據(jù)中包含有GPS標(biāo)簽（經(jīng)度、緯度、高程），軟件會自動讀取并作為三維建模的依據(jù)。影像數(shù)據(jù)集相關(guān)的信息如表3所示。為模擬地震應(yīng)急航拍場景，不設(shè)置地面控制點（GCP)。

三款軟件使用同一個工作站進(jìn)行影像處理，使用GPU（圖形處理器）能加快圖形計算處理，工作站的參數(shù)如表4。

3 處理流程

3.1 Pix4d

Pix4d是一家瑞士公司的軟件，它的最大特點是一鍵處理，無需人工干預(yù)，可全自動地生成結(jié)果。內(nèi)置相機參數(shù)數(shù)據(jù)庫，能從照片EXIF中自動識別出對應(yīng)的相機參數(shù)（相機型號、像主點、焦距等），且支持不同架次、不同相機的數(shù)據(jù)同時處理。輸入只需要照片和GPS坐標(biāo)即可拼圖，甚至無pos坐標(biāo)也能出結(jié)果，可不加地面控制點（GCP）。在初始化處理中，Pix4d可自動進(jìn)行空三、區(qū)域網(wǎng)平差和相機檢校，有高精度處理和快速處理兩種模式可供選擇，在快速處理模式下，幾分鐘內(nèi)即可生成精度報告，可評估原始影像的質(zhì)量、預(yù)覽正射圖結(jié)果和DEM結(jié)果，特別有利于快速檢查應(yīng)急測區(qū)是否完全覆蓋、重疊度是否符合要求。Pix4d支持GPU加速，在“選項”-“資源”里勾選所有內(nèi)存、CPU、GPU即可達(dá)到最大處理性能。經(jīng)過點云加密后，可生成高精度的正射影像圖和數(shù)字表面模型DSM。最后還能使用鑲嵌圖編輯器修改正射影像圖。

表3 影像數(shù)據(jù)集

表4 工作站參數(shù)表

圖1 Altizure航線規(guī)劃

圖2 航跡&航拍點

3.2 Photoscan

Photoscan是俄羅斯Agisoft公司的一款基于影像自動生成高質(zhì)量三維模型的軟件，它采用SFM（Structure Form Motion）算法，無需地面控制點，只要導(dǎo)入照片及對應(yīng)的GPS信息即可。若無GPS信息也能進(jìn)行處理。它的處理過程也是自動化的，自動對齊照片，生成密集點云、網(wǎng)格、紋理，只不過執(zhí)行每一個步驟之前需要稍微進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)置。Photoscan最后的正射圖沒有鑲嵌修改功能。開始處理前可在“工具”-“偏好設(shè)置”-“OpenCL”中勾選啟用GPU。

3.3 Smart3d

Smart3d是法國公司的一款軟件產(chǎn)品，它基于圖形運算單元（GPU）進(jìn)行三維場景運算，能從簡單連續(xù)影像中運算生成超高密度點云，并在真實影像紋理的基礎(chǔ)上生成高分辨率的三維模型。不同于前兩款軟件，Smart3d是要先生成三維模型，然后才能生成正射影像圖。為了更精細(xì)地建模，Smart3d要求航向重疊率為80%以上、旁向重疊率為50%以上。

表5 Pix4d處理流程和參數(shù)設(shè)置

表6 Photoscan處理流程和參數(shù)設(shè)置

表7 Smart3d處理流程和參數(shù)設(shè)置

表8 質(zhì)量精度報告參數(shù)對比

4 結(jié)果對比分析

從三款軟件的質(zhì)量精度報告中提取有關(guān)參數(shù)對比如表8所示。第一項重投影誤差（Reprojection error）越小，精度越高。地面分辨率越高，影像越清晰。耗時是按完整生成正射影像圖和三維模型的全部時間來計算的（此實驗在一臺機子上運行，實際中可以通過拆分任務(wù)，或使用同一局域網(wǎng)的多臺機子集群運行，以加快處理速度）。

由表8可看出Pix4d誤差最小、分辨率較高、出圖最快；Photoscan分辨率高，可誤差較大，出圖速度僅次于Pix4d；Smart3d誤差尚可，地面分辨率尚可，但耗時最久，不利于地震應(yīng)急快速產(chǎn)出正射影像圖，但它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三維建模。

三款軟件產(chǎn)出的正射影像圖對比如下：

正射影像圖對比結(jié)果：Pix4d出圖快、誤差小、效果好；Photoscan圖的四周區(qū)域間雜有黑色圓形缺塊；Smart3d生成的正射影像圖是多個分塊了的文件，需另外使用ArcGIS進(jìn)行拼接鑲嵌形成一整張的大圖。

圖3（a） Pix4d正射影像圖

圖3（b） Photoscan正射影像圖

圖3（c） Smart3d正射影像圖

正射影像圖局部對比如下：

圖4（a） Pix4d正射圖局部

圖4（b） Photoscan正射圖局部

圖4（c） Smart3d正射圖局部

正射影像圖局部對比結(jié)果∶Pix4d在屋頂邊沿處會有拉花，這是由于邊沿處有高程落差，若三維計算量少的話，細(xì)節(jié)顯現(xiàn)不出，后期可用Pix4d自帶的鑲嵌圖編輯器進(jìn)行修改完善；Photoscan在屋頂邊沿處有水紋狀的過渡，效果要好一些，后期不帶鑲嵌修改功能；Smart3d是勻色了的，屋頂邊沿也有水紋狀的過渡，效果尚可。

三維模型對比如下：

圖5（a） Pix4d三維模型

圖5（b） Photoscan三維模型

圖5（c） Smart3d三維模型

三維模型對比結(jié)果：由于此次試驗數(shù)據(jù)采用的是單鏡頭單趟拍攝，沒有采用傾斜攝影，所以房屋側(cè)面信息不足。其中，Pix4d三維效果尚可，可是缺少側(cè)面結(jié)構(gòu)，有紋理空洞；Photoscan三維效果較為清晰，可同樣缺少側(cè)面結(jié)構(gòu)，有紋理扭曲，個別地方變形嚴(yán)重；Smart3d三維效果最好，輪廓清晰、局部紋理精細(xì)。

三維局部對比如下：

圖6（a） Pix4d三維局部

圖6（b） Photoscan三維局部

由三維局部圖對比可得出，Pix4d三維表現(xiàn)尚可，樓梯無變形、右側(cè)墻紋理有空洞；Photoscan三維建模樓梯有變形扭曲、右側(cè)墻紋理不夠精確；Smart3d三維表現(xiàn)最好，樓梯無變形、右側(cè)墻紋理清晰。

圖6（c） Smart3d三維局部

5 結(jié)論

本文以國家地震緊急救援訓(xùn)練基地的大疆無人機影像為例，對Pix4d、Photoscan、Smart3d三款軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理實驗，從處理流程、成果質(zhì)量、耗時、正射影像圖、三維模型等方面對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：

（1）三款軟件都具有完整的無人機影像處理功能，成果質(zhì)量均能滿足地震應(yīng)急所需；耗時從低到高依次是Pix4d、Photoscan、Smart3d；軟件操作的步驟大部分具有較高的自動化水平，甚至在所有設(shè)置都為默認(rèn)的情況下，Pix4d能一鍵處理。Photoscan設(shè)置可選多一些，方便進(jìn)行精度控制。

（2）對于正射影像圖，建議采用Pix4d和Photoscan，耗時較短，能快速獲取大面積的地震災(zāi)情影像圖。尤其是Pix4d額外還具有快速拼圖的功能。

（3）對于三維模型，建議采用Smart3d，建模精細(xì)，有利于進(jìn)行房屋受損、山體滑坡等評估工作。Smart3d三維建模紋理精細(xì)、無變形；Pix4d三維表現(xiàn)尚可，紋理有缺失、無變形；Photoscan紋理有缺失、有變形。

作者單位：中國地震應(yīng)急搜救中心

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