面向地震應急的UAV快拼軟件比較分析
——以遼寧大連城嶺村為例

于 浩，孔祥雪，馮 石，趙明朝，王萬寧

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

無人機遙感技術(shù)是利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應用技術(shù)完成自動化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源和環(huán)境等空間遙感信息，實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應用分析的一門應用技術(shù)。近年來小型消費級無人機以低成本、高效率、飛行靈活等優(yōu)勢迅速占領(lǐng)市場，現(xiàn)已在無人機在地形測繪中的應用研究（冉洪斌等）、旋翼無人機在建筑物抗震能力調(diào)查中的應用（和仕芳，鄧樹榮等）、海岸與冰川監(jiān)視（Bhardwaj等）等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的作用，無人機獨特的優(yōu)勢及應用領(lǐng)域的擴展，已成為研究的熱點課題。相較于以往無人機遙感影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)相對較差、像幅小、數(shù)量多、處理相對困難，無法在地震應急中快速提供成果，而如今無人機影像處理商用軟件發(fā)展迅猛、智能化程度大幅提高、人工干預少、實施部分項目無需地面控制點，這對應急保障無人機航攝數(shù)據(jù)高效率的后續(xù)處理提供了有力的技術(shù)支撐，也大大增加了無人機快速獲取地形數(shù)據(jù)的實用性。

本文選取了三款市場應用較為成熟的無人機商用拼圖軟件，三款軟件各有優(yōu)勢，通過實驗設計并結(jié)合地震應急現(xiàn)場與后方指揮平臺的實際使用需求，來完成擇優(yōu)選取前后方應用產(chǎn)品的工作任務。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)準備

1.1研究區(qū)域

本次研究區(qū)域選取遼寧省大連市長?？h大長山島鎮(zhèn)城嶺村為實驗場地開展飛行作業(yè)實驗，其經(jīng)度為122.527°E，緯度為39.295°N，此處屬于大長山島以西飛行開放區(qū)域，地形起伏變化較大，植被覆蓋范圍60～65%，區(qū)域測量范圍0.3177平方公里，研究區(qū)域視野開闊，衛(wèi)星信號不受干擾，人類活動較少，有利于開展無人機飛行采集實驗（圖1）。

圖1研究區(qū)位置Fig.1 The study area

1.2測區(qū)數(shù)據(jù)

本實驗使用大疆公司精靈4pro V2.0版無人機，按應用領(lǐng)域?qū)儆谛⌒拖M級無人機，無人機具體參數(shù)見表1，實驗采用智能飛行控制軟件DJI Pilot設置飛行參數(shù)，控制無人機自動起飛并執(zhí)行航拍任務，飛機姿態(tài)信息設置為飛行高度設置100m、飛行速度控制5m/s，為了進一步減少無人機GPS精度和相機平臺不穩(wěn)定造成的誤差，該實驗中把航向重疊率設置為80%，旁向重疊率設置為80%，主航向角度設置為0°邊距設置為20m，為模擬地震應急航拍場景，本次實驗不設置地面控制點（GCP），設置完成后按照地面無線電遙控指令上傳無人機自動開始航攝任務。

本次實驗影像數(shù)據(jù)獲取時間為2019年7月31日，天氣晴朗，風力3-4級，飛行架次1次，航線長度6125米，共采集308張照片（EXIF元數(shù)據(jù)包含GPS標簽），耗時30分鐘。

表1無人機參數(shù)表

2 研究內(nèi)容

本次實驗采用Pix4D、smart3D、photoscan三款成熟的無人機影像商用處理軟件，使用同一臺圖形處理工作站分別處理測區(qū)影像數(shù)據(jù)，通過生成質(zhì)檢報告比對處理流程、耗時、正射精度、三維建模四項任務指標，產(chǎn)出分析結(jié)果，完成擇優(yōu)選取前后方應用產(chǎn)品的工作任務。

2.1快拼軟件

Pix4Dmapper是結(jié)合豐富的遙感圖像處理、攝影測量及企業(yè)級空間信息等技術(shù)開發(fā)的全自動快速無人機數(shù)據(jù)處理軟件，其優(yōu)勢在于內(nèi)置大量相機參數(shù)數(shù)據(jù)庫，且支持不同架次、不同相機、不同高度的數(shù)據(jù)同時處理，處理過程中支持調(diào)用處理器內(nèi)核與內(nèi)存資源開展數(shù)據(jù)運算，智能化程度較高。Photoscan是由俄羅斯生產(chǎn)的自動生成正射影像圖的攝影測量處理軟件。其優(yōu)勢在于軟件對照片質(zhì)量要求低，在無須外方位元素和相機校準的前提下能夠順利完成像片對齊，拼接正射影像（DOM）。且支持全過程分布式計算；支持多相機計算；支持無人機數(shù)碼影像、傾斜影像等各類影像的自動空三處理；操作流程簡單容易上手。Smart3D是在圖形運算單元GPU的基礎上研發(fā)的一種快速建模產(chǎn)品。其能夠在圖片質(zhì)量滿足相關(guān)標準的前提下，自動化、快速地實施建模操作。同時其還能夠?qū)Χ喾N不同類型的數(shù)據(jù)成果進行輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)對多種數(shù)據(jù)源的兼容。其優(yōu)勢在于三維建模精度較高，但智能化程度較低，需要人工干預。

2.2處理流程

本實驗采用同一臺工作站進行影像處理工作，工作站參數(shù)如表2所示。

表2工作站參數(shù)表

2.2.1 Pix4Dmapper

Pix4dmapper影像處理流程為初始化處理—點云及紋理處理-DSM、正射影像指數(shù)設定—資源分配設定。首先導入原始影像數(shù)據(jù)及POS數(shù)據(jù)，定義輸出數(shù)據(jù)坐標系，軟件可自動識別相機型號，也可自定義相機參數(shù)，修改相機焦距、像主點等，在初始化處理中，特征點圖像比例選擇快速檢測，軟件可自動進行空三、區(qū)域網(wǎng)平差計算，點云紋理設置包括點密度、三維網(wǎng)格紋理數(shù)目、紋理大小、輸出格式設置，正射影像指數(shù)設置中包括分辨率、DSM計算方法、生成格式設置，資源分配設置包括可用于處理的最大資源設定（內(nèi)存、CPU線程、GPU開啟）等設置，最后快速生成正射影像圖和數(shù)字表面模型，后期可用鑲嵌圖編輯器對影像進行修改研究。處理流程與參數(shù)設置如表3所示。

表3 pix4D處理流程與參數(shù)

2.2.2 photoscan

Photoscan影像處理流程為對齊照片—建立密集點云—生成網(wǎng)格—生成紋理—Build orthomosaic。建立模塊導入影像數(shù)據(jù)，對齊照片中設置精度、成對預選、連接點限制選項，建立密集點云質(zhì)量設置為中等，深度設置輕度，生成網(wǎng)格設置表面類型、面數(shù)、啟用差值運算，生成紋理設置映射模式、紋理大小、數(shù)目等，正射影像輸出設置投影類型與混合模式。處理流程與參數(shù)設置如表4所示。

表4 photoscan處理流程與參數(shù)設置

2.2.3 smart3D

Smart3D軟件生成正射影像順序不同于其他軟件，需要空三運算建立三維模型后重建工程完成正射影像圖，其處理流程為新建工程—空三運算—重建模塊—產(chǎn)出正射影像圖。新建工程設置工程、照片檢查，空三運算設置配準與定位，重建模塊設置區(qū)域塊分割、精度、孔洞填充，產(chǎn)出設置影像格式。處理流程與參數(shù)設置如表5所示。

表5 smart3D處理流程與參數(shù)設置

3 結(jié)果對比

以三款軟件質(zhì)量精度報告為準，從中提取重投影誤差（Reprojection Error）、平均地面分辨率（GSD）、耗時（Time for orthomosaic generation）、建模精度、智能化程度五項指標對結(jié)果進行對比分析，各項參數(shù)對比參照表6（smart3D未作集群運算處理）。

表6三種軟件參數(shù)對比

實驗結(jié)果表明pix4D重投影誤差最小，精度最高，耗時最短，photoscan智能化程度最高，上手容易，精度誤差高，smart3D建模精度最高，精度、平均地面分辨率數(shù)值一般，耗時最長。正射影像局部對比中，pix4D屋頂存在拉花現(xiàn)象，后期需要編輯器進行修改完善，photoscan房屋存在拉花現(xiàn)象，真實性不足，本身軟件不帶有后期修復功能，需用第三方軟件進行修復。Smart3D自帶勻色效果，局部有波浪型畸變，效果一般（圖2-4）。

三維建模對比中，實驗采用數(shù)據(jù)為精靈4pro單鏡頭一個架次傾斜攝影單體建筑，采用智能飛行控制軟件DJI Pilot設置飛行參數(shù)，控制無人機自動起飛并執(zhí)行航拍任務，飛機姿態(tài)信息設置為飛行高度設置100m、飛行速度控制5m/s，因測試三維建模精度，所以針對單體建筑開展數(shù)據(jù)采集工作。由圖所見，pix4D三維建模存在紋理空洞，整體建模效果一般，smart3D三維效果整體感覺最好，輪廓清晰，紋理細節(jié)處理細致，photoscan三維建模效果一般，存在扭曲，個別地方存在嚴重變形，紋理效果不夠精細，需要后期開展修復工作（圖5-7）。

圖2 pix4D正射局部圖Fig.2 Pix4D normal local image

圖3 smart3D正射局部圖Fig.3 Smart3D normal local image

圖4 Photoscan正射局部圖Fig.4 Photoscan normal local image

圖5 pix4D三維模型局部Fig.5 Pix4D three-dimensional model locality

圖6 smart3D三維模型局部Fig.6 Smart3D three-dimensional model locality

圖7 photoscan三維模型局部Fig.7 Photoscan three-dimensional model locality

4 總結(jié)

本文以遼寧大連城嶺村無人機航攝數(shù)據(jù)為實驗數(shù)據(jù)，通過選取Pix4D、smart3D、photoscan三款無人機影像處理軟件，以處理流程、耗時、正射精度、三維建模等指標作為測試指標對三款軟件開展對比研究工作，研究結(jié)果表明：

（1）小型消費型無人機在飛控系統(tǒng)控制下的測量精度可達厘米級，無人機靈活、快速、精準的測量手段適用于地震應急現(xiàn)場與日常調(diào)研等工作。

（2）三款實驗軟件均具備完整的無人機遙感影像處理功能，但使用效果與使用效率優(yōu)劣明顯，pix4D重投影誤差小、地面精度高，耗時短，圖像處理過程智能化程度高，劣勢在于用戶對處理的影響有限，調(diào)整結(jié)果能力差，地形模型質(zhì)量生成有限，建模精度不高。Photoscan具備靈活的非線性處理工程，界面簡潔，支持外部擴展，成本較低。劣勢在于無法自動場景分割，高級功能較為繁瑣，軟件運行穩(wěn)定性差。smart3D建模精度高、格式支持豐富，但點冗余度高、資源消耗高、測區(qū)范圍較大時精度控制的難度較大，適用于相幅偏小的無人機數(shù)據(jù)。

（3）地震應急現(xiàn)場具有環(huán)境復雜、資源有限，人員流動性大，應急產(chǎn)品時效性高等特點，實驗表明pix4D占用資源小，軟件運行穩(wěn)定，智能化程度高，便于現(xiàn)場人員上手操作，產(chǎn)出圖件耗時最短，精度最高，在地震應急現(xiàn)場的使用效果與使用效率上優(yōu)于其他軟件，建議地震應急現(xiàn)場部署pix4D無人機數(shù)據(jù)處理平臺。

（4）地震應急后方指揮平臺具有資源豐富，產(chǎn)品展示度高、時效性高、數(shù)據(jù)實時分析等特點，實驗表明smart3D三維建模精細，搭載專業(yè)修模軟件便于快速開展房屋、道路、危險源等單體遙感影像評估工作。集群運算方式在使用效率上優(yōu)于其他軟件。建議地震應急后方指揮平臺主體圍繞smart3D軟件，配合pix4D軟件部署后方無人機數(shù)據(jù)處理平臺。