PhotoScan Pro軟件在無人機應急航攝中的應用

趙云景，龔緒才，杜文俊，周 力

(云南省基礎測繪技術中心，昆明 650034)

0 引言

云南省是自然災害多發、頻發的省份之一。頻繁的自然災害造成了巨大的人民生命和財產損失。利用無人機的機動靈活、航攝周期短等優勢可以快速獲取相關影像，為災區的災害排查和人員施救提供直接有效的數據。但是，如果采用傳統攝影測量軟件對無人機影像進行后期處理，則對航線敷設、飛行控制及影像質量等有嚴格要求;同時，在自然災害發生的地區，客觀上也會存在諸如天氣與地形等和航攝有關的不利條件，這將導致影像的后期處理時間過長，影響無人機影像時效性的發揮。如何克服這些困難，并能在第一時間內獲取災區可靠的影像數據，本文通過救災實例，結合PhotoScan Pro軟件自身功能特點和非常規的航線設計，總結出了一些無人機應急航攝數據處理的經驗和方法;最后，通過對多款無人機航攝軟件應用的比較，認為PhotoScan Pro軟件的數據處理效果較好。

1 PhotoScan Pro簡介

PhotoScan Pro是一款基于計算機視覺自動進行三維重建的軟件。該軟件在應用時無需設置初始值，無需相機檢校和控制點數據，依據最新的計算機多目視覺影像三維重建技術，就可以對具有影像重疊的照片進行處理;也可以通過給予的控制點生成真實坐標的三維模型。無論是航攝像片還是高分辨率數碼相機拍攝的影像，都可以使用該軟件進行處理。整個工作流程都是完全自動化的［1］。具體來說，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空三處理;具有影像掩模添加、畸變去除等功能，能夠順利處理非常規的航線數據或包含航攝漏洞的數據;同時它還支持多核、多線程CPU運算，支持GPU加速運算，支持數據分塊拆分處理，高效快速地處理大數據;除此之外，軟件操作簡單，容易掌握。

PhotoScan Pro與傳統航攝軟件最顯著的區別在于它使用的是運動信息中恢復三維場景結構(structure from motion，SfM)的方法。SfM三維重建的主要過程如下:

1)利用SIFT［2］算子從每張影像上提取特征點并獲取其對應的Descriptor;

2)根據POS或其他約束關系選出可能具有重疊關系的像對;

3)對每一像對 Descriptor進行匹配，并使用RANSAC算法［3］進行粗差剔除，消除誤匹配;

4)根據計算機多目視覺原理，將各像對匹配的同名像點連接統一起來，在逐次平差迭代過程中，剔除粗差，估算出視覺場景中相機和由匹配點形成的稀疏點云的相對位置;

5)結合相機的GPS和像控點的位置坐標，通過Damped Least－Squares(DLS)算法來獲取相機和稀疏點云的真實空間位置。

2 影像處理流程

根據PhotoScan Pro特點制定的無人機航攝應急影像數據的處理流程如圖1所示。

圖1 數據快速處理(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))，將不再執行點云密集匹配步驟，SfM重建后便利用稀疏點云建立地形格網模型，通過格網DEM輸出DOM，以最快速度對無人機應急航拍影像進行拼接處理;在一般快速處理流程中(圖1(右))進行了密集匹配，通過對密集點云的分類編輯修正導出DOM的拼接錯誤，對影像拼接質量有嚴格要求時可采用此方法。

3 影像處理方法

3.1 運用掩模拼接影像

PhotoScan Pro的掩模功能可以避免因影像大面積遮擋而無法進行自動拼接的問題，這是其他傳統攝影測量軟件所不具備的功能。

自然災害突發時，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，天空經常會出現高度不足300 m的散云，影響航攝影像的質量。以2014年“5·24”盈江地震的應急航拍為例(圖2)，同航線上連續2張受災城鎮的影像均有散云遮擋(稱影像“進云”現象)，拍攝時遇到這樣的情況一般采取的方法是:

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

1)在航攝區域的同位置采用多次往返航線設計和拍攝，如圖3所示。在設計航線時只需要保證一定的航向及旁向重疊即可。

圖3 非常規應急航線設計Fig.3 Unconventional emergency routes design

2)利用PhotoScan Pro逐一對單張照片中的云霧進行掩模，如圖4所示;再按照PhotoScan Pro生成DOM與DEM的操作流程來進行［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的實例。火情是以道路圖層作為空間位置參考來判斷的。

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，采用其他攝影測量軟件拼接的影像在質量上明顯要差。采用PhotoScan Pro軟件拼接的影像雖然會出現部分空洞，但地物影像在空間位置上不會出現重大偏差，對于過火面積的估算和火災防范都具有很高的參考價值。

運用PhotoScan Pro的掩模功能可以處理“進云”影像，它對單獨影像云層覆蓋率沒有特別要求，只需要通過不同時間對相同地區進行多次拍攝，最終達到影像內容能夠拼湊成一個完整影像目的即可。在實際作業中，云層或煙霧覆蓋率達到80%的單片依然參與計算。在掩模的編輯上，軟件提供人工圈定和自動圈定2種方式，整個添加掩模的時間與進云的單片數量成反比。在實際工作中，除了特殊情況，一般進云的影像在整個架次中所占的比重都是很小的，對比采用降低飛行高度或者等天氣好后重新航拍等方法來說，效率上無疑是大大提高了。

3.2 運用體積量算功能測量模型體積

使用此功能前，需要首先利用PhotoScan Pro生成該區域的三維模型。在生成格網時，需采用以下參數，Surface type:Height－field;Interpolation:Enabled or Extrapolated［5］。將帶有地理參考信息的模型通過去除多余次要面及封閉模型2個步驟后，就可以利用體積量算功能來求解模型的體積了。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對四旋翼無人機所獲得的0.05 m高分辨率影像進行處理，結合體積量算功能快速估算滑坡體方量。滑坡體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 運用地面點云分類功能修正DOM錯誤

利用地面點云分類功能糾正拼接后房屋扭曲現象。通過對密集點云的自動或手工方式將房屋、水域等地物進行分類，用于重建網格并生成新的DTM，最終輸出新的DEM和 DOM［6］。在實際應用中，當影像主要內容為村莊和山林混雜時，自動分類效果不會很理想，此時需要對點云進行人工分類，這將會花費許多時間。在應急測繪保障時，取而代之的是屏蔽所有無錯誤單片，僅重新輸出錯誤位置所在單片的DOM，再利用這張DOM進行替換的方法來處理影像扭曲問題。圖7就是利用此方法對“5·24”盈江地震蘇典鄉房屋拼接錯誤進行改正的例子。

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

4 影像處理效果評價

以元陽老集寨無人機影像為實驗數據，對PhotoScan Pro軟件與其他比較成熟的同類后期軟件如IPS與PPSG的處理效果進行了對比。攝區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。

測試結果表明，3款軟件均具有較強的數據處理能力。表1列出了不同軟件的影像處理時間。

表1 老集寨無人機影像數據處理時間的比較Tab.1 Processing time of Laojizhai UAV data(min)

從表1可以看出，PhotoScan Pro的處理時間較短，主要與該軟件不需進行單片畸變處理而只需要整理POS數據有關。

其次比較精度，如表2所示，選擇像控點50點，檢查點抽取10點;檢查點抽取分布原則為測區內部均勻分布，隨機抽取。

表2 老集寨無人機影像數據的平差結果Tab.2 Adjustment results of Laojizhai UAV data

3款軟件均能滿足《數字攝影測量空中三角測量規范》(GB23236—2009)中對精度的要求。但3款軟件各具優缺點。PhotoScan Pro與IPS的處理速度較快，但IPS是全英文系統且不支持掩模功能，在易用性與應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云環境支撐下的瀏覽量測能力，而PPSG又恰好能彌補這點不足。

前面已經提到，在應急測繪保障服務中首要的是時間保障，之所以在結果比較中加上交互式空三處理，也主要是為了添加像控點后評定軟件處理精度所需。在應急測繪保障中，這個步驟通常是不具備實施的條件的。一般處理得到的影像結果為具有WGS－84地理坐標信息的可量測影像，所以就應急航攝而言，PhotoScan Pro這款軟件無疑是首選。

5 結論

本文通過對PhotoScan Pro軟件SfM三維重建方法的理解，配合PhotoScan Pro的優缺點，有針對性地制定出了無人機在應急航拍中影像處理的快速流程和一般快速流程。面對實際應急救災中所遇到的困難，對軟件中的各項功能進行充分合理運用，并由此改變了無人機航線設計的方法。其中利用PhotoScan Pro中掩模功能，并配合與之相應的非常規航線設計方法，利用DEM輸出單張DOM來改正有拼接錯誤影像的方法均是在實際作業中總結的經驗體會，并在多次應急測繪保障服務中得到了較好的應用效果，解決了應急救災中對時間和影像質量的雙重需求。除此之外，現階段計算機視覺技術已經對攝影測量產生革命性的影響，許多類似優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缺點。如何發揮各種軟件的長處，進一步提高PhotoScan Pro與其他軟件的綜合應用，還需要進行更深入研究。

［1］ 中測瑞格測量技術(北京)有限公司.Agisoft Photoscan攝影測量與建模軟件——基于數碼影像的三維模型重現［EB/OL］.［2014－06－01］.http://www.ilidar.com/productdetail.aspx?Id=134＆ac=product＆pid=345.RedChina Geosystems Group(Beijing)Co.，Ltd.Agisoft Photoscan photogrammetry and modeling software——structure based on digital imaging［EB/OL］.［2014－06－01］.http://www.ilidar.com/productdetail.aspx?Id=134＆ac=product＆pid=345.

［2］ 宋 丹.尺度不變特征變換匹配算法［EB/OL］.http://www.doc88.com/p－49613031067.htm l［2011］.Song D.Scale invariant feature transform［EB/OL］.http://www.doc88.com/p－49613031067.htm l［2011］.

［3］ Fischler M A，Bolles R.隨機采樣一致算法——一種新的可適用于影像分析和制圖的模型擬合算法［J］.計算機輔助施工管理，1981，24(6):381－395.Fischler M A，Bolles R C.Random sample consensus:A paradigm formodel fittingwith applications to image analysis and cartography［J］.CACM，1981，24(6):381－395.

［4］ Agisoft入門教程:運用Agisoft PhotoScan專業版軟件生成正射影像和數字高程模型(無控制點)［EB/OL］.［2014－06－01］.http://www.agisoft.ru/tutorials/photoscan/05/.Agisoft tutorial for beginners:Orthophoto＆DEM generation(without GCPs)with Agisoft photoScan Professional［EB/OL］.［2014－06－01］.http://www.agisoft.ru/tutorials/photoscan/05/.

［5］ 運用Agisoft PhotoScan專業版軟件進行面積與體積量算［EB/OL］.［2014－06－01］.http://www.agisoft.ru/tutorials/photoscan/03/.Agisoftarea＆volumemeasurementswith Agisoft photoscan professional［EB/OL］.［2014－06－01］.http://www.agisoft.ru/tutorials/photoscan/03/.

［6］ 運用Agisoft PhotoScan專業版軟件進行密集點云分類和生成數字地面模型［EB/OL］.［2014－06－01］.http://www.agisoft.ru/tutorials/photoscan/08/.Agisoft dense cloud classification＆DTM generation with Agisoft photoscan professional［EB/OL］.［2014－06－01］.http://www.agisoft.ru/tutorials/photoscan/08/.