幾種無人機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影像處理能力，本文在同等硬件環境和相同數據的條件下，對PixelGrid、DPGrid、PHOTOMOD、Inpho、IPS生成正射影像圖的效率和質量進行了比較，并對比較結果及各軟件的特點進行了探討。

關鍵詞：數字正射影像圖(DOM)制作；質量；效率；對比

無人機航攝相對于傳統航攝具有環境適應性強、快速機動靈活的優點，在應急救災、高分辨率影像制作領域有著廣闊的應用前景。但由于飛行姿態不穩定、航片角較大、裝載非專業數碼相機、小像幅小基高、存在像點位移等原因，無人機影像處理對處理軟件的處理能力和穩定性具有特殊的要求。目前國內較為常用的無人機影像處理軟件主要有：PixelGrid4.0、DPGrid、PHOTOMOD5.3、Inpho5.7、IPS4.0。PixelGrid是中國測繪科學研究院研發的集航空攝影測量、無人機航測、衛星影像遙感及衛星雷達遙感等數據后處理于一體的綜合應用系統，主要有如下優點：①多核多線程的影像處理技術，可對批量影像進行畸變糾正、格式轉換、旋轉翻轉、灰度增強等操作；②基于SIFT算法的快速匹配技術，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，較傳統的PATB平差有改進。DPGrid是武漢大學遙感信息工程學院研發的航空攝影測量、無人機航測的綜合應用平臺，主要有如下優點：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與現有立體測圖設備及軟件結合緊密。PHOTOMOD系列軟件產品是俄羅斯Racurs公司的集航空攝影測量、無人機航測、傾斜攝影測量、近景攝影測量、衛星影像遙感及衛星雷達遙感等數據后處理于一體的綜合應用系統，主要有如下優點：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，可以全面系統地處理航測遙感、激光、雷達等數據，主要有如下優點：①高精度的空三加密模塊，便捷的空三分區操作；②UASMaster模塊是專門針對無人機影像處理的高效模塊；③分布式處理與多線程并發運算；④可由DSM直接生成DOM。IPS是卡洛斯公司的推出的全數字攝影測量工作站系統，它能夠快速、 準確地處理航拍圖像數據，主要有如下優點：①高效率的空三加密模塊，支持超大數據量的區域網平差；②強大的勻色模塊，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，即設置完工程后可以一鍵式得到最終的數字正射影像圖。本文以相同范圍內的無人機影像為對象，對軟件的主要性能尤其是影像質量和處理效率進行考察。

一、總體思路

測試的總體思路是采用相同的硬件平臺、數據、標準對軟件的執行效率、硬件利用率等進行評測。

1. 硬件平臺

鑒于各軟件對硬件需求不同，為保證測試效果，充分發揮當前軟件的能力，保證各軟件對當前主流硬件充分利用的能力，統一采用了同一個高性能硬件平臺，硬件平臺的具體參數見表1。

2. 數據情況

從標準流程和應急出圖兩個方面考慮，測試選取2個數據區域：一為廣東某島全域，用來測試常規數字正射影像生產；另一塊為汕頭市應急區洪災應急影像數據，用來測試軟件的應急快速處理能力。數據區域概況見表2。

表1　測試平臺硬件

表2　數據區域概況圖

3. 對比指標

根據前期設計，測試的主要指標設計敘述如下。

數據準備階段：主要測試數據準備的簡易性，是否必須進行影像畸變改正。

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據準備、空三測量和正射鑲嵌3大部分組成。其中，數據準備包括相機文件、POS文件的編輯，影像畸變等操作。空三測量包括影像匹配、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，對數據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)仍需要交互編輯。DEM的交互編輯關系到作業效率和成果的精度。利用DEM進行單張像片的正射糾正，然后進行鑲嵌操作將單張像片拼接成大幅正射影像成果。

根據前期設計，主要的數據處理流程如圖1所示。

圖1　數據處理流程示意圖

依軟件設計的不同，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則在無人機空三算法方面有著較高的效率，DPrid則在數據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作為一個整體進行數據測試。具體細節如下：①利用PixelGrid對航空影像數據進行匹配，內業先進行初步分區和自由網平差，并據此進行像控設計；②按照像控設計結果，進行像控點外業選刺、觀測、計算和資料整理；③內業在自由網平差基礎上，加入像片控制測量成果進行空中三角測量的區域網平差并輸出空中三角測量最終成果；④根據空中三角測量最終成果使用DPGrid進行后續處理，生成并編輯DEM、DOM。這個版本的PixelGrid采用的是多線程匹配，單線程空三轉點，處理慢而且單區匹配片數不能過大，導致最后測試區分區過多，

接邊工作量太大，整體效率和色調一般。

PHOTOMOD將數據劃分為3個工程區域，在本測試中，將數據處理過程分為以下5部分：①根據項目數據和軟件特點構建3個測區；②利用多線程和GPU輔助加速對測區影像進行匹配，添加控制點，平差；③點云提取、濾波、生成DEM；④利用GPU加速對單張航片進行正射糾正；⑤利用GPU加速對影像進行拼接、勻光勻色，并劃分片區出圖。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運算迭代循環，平差錯誤不容易剔除。

Inpho將數據劃分為一個整區，采用虛擬子區匹配、分區合并的方式，在軟件匹配上成功率上有較大優勢。另外INPHO采用的是根據影像顏色分布可以進行人工調整進行，成圖效果是對比軟件中效果最好的，更接近真實色彩。然而該版本Inpho所有模塊不支持超過16線程運算，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，對于高差太大地區存在匹配效果較差等不足。

IPS將數據劃分為一個整區，利用CPU+GPU硬件全加速對整區進行匹配。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，無法實現對于濾波效果不好的地區進行實時編輯，同時IPS后處理與其他軟件對接尚不夠完善，有待加強。數據效率和精度統計結果的具體情況見表3、表4。

表3　效率統計表　h

三、分析與比較

根據工作流程，從以下幾個方面對各軟件進行了橫向對比和評價。

1. 軟件功能及流程設計對比

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

表4　精度統計表　m

注：中誤差統計采用野外實測的控制點為基準。

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在CPU、內存、顯卡GPU的利用率上，在單位時間內對其利用率越高，處理效率也越高。

數據處理效率包括數據準備的效率、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

利用實測的野外控制點對各軟件制作的數字正射影像圖進行檢測，并統計點位中誤差。

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。橫向對比的結果見表5。

表5　性能橫向比較表

四、結論

通過實際測試可以得出以下結論：

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方面的研究工作。E-mail：273126148@qq.com

中圖分類號：P23

文獻標識碼：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.