賀 專

地震應(yīng)急無(wú)人機(jī)影像處理軟件對(duì)比研究

賀 專

相比于傳統(tǒng)的航攝軟件的龐大，針對(duì)于無(wú)人機(jī)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(shí)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(píng)價(jià)，以大疆精靈3獲取的1個(gè)架次209張照片作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從處理流程、耗時(shí)、正射影像圖、三維模型等方面對(duì)這三款軟件進(jìn)行對(duì)比研究。研究表明在耗時(shí)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(wú)人機(jī)

1 引言

無(wú)人機(jī)在地震應(yīng)急遙感中發(fā)揮著越來(lái)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(jī)動(dòng)性可能不如無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)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(wú)遮擋、分辨率較高。在無(wú)人機(jī)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(duì)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(cè)、房屋損失評(píng)估等方面具有很大的應(yīng)用前景。近年來(lái)，以大疆為代表的民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的爆發(fā)，加快了無(wú)人機(jī)的智能化進(jìn)程，操作簡(jiǎn)單、成本低、便于攜帶等優(yōu)勢(shì)更是加快了無(wú)人機(jī)在地震應(yīng)急行業(yè)中的應(yīng)用。

適用于無(wú)人機(jī)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(shí)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(duì)無(wú)人機(jī)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(shí)就能操作，甚至不需要地面控制點(diǎn)，也能產(chǎn)出有效的成果。

三款軟件各有優(yōu)勢(shì)，本文通過(guò)選取同一組測(cè)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(shí)等方面對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比研究。

2 測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)

測(cè)區(qū)選在國(guó)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(guó)家和省級(jí)地震災(zāi)害緊急救援隊(duì)進(jìn)行專業(yè)技能訓(xùn)練的場(chǎng)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(wú)人機(jī)參數(shù)表

表2 相機(jī)參數(shù)表

采用的機(jī)型為大疆精靈3（DJI Phantom 3 Advanced），電池續(xù)航時(shí)間約23分鐘，最大飛行速度16m/s。搭載的相機(jī)型號(hào)為DJI FC300S，焦長(zhǎng)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(fèi)軟件有Altizure、DJI GS Pro等，可安裝在Ipad上運(yùn)行。本試驗(yàn)采用Altizure，只需輕點(diǎn)屏幕劃定飛行區(qū)域、設(shè)置航高、重疊率、相機(jī)等參數(shù)后，就能智能規(guī)劃飛行航線，控制無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛并執(zhí)行航拍任務(wù)。

本次試驗(yàn)航向重疊率為86%，旁向重疊率為76%，相對(duì)航高為108m。合適的飛行計(jì)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(chǎng)獲取完數(shù)據(jù)后，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊度的快速檢測(cè)，若不滿足要求，則要重新采集或者補(bǔ)點(diǎn)。

試驗(yàn)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(huì)自動(dòng)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(chǎng)景，不設(shè)置地面控制點(diǎn)（GCP)。

三款軟件使用同一個(gè)工作站進(jìn)行影像處理，使用GPU（圖形處理器）能加快圖形計(jì)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(diǎn)是一鍵處理，無(wú)需人工干預(yù)，可全自動(dòng)地生成結(jié)果。內(nèi)置相機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，能從照片EXIF中自動(dòng)識(shí)別出對(duì)應(yīng)的相機(jī)參數(shù)（相機(jī)型號(hào)、像主點(diǎn)、焦距等），且支持不同架次、不同相機(jī)的數(shù)據(jù)同時(shí)處理。輸入只需要照片和GPS坐標(biāo)即可拼圖，甚至無(wú)pos坐標(biāo)也能出結(jié)果，可不加地面控制點(diǎn)（GCP）。在初始化處理中，Pix4d可自動(dòng)進(jìn)行空三、區(qū)域網(wǎng)平差和相機(jī)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(bào)告，可評(píng)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(cè)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(xiàng)”-“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(guò)點(diǎn)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(diǎn)

3.2 Photoscan

Photoscan是俄羅斯Agisoft公司的一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的軟件，它采用SFM（Structure Form Motion）算法，無(wú)需地面控制點(diǎn)，只要導(dǎo)入照片及對(duì)應(yīng)的GPS信息即可。若無(wú)GPS信息也能進(jìn)行處理。它的處理過(guò)程也是自動(dòng)化的，自動(dòng)對(duì)齊照片，生成密集點(diǎn)云、網(wǎng)格、紋理，只不過(guò)執(zhí)行每一個(gè)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(méi)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(guó)公司的一款軟件產(chǎn)品，它基于圖形運(yùn)算單元（GPU）進(jìn)行三維場(chǎng)景運(yùn)算，能從簡(jiǎn)單連續(xù)影像中運(yùn)算生成超高密度點(diǎn)云，并在真實(shí)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(bào)告參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)果對(duì)比分析

從三款軟件的質(zhì)量精度報(bào)告中提取有關(guān)參數(shù)對(duì)比如表8所示。第一項(xiàng)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(shí)是按完整生成正射影像圖和三維模型的全部時(shí)間來(lái)計(jì)算的（此實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)機(jī)子上運(yùn)行，實(shí)際中可以通過(guò)拆分任務(wù)，或使用同一局域網(wǎng)的多臺(tái)機(jī)子集群運(yùn)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(shí)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(shì)主要體現(xiàn)在三維建模。

三款軟件產(chǎn)出的正射影像圖對(duì)比如下：

正射影像圖對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)比結(jié)果∶Pix4d在屋頂邊沿處會(huì)有拉花，這是由于邊沿處有高程落差，若三維計(jì)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(guò)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(guò)渡，效果尚可。

三維模型對(duì)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(duì)比結(jié)果：由于此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用的是單鏡頭單趟拍攝，沒(méi)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(gè)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(duì)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(duì)比可得出，Pix4d三維表現(xiàn)尚可，樓梯無(wú)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(wú)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(guó)家地震緊急救援訓(xùn)練基地的大疆無(wú)人機(jī)影像為例，對(duì)Pix4d、Photoscan、Smart3d三款軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)，從處理流程、成果質(zhì)量、耗時(shí)、正射影像圖、三維模型等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)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(wú)人機(jī)影像處理功能，成果質(zhì)量均能滿足地震應(yīng)急所需；耗時(shí)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(dòng)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(duì)于正射影像圖，建議采用Pix4d和Photoscan，耗時(shí)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(duì)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(píng)估工作。Smart3d三維建模紋理精細(xì)、無(wú)變形；Pix4d三維表現(xiàn)尚可，紋理有缺失、無(wú)變形；Photoscan紋理有缺失、有變形。

作者單位：中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心

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