汪思夢，朱大明*，王德智，楊永明

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

Inpho和MapMatrix在無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理中的對比研究

汪思夢1，朱大明1*，王德智2，楊永明1

(1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)信息工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

摘要介紹了2款著名的攝影測量系統(tǒng)——國外的Inpho和國內(nèi)的MapMatrix系統(tǒng)(含MapMatrix、DATMatrix和EPT)在無人機(jī)遙感影像處理中的流程、軟件特點和優(yōu)勢，并以資陽市雁江區(qū)1∶1 000無人機(jī)航空攝影中某一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗，對比分析兩款系統(tǒng)實際處理流程和精度。主要結(jié)論如下：①Inpho和MapMatrix系統(tǒng)在處理1∶1 000無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)時，空中三角測量精度和DOM成圖精度、影像質(zhì)量均能達(dá)到國標(biāo)要求，兩者平面精度相差不大，高程精度Inpho相對較好；②Inpho系統(tǒng)軟件集成性高、操作性好，空中三角測量性能強、自動化程度高，MapMatrix系統(tǒng)需要調(diào)用PATB，處理數(shù)據(jù)量和效率沒有Inpho高，需要人工編輯大量爭議點；③MapMatrix在鑲嵌成圖和編輯方面更加便捷、高效。

關(guān)鍵詞無人機(jī)遙感；DOM；Inpho；MapMatrix；空中三角測量

無人機(jī)遙感(UAV-RS)是利用先進(jìn)的無人駕駛飛行技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、IMU定位定姿技術(shù)、GNSS定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，具有自動化、智能化、專業(yè)化快速獲取國土、資源、環(huán)境、事件等空間遙感信息，并進(jìn)行處理、建模和分析的先進(jìn)新興航空遙感技術(shù)解決方案[1-2]。無人機(jī)遙感系統(tǒng)由無人機(jī)飛行平臺、飛行控制系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用分析系統(tǒng)組成。無人機(jī)遙感具有低成本、可重復(fù)使用、靈活機(jī)動、高時效、分辨率高等特點，正逐步成為衛(wèi)星遙感、有人機(jī)遙感和地面遙感的有效補充，給遙感技術(shù)提供了新的平臺[3-4]。

無人機(jī)遙感由于使用質(zhì)量較輕的無人機(jī)飛行平臺，不同于傳統(tǒng)航空攝影測量，其獲取的數(shù)據(jù)易受到氣候、任務(wù)載荷、相機(jī)質(zhì)量等因素的影響，導(dǎo)致飛機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)定，獲取的影像質(zhì)量會有些不足，如影像重疊度不規(guī)則、相幅小、像片數(shù)量多、影像傾斜角和旋偏角過大、影像有明顯畸變等[7]。因此，數(shù)據(jù)處理一直是無人機(jī)遙感研究中的熱點問題。目前，常用的商業(yè)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)軟件主要有，國外的Inpho[8]、像素工廠[9]、LPS[10]、IPS[11]、Pix4D mapper[12]、Image Station[13]，國內(nèi)的JX4[14]、MapMatrix[15]、VirtuoZo[16]、DPGrid[17]、PixleGrid[5]、GeoWay CIPS[18]等，以上軟件都有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)實踐和研究。其中，Inpho是歐洲市場上空中三角測量和正射處理占有份額最大的軟件，MapMatrix是國內(nèi)成長最快的數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)。筆者以Inpho和MapMatrix這2款數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)為平臺，介紹、對比了2款軟件在無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)制作DOM方面的處理流程及關(guān)鍵技術(shù)，并驗證、對比了2款軟件的實際生產(chǎn)能力和影像處理精度，以期豐富無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理實踐研究，為無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理者在軟件選擇和綜合應(yīng)用上提供參考。

1Inpho和MapMatrix系統(tǒng)簡介

Inpho攝影測量系統(tǒng)是歐洲最著名的航空攝影測量與遙感處理軟件之一，是德國Inpho公司的核心產(chǎn)品，可以全面系統(tǒng)地處理航測遙感、激光、雷達(dá)等數(shù)據(jù)，其空中三角測量軟件和正射處理軟件在歐洲占有的市場份額最大。Inpho5.7攝影測量系統(tǒng)由9個模塊組成：Applications Master基礎(chǔ)平臺、Match-AT自動空中三角測量、inBLOCK測區(qū)平差、Match-T DSM自動提取地形地表模塊、DTMaster DTM/LIDAR編輯軟件、OrthoMaster正射糾正、OrthoVista鑲嵌拼接、SCOP++高效管理DTM、Summit Evolution攝影測繪立體處理工作站。

MapMatrix系統(tǒng)(含MapMatrix4.1、EPT2.0、DATMatrix2.0)是由武漢航天遠(yuǎn)景公司研發(fā)的新型數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)z影測量工作站相比，具備作業(yè)過程自動化、采編入庫一體化、數(shù)據(jù)處理海量化等優(yōu)勢。MapMatrix4.1是攝影測量數(shù)據(jù)處理基礎(chǔ)平臺，可立體環(huán)境下采編入庫；EPT2.0是正射影像生產(chǎn)軟件，主要用于影像勻光勻色、正射影像生成、編輯等；DATMatrix2.0是空中三角測量軟件，集成了PATB光束法區(qū)域網(wǎng)平差模塊。

2Inpho和MapMatrix數(shù)據(jù)處理流程

2.1Inpho處理流程Inpho系統(tǒng)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理流程見圖1。

(1)原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，主要包括原始像片、POS數(shù)據(jù)、相機(jī)檢校參數(shù)、控制點資料。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理，需要對像片進(jìn)行勻光、畸變處理和旋轉(zhuǎn)，以及文件格式整理等。

(3)自動空中三角測量，在Applications Master中新建工程，需要依次進(jìn)行定義相機(jī)、添加像片、導(dǎo)入POS數(shù)據(jù)、導(dǎo)入控制點和設(shè)置航帶，然后使用Match-AT進(jìn)行連接點自動提取和區(qū)域網(wǎng)平差，接著進(jìn)行像控點和檢查點量測，最后進(jìn)行光束法區(qū)域網(wǎng)整體平差和爭議點編輯，完成空中三角測量。

(4)DEM生成，在Match-T DSM中生成DTM，在DTMaster中編輯DTM使其與實際地形一致，達(dá)到精度要求。

(5)在OrthoMaster中結(jié)合生成的DEM進(jìn)行單張像片正射糾正，在OrthoVista中利用糾正后的像片智能鑲嵌出整個測區(qū)的初始DOM，檢查、編輯DOM及其鑲嵌線，自動分幅后，即可完成DOM制作。

圖1　Inpho系統(tǒng)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理流程Fig.1　Processing flow of Inpho in UAV remote sensing data

2.2MapMatrix處理流程MapMatrix系統(tǒng)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理流見圖2。

(1)原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，同Inpho。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理，同Inpho。

(3)DatMatrix中自動空中三角測量，首先新建工程，定義或?qū)胂鄼C(jī)文件，設(shè)置航帶、添加影像，進(jìn)行內(nèi)定向，接著空中三角測量自動轉(zhuǎn)點，然后進(jìn)行像控點和檢查點量測，再調(diào)用PATB進(jìn)行空中三角測量平差，會產(chǎn)生許多爭議點，因此需要編輯爭議點，反復(fù)調(diào)用PATB進(jìn)行空中三角測量平差，直至爭議點消除、平差結(jié)果符合測圖精度要求，最后導(dǎo)出XML文件。

(4)MapMatrix中生成DEM，導(dǎo)入DATMatrix中導(dǎo)出的XML文件和相機(jī)文件，對影像進(jìn)行數(shù)碼量測相機(jī)內(nèi)定向，對整個工程創(chuàng)建立體像對，再全區(qū)匹配自動生成初始DEM文件，在此基礎(chǔ)上內(nèi)插等高線，并進(jìn)行DEM立體環(huán)境編輯、裁剪、拼接工作，完成DEM制作。

(5)EPT中DOM制作，首先新建“勻/糾/拼工程”進(jìn)行單片糾正，然后劃分圖幅、鑲嵌成圖，編輯鑲嵌線和影像，完成測區(qū)DOM制作。

3Inpho和MapMatrix無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理對比

3.1研究數(shù)據(jù)使用2015年四川省資陽市雁江區(qū)農(nóng)村土地承包經(jīng)營權(quán)確權(quán)登記1∶1 000無人機(jī)航空攝影中某一塊數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗，試驗區(qū)位于104°41′30″～104°42′40″E、30°12′54″～30°14′05″N，面積約為4 km2，屬于丘陵地區(qū)。影像拍攝時間為2015年3月，無人機(jī)飛行平臺為大白Ⅱ，遙感傳感器為佳能 5D Mark Ⅲ，單片像幅大小5 760×3 840像素，像素大小6.25 um，數(shù)碼相機(jī)地面分辨率0.08 m，拍攝航高和絕對航高分別約為455和980 m，航拍時天氣狀況良好。試驗區(qū)域共計7條航帶，130張像片，布設(shè)像控點10個、檢查點2個，均為外業(yè)實地測量。試驗區(qū)航跡及相關(guān)點分布見圖3。

3.2實際處理流程對比

3.2.1操作性對比。在Inpho系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理比較集中，基本都在ApplicationMaster平臺中直接打開各個模塊完成，僅圖幅編輯和正射影像鑲嵌需要另外打開SemaEditor和OrthoVista模塊。在MapMatrix系統(tǒng)軟件中空中三角測量加密是在DATMatrix軟件中完成，DEM生成是在MapMatrix軟件中完成，DOM制作則需要使用EPT軟件。整個數(shù)據(jù)處理需要使用MapMatrix系統(tǒng)中多個軟件，并且空中三角測量加密也是調(diào)用國外PATB軟件(需要單獨安裝)完成，部分操作重復(fù)。整體來說，Inpho系統(tǒng)軟件集成性高、操作性好。

3.2.2空中三角測量加密對比。Inpho系統(tǒng)空中三角測量加密使用自身的Match-AT模塊完成，控制點量測后僅需要2步操作就可完成空中三角測量解算，并且空中三角測量報告有具體窗口分欄、詳細(xì)呈現(xiàn)。MapMatrix系件空中三角測量加密是在DATMatrix中調(diào)用PATB完成，經(jīng)內(nèi)定向、自動轉(zhuǎn)點、控制點量測和PATB平差可初步完成空中三角測量解算。并且經(jīng)PATB空中三角測量加密后會產(chǎn)生大量爭議點，需要手工編輯完爭議點才能產(chǎn)生較好的平差結(jié)果，因此，所需工作量較大。兩者比較，Inpho空中三角測量加密功能更強，效率更高。

圖2　MapMatrix系統(tǒng)無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理流程Fig.2　Processing flow of MapMatrix in UAV remote sensing data

圖3　試驗區(qū)航跡及相關(guān)分布Fig.3　Distribution of the reference points and tracks in test site

3.2.3DEM制作對比。Inpho系統(tǒng)中使用Match-T DSM生成DTM，生成DEM的同時，可生成立體像對點云數(shù)據(jù)，再使用DTMaster進(jìn)行DEM編輯。MapMatrix系統(tǒng)中創(chuàng)建立體相對后，可以通過“全區(qū)匹配”直接生成DEM。MapMatrix中也可生成立體像對點云，但是內(nèi)嵌在DEM中，顯示DEM時可以查看，通過“點編輯”工具可以進(jìn)行點云編輯。Inpho和MapMatrix系統(tǒng)在DEM生成、編輯功能上相差不大，但是Inpho嚴(yán)格考慮斷裂線和人工建筑，所生成的DTM比MapMatrix的好。嚴(yán)格上講，兩者生成的.dtm文件更偏向于DSM，這對DOM制作具有重要影響。

3.2.4DOM制作對比。Inpho系統(tǒng)使用OrthoMaster和OrthoVista模塊，可以自動生成矢量鑲嵌線和DOM。MapMatrix系統(tǒng)中DOM制作使用EPT軟件，經(jīng)“勻糾拼”和“批量分幅”后可生成標(biāo)準(zhǔn)分幅的DOM和矢量鑲嵌線。主要區(qū)別在于Inpho中單片正射糾正和鑲嵌是分開的，而MapMatrix系統(tǒng)中都集成在EPT中；EPT中就可進(jìn)行鑲嵌線和圖幅編輯，而Inpho中需要單獨打開OrthoVista SE模塊。相比而言，OrthoVista雖是全球最強大的專業(yè)鑲嵌產(chǎn)品，但作為國產(chǎn)航測處理軟件EPT也不遜色，并且在鑲嵌線編輯上更易操作、功能也強大。

3.3空中三角測量和DOM精度對比 資陽市雁江區(qū)1∶1 000無人機(jī)航空攝影數(shù)據(jù)經(jīng)Inpho和MapMatrix系統(tǒng)處理后，所得的空中三角測量精度對比見表1。

試驗測區(qū)Sigma Naught像點精度在Inpho中為0.39，在MapMatrix中為0.48，Inpho精度高，但均未超過0.5像素。控制點和檢查點的平面與高程精度均符合《數(shù)字航空攝影測量 空中三角測量規(guī)范》(GB/T 23236—2009)[19]要求；其中，控制點平面精度在兩個軟件系統(tǒng)中相差不大，但I(xiàn)npho的高程精度中誤差為0.184，高于MapMatrix的0.258；Inpho的檢查點平面精度和高程精度都高于MapMatrix。結(jié)果表明，面對1∶1 000丘陵地區(qū)無人機(jī)航攝數(shù)據(jù)時，只要標(biāo)準(zhǔn)操作、仔細(xì)平差，Inpho和MapMatrix系統(tǒng)都能有較好表現(xiàn)，成果像點精度高，平面和高程精度均能滿足要求，可靠性強。2款軟件系統(tǒng)處理無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)后得到的平面精度相差并不顯著，但是Inpho高程精度相對較好。

表1　空中三角測量加密后基本定向點平面與高程中誤差

在ArcGIS中分別將Inpho和MapMatrix系統(tǒng)制作的DOM與DEM、等高線疊加，檢查正射影像是否吻合。同時，利用檢查點對DOM的成圖精度進(jìn)行檢查，Inpho制作的DOM平面中誤差為0.059 m，MapMatrix系統(tǒng)的為0.097 m，均遠(yuǎn)低于1∶1 000 DOM平面中誤差限差0.6 m的要求，Inpho制作的DOM精度高于MapMatrix。

4結(jié)論與討論

該研究以1∶1 000丘陵區(qū)無人機(jī)遙感影像為數(shù)據(jù)源，分別介紹了Inpho和MapMatrix系統(tǒng)的無人機(jī)遙感數(shù)據(jù)處理流程和方法，并對2款系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程、操作性、精度方面進(jìn)行了實證對比研究。結(jié)果表明，Inpho系統(tǒng)軟件集成性高、操作性好，其Match-AT空中三角測量模塊的影像處理算法更加先進(jìn)、獨特，能提供高精度、高性能的數(shù)字航空三角測量；MapMatrix系統(tǒng)處理步驟分布在3個軟件中，整體操作性沒有Inpho便捷、流暢，并且空中三角測量需要單獨調(diào)用PATB，在處理數(shù)據(jù)量和效率上沒有Inpho高，但所得空中三角測量結(jié)果平面精度并不比Inpho差，高程精度略差；DOM鑲嵌成圖和編輯方面，MapMatrix更加便捷、高效。

一般情況下1∶1 000丘陵地區(qū)航測每平方公里布設(shè)1.5個點即可，此次實例研究中4 km2布設(shè)了10個像控點，遠(yuǎn)高于一般要求，這也導(dǎo)致兩款系統(tǒng)平差精度相差不大，結(jié)果也完全符合國標(biāo)要求。另外，此次對比研究僅僅使用單一比例尺單一地形數(shù)據(jù)——1∶1 000丘陵地區(qū)，沒有涉及平地、山地和高山地，也沒有在1∶500和1∶2 000比例尺下進(jìn)行試驗，因此，空中三角測量精度對比雖具有科學(xué)性，但不具有普遍性。為了全面衡量比較Inpho和MapMatrix這2款攝影測量系統(tǒng)，可以在更多的比例尺、更豐富的地形區(qū)域進(jìn)行試驗。

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Comparative Study of Inpho and MapMatrix in UAV Remote Sensing Data Processing

WANG Si-meng1, ZHU Da-ming1*, WANG De-zhi2et al

(1. School of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093; 2. School of Information Engineering, China University of Geoscience, Wuhan, Hubei 430074)

AbstractWe described the processing flow, software features and advantages of two famous photogrammetric systems overseas Inpho and domestic MapMatrix system (including MapMatrix, DATMatrix and EPT) in UAV remote sensing image. With a piece of data of 1∶1 000 UAV aerial photography in Yanjiang District of Ziyang City as the experimental data, we compared the actual processing flow and accuracy of this two systems. The main conclusions were as follows: ① In processing 1∶1 000 UAV remote sensing data, Inpho and MapMatrix system’s aerophotogrammetry accuracy and image quality all could meet the national standard, and there were little differences between the two planar accuracy, and Inpho’s height accuracy was relatively better than MapMatrix’s. ② InPho system had high integration, good operability, strong aerophotogrammetry, high degree of automation; and MapMatrix system had to call PATB in aerophotogrammetry. The handling high data volumes and efficiency of MapMatrix system were less than Inpho, and it needed to manually edit a lot of the issue points. ③ MapMatrix was more convenient and efficient in mosaic and editing images.

Key wordsUAV remote sensing; DOM; Inpho; MapMatrix; Aerophotogrammetry

基金項目國家自然科學(xué)基金項目(41361090)。

作者簡介汪思夢(1990- )，女，湖北天門人，碩士研究生，研究方向：土地資源與信息技術(shù)、航測遙感數(shù)據(jù)處理。*通訊作者，副教授，博士，從事3S集成與應(yīng)用研究。

收稿日期2016-03-25

中圖分類號S 127

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-264-04