于 浩，孔祥雪，馮 石，趙明朝，王萬(wàn)寧

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)是利用先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、通訊技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)完成自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化快速獲取國(guó)土、資源和環(huán)境等空間遙感信息，實(shí)現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)處理、建模和應(yīng)用分析的一門應(yīng)用技術(shù)。近年來(lái)小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)以低成本、高效率、飛行靈活等優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，現(xiàn)已在無(wú)人機(jī)在地形測(cè)繪中的應(yīng)用研究（冉洪斌等）、旋翼無(wú)人機(jī)在建筑物抗震能力調(diào)查中的應(yīng)用（和仕芳，鄧樹(shù)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(wú)人機(jī)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，已成為研究的熱點(diǎn)課題。相較于以往無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)的姿態(tài)相對(duì)較差、像幅小、數(shù)量多、處理相對(duì)困難，無(wú)法在地震應(yīng)急中快速提供成果，而如今無(wú)人機(jī)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(yù)少、實(shí)施部分項(xiàng)目無(wú)需地面控制點(diǎn)，這對(duì)應(yīng)急保障無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)快速獲取地形數(shù)據(jù)的實(shí)用性。

本文選取了三款市場(chǎng)應(yīng)用較為成熟的無(wú)人機(jī)商用拼圖軟件，三款軟件各有優(yōu)勢(shì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并結(jié)合地震應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)與后方指揮平臺(tái)的實(shí)際使用需求，來(lái)完成擇優(yōu)選取前后方應(yīng)用產(chǎn)品的工作任務(wù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1研究區(qū)域

本次研究區(qū)域選取遼寧省大連市長(zhǎng)?？h大長(zhǎng)山島鎮(zhèn)城嶺村為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)展飛行作業(yè)實(shí)驗(yàn)，其經(jīng)度為122.527°E，緯度為39.295°N，此處屬于大長(zhǎng)山島以西飛行開(kāi)放區(qū)域，地形起伏變化較大，植被覆蓋范圍60～65%，區(qū)域測(cè)量范圍0.3177平方公里，研究區(qū)域視野開(kāi)闊，衛(wèi)星信號(hào)不受干擾，人類活動(dòng)較少，有利于開(kāi)展無(wú)人機(jī)飛行采集實(shí)驗(yàn)（圖1）。

圖1研究區(qū)位置Fig.1 The study area

1.2測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)使用大疆公司精靈4pro V2.0版無(wú)人機(jī)，按應(yīng)用領(lǐng)域?qū)儆谛⌒拖M(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)，無(wú)人機(jī)具體參數(shù)見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)采用智能飛行控制軟件DJI Pilot設(shè)置飛行參數(shù)，控制無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛并執(zhí)行航拍任務(wù)，飛機(jī)姿態(tài)信息設(shè)置為飛行高度設(shè)置100m、飛行速度控制5m/s，為了進(jìn)一步減少無(wú)人機(jī)GPS精度和相機(jī)平臺(tái)不穩(wěn)定造成的誤差，該實(shí)驗(yàn)中把航向重疊率設(shè)置為80%，旁向重疊率設(shè)置為80%，主航向角度設(shè)置為0°邊距設(shè)置為20m，為模擬地震應(yīng)急航拍場(chǎng)景，本次實(shí)驗(yàn)不設(shè)置地面控制點(diǎn)（GCP），設(shè)置完成后按照地面無(wú)線電遙控指令上傳無(wú)人機(jī)自動(dòng)開(kāi)始航攝任務(wù)。

本次實(shí)驗(yàn)影像數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為2019年7月31日，天氣晴朗，風(fēng)力3-4級(jí)，飛行架次1次，航線長(zhǎng)度6125米，共采集308張照片（EXIF元數(shù)據(jù)包含GPS標(biāo)簽），耗時(shí)30分鐘。

表1無(wú)人機(jī)參數(shù)表

2 研究?jī)?nèi)容

本次實(shí)驗(yàn)采用Pix4D、smart3D、photoscan三款成熟的無(wú)人機(jī)影像商用處理軟件，使用同一臺(tái)圖形處理工作站分別處理測(cè)區(qū)影像數(shù)據(jù)，通過(guò)生成質(zhì)檢報(bào)告比對(duì)處理流程、耗時(shí)、正射精度、三維建模四項(xiàng)任務(wù)指標(biāo)，產(chǎn)出分析結(jié)果，完成擇優(yōu)選取前后方應(yīng)用產(chǎn)品的工作任務(wù)。

2.1快拼軟件

Pix4Dmapper是結(jié)合豐富的遙感圖像處理、攝影測(cè)量及企業(yè)級(jí)空間信息等技術(shù)開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)快速無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，其優(yōu)勢(shì)在于內(nèi)置大量相機(jī)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，且支持不同架次、不同相機(jī)、不同高度的數(shù)據(jù)同時(shí)處理，處理過(guò)程中支持調(diào)用處理器內(nèi)核與內(nèi)存資源開(kāi)展數(shù)據(jù)運(yùn)算，智能化程度較高。Photoscan是由俄羅斯生產(chǎn)的自動(dòng)生成正射影像圖的攝影測(cè)量處理軟件。其優(yōu)勢(shì)在于軟件對(duì)照片質(zhì)量要求低，在無(wú)須外方位元素和相機(jī)校準(zhǔn)的前提下能夠順利完成像片對(duì)齊，拼接正射影像（DOM）。且支持全過(guò)程分布式計(jì)算；支持多相機(jī)計(jì)算；支持無(wú)人機(jī)數(shù)碼影像、傾斜影像等各類影像的自動(dòng)空三處理；操作流程簡(jiǎn)單容易上手。Smart3D是在圖形運(yùn)算單元GPU的基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)的前提下，自動(dòng)化、快速地實(shí)施建模操作。同時(shí)其還能夠?qū)Χ喾N不同類型的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種數(shù)據(jù)源的兼容。其優(yōu)勢(shì)在于三維建模精度較高，但智能化程度較低，需要人工干預(yù)。

2.2處理流程

本實(shí)驗(yàn)采用同一臺(tái)工作站進(jìn)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(diǎn)云及紋理處理-DSM、正射影像指數(shù)設(shè)定—資源分配設(shè)定。首先導(dǎo)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(biāo)系，軟件可自動(dòng)識(shí)別相機(jī)型號(hào)，也可自定義相機(jī)參數(shù)，修改相機(jī)焦距、像主點(diǎn)等，在初始化處理中，特征點(diǎn)圖像比例選擇快速檢測(cè)，軟件可自動(dòng)進(jìn)行空三、區(qū)域網(wǎng)平差計(jì)算，點(diǎn)云紋理設(shè)置包括點(diǎn)密度、三維網(wǎng)格紋理數(shù)目、紋理大小、輸出格式設(shè)置，正射影像指數(shù)設(shè)置中包括分辨率、DSM計(jì)算方法、生成格式設(shè)置，資源分配設(shè)置包括可用于處理的最大資源設(shè)定（內(nèi)存、CPU線程、GPU開(kāi)啟）等設(shè)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(duì)影像進(jìn)行修改研究。處理流程與參數(shù)設(shè)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(duì)齊照片—建立密集點(diǎn)云—生成網(wǎng)格—生成紋理—Build orthomosaic。建立模塊導(dǎo)入影像數(shù)據(jù)，對(duì)齊照片中設(shè)置精度、成對(duì)預(yù)選、連接點(diǎn)限制選項(xiàng)，建立密集點(diǎn)云質(zhì)量設(shè)置為中等，深度設(shè)置輕度，生成網(wǎng)格設(shè)置表面類型、面數(shù)、啟用差值運(yùn)算，生成紋理設(shè)置映射模式、紋理大小、數(shù)目等，正射影像輸出設(shè)置投影類型與混合模式。處理流程與參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 photoscan處理流程與參數(shù)設(shè)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(yùn)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(yùn)算—重建模塊—產(chǎn)出正射影像圖。新建工程設(shè)置工程、照片檢查，空三運(yùn)算設(shè)置配準(zhǔn)與定位，重建模塊設(shè)置區(qū)域塊分割、精度、孔洞填充，產(chǎn)出設(shè)置影像格式。處理流程與參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 smart3D處理流程與參數(shù)設(shè)置

3 結(jié)果對(duì)比

以三款軟件質(zhì)量精度報(bào)告為準(zhǔn)，從中提取重投影誤差（Reprojection Error）、平均地面分辨率（GSD）、耗時(shí)（Time for orthomosaic generation）、建模精度、智能化程度五項(xiàng)指標(biāo)對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比參照表6（smart3D未作集群運(yùn)算處理）。

表6三種軟件參數(shù)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明pix4D重投影誤差最小，精度最高，耗時(shí)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(shí)最長(zhǎng)。正射影像局部對(duì)比中，pix4D屋頂存在拉花現(xiàn)象，后期需要編輯器進(jìn)行修改完善，photoscan房屋存在拉花現(xiàn)象，真實(shí)性不足，本身軟件不帶有后期修復(fù)功能，需用第三方軟件進(jìn)行修復(fù)。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(duì)比中，實(shí)驗(yàn)采用數(shù)據(jù)為精靈4pro單鏡頭一個(gè)架次傾斜攝影單體建筑，采用智能飛行控制軟件DJI Pilot設(shè)置飛行參數(shù)，控制無(wú)人機(jī)自動(dòng)起飛并執(zhí)行航拍任務(wù)，飛機(jī)姿態(tài)信息設(shè)置為飛行高度設(shè)置100m、飛行速度控制5m/s，因測(cè)試三維建模精度，所以針對(duì)單體建筑開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作。由圖所見(jiàn)，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(jué)最好，輪廓清晰，紋理細(xì)節(jié)處理細(xì)致，photoscan三維建模效果一般，存在扭曲，個(gè)別地方存在嚴(yán)重變形，紋理效果不夠精細(xì)，需要后期開(kāi)展修復(fù)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(wú)人機(jī)航攝數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)選取Pix4D、smart3D、photoscan三款無(wú)人機(jī)影像處理軟件，以處理流程、耗時(shí)、正射精度、三維建模等指標(biāo)作為測(cè)試指標(biāo)對(duì)三款軟件開(kāi)展對(duì)比研究工作，研究結(jié)果表明：

（1）小型消費(fèi)型無(wú)人機(jī)在飛控系統(tǒng)控制下的測(cè)量精度可達(dá)厘米級(jí)，無(wú)人機(jī)靈活、快速、精準(zhǔn)的測(cè)量手段適用于地震應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)與日常調(diào)研等工作。

（2）三款實(shí)驗(yàn)軟件均具備完整的無(wú)人機(jī)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(shí)短，圖像處理過(guò)程智能化程度高，劣勢(shì)在于用戶對(duì)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(jiǎn)潔，支持外部擴(kuò)展，成本較低。劣勢(shì)在于無(wú)法自動(dòng)場(chǎng)景分割，高級(jí)功能較為繁瑣，軟件運(yùn)行穩(wěn)定性差。smart3D建模精度高、格式支持豐富，但點(diǎn)冗余度高、資源消耗高、測(cè)區(qū)范圍較大時(shí)精度控制的難度較大，適用于相幅偏小的無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)。

（3）地震應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)具有環(huán)境復(fù)雜、資源有限，人員流動(dòng)性大，應(yīng)急產(chǎn)品時(shí)效性高等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明pix4D占用資源小，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，智能化程度高，便于現(xiàn)場(chǎng)人員上手操作，產(chǎn)出圖件耗時(shí)最短，精度最高，在地震應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的使用效果與使用效率上優(yōu)于其他軟件，建議地震應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)部署pix4D無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。

（4）地震應(yīng)急后方指揮平臺(tái)具有資源豐富，產(chǎn)品展示度高、時(shí)效性高、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明smart3D三維建模精細(xì)，搭載專業(yè)修模軟件便于快速開(kāi)展房屋、道路、危險(xiǎn)源等單體遙感影像評(píng)估工作。集群運(yùn)算方式在使用效率上優(yōu)于其他軟件。建議地震應(yīng)急后方指揮平臺(tái)主體圍繞smart3D軟件，配合pix4D軟件部署后方無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。