Pix4D、ContextCapture和PhotoScan在生成大面积正射影像中的对比
摘 要: 为了准确、高效生成高质量大面积正射影像，对三款常用无人机影像处理软件Pix4D、ContextCapture和PhotoScan 的操作方式、生产效率及成果精度进行了对比分析，并对处理结果进行了探讨，研究结果表明，三种软件在制作正射影像时性能各有优劣，该研究可以为用户在大面积正射影像制作时的软件选择提供科学依据。
关键词:无人机;正射影像;摄影测量;影像处理软件
正射影像图作为基本的数字摄影测量产品，由于同时具有地形图的几何精度和影像特征，使其具有极高的利用价值。随着无人机摄影测量技术与计算机视觉技术的进步，越来越多的软件可以用来制作正射影像。对于航空摄影测量内业工作来说，最重要的是了解各软件在制作正射影像时的实用性和准确性。不同的数据处理软件，由于编写算法的不同，其操作方式以及生成正射影像的精度和质量也不同。特别是针对大面积无人机航飞正射影像制作问题，由于影像获取时间间隔较大，容易造成原始影像在光照方面存在较大色调差异，影响正射影像成果的色彩一致性。
航飞面积增加引起数据量急剧增大，对软件的处理效率提出了较高的要求。目前，有关大面积无人机航飞正射影像图制作软件的性能，国内外学者研究的较少。本研究通过对比不同无人机影像处理软件在数据生产过程中的差异，以及所生成正射影像在精度、质量、效率、色彩等方面的不同，为无人机航测用户在生产大面积正射影像时的软件选择提供有益的借鉴。
研究对象
本研究选取了 Pix4D、ContextCapture 和 PhotoScan 三款目前无人机摄影测量数据处理中最常用的软件进行了大面积正射影像制作。
Pix4D 软件是由瑞士公司研发的一款航测数据处理软件，可以处理无人机航拍、地面相机拍摄或者卫星影像数据等多种数据源，它可自由选择输出成果类型且输出成果与众多软件兼容。
ContextCapture 基于点云数据可以生产多种格式的测绘成果，同时支持 JPEG 和 TIFF 格式的影像数据，也可以导入拍摄的视频以及激光扫描的点云数据或者其他软件处理的点云数据。ContextCapture软件实现了高度的集成化和自动化，其工程按树结构组织。
PhotoScan 软件来自俄罗斯，它根据多视图三维重建技术，通过导入具有一定重叠率的影像数据，便可实现高质量的正射影像生成及三维模型重建。PhotoScan 既可以不加像控点不做空三测量实现全自动相对模型的建立。
三款软件的特点对比如表 1 所示
数据获取与处理
2.1 测区情况
此次所使用的数据为某地区共 111.60 km2 的原始无人机航飞影像数据。测区整体地形为平原，平均海拔高度为 75 m测区五分之二区域为城区，其余为郊区与农村地区。
2.2 影像获取影像获取
平台为成都纵横 CW30 油动式垂直起降无人机，
搭载 NIKON D810 全画幅相机，
相机有效像素为 3 635 万，
传感器尺寸为 35.9 mm×24 mm
相机配备 35 mm 镜头，
拍摄时采用最高分辨率，
像素尺寸为7360×4912，
每张影像的大小在 25～30M 之间
无人机飞行高度为海拔685 m飞行方式采用蛇形航线，航向重叠率 75%，旁向重叠率50%。
影像地面分辨率为 8 cm 整个测区获取影像数据共花费两个工作日，共计飞行 3 个架，影像获取时间在 8: 00～15: 00，因两个工作日之间天气变化大，获取的原始影像存在明显色差。
整个测区共获取原始正射影像3879 张，其中有效影像为3870 张。
2.3 地面控制点布设
航飞平台 CW30 无人机搭载有后差分系统，可以通过后差分解算获取相对准确的影像位置信息，所以地面布设的像控点布设距离可放宽至 2 km。整个测区共布设 71 个控制点，其中18个为检查点。
此次控制点采集采用实时动态载波相位差分技术，使用中海达 iRTK2 智能 RTK 系统进行控制点点位采集。使用网络服务器“千寻位置”提供的厘米级定位服务。
控制点的布设根据距离进行规则布设，这样既能保证成图精度，又不会增加外业控制点的布设任务难度。控制点的点位选择能够在航摄影像上清晰查看，具有明显棱角的位置或者地物。此次控制点位置选择，对于城区一般选择较宽的道路标线，若农村地区没有明显的地物，使用油漆在地面上绘制规则的 L 型直角标记。
2.4 原始数据备份及整理
在进行数据生产之前，先进行数据检查和数据备份，并根据生产需求进行前期的数据整理。数据整理包括对控制点原始数据、影像位置信息原始数据以及原始影像进行整理。整理要求应按照数据处理软件的要求统一进行，整理前应备份所有原始数据，检查所有原始影像，查看影像是否有损坏，无法打开或者虚焦、过曝等现象，并根据影像位置信息查看是否有漏片、少片或缺少位置信息等现象，确认原始影像检查无误后对原始数据进行数据备份。因不同的飞行架次含有相同名称的影像，需要对所有影像数据进行统一的改名处理，按照统一的格式进行修改，不得出现中文字符。控制点文件包含有控制点名称、平面坐标 x、平面坐标 y、海拔高度 h。同时还应有点之记文件，点之记文件记录了控制点的具体位置，为一组实地照片或者说明性的文档。
2.5 关键问题处理
在进行 大面积正射影像数据处理过程中，按照正常处理流程，除 ContextCapture 外，Pix4D 和 PhotoScan 均遇到软件报错问题。
Pix4D 在进行第三步处理生成正射影像时软件崩溃，PhotoScan 在进行点云加密时提示内存不足。
检查发现出现错误的原因是数据量过大，计算机运行内存不足导致软件崩溃。针对此问题，本研究对 Pix4D 软件采取了分块处理的解决方法。分块在重叠部分会出现错边现象，本研究采取前两步数据处理不分块处理，在进行第三步生成正射影像时绘制点云加密区，将整个测区分成六块处理的方法。只在生成正射影像时分块，初始化处理和纹理生成不分块，使整个测区在同一个加密点云中，有效保证了接边处没有明显的错边。需要注意的是，每生成一块正射影像图，须将结果文件夹中的成果拷贝，由于下次处理会自动覆盖原有的成果。
PhotoScan 在进行照片对齐和控制点优化时将整体测区的所有数据统一处理。优化对齐方式后，将整个堆块复制一份。通过绘制工作空间将整个测区分成两部分，为不同的堆块绘制不同的工作空间，再分别进行后续的数据生产。通过减小需要处理的数据量，有效利用计算机资源。同时使用相同的控制点优化结果，地理位置精度完全相同，可以保证在接边处没有明显的错边。
ContextCapture 对计算机硬件有较好的优化，它以瓦片的形式进行数据生产，很大程度降低了对计算机性能的要求。不同大小的瓦片使用的计算机内存不同，瓦片越大，数据量越大，所需内存越大。在设置重建参数时，根据计算机内存大小，合理设置分块大小，使每一瓦片所需的内存不大于计算机的物理运行内存，能够最大效率利用计算机性能。本研究所用计算机内存为 32 GB，设置分块大小为 1200 m。
结果与分析
3.1 精度对比
3.1.1 空三精度对比
三种软件在空三解算完成后，均自动生成空三质量报告，本研究对其报告结果进行了对比(表2)
Pix4D 处理过程中共添加控制点 53 个，总均方根值为 12. 8 cm 其中平面误差为 7.1 cm，高程误差为9.5 cm。
ContextCapture 共添加控制点 53 个，其总均方根值为 3. 6 cm，平面误差为 2.5 cm、高程误差为0.6 cm
PhotoScan 共添加控制点 53 个，其总均方根值为 6
8 cm，平面误差为 6.7 cm，高程误差为 1.3 cm。
通过对空三精度的对比可以发现，ContextCapture 软件空三精度整体优于其他两个软件，Pix4D 软件空三结果最差。
3.1.2 正射影像精度对比
正射影像精度分析使用 EPS 三维测图系统进行辅助分析。利用 EPS 三维测图系统分别在 Pix4D、 ContextCapture 和 PhotoScan 生成的正射影像图中采集控制点 A1、A4、A13、A21、A39、A42、A50、A59 的平面坐标，与使用 GPS 采集的实际坐标进行对比(表3)
由表3可以看出ContextCapture软件生成结果精度最高，PhotoScan 软件结果精度最差。据 GB /T 33175-2016 中 1 ∶ 1 000 的正射影像图成图要求，三款软件生成的正射影像图均满足 1：1 000 的成图要求。
3.2 软件操作分析
利用 Pix4D 建立工程并设置后所有处理参数无需进行人工设定，软件会自动进行数据处理，软件默认参数即为最优数据生产参数，若无特殊需求无需过多的人工参与便可生产最优数据。
ContextCapture 在完成空三处理后，需先生产三维模型再生产正射影像，生产过程中的参数设置需要一定的专业知识，且需要逐步进行处理。
PhotoScan 软件操作步骤比ContextCapture 更繁琐，除需逐步处理外，PhotoScan 生产成果不以直接形式展示，而是保存在整个工程中，成果还需另外导出。
Pix4D 相对其他两款软件的优势是它可以进行镶嵌图编辑，可以对生成的正射影像图进行二次处理，通过人工交互优化正射影像质量。
ContextCapture 软件操作步骤相比Pix4D 要繁琐，但 ContextCapture 对计算机的硬件性能优化是三款软件中最好的，可以针对计算机的配置设置相应参数以最大限度的利用计算机的性能，缺点是 ContextCapture 不支持点云编辑和镶嵌图编辑。
PhotoScan 是三款软件中对计算机性能要求最高的一款数据处理软件，也是处理效率最低的一款软件。PhotoScan 生成的点云密度最高，PhotoScan支持点云编辑，不支持镶嵌图编辑。
Pix4D 生成正射影像包含有分块的瓦片数据，同时有合并后的一整幅影像，后期省去拼接的麻烦。
ContextCapture 生成的正射影像为瓦片数据，需要后期使用第三方软件拼接，可以通过设置像素数的大小来改变瓦片的多少，像素数越多，瓦片越少。
PhotoScan 的正射影像成果需要另外导出，在数据量比较大的情况下，需要分块导出，后期再使用第三方软件拼接。
从数据的处理过程来看， Pix4D 是使用起来最为简单的数据生产软件，且 Pix4D 可以对镶嵌图进行再次编辑。在数据量较大的情况下，ContextCapture 对硬件的优化作用是最好的。
3.3 耗时对比
本研究实验硬件配置为: CPU主频 3.2 GHz、12 核，显卡 NVIDIA Geforce GTX 1060 6 GB 显存，内存 32GB。
Pix4D 进行初始化处理和点云纹理处理共耗时 69 小时 46 分钟，后期生成全部正射影像耗时 25 小时，共计耗时 94 小时 46 分钟。
ContextCapture 进行空中三角测量耗时 5 小时 33 分钟，后期生产三维模型和正射影像耗时 71 小时 35 分钟，共计 77 小时 8 分钟。
PhotoScan 生成整个测区的影像耗时 105 小时 42 分钟。从三款软件生成整个测区的正射影像所耗费的时间来看，ContextCapture 生产整个测区所花费的时间最短，效率最高。
3.4 正射影像质量分析
Pix4D 和 ContextCapture 基于 DSM 生产正射影像，生成的正射影像为真正射影像。PhotoScan 生成正射影像可以选择不同的数据源，可以生产正射影像和真正射影像，此次使用 PhotoScan 的正射影像基于数字高程模型生成。
从正射影像的质量来看，ContextCapture 生成的树木、植物等视觉效果不是特别的真实，在色彩上显示有些暗，但 ContextCapture 对于整体的匀色效果强于 Pix4D 和 PhotoScan。使用ContextCapture生产的正射影像，建筑物的四周以及棱角处有一些扭曲，棱角不分明。对于水面的处理，ContextCapture 的处理效果弱于 Pix4D 和 PhotoScan(图1) 。
图 1 正射影像水面对比
PhotoScan 生成的正射影像整体有些模糊，放大后发现PhotoScan 生成的正射影像的分辨率没有ContextCapture 的分辨率高，而且建筑物边缘参差不 齐，不规则的分散有像素块，影像贴图也没有ContextCapture 处理结果清晰(图2) 。
图 2 正射影像建筑物对比
Pix4D 生成的正射影像相比于其他两款软件生成的正射影像，在清晰度和色彩饱和度上都要强一些，整体更干净、自然。Pix4D 生成的正射影像也存在建筑物四周扭曲的现象，部分地方会出现重影现象，但是 Pix4D 生成的建筑物边角可以清晰查看，整体上的效果要强于其他两款软件。从正射影像的质量来看，三款软件生成的正射影像各有优缺点，但整体上 Pix4D 生成质量更好。
结论
本研究利用三款无人机影像数据处理软件 Pix4D、ContextCapture 与 PhotoScan 制作出了某地区大面积的数字正射影像图。通过实际的数据生产过程及结果对比，得出以下结论:
(1) 在正射影像几何精度上，ContextCapture 软件生成结果质量最佳;
(2) 在软件操作性和耗时上，Pix4D 软件要更加简单容易上手，ContextCapture 软件则耗时最少;
(3) 在正射影像质量方面，ContextCapture 软件匀光效果最好，但在水面处理方面要劣于 Pix4D 与 PhotoScan 软件，Pix4D 生成影像中建筑物边缘保持效果更好。
因此，建议用户在实际作业过程中可以选择 ContextCapture 软件作为生成正射影像的首选，但在有大面积水域的区域可以选择 Pix4D软件
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