Inpho和MapMatrix在無人機遙感數據處理中的對比研究

汪思夢，朱大明*，王德智，楊永明

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

Inpho和MapMatrix在無人機遙感數據處理中的對比研究

汪思夢1，朱大明1*，王德智2，楊永明1

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

摘要介紹了2款著名的攝影測量系統——國外的Inpho和國內的MapMatrix系統(含MapMatrix、DATMatrix和EPT)在無人機遙感影像處理中的流程、軟件特點和優勢，并以資陽市雁江區1∶1 000無人機航空攝影中某一塊數據進行試驗，對比分析兩款系統實際處理流程和精度。主要結論如下：①Inpho和MapMatrix系統在處理1∶1 000無人機遙感數據時，空中三角測量精度和DOM成圖精度、影像質量均能達到國標要求，兩者平面精度相差不大，高程精度Inpho相對較好；②Inpho系統軟件集成性高、操作性好，空中三角測量性能強、自動化程度高，MapMatrix系統需要調用PATB，處理數據量和效率沒有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。

關鍵詞無人機遙感；DOM；Inpho；MapMatrix；空中三角測量

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

無人機遙感由于使用質量較輕的無人機飛行平臺，不同于傳統航空攝影測量，其獲取的數據易受到氣候、任務載荷、相機質量等因素的影響，導致飛機姿態不穩定，獲取的影像質量會有些不足，如影像重疊度不規則、相幅小、像片數量多、影像傾斜角和旋偏角過大、影像有明顯畸變等[7]。因此，數據處理一直是無人機遙感研究中的熱點問題。目前，常用的商業無人機遙感數據軟件主要有，國外的Inpho[8]、像素工廠[9]、LPS[10]、IPS[11]、Pix4D mapper[12]、Image Station[13]，國內的JX4[14]、MapMatrix[15]、VirtuoZo[16]、DPGrid[17]、PixleGrid[5]、GeoWay CIPS[18]等，以上軟件都有學者進行了相關實踐和研究。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是國內成長最快的數字攝影測量系統。筆者以Inpho和MapMatrix這2款數字攝影測量系統為平臺，介紹、對比了2款軟件在無人機遙感數據制作DOM方面的處理流程及關鍵技術，并驗證、對比了2款軟件的實際生產能力和影像處理精度，以期豐富無人機遙感數據處理實踐研究，為無人機遙感數據處理者在軟件選擇和綜合應用上提供參考。

1Inpho和MapMatrix系統簡介

Inpho攝影測量系統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公司的核心產品，可以全面系統地處理航測遙感、激光、雷達等數據，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攝影測量系統由9個模塊組成：Applications Master基礎平臺、Match-AT自動空中三角測量、inBLOCK測區平差、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(含MapMatrix4.1、EPT2.0、DATMatrix2.0)是由武漢航天遠景公司研發的新型數字攝影測量系統，與傳統的數字攝影測量工作站相比，具備作業過程自動化、采編入庫一體化、數據處理海量化等優勢。MapMatrix4.1是攝影測量數據處理基礎平臺，可立體環境下采編入庫；EPT2.0是正射影像生產軟件，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光束法區域網平差模塊。

2Inpho和MapMatrix數據處理流程

2.1Inpho處理流程Inpho系統無人機遙感數據處理流程見圖1。

(1)原始數據準備，主要包括原始像片、POS數據、相機檢校參數、控制點資料。

(2)數據預處理，需要對像片進行勻光、畸變處理和旋轉，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，需要依次進行定義相機、添加像片、導入POS數據、導入控制點和設置航帶，然后使用Match-AT進行連接點自動提取和區域網平差，接著進行像控點和檢查點量測，最后進行光束法區域網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，達到精度要求。

(5)在OrthoMaster中結合生成的DEM進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系統無人機遙感數據處理流程Fig.1　Processing flow of Inpho in UAV remote sensing data

2.2MapMatrix處理流程MapMatrix系統無人機遙感數據處理流見圖2。

(1)原始數據準備，同Inpho。

(2)數據預處理，同Inpho。

(3)DatMatrix中自動空中三角測量，首先新建工程，定義或導入相機文件，設置航帶、添加影像，進行內定向，接著空中三角測量自動轉點，然后進行像控點和檢查點量測，再調用PATB進行空中三角測量平差，會產生許多爭議點，因此需要編輯爭議點，反復調用PATB進行空中三角測量平差，直至爭議點消除、平差結果符合測圖精度要求，最后導出XML文件。

(4)MapMatrix中生成DEM，導入DATMatrix中導出的XML文件和相機文件，對影像進行數碼量測相機內定向，對整個工程創建立體像對，再全區匹配自動生成初始DEM文件，在此基礎上內插等高線，并進行DEM立體環境編輯、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DOM制作。

3Inpho和MapMatrix無人機遙感數據處理對比

3.1研究數據使用2015年四川省資陽市雁江區農村土地承包經營權確權登記1∶1 000無人機航空攝影中某一塊數據進行試驗，試驗區位于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。影像拍攝時間為2015年3月，無人機飛行平臺為大白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，數碼相機地面分辨率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。試驗區域共計7條航帶，130張像片，布設像控點10個、檢查點2個，均為外業實地測量。試驗區航跡及相關點分布見圖3。

3.2實際處理流程對比

3.2.1操作性對比。在Inpho系統中數據處理比較集中，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。整個數據處理需要使用MapMatrix系統中多個軟件，并且空中三角測量加密也是調用國外PATB軟件(需要單獨安裝)完成，部分操作重復。整體來說，Inpho系統軟件集成性高、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、詳細呈現。MapMatrix系件空中三角測量加密是在DATMatrix中調用PATB完成，經內定向、自動轉點、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PATB空中三角測量加密后會產生大量爭議點，需要手工編輯完爭議點才能產生較好的平差結果，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系統無人機遙感數據處理流程Fig.2　Processing flow of MapMatrix in UAV remote sensing data

圖3　試驗區航跡及相關分布Fig.3　Distribution of the reference points and tracks in test site

3.2.3DEM制作對比。Inpho系統中使用Match-T DSM生成DTM，生成DEM的同時，可生成立體像對點云數據，再使用DTMaster進行DEM編輯。MapMatrix系統中創建立體相對后，可以通過“全區匹配”直接生成DEM。MapMatrix中也可生成立體像對點云，但是內嵌在DEM中，顯示DEM時可以查看，通過“點編輯”工具可以進行點云編輯。Inpho和MapMatrix系統在DEM生成、編輯功能上相差不大，但是Inpho嚴格考慮斷裂線和人工建筑，所生成的DTM比MapMatrix的好。嚴格上講，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系統使用OrthoMaster和OrthoVista模塊，可以自動生成矢量鑲嵌線和DOM。MapMatrix系統中DOM制作使用EPT軟件，經“勻糾拼”和“批量分幅”后可生成標準分幅的DOM和矢量鑲嵌線。主要區別在于Inpho中單片正射糾正和鑲嵌是分開的，而MapMatrix系統中都集成在EPT中；EPT中就可進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鑲嵌產品，但作為國產航測處理軟件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1∶1 000無人機航空攝影數據經Inpho和MapMatrix系統處理后，所得的空中三角測量精度對比見表1。

試驗測區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《數字航空攝影測量 空中三角測量規范》(GB/T 23236—2009)[19]要求；其中，控制點平面精度在兩個軟件系統中相差不大，但Inpho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。結果表明，面對1∶1 000丘陵地區無人機航攝數據時，只要標準操作、仔細平差，Inpho和MapMatrix系統都能有較好表現，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款軟件系統處理無人機遙感數據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的成圖精度進行檢查，Inpho制作的DOM平面中誤差為0.059 m，MapMatrix系統的為0.097 m，均遠低于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結論與討論

該研究以1∶1 000丘陵區無人機遙感影像為數據源，分別介紹了Inpho和MapMatrix系統的無人機遙感數據處理流程和方法，并對2款系統的數據處理流程、操作性、精度方面進行了實證對比研究。結果表明，Inpho系統軟件集成性高、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、獨特，能提供高精度、高性能的數字航空三角測量；MapMatrix系統處理步驟分布在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用PATB，在處理數據量和效率上沒有Inpho高，但所得空中三角測量結果平面精度并不比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丘陵地區航測每平方公里布設1.5個點即可，此次實例研究中4 km2布設了10個像控點，遠高于一般要求，這也導致兩款系統平差精度相差不大，結果也完全符合國標要求。另外，此次對比研究僅僅使用單一比例尺單一地形數據——1∶1 000丘陵地區，沒有涉及平地、山地和高山地，也沒有在1∶500和1∶2 000比例尺下進行試驗，因此，空中三角測量精度對比雖具有科學性，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，可以在更多的比例尺、更豐富的地形區域進行試驗。

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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、航測遙感數據處理。*通訊作者，副教授，博士，從事3S集成與應用研究。

收稿日期2016-03-25

中圖分類號S 127

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-264-04