徐 旭,康 青,陳善靜,王正剛,茅 雷
基于Agisoft Metashape圖像拼接的無人機(jī)環(huán)境熱像監(jiān)測應(yīng)用研究
徐 旭1,2,康 青1,陳善靜1,王正剛1,茅 雷1
(1. 陸軍勤務(wù)學(xué)院,重慶 401311,2. 中國人民解放軍93055部隊(duì),沈陽 110020)
為實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域的環(huán)境熱像監(jiān)測,本文以重慶某高校訓(xùn)練場為例,研究了一種無人機(jī)區(qū)域環(huán)境熱像監(jiān)測技術(shù)。通過無人機(jī)采集環(huán)境熱像,使用Agisoft Metashape軟件進(jìn)行無人機(jī)熱紅外影像拼接處理,并利用處理后的熱紅外影像進(jìn)行環(huán)境熱像監(jiān)測與目標(biāo)分析。研究表明,利用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)區(qū)域熱紅外影像的快速處理,并且處理成果可以為環(huán)境熱像監(jiān)測與目標(biāo)熱像分析提供有效參考與基礎(chǔ)資料。
Agisoft Metashape;影像拼接;環(huán)境監(jiān)測;熱像分析
隨著紅外遙感、圖像處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,紅外熱像儀以其全天時(shí)的工作能力以及對熱輻射敏感的優(yōu)勢[1],被廣泛應(yīng)用到森林防火、污染檢測、環(huán)境安全等領(lǐng)域[2],但目前受熱成像結(jié)構(gòu)和成像原理的影響,熱像儀存在拍攝視角范圍不大,其分辨率比可見光成像系統(tǒng)低等問題。在被測目標(biāo)相對較大的情況下,需要在遠(yuǎn)距離對目標(biāo)進(jìn)行拍攝采樣,導(dǎo)致目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息丟失[3],對實(shí)現(xiàn)大面積的熱像環(huán)境監(jiān)測與勘察造成了不利影響,因而需要運(yùn)用熱紅外圖像拼接技術(shù)進(jìn)行影像處理以獲取較廣闊的視場。
常用的航拍處理軟件有俄羅斯的Agisoft Metashape、瑞士的Pix4d、荷蘭的PTGUI以及中國的大疆智圖。其中Agisoft Metashape在影像自動(dòng)拼接、正射影像圖(Digital Orthophoto Map)、三維地表模型(Digital Surface Model)生成等方面有著強(qiáng)大功能,并且在國內(nèi)外不同領(lǐng)域有著廣泛的工程實(shí)際應(yīng)用與研究成果。Jebur Ahmed[4]等評估了其三維建模處理的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,Barbasiewicz A[5]等比較了該軟件與瑞士的Pix4d兩款軟件在數(shù)據(jù)處理上的準(zhǔn)確性,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)建模。代婷婷[6]利用該軟件進(jìn)行影像拼接處理,并結(jié)合ArcGIS和ENVI等軟件進(jìn)行空間信息量化分析,為大尺度風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)提供前期分析資料。李秀全[7]等將Agisoft Metashape拼接技術(shù)應(yīng)用到新農(nóng)村規(guī)劃當(dāng)中,為新農(nóng)村用地規(guī)劃的前期測量提供了便利。以上研究成果主要是基于Agisoft Metashape軟件在可見光影像拼接以及三維建模生成的應(yīng)用,但對于其在熱紅外圖像處理方面的研究、效果分析以及拼接成果應(yīng)用,目前仍有待進(jìn)一步研究。
基于以上問題,本文選取重慶某高校的綜合訓(xùn)練場作為試驗(yàn)區(qū)域,通過無人機(jī)平臺(tái)采集該區(qū)域的熱紅外影像,并使用Agisoft Metashape軟件對區(qū)域熱紅外影像進(jìn)行拼接試驗(yàn),對影像拼接的操作步驟進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)環(huán)境區(qū)域內(nèi)全景熱紅外影像的快速拼接。并利用該區(qū)域的可見光航拍影像與熱紅外影像進(jìn)行比對,分析該區(qū)域不同對象在夜間的熱像特征,為環(huán)境監(jiān)測與分析提供參考。
自然界中一切溫度高于絕對零度(-273℃)的物體,都輻射出載有物體特征信息的紅外線,利用探測器測定目標(biāo)本身和背景之間的紅外輻射差,可以得到熱紅外圖像[8]。在紅外圖像的采集過程中,圖像信號的獲取和傳輸要受到設(shè)備元件、外界環(huán)境等各因素的影響[9],使得紅外圖像相比于可見光照片具有對比度低、分辨率低[10]、亮度低、信噪比低、目標(biāo)物體紋理和邊緣表現(xiàn)較差等缺陷[11]。
基于以上特征,熱紅外影像在拼接處理過程中對于軟件的圖像識(shí)別能力與處理能力有著較高的要求。Agisoft Metashape軟件(原Agisoft Photoscan軟件在1.5.0版本之后,改名為Agisoft Metashape)是俄羅斯Agisoft公司研發(fā)的一款基于影像自動(dòng)生成高質(zhì)量三維模型的優(yōu)秀軟件,它根據(jù)最新的多視圖三維重建技術(shù),可對具有一定重疊率的數(shù)碼相片進(jìn)行處理[12]。相比于其他同類軟件,Agisoft Metashape軟件在影像處理過程中,對圖像的特征識(shí)別能力更強(qiáng),對于低質(zhì)量影像及錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的修正處理功能更為智能、強(qiáng)大,無論是具有位置信息的航拍影像還是普通高分辨率數(shù)碼相機(jī)拍攝的影像均可對其進(jìn)行正射影像的拼接處理與三維模型的重建。因此在熱紅外影像拼接方面,Agisoft Metashap能夠與熱紅外影像的特點(diǎn)相適應(yīng),具有操作簡潔、過程高效、效果精細(xì)的優(yōu)點(diǎn)。
本次試驗(yàn)區(qū)域選取某高校的綜合訓(xùn)練場,區(qū)域內(nèi)設(shè)置有人工湖景觀、文化廣場以及多種科目的技能訓(xùn)練場等設(shè)施,生態(tài)環(huán)境優(yōu)美,野生動(dòng)植物種類繁多,是戶外課程教學(xué)實(shí)踐、師生課后休閑的主要場所。目前該訓(xùn)練場正在建設(shè)過程中,施工單位仍在該區(qū)域作業(yè)及生活,同時(shí)由于校園封閉性差、燈光道路設(shè)施尚未建成,周邊居民以及場內(nèi)施工人員成分復(fù)雜,導(dǎo)致該區(qū)域夜間偷獵、捕魚、傾倒垃圾污水的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生,對環(huán)境安全造成了嚴(yán)重威脅,因而具備環(huán)境監(jiān)測與研究的實(shí)際意義。
無人機(jī)UAV(Unmanned Aerial Vehicle)是一種機(jī)上無人駕駛的航空器,具有動(dòng)力裝置和導(dǎo)航模塊,在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設(shè)備或計(jì)算機(jī)預(yù)編程序自主控制飛行[13]。近年來,隨著我國無人機(jī)技術(shù)研究及無人機(jī)產(chǎn)業(yè)化高度發(fā)展,使得無人機(jī)的功能逐步豐富、性能不斷提高、成本更低,已被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)。
本次研究通過大疆M600pro行業(yè)級多旋翼無人機(jī)搭載禪思XT2云臺(tái)相機(jī)進(jìn)行影像采集(圖1)。多旋翼無人機(jī)具有定點(diǎn)懸停、垂直起降、超低空飛行以及貼近建(構(gòu))筑物等地表物體繞飛的飛行能力[14],在此基礎(chǔ)上大疆M600pro具備多種功能接口,可搭載不同的航拍鏡頭及功能模塊,支持通過大疆PRO飛行控制軟件可進(jìn)行區(qū)域航線規(guī)劃與自動(dòng)航拍,推薦最大起飛重量15.5kg,允許飛行高度500m,最大可承受風(fēng)速8m/s,滿足《低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理規(guī)范》(GB/T 39612-2020)[15]對于航空拍攝設(shè)備的要求。禪思XT2是由大疆與美國FLIR公司聯(lián)合打造的一款熱成像與4K可見光傳感器結(jié)合的雙光熱成像相機(jī),由非制冷氧化釩微測熱輻射熱成像相機(jī)與可見光相機(jī)組成(技術(shù)參數(shù)見表1),支持可見光和熱紅外影像的同步獲取,照片包含坐標(biāo)、海拔等位置信息以及溫度信息,便于影像處理與分析。
圖1 搭載XT2熱成像鏡頭的M600無人機(jī)
本次研究區(qū)域面積約236221m2,影像采集時(shí)間為晚間20時(shí),多云天氣,氣溫10℃。通過DJI Pilot軟件進(jìn)行拍攝航線規(guī)劃設(shè)定,總航線長度為8560m,飛行高度350m,飛行速度3.6m/s,GSD(Ground Sampling Distance)分辨率7.42cm/pixel,旁向重疊率70%、航向重疊率80%。設(shè)定完成后無人機(jī)將按規(guī)劃航線自動(dòng)進(jìn)行航拍,本次影像采集總耗時(shí)40min,共拍攝熱紅外影像273張。
表1 禪思XT2技術(shù)參數(shù)
Agisoft Metashape在進(jìn)行熱紅外影像拼接處理時(shí),具有操作簡單、步驟清晰的特點(diǎn),其主要操作步驟均集中在操作界面上方選項(xiàng)欄中的工作流程選項(xiàng)內(nèi),可按工作流程菜單內(nèi)的順序進(jìn)行圖像拼接操作,主要操作包括照片導(dǎo)入、對齊照片、生成網(wǎng)格、生成正射影像、成果導(dǎo)出。
運(yùn)行Agisoft Metashape,在上方選項(xiàng)欄中的“工作流程”選項(xiàng)下,選擇“導(dǎo)入照片”,將篩選后的熱紅外影像導(dǎo)入后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提取影像中的位置信息,顯示出影像拍攝時(shí)的相機(jī)位置及拍攝航線(圖2)。
完成照片導(dǎo)入后,選擇“對齊照片”選項(xiàng),根據(jù)研究需要可對圖像的拼接精度、配對模式預(yù)選以及其他高級選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置。本次研究的拼接精度設(shè)置為“高”,配對模式為“通用預(yù)選”+“參考預(yù)選”。確認(rèn)設(shè)置后,軟件將自動(dòng)對齊照片,對每張影像進(jìn)行估算,分析影像中的重疊部分并生成匹配點(diǎn),建立稀疏點(diǎn)云模型(圖3),藍(lán)色正方形代表每張影像的照相機(jī)位置。
生成網(wǎng)格是指通過對于密集點(diǎn)云進(jìn)行計(jì)算,程序基于密集點(diǎn)云分布生成多邊形網(wǎng)格模型,通過多邊形網(wǎng)格模型在各點(diǎn)之間構(gòu)建出目標(biāo)的表面。選擇“生成網(wǎng)格”選項(xiàng),對網(wǎng)格的源數(shù)據(jù)、表面類型以及生成面數(shù)進(jìn)行設(shè)置,本次試驗(yàn)源數(shù)據(jù)選擇“疏點(diǎn)云”(即對齊照片后程序生成的稀疏點(diǎn)云),表面類型選擇“Arbitrary 3D”,面數(shù)選擇“高”,確認(rèn)設(shè)置后程序?qū)⒆詣?dòng)生成網(wǎng)格,處理完畢后在界面將會(huì)顯示由18121個(gè)網(wǎng)格面構(gòu)建的3D模型(圖4),此時(shí)熱紅外影像拼接處理基本完成,該模型即可用于生成拼接后的熱紅外正射影像。
圖2 照片導(dǎo)入后效果
圖3 對齊照片后生成的疏點(diǎn)云
Fig.3 Sparse point cloud generated after aligning photos
圖4 生成網(wǎng)格后的模型
在工作流程中找到“Build Orthomosaic”選項(xiàng)進(jìn)行正射影像的生成。在設(shè)置頁面中可以對生成正射影像的投影類型、坐標(biāo)系、分辨率、區(qū)域邊界等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置完成后即可生成熱紅外影像拼接后的正射影像。在上部“文件”選項(xiàng)中的導(dǎo)出功能中找到“Expoort Orthomosaic”,選擇需要的文件格式后即可將影像拼接結(jié)果導(dǎo)出(圖5)。
熱紅外影像是反映物體熱輻射的圖像,因而在確認(rèn)影像中目標(biāo)的種類以及實(shí)際所處環(huán)境情況時(shí),需要借助可見光影像進(jìn)行對比參考。鑒于目前利用Agisoft Metashape進(jìn)行可見光影像拼接的研究已較為成熟,且與熱紅外圖像拼接的步驟差異不大,在此不做深入探討,僅作為該區(qū)域環(huán)境熱像分析參考(圖6)。
在利用Agisoft Metashape進(jìn)行熱紅外影像處理的研究過程中,暴露出許多常見的技術(shù)問題,經(jīng)過研究與試驗(yàn),總結(jié)出以下優(yōu)化處理方法。
通過對多次拼接結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),熱紅外影像拼接后局部易出現(xiàn)扭曲、失真甚至缺失的現(xiàn)象,其主要原因在于熱紅外影像的顏色、輪廓特征不明顯、加之部分照片的拍攝質(zhì)量不高、重疊度不足,導(dǎo)致程序計(jì)算出現(xiàn)問題。因此在進(jìn)行拼接處理前,需要對影像進(jìn)行篩選,剔除在自動(dòng)拍攝和航線自動(dòng)飛行過程中因飛行器轉(zhuǎn)向、霧天遮擋、氣流干擾等不良因素產(chǎn)生的低質(zhì)量影像。
根據(jù)《低空數(shù)字航攝與數(shù)據(jù)處理規(guī)范》[15]對于飛行質(zhì)量和影像質(zhì)量的要求,航向重疊度一般應(yīng)為60%~80%,最小不應(yīng)小于53%;旁向重疊度一般應(yīng)為15%~60%,最小不應(yīng)小于8%。因而在照片選取后,需要對缺少的影像進(jìn)行補(bǔ)拍,以滿足影像之間的重疊度,保證整體拼接質(zhì)量??刹扇≡趯?shí)際航拍參數(shù)設(shè)置時(shí)適當(dāng)增加重疊度,或采用目標(biāo)區(qū)域邊緣向外擴(kuò)展1~2條航線的方法,確保目標(biāo)區(qū)域在剔除部分低質(zhì)量影像后仍滿足重疊度標(biāo)準(zhǔn),從而避免重復(fù)拍攝。
圖5 區(qū)域熱紅外影像處理后效果
圖6 某試驗(yàn)區(qū)域可見光影像
在進(jìn)行照片對齊步驟中,需要就對齊精度進(jìn)行設(shè)定,處理精度越高,其拼接效果越好,對于計(jì)算機(jī)的配置要求以及處理時(shí)間也隨之提高。熱紅外圖像相比于可見光照片的分辨率較低、色彩較為單一、輪廓特征不夠顯著,需要較高的拼接精度來保證程序?qū)τ跋裉卣鞯臏?zhǔn)確識(shí)別,因此在進(jìn)行熱紅外照片的對齊時(shí),應(yīng)選擇中等及以上的精度進(jìn)行對齊,反之選擇低、極低的對齊精度將導(dǎo)致大部分影像不能被識(shí)別、疏點(diǎn)云無法生成(圖7)。因而在充分考慮計(jì)算機(jī)硬件配置及拼接處理時(shí)間的前提下,在選擇對齊精度時(shí)應(yīng)選擇高質(zhì)量選項(xiàng)以保證影像拼接質(zhì)量。
現(xiàn)有許多利用Agisoft Metashape進(jìn)行可見光正射影像拼接的研究中,除以上技術(shù)流程外,還進(jìn)行了建立密集點(diǎn)云、生成紋理的操作,在完成全部3維模型的構(gòu)建操作后再生成正射影像,增加了工作量。通過在研究中多次試驗(yàn)比對發(fā)現(xiàn),在對熱紅外影像進(jìn)行拼接時(shí),以密集點(diǎn)云作為源數(shù)據(jù)得到的正射影像與利用稀疏點(diǎn)云為源數(shù)據(jù)進(jìn)行生成網(wǎng)格操作得到的正射影像,二者的圖像分辨率與局部圖像細(xì)節(jié)并無明顯差別(圖8),因此在無生成3D模型需求的情況下,采用上文所述技術(shù)流程即可滿足熱紅外影像的拼接,并可節(jié)省大量的運(yùn)算處理時(shí)間。
圖7 疏點(diǎn)云生成失敗
根據(jù)玻爾茲曼定律:=4,其中為輻射強(qiáng)度;為物體發(fā)射率;為玻爾茲曼常數(shù);為熱力學(xué)溫度,玻爾茲曼定律表明物體溫度與熱輻射強(qiáng)度呈正相關(guān)[16],熱像儀將物體的熱輻射轉(zhuǎn)化為溫度信息,并以不同的亮度反映到熱紅外圖影像上。因而通過對熱紅外影像進(jìn)行分析,可以得到不同目標(biāo)的熱輻射特征。
通過對生成的熱紅外區(qū)域圖像進(jìn)行分析,篩選出熱紅外圖像中顯著于周邊環(huán)境的高亮度目標(biāo)作為重點(diǎn)監(jiān)測與分析對象(圖9),包括可以從熱像圖直接識(shí)別出的施工單位生活區(qū),以及不易被識(shí)別的人工湖岸邊熱異常區(qū)域和訓(xùn)練場南側(cè)的不規(guī)則區(qū)域熱源。
進(jìn)而結(jié)合該區(qū)域可見光航拍影像與實(shí)地調(diào)查目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與確認(rèn),確定人工湖岸邊的高熱區(qū)域?yàn)槭┕挝簧a(chǎn)生活污水的違規(guī)排放導(dǎo)致,訓(xùn)練場南側(cè)的高熱區(qū)域則可能是由于附近居民的生活垃圾及場內(nèi)施工作業(yè)的建筑垃圾堆積發(fā)酵產(chǎn)生(圖10)。
在確定污染物堆積處主要位置及類型后,將垃圾堆積區(qū)的熱紅外影像導(dǎo)入FLIR Tools專用軟件,對污染物的熱輻射及溫度特征進(jìn)行分析。利用FLIR Tools軟件,結(jié)合可見光圖像對垃圾堆積區(qū)熱紅外影像上的樹木、碎石土道路、白色垃圾、黑色袋裝生活垃圾、廢舊金屬屋頂以及工程防塵網(wǎng)覆蓋處設(shè)置多個(gè)測溫點(diǎn)(圖11),并得到各點(diǎn)溫度信息(表2)。通過分析各點(diǎn)溫度發(fā)現(xiàn),在測溫區(qū)內(nèi),最高溫度15.3℃,為黑色袋裝生活垃圾產(chǎn)生,且黑色袋裝生活垃圾的平均溫度最高,由此推斷在夜間黑色袋裝生活垃圾相比于周邊植物、碎石土路、廢舊金屬等物質(zhì)具有較高的熱輻射。除此之外,被工程防塵網(wǎng)所遮蓋的垃圾以及碎石土路,其溫度顯示顯著降低,推斷出工程防塵網(wǎng)的遮蓋對于物體夜間的熱輻射有遮蓋作用,降低了目標(biāo)在熱像監(jiān)測中的顯著性。
試驗(yàn)中采用了大疆XT2熱成像相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)的遙感測溫,其最小可分辨溫差小于0.05K。但對于環(huán)境目標(biāo)的絕對溫度測試需要考慮大氣衰減的校正,目標(biāo)表面發(fā)射率的修正,地面環(huán)境目標(biāo)熱慣性的晝夜溫差影響,以及背景紅外輻射在目標(biāo)表面反射因素的剔除等。因此本文僅通過熱紅外影像的灰度差別以及測量溫度,定性測試了環(huán)境目標(biāo)的溫度異常,對溫度數(shù)據(jù)的絕對測試分析還需進(jìn)一步校正與細(xì)化研究。
圖8 兩種源數(shù)據(jù)的處理結(jié)果無明顯差異
圖9 需要重點(diǎn)關(guān)注與監(jiān)測的顯著熱目標(biāo)
圖10 污染物堆積處的可見光影像
表2 測溫區(qū)內(nèi)各測溫點(diǎn)溫度信息
1)本文以重慶某高校訓(xùn)練場為例,研究了一種無人機(jī)環(huán)境熱像監(jiān)測技術(shù)。首先通過無人機(jī)進(jìn)行環(huán)境熱像采集,并利用Agisoft Metashape軟件進(jìn)行無人機(jī)熱紅外影像拼接熱像處理,最后對處理后的熱紅外影像進(jìn)行環(huán)境熱像監(jiān)測與目標(biāo)分析,獲取了環(huán)境的圖像信息與溫度異常。
2)基于Agisoft Metashape進(jìn)行區(qū)域熱像拼接處理的無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測技術(shù),具備操作簡單,處理速度快,生成圖像質(zhì)量高的特點(diǎn)。顯著提高了區(qū)域環(huán)境熱像監(jiān)測的工作效率,節(jié)約了工作量,可以作為常規(guī)性環(huán)境監(jiān)測以及環(huán)境熱像數(shù)據(jù)采集的一種有效手段。
3)通過環(huán)境熱像監(jiān)測分析,可在夜間有效定位包括污水排放與生活垃圾堆積等環(huán)境污染物及其他環(huán)境目標(biāo)。
4)通過溫度分析軟件發(fā)現(xiàn),生活垃圾在夜間的熱像特征最為顯著,但通過工程防塵網(wǎng)的覆蓋,使被遮擋區(qū)域污染物無法被環(huán)境熱像監(jiān)測定位與識(shí)別。本研究為環(huán)境熱異常監(jiān)測提供了一種方法手段。
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Application of UAV Environmental Thermography Monitoring Based on Agisoft Metashape Image Mosaic
XU Xu1,2,KANG Qing1,CHEN Shanjing1,WANG Zhenggang1,MAO Lei1
(1. Army Logistics University, Chongqing 401311, China; 2.93055 Unit, PLA, Shenyang 110020, China)
To realize environmental thermal image monitoring in a large area, this study took a university training field in Chongqing as an example to investigate UAV regional environmental thermal image monitoring technology. First, the UAV was used for environmental thermal image acquisition, and the Agisoft Metashape software was used for UAV thermal infrared mosaic thermal image processing. The processed thermal infrared images were used for environmental thermal image monitoring and target analysis. Experiments showed that the technology can realize fast processing of regional thermal infrared images, and the processing results can provide an effective reference and basic data for environmental thermal image monitoring and target thermal image analysis.
Agisoft Metashape, image stitching, environmental monitoring, thermal image analysis
TN219
A
1001-8891(2023)01-0049-07
2021-12-30;
2022-04-11.
徐旭(1993-),男,遼寧沈陽人,助理工程師,碩士研究生,研究方向?yàn)檐娛陆ㄖ踩c技術(shù)。E-mail: 526668372@qq.com。
重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC2020JCYJ-KSXMX0156);重慶市教發(fā)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJQN201912905)。