DOI: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-xlviii-1-w4-2025-65-2025
تاريخ النشر: 2025-06-16
المؤلف: Adam Kostrzewa وآخرون
الموضوع الرئيسي: المسح ثلاثي الأبعاد والتراث الثقافي
نظرة عامة
يوفر هذا القسم نظرة عامة على التقدم في تكنولوجيا الطائرات بدون طيار وتأثيرها على جمع البيانات الجوية، لا سيما في مجالات مثل المسح، والتخطيط، والزراعة، وتفتيش البنية التحتية. يبرز أهمية عوامل مختلفة – طرق جمع البيانات، واختيار البرمجيات، ومعلمات المعالجة – التي تؤثر على جودة المخرجات مثل الأورثوموزايك ونماذج الارتفاع الرقمية (DEMs).
يقارن البحث بين حلين برمجيين: OpenDroneMap (ODM)، وهو خيار مفتوح المصدر، وAgisoft Metashape، وهو منتج تجاري. بينما يقدم ODM وظائف مشابهة للبرمجيات التجارية، بما في ذلك توليد سحب النقاط وإنشاء DEM من خلال خوارزميات مثل التصوير متعدد الزوايا (MVS) وإعادة بناء سطح بواسون، يُلاحظ أن Agisoft Metashape يتميز بواجهة مستخدم سهلة الاستخدام وقدرات شاملة. تركز التحليل المقارن على دقة معايرة الكاميرا وتوجيه البيانات عبر مجموعات بيانات مختلفة، مما يكشف أن ODM يمكن أن يحقق نتائج قابلة للمقارنة مع Agisoft Metashape. في النهاية، يعتمد الاختيار بين الخيارين البرمجيين على متطلبات المستخدم واحتياجات المشروع المحددة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الاستخدام المتزايد للطائرات الجوية غير المأهولة (UAVs) المزودة بكاميرات RGB ومتعددة الطيف عبر مجالات مختلفة مثل الزراعة، والغابات، وعلم الآثار، مدفوعة بتكلفة تكنولوجيا UAV وسهولة الوصول إليها. لاستخراج بيانات جغرافية عالية الجودة من صور UAV، تعتبر البرمجيات المتخصصة ضرورية لمهام مثل معايرة الكاميرا، وتوليد الصور الجوية، وإنشاء سحب النقاط الكثيفة. بينما تتوفر خيارات برمجية تجارية مثل PIX4D Mapper وAgisoft Metashape، فإن تكاليفها العالية يمكن أن تعيق المستخدمين الأفراد. وبالتالي، اكتسبت البدائل مفتوحة المصدر، وخاصة OpenDroneMap، زخمًا داخل مجتمع التصوير الفوتوغرافي.
يهدف هذا المقال إلى مقارنة البرمجيات التجارية Agisoft Metashape (الإصدار 2.1.3) مع OpenDroneMap (ODM، الإصدار 3.5.0) مفتوح المصدر. يركز المقارنة على هيكل سير العمل، وتنفيذ الخوارزميات، وأداء المعالجة، مع فحص معايرة الكاميرا وتوجيه البيانات عبر أنواع التضاريس المختلفة وسيناريوهات المعالجة. من المتوقع أن تُعلم النتائج المستخدمين حول كفاءة وفعالية تكلفة حلول معالجة صور UAV المختلفة.
الطرق
هدفت الدراسة إلى تقييم توجيه الكاميرا وقدرات المعايرة الذاتية لبيئتين برمجيتين – ODM مفتوح المصدر وMetashape التجاري – باستخدام مجموعات بيانات متعددة المتغيرات. تضمنت مجموعات البيانات صور RGB عمودية ومائلة، مع وجود ونقاط التحكم الأرضية (GCPs) أو بدونها، بالإضافة إلى صور متعددة الطيف (MSI). تم إجراء البحث في موقعين اختباريين: Józefosław (JOZE) وHerby، باستخدام UAVs مزودة بمستقبلات GNSS مزدوجة التردد لتحديد المواقع بدقة. شمل التحليل سيناريوهات معالجة متعددة، بما في ذلك اختلافات في دقة الصورة واستخدام GCPs، مع توضيح منهجيات المعالجة بالتفصيل في قسم الطرق.
أشارت النتائج إلى أن أداء ODM وMetashape يمكن مقارنته بشكل مستقل لكل من الصور العمودية والمائلة. درست الدراسة بشكل خاص تأثير GCPs على توجيه المستشعر ونتائج المعايرة، باستخدام نفس ملاحظات GCP عبر كلا النظامين البرمجيين. بينما يفتقر ODM حاليًا إلى دعم نقاط التحقق (ChPs)، سمح التعرف اليدوي على ChPs على الأورثوموزايك الناتج وسحب النقاط الكثيفة بتقييم نوعي لمعايرة الصورة. شملت الدراسة أيضًا تقييمًا بصريًا للجودة الإشعاعية للأورثوموزايك متعدد الطيف، مع تحليل الرسوم البيانية لتقييم موثوقية قيم الانعكاس عبر سيناريوهات المعايرة المختلفة. تم إجراء المعالجة على جهاز كمبيوتر عالي الأداء، مما يضمن قدرات حسابية قوية للتحليل.
النتائج
يقيم قسم النتائج في الدراسة أداء برمجيات ODM وMetashape في معالجة الصور الجوية عبر سيناريوهات مختلفة. في السيناريوهات 1a و1b، حيث لم يتم استخدام نقاط التحكم الأرضية (GCPs)، انخفض متوسط خطأ إعادة الإسقاط بشكل كبير مع زيادة مستويات هرم الصورة، من 2.03 إلى 1.13 بكسل في ODM ومن 7.12 إلى 0.95 بكسل في Metashape. استقرت الأطوال البؤرية عند 12.4842 مم لـ ODM و13.2718 مم لـ Metashape، مما يشير إلى وجود اختلافات محتملة في تقدير العمق. أظهرت إحداثيات النقطة الرئيسية اختلافات تبلغ حوالي 1 بكسل لـ Cx و4 بكسل لـ Cy، مع كون قيم التشويه قابلة للمقارنة في كلا البرمجتين. أوضحت مخططات دالة المعايرة أن كلا البرنامجين قد قاما بتقليل نتائج المعايرة عند مستويات الهرم المنخفضة، لكنهما تقاربا مع زيادة مستويات المعالجة.
في السيناريوهات 2a و2b، حيث تم دمج GCPs، أظهر Metashape أخطاء إعادة إسقاط متوسطة أقل (من 1.19 إلى 0.61 بكسل للبيانات العمودية ومن 1.18 إلى 0.77 بكسل للبيانات المائلة) مقارنة بـ ODM. أظهرت المواقع المقدرة للنقطة الرئيسية انحرافات أكبر مما كانت عليه في السيناريوهات السابقة، على الأرجح بسبب عملية تعديل الحزمة. من الجدير بالذكر أن خطأ RMS لـ ODM على GCPs كان أقل بكثير من ذلك الخاص بـ Metashape، مما يشير إلى احتمال وجود ملاءمة زائدة في تعديلات ODM. كشفت تحليل نقاط التحكم (ChPs) أن خطأ RMS لـ ODM كان تقريبًا ضعف ذلك الخاص بـ Metashape، مما يدل على الحاجة إلى مزيد من التحقق من دقة مخرجات ODM. أخيرًا، في معالجة البيانات متعددة الطيف، كانت قدرات ODM محدودة مقارنة بـ Metashape، لا سيما في المعايرة الإشعاعية، مما أدى إلى قيم انعكاس مشكوك فيها على الرغم من المخرجات المقبولة بصريًا.
المناقشة
يوفر قسم المناقشة في ورقة البحث مقارنة شاملة بين حلين لمعالجة الصور الفوتوغرافية: OpenDroneMap (ODM)، وهو برنامج مفتوح المصدر، وAgisoft Metashape، وهو منتج تجاري. يتم تقييم كلا الحزمتين البرمجيتين بناءً على قدراتهما في معالجة صور UAV، بما في ذلك صور RGB والصور متعددة الطيف. تؤكد الدراسة على أهمية المعايرة الذاتية للكاميرا لكاميرات UAV غير المترية لضمان نتائج موثوقة، لا سيما في السيناريوهات التي تتضمن تقنيات مختلفة لجمع الصور (عمودي مقابل مائل) واستخدام نقاط التحكم الأرضية (GCPs). تشير النتائج إلى أن ODM يمكن أن يحقق نتائج معايرة قابلة للمقارنة مع Metashape، خاصة عند استخدام أنظمة RTK GNSS، التي توفر دقة تحديد المواقع الكافية حتى مع الحد الأدنى من GCPs.
ومع ذلك، تبرز الدراسة قيودًا في وظائف ODM، لا سيما نقص الدعم للألواح المعايرة في المعايرة الإشعاعية، مما قد يؤدي إلى قيم انعكاس غير موثوقة للبيانات متعددة الطيف. تشير هذه القيود إلى أنه بينما يمكن استخدام ODM لتطبيقات الاستشعار عن بعد، قد لا تكون مخرجاته مناسبة للتحليلات متعددة الزمن دون طرق معايرة إضافية. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على الطبيعة المتطورة للبرمجيات الفوتوغرافية والحاجة إلى مقارنات مستمرة لتقييم أدائها وموثوقيتها في سيناريوهات التصوير المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.5194/isprs-archives-xlviii-1-w4-2025-65-2025
Publication Date: 2025-06-16
Author(s): Adam Kostrzewa et al.
Primary Topic: 3D Surveying and Cultural Heritage
Overview
The section provides an overview of the advancements in drone technology and its impact on aerial data acquisition, particularly in fields such as surveying, mapping, agriculture, and infrastructure inspections. It highlights the importance of various factors—data acquisition methods, software selection, and processing parameters—that affect the quality of outputs like orthomosaics and digital elevation models (DEMs).
The paper compares two software solutions: OpenDroneMap (ODM), an open-source option, and Agisoft Metashape, a commercial product. While ODM offers functionalities similar to commercial software, including point cloud generation and DEM creation through algorithms like Multi-View Stereo (MVS) and Poisson surface reconstruction, Agisoft Metashape is noted for its user-friendly interface and comprehensive capabilities. The comparative analysis focuses on camera calibration accuracy and data orientation across different datasets, revealing that ODM can achieve results comparable to Agisoft Metashape. Ultimately, the choice between the two software options is contingent upon user requirements and specific project needs.
Introduction
The introduction highlights the increasing utilization of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) equipped with RGB and multispectral cameras across various fields such as agriculture, forestry, and archaeology, driven by the affordability and accessibility of UAV technology. To extract high-quality geospatial data from UAV imagery, specialized software is essential for tasks like camera calibration, orthophoto generation, and dense point cloud creation. While commercial software options like PIX4D Mapper and Agisoft Metashape are prevalent, their high costs can hinder individual users. Consequently, open-source alternatives, particularly OpenDroneMap, have gained traction within the photogrammetric community.
This article aims to compare the commercial software Agisoft Metashape (version 2.1.3) with the open-source OpenDroneMap (ODM, version 3.5.0). The comparison focuses on workflow structure, algorithm implementation, and processing performance, specifically examining camera calibration and data orientation across various terrain types and processing scenarios. The findings are expected to inform users about the efficiency and cost-effectiveness of different UAV image processing solutions.
Methods
The study aimed to evaluate the camera orientation and self-calibration capabilities of two software environments—open-source ODM and commercial Metashape—using various multi-variant datasets. The datasets included nadir and oblique RGB imagery, both with and without ground control points (GCPs), as well as multispectral imagery (MSI). The research was conducted at two test sites: Józefosław (JOZE) and Herby, utilizing UAVs equipped with dual-frequency GNSS receivers for precise georeferencing. The analysis involved multiple processing scenarios, including variations in image resolution and the use of GCPs, with detailed processing methodologies outlined in the methods section.
The findings indicated that the performance of ODM and Metashape could be compared independently for both nadir and oblique images. The study specifically investigated the influence of GCPs on sensor orientation and calibration results, using the same GCP observations across both software platforms. While ODM currently lacks support for check points (ChPs), manual identification of ChPs on the generated orthomosaic and dense point cloud allowed for a qualitative assessment of image calibration. The study also included a visual evaluation of the radiometric quality of the multispectral orthomosaic, with histograms analyzed to assess the reliability of reflectance values across different calibration scenarios. Processing was conducted on a high-performance computer, ensuring robust computational capabilities for the analysis.
Results
The results section of the study evaluates the performance of ODM and Metashape software in processing aerial imagery across various scenarios. In scenarios 1a and 1b, where no Ground Control Points (GCPs) were used, the average reprojection error decreased significantly with increased image pyramid levels, from 2.03 to 1.13 pixels in ODM and from 7.12 to 0.95 pixels in Metashape. The focal lengths stabilized at 12.4842 mm for ODM and 13.2718 mm for Metashape, indicating potential discrepancies in depth estimation. The principal point coordinates exhibited differences of approximately 1 pixel for Cx and 4 pixels for Cy, with distortion values being comparable in both software. Calibration function plots illustrated that both programs underestimated calibration results at lower pyramid levels, but converged as processing levels increased.
In scenarios 2a and 2b, where GCPs were incorporated, Metashape demonstrated lower average reprojection errors (from 1.19 to 0.61 pixels for nadir and from 1.18 to 0.77 pixels for oblique datasets) compared to ODM. The estimated principal point positions showed greater deviations than in previous scenarios, likely due to the Bundle Adjustment process. Notably, ODM’s RMS error on GCPs was significantly lower than that of Metashape, suggesting potential overfitting in ODM’s adjustments. The analysis of control points (ChPs) revealed that ODM’s RMS error was approximately double that of Metashape, indicating a need for further validation of ODM’s output accuracy. Lastly, in processing multispectral data, ODM’s capabilities were limited compared to Metashape, particularly in radiometric calibration, leading to questionable reflectance values despite visually acceptable outputs.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive comparison of two photogrammetric processing solutions: OpenDroneMap (ODM), an open-source software, and Agisoft Metashape, a commercial product. Both software packages are evaluated based on their capabilities in processing UAV imagery, including RGB and multispectral images. The study emphasizes the importance of camera self-calibration for non-metric UAV cameras to ensure reliable results, particularly in scenarios involving different image acquisition techniques (nadir vs. oblique) and the use of ground control points (GCPs). The findings indicate that ODM can achieve calibration results comparable to Metashape, especially when using RTK GNSS systems, which provide sufficient georeferencing accuracy even with minimal GCPs.
However, the study highlights limitations in ODM’s functionality, particularly its lack of support for calibration panels in radiometric calibration, which may lead to unreliable reflectance values for multispectral data. This limitation suggests that while ODM can be utilized for remote sensing applications, its outputs may not be suitable for multi-temporal analyses without additional calibration methods. Overall, the research underscores the evolving nature of photogrammetric software and the need for ongoing comparisons to assess their performance and reliability in various imaging scenarios.