无人机航拍图像拼接方法研究进展

doi:10.7527/S1000-6893.2025.31799

电子电气工程与控制

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无人机航拍图像拼接方法研究进展

姜筱巍, 吴一全()

南京航空航天大学电子信息工程学院，南京 211106

收稿日期:2025-01-13 修回日期:2025-03-26 接受日期:2025-04-28 出版日期:2025-05-12 发布日期:2025-05-08
通讯作者: 吴一全 E-mail:nuaaimage@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(61573183)

Research progress of UAV aerial image mosaic methods

Xiaowei JIANG, Yiquan WU()

College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China

Received:2025-01-13 Revised:2025-03-26 Accepted:2025-04-28 Online:2025-05-12 Published:2025-05-08
Contact: Yiquan WU E-mail:nuaaimage@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(61573183)

摘要/Abstract

摘要：

无人机因其轻便灵活、拍摄覆盖面广、成本较低等优势，在军事侦察、农业监测、城市规划与管理等领域发挥了重大作用。在这些应用中，无人机航拍因视野受限，无法得到完整目标区域的高清全景图像，因此图像拼接技术必不可少。近年来，深度学习的发展使得无人机航拍图像拼接技术再度受到关注。综述了近10年来无人机航拍图像拼接方法的研究进展。首先简介无人机航拍图像拼接方法的发展历程及主要流程。然后按图像预处理、图像配准、图像融合3大步骤详细说明无人机航拍图像拼接的传统方法，并对比每个步骤所采用方法的优缺点。接着阐述了基于深度学习的无人机航拍图像拼接方法，从基于深度学习的语义分割、图像配准、图像拼接框架这3个方面进行详细说明。随后梳理了常见无人机航拍图像拼接数据集与图像拼接性能评价指标，并列举了5项无人机航拍图像拼接技术的典型应用领域。最后指出无人机航拍图像拼接仍面临着多项技术挑战，并对未来工作进行了展望。

关键词: 无人机航拍, 图像拼接, 深度学习, 图像配准, 图像融合

Abstract:

Unmanned Aerial Vehicle （UAV） plays an important role in military reconnaissance， agricultural monitoring， urban planning and management due to its advantages of light weight， flexibility， wide coverage and low cost. In these applications， due to the limited field of view of UAV aerial photography， it is impossible to obtain high-definition panoramic images of the complete target area. Therefore， image mosaic technology is essential. In recent years， the development of deep learning has brought renewed attention to UAV aerial image mosaic technology. This paper reviews the research progress of UAV aerial image mosaic methods in the last 10 years. Firstly， the development process and main process of UAV aerial image mosaic method are introduced. Secondly， the traditional methods of UAV aerial image mosaic are described in detail according to the three steps of image preprocessing， image registration and image fusion. The advantages and disadvantages of the methods used in each step are also compared. This paper then describes in detail the UAV aerial image mosaic method based on deep learning from three aspects： semantic segmentation， image registration， and image mosaic framework which both based on deep learning. Common UAV aerial image mosaic datasets and image mosaic performance evaluation indicators are sorted out， and five typical application fields of UAV aerial image mosaic technology are listed. Finally， this paper highlights several technical challenges that UAV aerial image mosaic still faces and provides an outlook on the future work directions.

Key words: UAV aerial photography, image mosaic, deep learning, image registration, image fusion

中图分类号:

V279

姜筱巍, 吴一全. 无人机航拍图像拼接方法研究进展[J]. 航空学报, 2025, 46(17): 331799.

Xiaowei JIANG, Yiquan WU. Research progress of UAV aerial image mosaic methods[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(17): 331799.

图/表 25

表1

图 1

表2

表3

表4

表5

表6

表7

表8

表9

表10

表11

表12

表13

表14

图 2

表15

图 3

表16

表17

表18

表19

表20

常用客观评价指标

指标	含义	公式
信息熵（ $I E$ ）	衡量图像的信息含量	$I E = - ∑ i = 1 n p (x i) l o g 2 (p (x i))$
平均梯度（ $A G$ ）	评估图像边缘和纹理的清晰程度	$A G = 1 (M - 1) (N - 1) ∑ i = 1 M - 1 ∑ j = 1 N - 1 ((I (i + 1, j) - I (i, j)) 2 + ((I (i, j + 1) - I (i, j)) 2 2$
标准差（ $S D$ ）	评估图像的对比度以及图像内部的像素差异度	$S D = 1 M N ∑ i = 1 M ∑ j = 1 N (I (i, j) - μ) 2$
能量梯度（ $E G$ ）	反映图像中像素或区域之间的差异程度	$E G = ∑ i = 1 M - 1 ∑ j = 1 N - 1 (((I (i + 1, j) - I (i, j)) 2 + ((I (i, j + 1) - I (i, j)) 2)$
均方根误差（ $R M S E$ ）	衡量接缝处顺滑程度	$R M S E = ∑ i N I (i, j + 1) - I (i, j)) 2 N$

表20

表21

常用差异性指标

指标	含义	公式
匹配正确率（ $C M R$ ）	衡量匹配正确程度	$C M R = 正确匹配点对数所有待匹配点对数$
峰值信噪比（ $P S N R$ ）	用于量化两图像之间的差异	$P S N R = 10 l g G m a x 2 R M S E$
结构相似性指数（ $S S I M$ ）	评价两图像像素和结构之间的差异	$S S I M (x, y) = (2 μ x μ y + C 1) (2 σ x y + C 2) (μ x 2 + μ y 2 + C 1) (σ x 2 + σ y 2 + C 2)$

表21

表22

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[137]	李万润，范博源，赵文海，等. 基于无人机及YOLOX视觉算法的大跨度钢结构吊装过程位移监测［J］. 振动与冲击， 2024， 43（17）： 61-70.
	LI W R， FAN B Y， ZHAO W H， et al. Displacement monitoring in large-span steel structure hoisting process based on drone and YOLOX visual algorithm［J］. Journal of Vibration and Shock， 2024， 43（17）： 61-70 （in Chinese）.
[138]	彭泓，李红利，杜宇，等. 电力巡线无人机航拍图像拼接算法［J］. 计算机应用与软件， 2020， 37（5）： 243-248， 255.
	PENG H， LI H L， DU Y， et al. Stitching algorithm of aerial images taken by power patrol UAV［J］. Computer Applications and Software， 2020， 37（5）： 243-248， 255 （in Chinese）.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

阶段	起止年份	主要方法	优势	局限性
第1阶段	1996—2015	SIFT、SURF、APAP等	拼接速度快、鲁棒性强	无法应对低特征和复杂场景
第2阶段	2015至今	结合POS数据、无监督网络等	应对复杂场景、泛化能力强	需要大量数据进行训练

文献	具体方法	优势	局限性	性能指标
［46］	改进Harris	提升拼接准确性减少拼接时间	未说明算法在不同光照条件下的表现	时间：3.56 s CMR：80.9%
［47］	改进Harris	提高拼接速度、鲁棒性和自适应程度	未验证算法在实际复杂场景中的性能表现	CMR：96.85% 匹配时间：7.98 s
［48］	Harris结合SURF	提高图像匹配效率和准确性	未提及算法对噪声和复杂场景的鲁棒性	匹配时间：0.98 s
［49］	Harris结合自适应NMS	减少特征检测时间提升拼接速度	未讨论算法在大规模图像数据上的应用效率	时间：81.5 s

文献	具体方法	优势	局限性	性能指标
［52］	GA-SIFT算法	减少了拼接时间提高了匹配精度	对于高动态变化环境的适应性未进行深入探讨	匹配时间：12.21 s
［53］	分块SIFT	提高匹配效率有效消除接缝	未评估拼接图像质量	时间：11.17 s
［54］	CUDA-SIFT	实现实时高效拼接	算法性能会受到光照条件或图像质量影响	SSIM：96.84% PSNR：35.95 dB 时间：62 s
［55］	SIFT结合球面投影	解决全景图像定位和测量问题	未考虑算法在不同地形和光照条件下的鲁棒性	未采用常见性能指标
［56］	SIFT结合POS数据	提高拼接实时性和质量	未讨论算法在复杂环境下的准确性和鲁棒性	PSNR：10.152 2 dB

文献	具体方法	优势	局限性	性能指标
［59］	改进SURF	较高的匹配率、准确性和鲁棒性	较高的计算复杂性和资源消耗	时间：1.34 s CMR：99.9% RMSE：0.648
［60］	SURF结合球形变换	提高了实时性和鲁棒性	处理具有大视差或高动态范围图像时存在局限性	时间：1.72 s
［61］	IB-SURF	提高了匹配率和正确率	处理小色差、非规则形状或高动态范围的图像时效果不佳	提取时间：1.68 s 匹配时间：0.41 s
［62］	SURF结合倒二叉树	显著提高拼接速度	依赖硬件性能	时间：167.93 s
［63］	SURF结合K-d树	减少处理时间实现自动实时拼接	只能处理等高度飞行条件下拍摄的图片	配准时间：1.1 ms
［64］	SURF	利用图像拼接实现无人机定位	在图像特征点较少或质量较差情况下效果受限	主观评价

文献	具体方法	优势	局限性	性能指标
［67］	ORB	较高的准确性和效率	处理大规模或高动态范围图像时效果有限	时间：0.108 s
［68］	ORB结合PCA	显著提升速度和准确性	需要相应的GPU硬件支持	时间：2.72 s RMSE：0.48
［69］	改进ORB	提高拼接速度和精度	受地理信息精度影响	时间：0.68 s
［70］	改进ORB	具有稳健性和尺度不变性	算法效率有待提升	特征提取时间：0.510 ms CMR：96.485% 匹配时间：0.608 1 s RMSE：0.561
［71］	改进ORB	提高拼接精度和效率	实时性有待提升	CMR：90.295% 时间：2.87 s

无人机航拍图像拼接方法研究进展

Research progress of UAV aerial image mosaic methods

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文献	具体方法	优势	局限性	性能指标
［84］	APAP结合SIFT	减少影像重影和透视失真	未讨论算法在处理动态场景或实时数据时的性能	未采用常见性能指标
［85］	APAP结合线段矫正	保护图像中独特的线段结构	未讨论对复杂地形的适应性	mRMSE：1.07
［86］	APAP结合直线特征约束	减少重叠区域鬼影和非重叠区域失真	算法效率随图像中直线结构增加而降低	时间：33.23 s
［87］	APAP结合AKAZE	视差环境下效果良好	未进行不同飞行条件下的适应性分析	PSNR：14.40 dB SSIM：32.54% RMSE：1.56

文献	具体方法	优势	局限性	性能指标
［113］	SuperPoint网络结合矩阵迭代算法	显著提高拼接速度和精度	仅适用于公路环境	CMR：71% IE：7.45
［114］	SuperPoint、SuperGlue	实现高光谱图像拼接	对同质区域的光谱矫正不够精确	SSIM：95.18% 时间：98.56 s
［116］	孪生特征提取网络	实现弱纹理图像的特征提取	对大视差图像的效果有待验证	SSIM：75.3% RMSE：0.538
［117］	MLP	平衡拼接速度和精度	依赖于高精度的位置和姿态信息	配准时间：12.37 ms
［119］	ResNet-50	无需额外训练不依赖图像特征	环境变化情况下的性能有待验证	RMSE：0.973 5 时间：179.928 9 s
［122］	CNN	提高结构相似性指数和边缘差异谱指数	复杂场景下的性能需进一步提升	未采用常见性能指标

名称	图像总数	图像大小	内容
DOTA	2 806	800×800~4 000×4 000	来自大型飞机、无人机的遥感图像，包含15个类别的物体，包括飞机，轮船，储罐，棒球场等
VEDIA	1 210	512×512，1 024×1 024	包含9个类别，主要包括飞机、汽车、卡车等
NWPU	31 500	256×256	涵盖45个场景类别，包括机场、海滩、森林等
DIOR	23 463	800×800	不同天气、不同季节下多个类别的航拍图像，包括飞机、机场、桥梁等
UAV-VisLoc	6 742	未提及	包含多种地貌特征、多高度多角度的无人机图像

文献	图像总数	图像大小	内容
［31］	92	4 000×3 000	包括湖面、河道和沿湖村庄
［32］	275	3 000×4 000	包含湖边、喷泉、小区、公路和公园5个地面场景
［68］	116	6 000×4 000	采用无人机携带20 mm焦距镜头对台湾台东县柳榆山进行航拍得到
［85］	37	1 210×902	黑龙江省某农田环境
［92］	635	未提及	包括森林、山川、农田、水域、城市建设和道路信息图像
［108］	23	5 456×3 632	单面风机叶片图像
［117］	104	5 478×3 648	每张图像都带有GPS、IMU等信息，目标景观包括但不限于草地、道路、水面等
［125］	500	未提及	包括山地、水域、建筑等多种目标
［126］	300	7 952×5 304	某水稻研究院及其周边地区的农田环境
［127］	500	2 688×1 512	具有代表性的路面裂纹图像

应用领域	具体说明
军事侦察	利用无人机航拍图像拼接技术得到的战场全景图像可以帮助指挥人员了解战场动态，获取敌方情报，做出战略决策
农业信息检测	将无人机航拍得到的多张农田图像借助图像拼接技术整合成农田全景视图，助力精准农业管理和农情信息分析
城市规划与管理	无人机航拍图像拼接技术在城市规划中可于空间布局规划、环境监测与保护，提供城市空间的高精度测绘和实时数据支持
灾害救援与环境监测	无人机航拍图像拼接技术可用于获取灾情现场的详细信息，实现快速评估灾情，监测环境状况，为救援团队提供关键信息
设备巡检	借助无人机航拍图像拼接技术可以快速设检测基础设施的损坏情况，提高巡检效率和安全性

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