三年內 UAV 運用資料蒐集

無人飛行載具(Unmanned Aerial Vehicles, UAVS) 可簡單定義為 無搭載飛行員，且可重複使用的航空器(Eisenbeiss, 2009)。控制 UAVS 飛行的方式可以是由人員於地面手動遙控，半自動或全自動操作。由 於不同的研發單位有不同的發展目的，UAVS 尚有其他相似之名稱，

如早期美國國防部(Department of Defence, DoD)採用 Remotely Piloted Vehicle (RPV)，而美國航空暨太空總署(NASA)及美國聯邦航空管理 局(Federal Aviation Administration, FAA)則使用 Remotely Operated Aircraft (ROA)及 Remotely Piloted Aircraft (RPA)。在 UAVS 的實際應 用中，除了空中的無人飛行器之外，尚包含地面控制站及通訊系統，

如圖 3-7 所示，因此美國海軍稱這整個系統為 Unmanned Aerial System (UAS，無人航空系統)，目前 FAA 已使用 UAS 取代其他名稱(Cox et al., 行研究中心 (Dryden Flight Research Center, DFRC)開始進行民用 UAVS (Civil UAVS) 之相關研究，包括發展相關核心技術、降低 UAVS 製作成本、提昇 UAVS 安全性等，以提昇 UAVS 在各種民間用途之 發展及效能(Cox et al., 2006)。NASA 將民用 UAVS 的相關應用簡單區

分為地球科學(earth science)、土地管理(land management)及國土安全 (homeland security)等三大任務，各任務之應用單位如圖 3-8 所示(Cox et al., 2006)。圖 3-9 則顯示三個主要任務下各種可能的應用，其中地 形製圖(Topographic Mapping)屬於地球科學任務，而災害監測(如野火 偵測)工作屬於土地管理任務，以下將針對目前各國所使用 UAVS 之 相關應用進行案例蒐集及彙整，其中關於 UAVS 攝影測量及製圖等相 關應用，請參考案例一至案例四。

圖 3-8 美國民用 UAV 之三大任務及相關應用單位(Cox et al., 2006)

圖 3-9 各種可能的 UAVS 應用例(Cox et al., 2006)

此外，2008 年 ISPRS 研討會中有數個針對 UAVS 導航及相關硬 體控制技術進步發展的研究發表，將 UAVS 的發展宣告進入一個高自 動化的階段（Eisenbeiss 2008），其最大的特點在於可利用一般消費型 相機或攝影機，依據事先的航線規劃進行自主飛行及自動攝影取像，

因而可克服極端的氣候及地理條件（如：沙漠、高山、嚴冬酷暑）進 行拍攝。後處理部分則有商業軟體提供相關影像空三方位解算，並藉 由既有參考資料，產製精確的 DSM 與正射影像等相關產品。

在 Haarbrink 及 Eisenbeiss (2008)的研究中說明了隨著 UAVS 導航 及相關硬體控制技術的進步，目前 UAVS 已可依據航線規劃，進行精 確的自主飛行，藉由低航高（海拔 100 公尺）的航拍，獲取高空間解 析度的航拍影像，進而產製高密度（可達 50 點/平方公尺）的數值地 表模型（Digital Surface Models，簡稱 DSM），及高解析度（可達 GSD 2 公分）的無縫鑲嵌正射影像，甚至產製三維向量圖資，提供了三維 建模所需的大量資料，有助於考古建模、遺址保存、都市計畫、…等

應用。研究最後並以道路斷面測量(見案例四)、堤壩毀損評估(見案例 五)、農作生長評估(見案例六，案例十一)、岩石崩落監測(見案例九) 等四個實際案例進行說明。茲將各個案例說明如後：

案例一：UAV 攝影測量技術之發展

利用 UAVS 系統於製圖應用上之技術一般稱之為 UAV 攝影測量 技術(UAV photogrammetry)，顧名思義就是結合 UAVS 與攝影測量技 術以進行製圖或其他空間資訊之擷取。其所採用的無人飛行載具若採 量及近景攝影測量之比較如表 3-2 所示(Eisenbeiss, 2009)。由表中可 以發現，UAVS 攝影測量可應用於大範圍或小範圍區域之製圖或其他

等 型等、其他即時性 監測等

案例二：小型 UAVS 於正射影像製作之應用

Grenzdorffer 等人(2008)針對小型 UAVS(Micro-UAVS )於於製作 攝影測量正射影像之應用潛力進行評估及精度分析，研究中的小型 UAVS 指的是總重量小於 5 公斤的無人飛行載具系統，其與一般 UAVS 系統相比較，除了成本較低之外，其使用彈性更佳，且較不易 受天候影響。圖 3-10 所示為該研究中所使用的小型 UAVS 之一，其 型號為”Carolo P330”，由德國 Mavionics GmbH 所製作，詳細規格如 表 3-3 所示。圖 3-11 所示為該研究所提針對 UAVS 攝影測量的資料 處理流程，與傳統航空攝影測量類似，先進行地面控制測量、相機率 定等程序，並實際拍攝 UAVS 影像；為了進行空中三角測量（以下簡 稱空三），必須先量測重疊影像中的連結點(tie points)坐標，此工作可 以手動量測，或根據 UAVS 的 GPS 及 INS 資料以自動匹配的方式產

表 3-3 UAV「Carolo P330」規格表

圖 3-10 UAV “Carolo P330” (www.mavionics.de)

圖 3-11 UAV 攝影測量之處理流程 (Grenzdörffer, et al., 2008)

（a） (b)

圖 3-12 (a) M2 實驗區域中 UAV 影像涵蓋示意圖；(b)正射影像製作成果

案例三、UAVS 於製圖之應用－以低航高進行攝影測量

Lin (2008)提出中國大陸目前的 UAVS 製圖系統中有來自兩種不 同載台的成果；一是遙控飛機（如圖 3-13）、另一是無人飛艇（如圖 3-14），且可搭配四顆超廣角鏡頭相機（如圖 3-15），以簡單的機械原 理，透過不同方向光軸間的設計配置，經由高精度的相機率定作業，

取得大範圍的影像（如圖 3-16）。

圖 3-13 遙控飛機相關規格

圖 3-14 無人飛艇相關規格

（a） (b)

圖 3-15 (a)四顆超廣角鏡頭相機外觀；(b)本例相機之四張影像重疊情形

（a） (b) 陸 1:500、1:1000、1:2000 製圖作業需求等級。

在 DSM 的成果上則依據空三成果，以切割成小單元進行影像自

(b)

（a） (c)

圖 3-17 (a)貴州省惠水縣案例成果；(b)廣州市案例成果；(c)武漢市案例成果

案例四、UAVS 於 DSM 產製之應用-以道路斷面測量為例

荷蘭交通及水資源管理部（Dutch Department of Traffic and Water Management）需針對其主管之交通及水路建置數值地形基礎圖資

（Digital Terrain data Base，簡稱 DTB）且不斷進行更新維護。該圖 資以 1/1000 比例尺進行測繪，除要求絕對精度應達平面 5 公分、高 程 9 公分外，更要求相對精度需達平面 2 公分、高程 4 公分，可謂非 常高精度之圖資。其主要作業需求在於交通興建工程完工後，需對周 遭既有建設進行影響評估，因而需針對 DTB 進行再次施測更新。為 此，Haarbrink 及 Eisenbeiss (2008)等採旋翼 UAVS，考量作業範圍

（200×300 平方公尺）及精度需求，搭配相關硬體規格（相機：Fuji FinePix Pro S3、鏡頭：Nikon 28 mm、），進行航線規劃設計（前後重 疊：60%、側向重疊：30%、像元尺寸：2 公分）以航高 100 公尺進 行三條航線，共計 39 張之航空攝影（圖 3-18）。藉由 14 個地面控制 點利用 Match-AT 進行空三量測解算，再以 Match-T 匹配產製 DSM 成果，並經由立測專業人員於 Summit Evolution Pro 產製三維向量圖 資，最後利用以上成果於Inpho’s Orthobox 中產製無縫鑲嵌正射影像

（圖 3-19）。值得一提的是，一般道路測量中多以現地施測斷面進行 變異偵測，本研究中則以 DSM 成果與地面實測斷面成果進行比對（圖 3-20），並進行統計上之 F 測試及 U 測試，以確認兩者之相符性，且

經檢定後確認兩者為一致。

圖 3-18 航空攝影及 DSM 成果

圖 3-19 三維向量資料套合正射影像

圖 3-20 DSM 成果與現地實測斷面之比對（黑線：現地、綠線：DSM）

案例五、UAVS 於 DSM 產製及正射影像製作-以古蹟模型建置為例 荷蘭早期基於地理位置及特性，地勢低窪、多為洪氾區域，在 1672 年於法國邊境上修築第一條水路，並於水路上興建防洪堤壩；而後為 了居民生活及邊境上的軍事考量，陸續廣興水路及堤壩，成為當地特 有景致。而今當年興築之堤壩多已成為歷史古蹟，甚至成為極富教育 意義的觀光景點。Haarbrink 及 Eisenbeiss (2008)等藉由 UAVS 攝影測 量技術採集高密度 DSM 及高解析度正射影像，再透過虛擬實境的技 術，得以重建模型，向大眾展現當年歷史風情。

此案例採全自動之旋翼 UAVS，考量作業範圍（500×300 平方公 尺）及精度需求，搭配相關硬體規格（相機：Fuji FinePix Pro S5、鏡 頭：Nikon 28 mm、），進行航線規劃設計（前後重疊：60%、側向重 響，於 2005~2006 年間於瑞士蘇黎世進行研究。該案例分別於 2005、

2006 年選定兩處以上區域，以航高海拔 450~500 公尺進行前、後期 UAV 航空攝影，並以 LPS (Leica Photogrammetry Suite 9.0, Leica Geosystems Geospatial Imaging, LLC)及 ISDM (Image Station Digital Mensuration, Zeiss Intergraph, 2000)進行空三解算，其空三精度可達 0.5 個像元以上，檢核點之 RMSE 低於 10 公分。另外，透過 SAT-PP

software (Satellite Imagery Precision Processing, ETH Zurich, Zhang, 具一致性的精度(Haarbrink 及 Eisenbeiss, 2008; Eisenbeiss, 2009)。

(a)

不同時期的影像可以觀察到苔蘚植物漸漸由生意盎然的綠色轉變為 垂死瀕臨的紅褐色（圖 3-17(a)）。

Lucieer 等人（2011）利用小型電力控制之旋翼模型直升機（Align Trex 500）並搭載三種不同感測器（如圖 3-17(b)），在載重 1.5 公斤時 得以飛行 6~10 分鐘，搭配 Helicommand 3A 飛行穩定控制系統下，

以人工飛行操作，其飛行軌跡則以 1Hz 之 GPS 進行定位記錄，相機 部分則搭載 1500 萬畫素之 Canon Powershot G10（焦距 28mm、重量 355 克）、以航高 50 公尺拍攝 64m×33m 區域，並以不到 3 秒間隔拍 式（scale invariant feature transform，簡稱 SIFT）進行特徵匹配，經 研究證實採用 SIFT 匹配，可於空三平差計算中有效降低相機參數之

(a)

圖 3-24 (a) UAV 產製之苔蘚植物正射影像；(b) 苔蘚植物與岩石交雜區

(a)

圖 3-25 (a)進行現地施測 GPS 點位分布；(b)匹配之點雲成果

案例八、整合 UAV 之即時環境監測影像於虛擬地球展示 UAVS 多搭配簡易型之 GPS/INS，藉以提供後續作業相關地理定位之 參考基準。而來自於飛機上即時連續性的攝錄影像，提供了更多關於 公共建設監督、森林火災監測及交通流量管制、…等多方面的應用。

尤其在緊急響應的救災需求下，往往因圖資過舊或現場發生變動導致 既有圖資與現場實況不符，因而影響救災規劃及搶救時效。

Eugster 和 Nebiker (2008)針對整合 UAVS 動態影像於虛擬地球 上，以應用於即時地理環境監測進行了分析探討。藉由 Universityof Applied Sciences Northwestern Switzerland (FHNW)之 i3D 技術將即時 連續攝影影像整合於虛擬地球上，並期望未來能提升成果精度至 0.5 災作業進行。而在實作案例中，以四旋翼之 Microdrones md4-200（規 格詳如圖 3-21），利用一般消費型數位相機並搭配簡易型的 GPS/INS

（4-5Hz），在無任何控制資訊可供參考情形下，相關影像成果套合於

圖 3-26 UAV 影像即時整合於虛擬地球之系統運作架構

圖 3-27 Microdrones md4-200 platform 規格說明

(a)

圖 3-28 (a)既有圖資套疊於虛擬地球；(b)即時影像套合於三維模型

圖 3-29 即時影像比對三維模型

案例九、岩石崩落監測

本案例乃透過 UAV 攝影測量之技術，建立 1991 年五月發生之著 名 Randa 岩石崩落區（如圖 3-24(a)）的地表模型。由於岩石崩落後 之地表面多由大範圍之礫石殘骸所覆蓋，而礫石之分布與堆積面的坡 度變化，成為極不穩定的危險因子，甚至可能導致第二次的崩落危 機。由於現場施測範圍大、極具危險性，且人力無法到達，非常適合 透過 UAV 攝影測量技術，建置崩落區域之高解析度 DSM 成果及立 體模型，以助於現場危險因子的判釋。

基於後續分析需求考量，設定 DSM 之空間解析度應達 10-20 公

基於後續分析需求考量，設定 DSM 之空間解析度應達 10-20 公