第三章 研究材料與實驗
第三節 不同距離近景率定相機參數之空三平差
本節實驗目的以近景攝影軟體進行非量測型相機率定相機參數，並且測試有 限物空間不同距離率定之相機參數，於空三平差後由其檢核點RMSE 檢視各不 同距離條件已近景方式率定參數之可適用性。流程圖如圖3- 7 所示：
圖 3-7 相機率定流程圖
一、不同距離條件近景攝影軟體率定相機參數：
(一) 實驗設計
率定原理以全自動匹配率定場影像上所佈設由8 個黑點所組成的 20 個黑白 的率定標，見圖3-8，並以(式 3-1)自率光束法平差解算相機參數，即像主距、像 主點坐標及透鏡畸變差。將20 個率定標均勻分布並景深差異約 15~20 公分之間 分布後，見圖3-9，分別以不同距離拍攝率定程序中所需率定標影像，拍攝時交 會角度介於70~100 度之間。
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圖 3-8 iWitnessPRO 使用的 20 個黑白率定標
圖3- 9 Canon EOS 5D Mark II 相機 24mm 鏡頭的相機率定場
(二) 實驗成果
拍攝前先調整焦距為無窮遠，並以膠帶粘貼焦距調整鈕，設定影像最佳解析 度（5616×3744)，鏡頭光圈設定為最小值（f22)，拍攝過程中，關掉防手震功能。
依據軟體說明書佈設實驗率定場，拍攝位置分布如圖3-10，每一拍攝位置分別以 三張不同高度並按順序旋轉相機拍攝率定影像，共拍攝9 張，目的為使率定所得
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相機參數能完整描述相機參數。率定標與相機於物空間分布情況見圖3-11。
本次實驗分別以 5 公尺、8 公尺、10 公尺不同距離拍攝率定場影像率定非量 測型相機參數，於後續空三平差實驗中，探討其率定結果影響空三平差的程度。
圖3- 10 拍攝位置分布示意圖
圖3- 11 率定標與相機於物空間分布關係分布圖
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(三) 率定結果與分析
iWitnessPRO 率定成果評估之指標有三項，簡述如下( Photometrix， 2010):
(1)率定標分佈品質( quality of geometry): 用以評估率定標幾何分佈位置的指標。
良好的率定標分佈，其值應界於1.0至2.5之間，越接近1.0則幾何分佈品質越好。
(2)影像對位精度( estimated accuracy of image referencing): 此指標代表軟體量測 率定標時影像量測之精度，其值應界於0.05至2.5個像元之間。通常指標小於0.25 個像元時，其精度較可靠，但若使用單眼相機，一般可到達0.1個像元的精度。
(3)三維坐標精度( estimated accuracy of 3D point coordinates): 為率定模板點為三 維坐標的平均RMSE值。成果表如表3-3所示
表3- 3 不同距離率定條件成果表
率定距離 5 公尺 8 公尺 10 公尺
率定日期 10/08/2012 09/08/101 09/08/2012
焦距
f ( mm)
24.6162 24.5982 24.5532像主點x ( mm) 0.1756 0.1222 0.1492 像主點y ( mm) 0.1470 0.1739 0.1657
輻射畸變差K 1.1970e-004 1.2676e-004 1.3012e-004 輻射畸變差K -2.9306e-007 -3.4274e-007 -3.8434e-007 輻射畸變差K 2.2388e-010 3.0652e-010 4.2689e-010
離心畸變差P 6.8290e-006 5.7896e-006 3.3577e-006 離心畸變差P 3.2167e-006 3.7399e-006 6.1088e-006 Affinity Parameter x、y 軸
尺度比Ｂ -1.404e-004 -1.404e-004 -1.404e-004 Affinity Parameter x、y 軸
非正交Ｂ 1.158e-004 1.158e-004 1.158e-004
率定標分佈品質 1.1 (good) 1.0 (good) 1.0 (good)
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比較表3-3 中 5 公尺、8 公尺及 10 公尺率定成果可發現 5 公尺時其精度較 8 公尺差，8 公尺精度又較 10m 差，尤其以 5m 影像對位精度及整體 RMSE 最差，
研判是因為在率定標之佈設是以10 m 所看到的範圍為率定標佈設基準，因此對 5 m拍攝之影像，此種率定標佈設基準所佈設之範圍太廣，率定標之間間隔過大，
對於5 m 拍攝時率定標分佈不佳，故造成 5 m 最後率定精度不好。
由表 3-3 可知，根據率定標分佈品質、影像對位精度及三維坐標精度三項 指標，由 10 m 所率定的成果較好，但考量後續不同距離率定條件實驗所需，故 所有不同距離率定成果均納入空三平差所需之相機參數。
二、空中三角測量平差
此實驗在實現經由上述不同距離條件下率定空中三角測量平差所需之非量 測型相機參數，其中包含像主距、像主點位置及輻射畸變差等。實驗過程以實地 施測 GPS-RTK 為空三平差所需之控制點。高程採取內政部國土測繪中心提供大地 轉換模式，檢核點亦採用GPS-RTK 施測。檢核點均方根誤差 RMSE 檢視空中三 角平差精度，檢視分別5 公尺、8 公尺、10 公尺不同距離條件下近景攝影率定內 方位參數適用性。
(一) 實驗設計
1. 測試區範圍
本次實驗地區位在花蓮吉安鄉，吉安鄉航攝規劃範圍如圖3-12 所示，地面 離平均海水面約120 公尺，航高約 550 公尺，前後重疊約 80%，航線側向重疊約 45%，航線配置如表 3-4 所示，航線分布圖如圖 3-13 所示。
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圖3- 12 花蓮縣吉安鄉航拍路徑
表3- 4 吉安鄉航攝資訊表
項目 說明
拍攝區域 花蓮縣吉安鄉
拍攝面積(公頃) 約300 地面解析度(公尺) 約0.12 飛行高度(公尺) 550
航帶數 7
像片數 204
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圖3- 13 航線分布圖
2. 控制點選取與測量方式
控制點佈設採傳統空三佈設方式，控制點同時具備平面及高程坐標，測區周 圍界線上2 至 4 空中攝影基線( 基線以重疊 60%為準計算)佈設，控制點與空中 攝影基線比約1:5。坐標系統平面採用 TWD97 坐標系，高程系統採用 TWVD2001 正高系統，地面控制點來源 GPS-RTK 施測航攝影像上可清晰判釋地物點，高程以 內政部所提供大地起伏轉換模式轉換成正高系統，GPS-RTK 控制點分布如圖3-14 所示
空三平差所需檢核點是以 GPS-RTK 施測航攝影像上可清晰判釋地物點，高程 以內政部所提供大地起伏轉換模式轉換成正高系統，GPS-RTK 檢核點分布如圖 3-15 所示。
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圖3- 14 GPS-RTK 控制點分布圖 圖3- 15 GPS-RTK 檢核點分布圖
(四) 實驗成果
航攝影像於101 年 10 月 27 日航拍取得。UAV 航拍搭載焦距 24mm 鏡頭之 Canon EOS 5DII 數位相機。航線分布圖如圖 3-14，地面解析力 GSD 約 12 公分。
空三平差解算先以一般光束法空三平差；影像自動匹配連結點、自由網平差、
連結點偵錯、人力介入增減連結點、偵錯；自由網解算達影像量測先驗精度要求 後加入控制點及檢核點，檢驗分析殘差。後續再以自率光束法進行空三平差解算。
作業流程如圖3-16 所示
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圖3- 16 空三流程圖
平差時像坐標量測精度設定為6.4 ，控制點 E、. N 坐標精度均設定 0.05 公尺，高程精度設定0.10 公尺，控制點及檢核點均以人工介入方式量測控制點 及檢核點像坐標、偵錯；連結點分布圖如圖3-16 所示，網形分布圖如圖 3-17 所 示。
影像取得及轉檔
導航 GPS 解算及坐標轉換
航拍影像匯入
相機參數設定 控制測量
影像自動匹配 tie points
人工量測 tie points
人工量測控制點像坐標 並設定控制點精度
ORIMA 解算:CAP-A 自率光束法
檢核點 RMSE
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圖3- 17 連結點分布圖 圖3- 18 網形分布圖
實驗過程中，以5 公尺、8 公尺、10 公尺不同距離近景攝影率定相機參數帶 入空中三角測量平差進行一般光束法空三平差，並以檢核點 RMSE 檢視空三平差 可達之精度。
(1). 一般光束法空三平差成果:
一般光束法平差將像主距、像主點、透鏡畸變差視為固定值，帶入共線條件 求解外方位參數，若相機參數率定不完整、不穩定或者經過拆卸、碰撞等導致參 數不精確，其像點系統誤差在平差解算時無法完全消除，導致平差成果不佳，本 階段實驗中，一般光束法空三平差於 5 公尺、8 公尺、10 公尺率定距離條件均無 法收斂迭代至預設先驗精度內。其空三成果如圖 3-19、圖 3-20、圖 3-21 所示，
空三平差檢核點 RMSE 如表 3-5、表 3-6、表 3-7 所示。
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圖3- 19 5 公尺率定距離一般光束法空三平差成果
圖3- 20 8 公尺率定距離一般光束法空三平差成果
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圖 3-21 10 公尺率定距離一般光束法空三平差成果 表3- 5 5 公尺率定距離一般光束法空三平差檢核表
點號 橫坐標較差 縱坐標較差 高程較差 HLCH03 -3.67 -0.32 -40.63 HLCH04 -1.60 0.30 -17.54 HLCH07 -0.55 -3.04 -0.12 HLCH09 -2.35 -0.63 1.96 HLCH010 -2.40 1.30 4.91 L06 0.45 -0.87 1.85
RMSE 2.15 1.43 18.21
單位：公尺
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檢核點平面RMSE 可降至 0.21 公尺 高程 RMSE 亦降至 0.36 公尺。
圖3- 22 5 公尺率定距離自率光束法空三平差成果
圖3- 23 8 公尺率定距離自率光束法空三平差成果
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圖3- 24 10 公尺率定距離自率光束法空三平差成果
表3- 8 5 公尺率定距離自率光束法空三平差檢核表 點號 橫坐標較差 縱坐標較差 高程較差 HLCH03 -0.01 0.16 0.72 HLCH04 0.41 0.38 0.25 HLCH07 -0.46 -0.01 0.06 HLCH09 0.10 -0.11 0.22 HLCH010 -0.04 0.10 0.20
L06 0.00 0.00 0.01
RMSE 0.26 0.18 0.33
單位：公尺
45 達到0.12 pixel，整體精度 RMSE 達 0.0944/units，亦無法有效描述非量測型相機 進行航攝取像時相機狀態，而須以自率光束法進行空三平差，方能達到相當精度 要求。
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