4-3-1 多期原始航攝影像對位及衍生資訊之基準校正功能研究與開發
4-3-1-1 原始影像對位研究
DMC 原始影像為 TIFF 格式，影像對位作業需使用向量資料(ArcGIS Shapefile 格式)、數值高 程模型(ERDAS LAN 格式)、航照影像之內、外方位參數(農航所提供之航攝紀錄 SEL 檔)等資料，
作業程序說明如後：
1. 依據 Shapefile、LAN、TIFF、SEL 檔案規格，設計資料存取與分析之流程與演算法。
2. 讀取 Shapefile 檔案，利用 Shapefile 中之面狀向量圖徵之二維點位坐標，配合 LAN 格 式數值高程模型，以bilinear interpolation 方法內插解算向量圖徵點位之三維坐標。
3. 讀取農航所 SEL 格式之外方位資料，配合向量圖徵之三維坐標，批次將向量圖徵之特 定區塊或點位，投影至DMC TIFF 格式航照影像檔上，進行影像對位處理。
圖 4-7 顯示由正射影像數化一多邊形圖徵，然後利用前述方法將多邊形圖徵反投影至原始影 像之結果。
圖4-7. DMC 原始影像對位結果
ADS 採用三線式推掃(pushbroom)方式成像，在前傾(forward)、垂直(nadir)、後傾(backward) 角度各有一條全色之12000 像元之 CCD (Charge Coupled Device)掃描線，在垂直角度的位置另有 一條錯開半個像元(3.25μm)之 CCD 掃描線，可提升地面解析力。另外在垂直、後傾角度各配備一 組四色分光鏡，可獲得藍光、綠光、紅光與近紅外光之四個光譜波段的影像，其解析度皆為12000 像元。
L0 影像為 ADS 之原始影像，透過 GPro/XPro 軟體可產製各項產品如 L1 或 L2 影像。本案讀 取ShapeFile 資料後欲對位在 L0 原始影像上，須配合相關的 ODF 檔(Orientation Data File, ODF) 及 CAM 檔(Camera Calibration File, CAM)，以及當地的 DEM 資料，方能在 L0 影像上正確對 應。ODF 檔為 L0 之外方位資料檔，此外方位參數為飛行時，依各條掃描線(scan line)之攝影時 間內插 GPS/INS 之觀測量所得，同步紀錄各條掃描線之外方位參數。CAM 檔為相機參數檔，
內容記錄相機焦距及掃描線上各像元轉換到像面(focal plane)坐標之資料。
三維物空間與二維影像空間的點位對應，可以將地面點反投影到影像面上，但因為 ADS40
推掃式的成像模式是線列式的中心透視投影，各線列的外方位並不相同，由地面坐標要反投影至 影像面時，不易得知要取用那一線列的外方位才能恰好投影至該列影像像元上，故需要反覆的計 算、蒐尋及內插。而由影像空間投影至物空間，過程中再逐步去內插逼近到與物空間坐標相對應 的影像像元，是較易程式化的具體作法。
在未進行空三平差前，僅憑單張的 L0 影像，亦無法直接建立由影像坐標至地面坐標的投影 關係，因此需搭配 DEM 資料提供地面高程，利用共線式以光線追蹤法，由影像坐標出發解算至 地面平面坐標。
本案測試就農航所提供正射影像上量取一多邊形之平面坐標，利用自行開發程式讀取 ODF 檔及 CAM 檔，再配合 DTM 內插計算，在 ADS40 的原始影像 L0 上標記，經視覺判識確認對位 成功，成果如圖4-8 與圖 4-9 所示。
圖4-8. 正射影像(DMC 相機拍攝)
圖4-9. ADS40 L0 影像及影像對位成果
4-3-1-2 原始影像產製 DTM
當土地崩塌發生時，為儘速偵測地形變化，在第一時間可能採用原始導航資料配合空照影像 自動產製高程資料。雖然自動匹配所獲取的是 DSM 的資料，但如同本計畫一樣，主要目的在於 偵測崩塌區，而這些區域絕大部份為裸露地，所以可以直接引用該資料。雖然這些成果帶有某種 程度的誤差，但在導航儀器如期率定情況下，其方位參數之系統誤差量應甚小。當然像片方位的 系統誤差也會直接影響影像匹配的精度及可靠度，依 101 年度的研究成果顯示(在下一節敘述)，
嘗試以空三前後的點位坐標進行DTM 成果的基準轉換，經比較暸解仍可能存有約 0.3m 至 1m 的 高程誤差未能消除。但這種成果對於初步暸解地形變化，以便迅速擬定救災策略，仍是重要的參 考資料。
依本計畫目標，期望能進行高度自動化方式利用原影像獲取 DTM 資料，也就是說以往要由 操作員以手動方式輸入影像及其方位參數後，再交由 Match-T 程式匹配 DTM，現在由本計畫開 發程式模組以自動或半自動方式完成這項工作。
以 DMC 影像匹配產製 DTM 為例說明，人工的操作方式是在軟體 ApplicationMaster 中建立 一個專案，輸入航拍影像的各項參數，如圖4-10 所示。
這些參數會記錄在一個專案檔(project file)中，再由操作員進入 Match-T 程式中去執行。在該 專案檔中記錄有六項主要資料：專案資料(使用者、執行日期、坐標系統、單位等)、區域資料(像 片檔名集合)、像片資料(路徑檔名、外方位參數等)、相機(型號、拍攝日期、內方位參數、GPS 天線支距等)、DTM(DTM_ID、輸出路徑檔名及格式等)、DTM 參數(參數 ID、網格寬度、產製日 期、輸出路徑、附加斷線或結構線資料等)。
本計畫開發的程式模組會先開啟一個既有的專案檔，目前設計該程式畫面如圖4-11。專案中 大部份的參數維持不變，最主要的是讀入偵測崩塌區所使用的影像檔名，並依檔名到資料庫(如 DMC 影像的 SEL 檔)中搜尋相對應的方位參數以取代舊有參數，再至 DOS command 環境(命令提 示字元)下由 Match-T 程式執行批次匹配作業，如圖 4-12，以獲取 DTM 資料。當然專案檔中的各 項參數未來可依操作人員所需，再行修改程式加以更換替代，以符合作業上的實際需求。
至於在DOS command 環境下，執行 Match-T 程式時還可以設定 102 個選項(option)參數，例 如專案、3D 區域邊界線(3D area borderline)、在線模式(online models)、興趣操作元(interesting operator)、匹配(matching)、3D 點雲(3D point cloud)、DTM 應用(DTM application)、分區管理應用 (tile manager application)。這其中大部份是在前述專案中沒有的參數，例如專案參數僅能輸出 binary 格式的 DTM，而本計畫可以在此處設定輸出 ASCII 且是規則網格的 xyz 坐標檔，以供後續 其他程式模組讀取再計算利用。
圖4-10. 人工操作建立影像參數匹配 DTM 的示意圖
圖4-11. 替換 Match-T 匹配專案參數的雛型程式畫面
圖4-12. 執行 Match-T 批次匹配畫面
ADS40 影像與 DMC 影像匹配 DTM 程序並不相同。DMC 原始影像可直接交由 Match-T 的 匹配程式去產製DTM，但 ADS40 原始的 L0 等級影像並不能直接利用，必須先產生 L1 等級的影
像(含金字塔影像)才能交給 Match-T 使用，當然匹配 ADS40 影像的選項參數亦有不同。
因為目前農航所處理 ADS 影像的專用軟體區分有舊版的 GPro 與新版 XPro，這二套軟體所 產生的相關檔案系統有所差異，用以產生L1 影像的程式與參數檔亦不相同，例如 GPro 使用程式 rectify.exe 去讀取敘述影像的 XML 檔，而 XPro 使用程式 imagegenerator.exe 直接讀取引數。當然 XPro 是新版軟體，其產生 L1 影像的執行效率是數倍於 GPro 的程式。但問題在於 XPro 的檔案系 統中缺少L0 影像參數的支持檔(support file)及方位資料參數檔 (Orientation Data File, ODF)，對於 本案要直接處理原始影像的計畫是不利的。簡單的說，GPro 軟體所產生的影像檔案系統適合本案 前方交會(Space Intersection)實施計算。高程的坐標轉換採用三度空間座標的正交轉換，此七參數 包括一個尺度參數 S，三個平移參數ΔX、ΔY、ΔZ，及三個旋轉參數εx、εy、εz。較常使用 的模式有 Bursa-Wolf 模式和 Molodensky-Badekas 模式。
Bursa-Wolf 模式如下：
Molodensky-Badekas 模式為避免參數間的高相關影響求解，則先平移至點群中心再行轉換，
數學模式如下:
轉換後之高程數據完全相同，故後文均採用Bursa-Wolf
模式之成果。在進入轉換測試之前，先選一張圖幅區域觀察空三前後高程變 化情形，高程差的計算是以
以下僅選擇崩塌區為測試區域，採用上文所述公式轉換高程，期望能儘量改善因方位誤差所導致 的高程誤差。
在
DMC
相機部份，採用圖號95193067
內的二個崩塌區進行測試。第一區如圖4-14
所示，X
方向相距約510m
，Y
方向相距約為360m
，面積約為5.465
公頃，區內高程範圍在332~675m
之 間。計算高程轉換參數時，搜尋周圍最鄰近的8
個點位為控制依據，依原始方位資料所自動產製 的DTM
進行轉換。本研究視空三後自動產製的DTM
為真值，比較轉換前後DTM
之高程差，其 高程差如圖4-15
所示。以10m
網格高程點567
點統計，高差統計如表4-3
、高差分布如表4-4
、1.5 m
內的高差分布直方圖如圖4-16
。數據顯示轉換高程之精度確有改善情形。圖
4-14. DMC
高程轉換測試I
區圖
4-15. DMC
測試I
區DTM
差值圖(
左：轉換前，右：轉換後)
表4-3 DMC 測試 I 區轉換前後 DTM 差值統計(單位:公尺) DMC 測試 I 區 轉換前高程差 轉換後高程差
最大正差 2.43 2.27
最大負差 -2.91 -3.14
平均誤差 0.22 -0.04
絕對平均誤差 0.35 0.24
均方根誤差 0.48 0.36
表4-4. DMC 測試 I 區轉換前後 DTM 差值統計(單位:公尺) 高差(m) 轉換前點數 轉換後點數
-3.25 ~ -3.00 1 -3.00 ~ -2.75 1 0 -2.75 ~ -2.50 0 0 -2.50 ~ -2.25 1 0 -2.25 ~ -2.00 1 0 -2.00 ~ -1.75 0 0 -1.75 ~ -1.50 0 2 -1.50 ~ -1.25 1 0 -1.25 ~ -1.00 1 2 -1.00 ~ -0.75 4 5 -0.75 ~ -0.50 11 24 -0.50 ~ -0.25 14 94 -0.25 ~ 0.00 89 193
0.00 ~ 0.25 179 162 0.25 ~ 0.50 173 63 0.50 ~ 0.75 58 11 0.75 ~ 1.00 18 6 1.00 ~ 1.25 6 1 1.25 ~ 1.50 3 2 1.50 ~ 1.75 4 0 1.75 ~ 2.00 1 0 2.00 ~ 2.25 0 0 2.25 ~ 2.50 2 1
圖
4-16. DMC
測試I
區轉換前後DTM
差值直方圖第二區如圖
4-17
所示，X
方向相距約520m
，Y
方向相距約為640m
，面積約為6.53
公頃，區內高程範圍在
462~565m
之間。計算高程轉換參數時，搜尋周圍最鄰近的7
個點位為控制依據，依原始方位資料所自動產製的
DEM
進行轉換。本研究視空三後自動產製的DEM
為真值，比較 轉換前後DEM
之高程差，其高程差如圖4-18
所示。以10m
網格高程點964
點統計，高差統計如 表4-5
、高差分布如表4-6
、1.5m
內高差直方圖如圖4-19
。數據顯示即使方位參數未經空三平差，其產製的高程精度仍較轉換者為佳，推測可能是較接近儀器率定時間，系統誤差較少。而轉換高 程的精度雖未能改善，但仍在
DTM
匹配誤差之內，其成果仍屬可用。圖
4-17. DMC
高程轉換測試II
區0 50 100 150 200 250
‐1.50 ~ ‐1.25 ‐1.25 ~ ‐1.00 ‐1.00 ~ ‐0.75 ‐0.75 ~ ‐0.50 ‐0.50 ~ ‐0.25 ‐0.25 ~ 0.00 0.00 ~ 0.25 0.25 ~ 0.50 0.50 ~ 0.75 0.75 ~ 1.00 1.00 ~ 1.25 1.25 ~ 1.50
轉換前 轉換後
圖4-18. DMC 測試 II 區 DTM 差值圖(左:轉換前，右:轉換後)
表4-5. DMC 測試 II 區轉換前後 DTM 差值統計(單位:公尺) DMC 測試 II 區 轉換前高程差 轉換後高程差
最大正差 4.31 3.74
最大負差 -1.75 -1.82
平均誤差 -0.02 -0.19
絕對平均誤差 0.25 0.28
均方根誤差 0.40 0.42
表4-6. DMC 測試 II 區轉換前後 DTM 差值分布
圖
4-19. DMC
測試II
區轉換前後DTM
差值直方圖在
ADS40
相機部份亦進選用二個測試區。第一區採用圖號95193037
中崩塌區內之矩形區，如圖
4-20
所示，X
方向長度為1200m
，Y
方向寬度為500m
，區內高程661~1207m
，面積60
公頃。計算轉換參數時，搜尋周圍最鄰近的
7
個點位為控制依據，將依原始方位資料所自動產製的DTM
進行轉換，其高程差圖如圖4-21
所示。以10m
網格高程點6196
點統計，高差統計如表4-7
、高 差分布如表4-8
、2m
內高差直方圖如圖4-22
。因為本測試區範圍較廣且高程起伏較大，數據顯示計算轉換參數時，搜尋周圍最鄰近的