第四章 實驗與評估
第二節 實驗結果與評估
本次實驗擇定3 相異車輛，分別以車輛 A、B、C 代稱，圖 24、圖 25、圖 26 所標示的車輛，即實驗中作為定位的目標物。實驗中此 3 輛相異車輛在 3 個 不同高度下的影像將各取 10 張，評估本研究所提出的架構中物件偵測流程與物 件定位流程的結果。
圖 24. 空拍圖中的車輛 A A
圖 25. 空拍圖中的車輛 B
圖 26. 空拍圖中的車輛 C
本研究在物件偵測流程所採用的工具為 YOLOv4 及其演算法，做為訓練模 型及辨識使用，每當偵測一幀影像，本研究所使用的物件辨識工具會輸出目標物 件在影像中 YOLO 格式的座標位置資訊、分類結果以及所辨識出的物件信心程
B
C
度，該分數越高時表示 YOLO 認為邊界框中的物件屬於該類別的機率越高。
即時影像辨識為降低辨識所需時間需犧牲些微準確性，但因即時影像攝影為 連續的影格，會有大量的圖片產生，因此本研究認為即使目標物被辨識出來的次 數只有圖片總數的一半，仍可透過大量的連續影像取得足夠的樣本，得出目標物 在影像中的位置用以測算目標物的全球衛星導航系統座標，若在其他高度下，目 標物平均有足夠的信心程度以及辨識率，便可確定只需蒐集一個高度的空拍影像 就能應用在不同高度飛行上的即時影像辨識，節省蒐集資料的時間。
表 5、表 6 與表 7 分別是三部車輛在不同高度下的信心程度，每個高度分 別有10 筆資料，代表目標車輛 10 張相異圖片中在偵測後，在圖片上被判斷為車 輛的信心程度。車輛 B 在三個不同高度下的信心程度差異較低，而車輛 A 與 C 在 200 公尺的高度下出現較低的信心程度，車輛 C 雖在 200 公尺的高度下，
未在全部的影像中皆被辨識出，但仍有80 % 的情形下可以被辨識出是車輛。
表 5. 車輛 A 在影像辨識中被辨識出時擁有的信心程度
表 7. 車輛 C 在影像辨識中被辨識出時擁有的信心程度
轉換計算出車輛的全球衛星導航系統座標，所得結果如表 8、表 9、表 10 所陳 述，表中的橫軸代表東經，縱軸則代表北緯。
表 8. 車輛 A 定位位置與實際目標
表 8 為車輛 A 在 100 公尺、150 公尺、200 公尺三種不同的飛行高度所蒐 集的各十筆影像及飛行姿態所計算出的位置，在不同高度位置所計算出的結果散 佈各有集中的趨勢，整體而言以100 公尺高度的飛行資料計算出的結果與實際目 標所在位置的落差較少。
22.73289 22.7329 22.73291 22.73292 22.73293 22.73294 22.73295 22.73296 22.73297 22.73298 22.73299
120.28867 120.28872 120.28877 120.28882 120.28887
車輛 A 定位結果
100公尺 150公尺 200公尺 實際目標位置 5 m 1 m
表 9. 車輛 B 定位位置與實際目標
120.28127 120.28132 120.28137 120.28142 120.28147
車輛 B 定位結果
120.28593 120.28598 120.28603 120.28608 120.28613
車輛 C 定位結果
100公尺 150公尺 200公尺 實際目標位置 5 m 1 m
表 10 為車輛 C 在三相異高度下所計算出的結果的分布情況，當中以 100 公尺組別的結果有較高一致性並且整體更靠近目標實際位置，150 公尺的組別則 一致性稍低，整體上計算結果離目標物較遠。
為更加了解不同高度對測量與計算所得的全球衛星導航系統座標的影響，
本研究將其以高度進行分組，並整理出表 11、表 12、表 13，探討不同高度下 定位出的全球衛星導航系統座標一致性程度、準確性。本研究使用標準差衡量同 組結果資料的一致性程度，標準差越大即表示同組資料的一致性低，相反則表示 有較高的一致性。準確性則是指所得結果與實際位置上的差距，本研究中又採用 K-Medoids 得到一車輛在一高度下所得多個定位結果的代表點，並取此點與目標 實際全球衛星導航系統座標的距離，若距離越小，則代表準確度越高。本研究認 為無人飛行載具有相同的角度偏誤時，會因測量高度的不同導致定位的偏移量有 所差別，以三角函數所計算地面相對位置向量的偏移量會隨飛行高度增加而加大。
表 11. 飛行高度 100 公尺車輛位置標準差與誤差
車輛 A 車輛 B 車輛 C 標準差 0.77 m 0.82 m 0.67 m 代表點緯度 22.73295 22.73593 22.73515 代表點經度 120.28881 120.28137 120.28602 代表點與目標距離 4.09 m 3.79 m 5.20 m
表 12. 飛行高度 150 公尺車輛位置標準差與誤差
車輛 A 車輛 B 車輛 C 標準差 0.80 m 1.40 m 1.70 m 代表點緯度 22.73292 22.73593 22.73514 代表點經度 120.28877 120.28136 120.28602 代表點與目標距離 9.51 m 5.06 m 6.24 m
表 13. 飛行高度 200 公尺車輛位置標準差與誤差
車輛 A 車輛 B 車輛 C 標準差 1.51 m 1.31 m 1.19 m 代表點緯度 22.73294 22.73595 22.73515 代表點經度 120.28874 120.28134 120.28600 代表點與目標距離 11.78 m 6.49 m 6.74 m
如圖8 所示，當飛行高度 100 公尺時，三相異車輛計算出的全球衛星導航系 統座標位置標準差皆在 1 公尺以內，分別為 0.77、0.82 與 0.67 公尺，即以平均 的概念由組內結果所得的座標，與同一組內所有座標相距平均小於 1 公尺。150 公尺和200 公尺高度的所定位的結果，三輛車標準差均在 2 公尺以下，標準差最 大的組為車輛C 在 150 公尺定位的結果，標準差為 1.7 公尺。為了評估定位的精 準度上，本研究在相異車輛的每組資料中以K-Medoid 找出一代表點，並計算此 點與實際全球衛星導航系統座標的距離，由表 11、表 12、表 13 當中可以看到，
車輛 A 在 100、150、200 公尺計算得出的座標代表的點與目標的差距分別為 4.09、
9.51 及 11.78 公尺，隨高度增加誤差增多，精準度也減少，再觀車輛 B 與車輛 C 以 100、150、200 公尺資料所計算的位置，同樣是隨著飛行載具高度上升，與 實際座標的差距增大。
目標車輛在相異高度的定位表現差異中，以 100 公尺組內資料所計算出的 全球衛星導航系統位置有最高的一致性與精準度。在一致性的表現上，三目標車 輛在100 公尺時，各群內的標準差皆落在 1 公尺以內，定位的座標十分相近，標 準差低於150 公尺與 200 公尺的定位結果，顯示一目標物在 100 公尺多次定位的 結果擁有比150 公尺及 200 公尺的結果有更高的一致性。在精準度方面，100 公 尺高度定位所得的座標，以 K-Medoids 取得的代表點，與實際目標位置相差約 3.5 至 5.5 公尺間，誤差約為一個車身長度的距離或更小，是三個高度中代表點
與目標實際座標差距最少的，其是150 公尺，最後是 200 公尺的定位結果，誤差 最多的為A 車在 200 公尺處的定位結果代表點，與實際位置相差約 12 公尺。
以下將以俯仰角或傾斜角測量誤差的方向來討論不同高度對定位誤差造成 的影響，在圖 16 中可由角度 θ 與無人飛行載具高度 hT 求得目標物距離地面原 點 OT 的理論實際距離 W ，關係式如式 (2) 所示。
W = hT tan(θ)
若此時俯仰角或傾斜角測量誤差為 δ 度，使得所得夾角為 θ + δ ，以此 則可推導出目標物因為角度差異得出的誤差 ΔW 如式 (3) 所示。
𝛥𝑊 = ℎ𝑇 ( tan(𝜃 + 𝛿) − tan (𝜃))
由式 (3) 可得知誤差 ΔW 會與無人飛行載具高度 hT 成正比，因此理論上 在俯仰角、翻滾角的誤差角度相同的情況下，無人飛行載具飛行高度越高，定位 結果的誤差會越大，定位精確度會越低，而本研究所得的結果也顯示，在本實驗 中高度100 公尺處的精確度最高，其次為 150 公尺，精確度最低的則為 200 公尺 的資料定位出的結果。另外因目標物座標是使用無人飛行載具本身的全球衛星導 航系統座標為基準定位，因此無人飛行載具本身接收的全球衛星導航系統座標也 會對定位結果造成影響，但偏移的量對於不同高度的定位結果都會是一個相同的 常數，與角度誤差所造成的定位誤差所影響的部分不同。
除了觀察一目標物在100 公尺、150 公尺、200 公尺三組定位結果組內一致 性外，本研究也認為相異高度對於同一目標物的定位，需有相似的結果與一致性。
表 14 顯示一目標車輛在不同高度代表點之間距離，縱軸是兩高度相異高度，橫 軸代表車輛代號，例如縱軸「100 m – 150 m」，橫軸為 A 時，所對應的欄位即是 車輛A 在 100 公尺與 150 公尺兩相異高度定位代表點間的距離為 5.53 公尺，如 (2)
(3)
下表14 所示。不同組定位得到的代表點之間距離越小，表示組與組之間定位的 結果較為相近，有較高的一致性。
表 14. 車輛各高度代表點間距離
A B C
100 m - 150 m 5.53 m 1.30 m 1.09 m 150 m - 200 m 3.93 m 2.64 m 1.35 m 100 m - 200 m 7.74 m 3.13 m 1.72 m
車輛 A 在不同高度的代表點，兩兩之間距離相差約 4 到 8 公尺，在 100 公 尺下與200 公尺的定位相差最多，相差了 7.74 公尺，其中以在 100 公尺得出的 代表點離其餘兩高度之代表點較遠，從表 8 中也可看出。車輛 B 相異高度代表 點兩兩之間距離約在 1 到 3 公尺，同樣 100 公尺高度與 200 公尺高度的代表點 距離最大，為3.13 公尺。車輛 C 相異高度兩兩代表點之間的距離則都落在 1 到 2 公尺之間，三輛車當中的車輛 B 與車輛 C 在相異高度的代表點間差距較小，
也代表著不同高度的群間定位的結果較為一致，由表 9 與表 10 中可看見在相異 高度定位的點，不同高度群的分佈狀況，群與群間位置重疊的情形較表 8 中的 車輛 A 更多。從實驗結果來看，在不同高度以本研究使用的方法定位，能夠得 到的座標位置是相近的。在本實驗中所攝影像在不同高度下，由表 4 中可得知，
影像中對角線對應所涵蓋地面的距離從233 公尺到 466 公尺不等，又在飛行高度 不同的情況下定位結果之代表點間相差未達 10 公尺，此誤差佔影像涵蓋範圍之 對角線距離的比例未到5 %，因此本研究認定所提出的方法在不同高度下的定位 具有穩定的結果。
在本研究中所提出的系統裡，物件偵測流程中辨識出影像裡的物件，並取得 目標物件在影像中的位置，影像的資訊進一步在物件定位流程中分析，根據同一
時間的飛行姿態資料、無人飛行載具高度定位目標物的全球衛星導航系統座標。
本研究中物件偵測流程使用 YOLOv4，並以 150 公尺所拍攝的影像訓練的模型 辨識在本實驗中挑選的目標物，實驗結果整體辨識率為96 % ，並且在三組高度 的平均信心程度皆高過七成，代表在同一場域中，僅需蒐集一個高度的空拍圖，
就能搭載在無人飛行載具上即時偵測其他高度的空拍影像，辨識出目標物件及取
就能搭載在無人飛行載具上即時偵測其他高度的空拍影像，辨識出目標物件及取