第二章 理論基礎與文獻回顧
第五節 小結
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制測量則以即時動態測量 GPS-RTK (Real Time Kinematic)，求得控制點與 檢核點之三維坐標。實驗區總共佈設 20 個地面控制點，其中選擇 15 個 點作為解算空中三角測量之控制點，其餘 5 個則作為檢核正射熱影像成 果之檢核點，而控制點與檢核點之分布及編號如圖 14 所示，相關控制點 及檢核點點位資料，詳如附錄一所示。‧
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並以實地率定法 (field methods) (Wolf and Dewitt, 2004)率定熱像儀。率定 軟體中之率定模板 (見圖 15)之相對位置為已知值，由於熱像儀之呈像不
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圖 15 iWitness PRO 率定模板
圖 16 鋁質點位率定標可見光影像 圖 17 鋁質點位率定標熱影像
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發動機 260 gasoline 接收器 Futuba/JR
轉速 9000-13000 rpm 淨重 8400 g
作業溫度 110°C - 160°C 主要羅盤轉速 1350rpm
飛行最大速度 25 m/s 燃料 汽油
飛行最大高度 3700 m 無載重飛行時間 80 – 90 mins
發訊器 6 channel + 載重飛行時間 50 – 60 mins
起落架長度 230 mm 材質 CF
總重量 10 – 12 kg 燃料容量 550 -1500 ml
實體圖
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二、 數值地表模型的來源與建製過程
為快速取得高精度且大範圍之數值地表模型，本研究使用 Optech ALTM Pegasus 空載雷射掃描儀所蒐集建製之點雲資料，其規格如表 4。
圖 18 航帶配置
正交航帶
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表 4 Optech ALTM Pegasus 空載雷射掃描儀規格
參數 數值 參數 數值
作業範圍 300 ～ 2500 m 雷射光波長 1064 nm
水平精度 1/5, 500 × 海拔 高程精度 <5-15 cm
發射頻率 可編程；100～500 kHz 位置和方向系統 POS AVTMAP50 (OEM) ； 220 通道 GNSS 接收系統
掃描寬度(FOV) 可編程；0 ～ 65° 掃描頻率 可編程；0 ～ 140Hz (有效)
光束發射角 0.2mrad (1/E) 收集強度 可接收 4 個脈衝強度，包括 最後一個 (12 bit)
工作溫度 -10°C to +35°C 相對溼度 0 ～ 95% 非冷凝
Optech ALTM Pegasus 掃描所得的三維點雲資料，經由 ArcGIS 10.0 處理，原有點雲三維坐標資料係以文字檔方式儲存，讀入 ArcGIS 10.0 後，
基於 TIN 三角網是以多種向量方式建立，可由點雲建製得 TIN 三角網，
使高程值儲存於 TIN 中，再內插計算成為數值模型的網格 (Raster)，求得 數值地表模型。
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第三節 控制點佈設
熱影像成像與光學影像不同，其所記錄的是為溫度資訊，故在選擇 控制點位佈設之材質時，需考慮材質與周圍溫度的溫差及大小，是否足 以使控制點位成像可為人眼所判釋。熱像儀每個像元大小為 25 微米，焦 距為 18.55 公厘，考慮研究之航線規畫，在航高 100 公尺時，每個像元之 地面涵蓋範圍為 13 公分 × 13 公分，意即控制點及檢核點之點位，在實 地佈設材質於環境時，其材質板大小不能小於 13 公分 × 13 公分。
為使點位能於熱影像上成像至少 6 個像元大小 (Luhmann et al., 2010)，以供判釋點位位置及點選控制點，本研究使用 45 公分 × 45 公分 的方形鋁質板，做為熱影像幾何改正之控制點及檢核點，如圖 19。另外，
為使實地鋪設鋁質板時，鋁質板中心可對齊控制點中心，於鋁質板之對 角線中心穿洞，使佈設控制點之外業作業能快速且準確進行。
圖 19 方形鋁質板可見光影像 穿洞
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經過測試，方形鋁質板於熱影像上之成像，已足以使控制點點位清 楚呈現，圖 20 為由飛行中拍攝之熱影像，圖中的紅圈處之黑點即為鋁質 板，可清楚區分鋁質板與其他地物。
圖 20 鋁質板實際於測區之成像
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第四節 成果檢核
本實驗以影像工作站 Leica Photogrammetry Suite (LPS)量測熱影像控 制點，並執行空中三角測量平差，求得影像外方位元素後，以空載光達 點雲建製之 DSM，正射糾正熱影像，建立數值地表溫度模型。
因熱影像中的地物特徵不甚明顯，故本研究僅檢核絕對精度。研究 中以 GPS-RTK ( real time kinetic Global Positioning System)測得檢核點之 TWD97 平面坐標，再以檢核點之均方根誤差 (Root Mean Square Error, RMSE)及誤差向量圖，提供評估正射熱影像絕對精度之依據。
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第四章 研究成果與分析
本章探討與分析研究成果。使用 UAV 取得之熱影像，僅具平面溫度 資訊，藉由本研究建置數值地表溫度模型之過程，使數值地表溫度模型 除了有三維坐標外，亦提供第四維之溫度資訊。以下各節分別敘述熱像 儀率定成果、DSM 建製成果及正射熱影像成果之檢核，與建置數值地表 溫度模型之探討。
第一節 熱像儀率定成果
由 iWitness PRO 率定非量測型相機，可求得內方位參數，包括焦距、
像主點位置、透鏡畸變差等。實驗中佈設一個三維率定場拍攝率定模板，
率定模板共 20 個，這些率定模板必需置放於三個不同的平面及不同垂直 高度上。
實驗中，為使率定模板上鋁質圓點與其背景紙質兩者之溫度，維持 穩定且差異明顯，必需於室外，取得充足陽光照射後，再拍攝取得多張 不同平面及不同垂直高度上之熱影像，如圖 21 所示。
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圖 21 率定用影像
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像主點：Principal point xo -0.1717 mm
像主點：Principal point yo -0.1227 mm
透鏡畸變差
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第二節 空載光達資料建製 DSM 成果
研究中，使用空載光達於 2013 年 9 月 22 日飛行政大校園的資料，
並以其前四個回波值之高密度點雲 (每 m2約 3~5 點)製作數值地表模型。
使用 ArcGIS 將點雲資料製成一 Las Dataset，可獲得點雲之資料特性。
圖 22 為實驗區點雲展繪，不同高程以不同顏色表示，不僅可清楚分 辨不同高程之建物與地物，且可觀察實驗區之剖面地形現況，如圖 23。
圖 22 實驗區點雲展繪
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圖 23 實驗區剖面地形現況
除了展繪空載光達四個回波點雲外，亦可濾除非地面點，僅展繪地 面點之點雲，如圖 24。
本研究建製之數值地面溫度模型亦包需顯示建物溫度，故使用四個 回波點雲，並將實驗區點雲裁切先行而出，減少後續的運算時間。
在點雲中有許多規則與不規則的高程點，首先產生不規則三角網 (TIN)，再由內插法產生規則網格 DSM，網格尺寸由程式自行設計成 1.28 m × 1.28 m，成果如圖 25。
剖面線
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圖 24 地面點之點雲
圖 25 實驗區 DSM
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(二) 在環境溫度設定方面，雖手動固定溫標方式可使每張熱影像之色調一 致，但若於飛行時拍攝到之地物溫度超過設定範圍，將致影像部分點 位無資料或地物模糊不清，甚至整張影像無內容，如圖 27 所示，圖 27 (a)之綠色部分即表示溫度已超出設定之範圍，導致綠色部分無法測 溫。
(a) 熱影像部分點位無資料 (b) 熱影像中之地物模糊不清
(c) 影像無內容
圖 27 熱影像手動固定溫標之取像問題
(三) 考慮本研究最終希望能應用於偵測火山區、溫泉區及地表之溫度，地 表溫度乃是於未知情況下取像，故研究中使用自動偵測溫標模式取像，
使每張熱影像皆有清楚之地物溫度內涵。
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(四) 由於使用自動偵測溫標模式取像，故在影像後處理中，應加入溫度標 準化過程，使各張熱影像間有一致之相對溫度。
本研究之近空拍攝之熱影像成果如圖 28，使用錄影方式取像後，挑 選條件為 UAV 飛行時，各張影像間具高重疊率及三個以上控制點之影像，
以這些熱影像做為後續研究之用。
接著是像幅處理問題，熱像儀像幅與攝影機像幅並不一致，惟攝影 機以同步訊號傳遞方式記錄熱像儀之動態資訊，故錄影機與熱像儀取像 之地面涵蓋範圍並無不同，熱像儀資訊僅經過平移及放大訊號，亦即雖 攝影機像幅較大，但解析度仍是只有 320 × 240。
圖 29 為拍攝並挑選影像之成果，共挑選可用影像計 36 張，使用影 像裁切處理，將圖 28 中之影像黑色部分裁切，剩下紅框部分像幅大小為 640 × 472，需另於綠框部分填入 640 × 8 的空白像元，並將影像像幅縮小 等比例縮小為 320 × 240，以保持熱影像之內方位不變。圖 29 為原始影像，
圖 30 為裁切並填入空白像元後之熱影像，將以此 36 張影像行空中三角 平差測量。
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圖 28 自動測溫近空原始熱影像
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圖 29 測區原始熱影像成果
在圖 29 中，使用自動測溫模式取像，熱像儀在拍攝時感測之溫度因 風力、風向、拍攝微傾角等因素，使得每張熱影像上的最高溫及最低溫 皆不全相同，故需標準化每張熱影像之溫度，於本章第四節有詳盡介紹。
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圖 30 處理後之熱影像
UAV 在飛行時，每 4 秒給出一 GNSS 導航精度之 GPS 值，做為紀錄 UAV 實際飛行之軌跡，以此值可展繪出 UAV 飛行軌跡如圖 31，圖中箭 頭處為 UAV 開始紀錄 GPS 值的起點，每一點即為紀錄之 GPS 值。
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圖 31 UAV 飛行軌跡
在展繪航帶方面，為使研究中挑選之 36 張影像，其地面涵蓋及重疊 率能清楚展示，研究中將 36 張影像的地面涵蓋以空心矩形各自繪出，如 圖 32，不同顏色框表不同航帶。如此顯示，以錄影方式取像可得高重疊 率之影像，而實驗中原規劃航帶前後重疊率 80 %，左右重疊率 50 %，此 可符合本研究之航帶規劃目標。
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圖 32 每張影像之地面涵蓋
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Unit-Weight RMSE)為 0.6756，用以描述空三平差之整體精度。表 6 控制點與檢核點 RMSE
Control Point RMSE Check Point RMSE
Ground X 0.0486 0.0480
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熱影像空三平差結果如圖 37，研究中以檢核點於平差後所得的平面 精度及高程精度表示。結果顯示，在使用 15 個均勻分布之控制點及 5 個 區域內檢核點時，控制點平面精度 0.045 m，高程精度 0.171 m，檢核點 平面精度 0.076 m，高程精度 0.274 m。另，各張影像空三平差解算之外 方位元素詳列於附錄二。
圖 37 空三平差後各影像間相對位置
表 7 表示空三平差後，各檢核點之殘差，在 X 與 Y 方向之殘差不大 於 0.12 m，Z 方向之殘差不大於 0.51 m，顯示熱影像空三後，在平面方 向之精度較佳。
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表 7 檢核點殘差量 (單位：m)
點號 rX rY rZ
2 0.0193 -0.0318 -0.0583 3 0.0936 0.1117 0.5067 4 0.0473 -0.0508 -0.0687 11 -0.0118 0.0276 -0.3298 20 -0.0011 0.0245 -0.0285
空三平差後，利用 LPS 軟體，可自動匹配產生一 DSM，圖 38 為熱 影像空三後自動匹配出之 DSM，惟其無法表示真實之地形起伏，亦無法 對應測區之地物內容。
圖 38 熱影像空三後自動匹配之 DSM
圖 38 熱影像空三後自動匹配之 DSM