本團隊研發之PPIMS 配備 8 部高解析度單眼相機，以環狀的排列的方式固 定於平台，平台上設置同時曝光機制，使得 8 幅同時成像的影像可構成環場全 景影像，如圖3.4 (a)所示。平台上可設置 GNSS 天線，以獲得曝光時之平台中心 位置，如圖3.4 (b)所示。其相機設備為 SONY NEX-5N，影像解析度為 1600 萬 畫素。
(a) (b) 圖 3.4 可攜式環景影像測繪系統的(a)特製平台及(b)外觀
經過內方位及系統率定的 PPIMS，只要能解算每個測站的平台方位，即可 計算得每張影像的外方位元素。實務上可利用多測站的連結關係解算平台方位，
假使每個測站 GNSS 訊號皆接收完善，則可不加入控制點，只要能在不同測站 的重疊影像量取足夠的共軛點之影像坐標，即可透過光束法平差進行平台方位 的解算，進而計算每張影像的外方位參數；反之，若測站GNSS 訊號接收不足，
則得加入控制點於光束法平差模型中同步解算。亦即可應用兩張影像的前方交 會獲得物空間點位三維坐標。若透過多張不同測站的影像交會，將可獲得更高精 度且更可靠的點位坐標。此外，測站的擺放位置與平差解算之精度亦有相關，除 了考量各測站對於待求解的地物點之交會角度之外，亦須考量彼此是否有共同 的連結點，目的使各測站之間能同時拍攝到最多共同的景物，後續選擇連結點時 較為容易，並且增加多餘觀測數，有益於整體光束法平差之解算。
然而，PPIMS 每架設一站觀測，即同時拍攝多張影像。當一個測量場景架 設了多個測站後，很快就產生大量的影像，於大量影像中尋找目標影像進行量測 時，必須於不同測站的重疊影像上量測共軛點位，由於每個測站產生多張影像，
當點位是多測站的交會時，觀測者不易於大量的影像中找尋目標影像，相當容易 混淆。為解決此一難題，本團隊已於 105 年度研發將同一測站的多張影像合併 為SPI，依此 SPI 進行後續的影像量度與多測站平差。
應用本團隊研發的PPIMS 於測繪工作，其工作步驟皆包含率定、外方位解 算及測繪，整體流程如圖3.5 所示。
圖3.5 應用 PPIMS 進行測繪之整體工作流程圖
PPIMS 必須先經過系統率定，以確定相機與平台中心的相對位置及方位關 係。率定步驟包括相機內方位率定及系統率定。單台相機的內方位是透過一個布 滿人造標並且可旋轉的圓盤進行率定，如圖3.6 (a)所示，利用不同高度的木柱與 Australis 編碼過之人造標，以產生三度空間率定場，提高焦距率定之精度。平台 系統率定則是應用一個四周佈滿標點的室內率定場(如圖 3.6 (b)所示)，求得平台 與8 部相機之相對位置及方位關係。
(a) (b)
圖3.6 (a)相機內方位率定之可旋轉且布滿人造標的圓盤 (b) PPIMS 相對方位室 內率定場
經過系統率定得到相機間之相對方位關係後，便可應用準確的相對關係來 產生 SPI。SPI 的定義是成像面為球面，投影中心為球心，地物點投影至球面經 過球心，形成共線關係(Collinearity)，如圖 3.7 (a)為 SPI 示意圖，將 SPI 展開之 平面影像如圖3.7 (b)所示。如此每個測站只產生一張 SPI，觀測者在 SPI 上找尋 共軛像點進行量度將更為方便。
(a) (b) 圖3.7 (a)球形環景影像及其(b)展開之平面影像
目前有許多方法能將多張影像拼接成環景影像，如利用影像的多尺度特徵 或模板之匹配來拼接，雖然拼接成的環景影像視覺上沒有接縫，然而影像和物空 間的幾何關係已遭更動，即環景影像不再具備有共同投影中心的幾何關係，亦即 投影中心、像點、及物點的共線條件(Collinearity Condition)關係已被更動。本團 隊應用 PPIMS 準確的相機相對關係，將八張影像拼接為一張 SPI，其形成的概 念為中心投影，將相機拍得的原始影像投影至指定半徑大小的球上，經過系統率 定之後，每個SPI 像元能對應到原始影像的像點，透過雙線性重新取樣來決定像 元顏色。影像重疊區則根據像元到鄰近影像的像主點距離判斷，選擇與像主點距 離較近的像元顏色。將 SPI 影像上的各像元逐次計算，便可將系統所獲取的八張 影像拼接為一球形環景影像。此種SPI 雖然視覺上有接縫(如圖 3.8 所示)，但相 機間的幾何關係能夠維持，如此才能讓SPI 的像元恢復共線條件。
圖3.8 應用 PPIMS 的相機相對關係形成球形環景影像
假設我們有理想的SPI，即 SPI 像元能夠從球心直接投射到對應的物點上，
因此若SPI 的外方位為已知，如同一般攝影測量多影像前方交會方式，可透過相 機、SPI 像元與對應物點的共線關係以及 SPI 之間的交會關係解算物空間點位 坐標(如圖 3.9 所示)，因此可應用 SPI 於製圖。
圖 3.9 透過 SPI 的交會關係解算物空間點位坐標
本團隊於去年度察覺，由於目前 PPIMS 硬體設計之限制，相機得以螺絲穩 固至平台上，然而每次拍照完後，必須將相機拆除才可讀取影像，系統率定完後，
亦得拆除相機讀取影像來解算相對方位，因此每次拆除後再重新安裝相機至平 台上，整體相對關係將會有些許變動，使得系統率定成果無法完全符合每次觀測 平台擺設之實際情形，影響後續點位交會計算之成果。表 3.1-表 3.2 為 PPIMS 歷 次系統率定解算成果之比較，可觀察出在 Lever Arm 的差異極小，皆不超過 0.01m，然而 Boresight Angle 的差值至多卻可能差至 2 度以上，假設相機的角度 偏移30 秒，則 20 公尺處的物點，將偏移約 17 公分，隨著距離變長則此偏移量 將加大。因此歷次系統率定之差值顯著影響前方教會之定位成果。
表3.1 歷次 PPIMS 系統方位率定差值(2nd-1st)
表3.2 歷次 PPIMS 系統方位率定差值(3rd-2nd)
為解決此問題，本團隊今年度發展新一代 PPIMS(以下簡稱新 PPIMS)，改善 上述硬體設計之限制，拍完照可直接取出記憶卡，不須再拆除相機，如圖3.10 (a) 所示。除此之外，亦針對快門同步進行改善，將原先紅外線感應改以快門線直接 觸發，拍照時更加快速與穩定。相機改為使用 Sony A5100，解析度亦獲得提升，
由先前 1600 萬畫素晉升為 2400 萬畫素。新 PPIMS 與先前設計概念相同，同樣 可裝載GNSS 天線，並裝置於三角架上觀測，整體外觀如圖 3.10 (b)所示
(a) (b)
圖 3.10 (a)新 PPIMS 之平台硬體設計 (b)新 PPIMS 整體外觀
本團隊針對新PPIMS 進行兩次的系統率定，表 3.3 為新 PPIMS 歷次系統率 定解算成果之比較，可觀察出在 Lever Arm 的差異極小，幾乎不超過 0.001 公 尺，Boresight Angle 的差值亦不顯著，至多僅差至 0.07 度，於原先 PPIMS 相比，
該歷次系統率定成果相當穩定。
表3.3 歷次新 PPIMS 系統方位率定差值(2nd-1st)
除此之外，本團隊亦於系館一樓實驗場(如圖 3.11 (a)所示)，針對兩代 PPIMS 進行觀測，兩者皆架設於相同之位置，以及使用同樣之控制點、連結點與檢核點 給予驗證，整體點位之平面分佈如圖 3.11 (b)所示。總計架設 8 個測站、使用 7 個控制點、27 個連結點與 20 個檢核點。表 3.4 為兩代 PPIMS 室內實驗場像點 改正後之檢核點誤差。然而為避免拆除相機造成系統率定無法穩固之影響，原始 PPIMS 先至率定場觀測後便立即至實驗場，待拍攝完成後才拆除相機，確保該 組系統率定參數應用至一樓實驗場是適用的。
(a) (b)
圖3.11 (a)系館一樓實驗場 (b)室內實驗場點位分佈圖
表 3.4 兩代 PPIMS 室內實驗場像點改正後之檢核點誤差 原始PPIMS 新一代PPIMS
𝑿方向 𝒀方向 𝒁方向 𝑿方向 𝒀方向 𝒁方向 平均誤差 -0.002 -0.002 0.005 0.000 -0.001 0.000 均方根誤差 ±0.011 ±0.007 ±0.012 ±0.005 ±0.005 ±0.004 單位：公尺
由上表可得知新 PPIMS 其 X、Y 與 Z 三方向之平均誤差趨近於 0，且均方 根誤差不超過 0.005 公尺，比原始 PPIMS 之驗證成果更加理想。因此本年度後 續適地性服務案例之相關實驗，將以新PPIMS 來施測。
本團隊亦使用新PPIMS 至自強校區之室外實驗場(如圖 3.12 (a)所示)進行驗 證，整體點位之平面分佈如圖3.12 (b)所示。總計架設 5 個測站、使用 5 個控制 點、17 個連結點與 12 個檢核點。表 3.5 為兩代 PPIMS 室內實驗場像點改正後 之檢核點誤差。除了以原始觀測量進行光束法平差解算之外，亦移除交會幾何不 佳之觀測量，另外進行平差解算。目的為觀察交會幾何其影響之實際數值。
(a) (b)
圖3.12 (a) 自強校區之室外實驗場 (b)室外實驗場點位分佈圖 表 3.5 新 PPIMS 室外實驗場像點改正後之檢核點誤差
原始觀測量 移除交會幾何不佳之觀測量
𝑿方向 𝒀方向 𝒁方向 𝑿方向 𝒀方向 𝒁方向 平均誤差 -0.035 0.032 0.014 -0.002 0.032 -0.007 均方根誤差 ±0.092 ±0.111 ±0.061 ±0.045 ±0.053 ±0.052 單位：公尺
由上表可得知原始觀測量其 X、Y 與 Z 方向之平均誤差約為 0.03 公尺，三 方向之均方根誤約為0.1 公尺。在解算過程之中，觀察出地物點與對應測站其交 會角度太小則可能導致計算之點位坐標精度變差，因此特別移除交會幾何不佳 之觀測量(交會角度小於 10 度者均以移除)，再進行光束法平差。依據上表可觀 察出均方根誤差有顯著降低，大約從 0.1 公尺降至 0.05 公尺。因此後續進行適 地性服務案例之相關實驗，將注意界址點與對應測站之交會角度，避免該夾角過 於狹小而使坐標解算之精度不佳。
本團隊已於 105-106 年度開發 PPIMS 其所有相關的應用程式，包括環景影 像拼接、球形環景影像量測、多測站球形影像平差，並設計一個簡易操作的系統 介面，將上述各軟體之功能統整於此，稱之為MAPS(Measurement and Adjustment on Panorama System)，其操作介面如圖 3.13、圖 3.14 所示。使用者透過此系統介 面將能展示、瀏覽並量測相關的影像，包括原始影像、SPI 及 SPI 投影影像，亦 可透過人機互動介面量測點位獲得地物點的三維坐標，並將觀測結果儲存進行 多測站平差後，將測站、控制點與連結點直接展示於地圖上。未來將持續進行 MAPS 之修改與測試，提升影像切換與瀏覽速度與像點量測便利性，期許藉由此 套系統建立地籍測量觀測成果資料庫，以供查詢及輔助土地複丈內外業。
圖3.13 MAPS-「拼接」頁籤之操作介面
圖3.14 MAPS-「量測」頁籤之操作介面
圖3.14 MAPS-「量測」頁籤之操作介面