第一章 緒論
第二節 文獻回顧
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第二節 文獻回顧
廣義的無人飛行載具(UAVs)可包含風箏、飛船、氣球、遙控飛機或遙 控直升機等(Mikhail et al., 2001)，種類繁雜，近年的應用中，多指無人駕駛、
能重複使用並具引擎(motorized)的空中交通工具(van Blyenburgh, 1999)，包 含飛船、遙控飛機與遙控直升機等，本文中主要探討具有機翼的UAV。
依UAV 的飛行特性，可略分為定翼機(fixed wing)與旋翼機(rotary wing) 兩大類。定翼機的飛行穩定性較佳，但起降時需要跑道，搭載像機時無法 定點拍攝；旋翼機於飛行中較容易產生振動，但可垂直起降，搭載像機時 可於空中停懸(hovering)拍攝。故若需於地形崎嶇或人口、建築物密集的地 區取像，應選用旋翼機較佳(范成楝，2001；趙弘文，2009；Eisenbeiss, 2009)。
UAV 具有機動性強、時效性高及經費需求較低，且操作所需的天氣條 件較寬鬆等優點，然其引擎動力較一般飛機低，穩定性較差，也限制了承載 重量與航行高度，故常搭配較不精確的GPS、INS 與取像設備(陳繼藩，1999；
Eisenbeiss, 2009)，但對較小範圍的調查、資料更新仍有助益，應用層面廣泛 (黃昭雄等，2005；Eisenbeiss et al., 2005; Ro et al., 2007; Bendea et al., 2008)。
當UAV 遇有特殊狀況時，難以像飛行員一樣，做出及時、正確的反應，
因此，即使能自動駕駛的UAV 系統，航拍時仍需地面操作人員的輔助。不 過，能執行自動駕駛功能的UAV 系統，較不受限於操作人員的技巧、經驗 與判斷能力，可更完整地蒐集影像等資料，發揮UAV 系統的最大功效。遂 有越來越多的應用，是以具備自動駕駛能力的UAV 系統完成(Merino et al., 2006; Bendea et al., 2008; Steffen and Förstner, 2008; Eisenbeiss, 2009)。
目前 UAV 系統多將取像設備固定或垂掛於機身下方，其 GPS 天線中 心、INS 中心與像機的透鏡中心並不一致（如圖 1-1），因此，UAV 系統提 供的GPS、INS 記錄須經適當化算，才能提供像機外方位(exterior orientation) 參數的參考資料(Mikhail et al., 2001; McGlone, 2004; Eisenbeiss, 2009)。
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(a) 旋翼機：Copter 1B (Eisenbeiss, 2009)
(b) 四旋翼 UAV：MD4-200 (Microgrones, 2009)
(c) 定翼式 UAV(黃昭雄等，2005)
圖1-1 UAV 上的 GPS、INS 相對於像機的位置
GPS 天線 INS、導航系統、電子羅 盤、氣壓計、溼度計、電 池、軌跡記錄器
CCD 像機 0.2 m
0.6 m
GPS、微波視 訊監控系統
3 m
2.2 m
單眼像機
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此外，UAV 系統所搭載的取像設備多為非量測型像機。然欲應用於航 空攝影測量時，可如一般航測作業方式中，透過率定方法獲得描述像機的 內方位（包含附加參數），於空三平差計算前先改正取像過程中的系統誤 差，以維持共線條件式(collinearity condition equations)成立，或可使用自率 光束法，將附加參數視為帶權的觀測量，於空三平差過程中同時求解 (Mikhail et al., 2001；李德仁、袁修孝，2002；McGlone, 2004)。
航測過程中也可應用自抵消法，即針對同一測區以相互垂直的兩次左 右重疊(sidelap; side overlap)、前後重疊(overlap; forward overlap)均為 60%的 航拍影像，取得該測區共四組航拍影像，再將此四組影像同時平差，因影 像的系統變形規律相似，故四組影像同時平差時，各組影像之間的系統變 形即成隨機性，可自行抵銷或減弱某些影像上的系統誤差，然因影像觀測 的工作量大幅上升，通常只適用於小面積的高精度加密測量才使用，且仍 需配合其他方法提高空三平差的精度(李德仁、袁修孝，2002)。
早期率定像機的方法可略分成兩大類：實驗室法、率定場法。實驗室 法主要是利用特殊設計的光學儀器，如：多鏡照準管(multicollimator)或測 角儀(goniometer)等率定像機，但此類儀器昂貴，多用於量測型像機(metric camera)的率定。率定場法則是在某一空間內佈設許多已知坐標的標點 (targets)，以像機拍攝後，透過像片上記錄的控制點(control points)解得描述 像機的參數(Wolf and Dewitt, 2000)。率定場法可依影像拍攝方式、像機及 被攝物體間的距離，略分為近景攝影測量的率定場法與航空攝影測量的率 定場法，目前率定非量測型像機時，以近景攝影測量的率定場法較普遍。
解析空三平差方法與數值影像漸漸普遍後，可同時解算內、外方位的 自率光束法由空三平差的理論發展出來。最早以解析方式進行像機率定的 技術由Brown(1956)提出，剛開始只解算像機的焦距、像主點位置與對稱輻 射畸變(symmetric radial distortion)參數，後來擴展出離心畸變(decentering distortion) 的 模 式 ， 並 提 出 SMAC (Simultaneous Multiframe Analytical
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Calibration)率定方法：假設所有像片具有相同的內方位參數而進行解算。
1970 年代時，許多學者提出不同的附加參數模式，如 Brown(1976)提出 21 個參數的模式，Ebner(1976)則提出了 12 個正交多項式的附加參數。
1980 年於漢堡舉辦的第十四屆國際攝影測量大會中，Kilpelä(1981)的 特邀報告中指出：由9 個單位使用 14 種不同的附加參數進行自率光束法試 驗，可得一般性的結論：(1)精度平均提高 20%～30%，但有較大的波動；
(2)自率光束法比（航測）率定場的效果好，但差別不太大；(3)找不出哪一 組參數比其他的都好。雖於一般情況下很難斷定何組附加參數最有效，仍 可將選擇附加參數的考慮因素歸納如下：(1)平差區域網的面積；(2)左右重 疊與飛航方向；(3)平差的多餘觀測數；(4)每張影像上的像點數量與其分 布；(5)地面控制點(ground control points, GCPs)數量與其分布；(6)系統誤差 的先驗特性；(7)攝影測量系統參數的變化情況；(8)測區內的地形起伏；(9) 使用電腦的內外存容量；(10)是否進行了預改正(pre-corection)；(11)附加參 數的顯著性與相關性(李德仁、袁修孝，2002)。其中的「預改正」指：先將 所有影像觀測量以熟知的系統誤差（如輻射畸變差）改正，再執行自率光 束法空三平差計算(Schut, 1979; Fraser, 1997；李德仁、袁修孝，2002)。
使用自率光束法時，隨著附加參數的數量增加，影像觀測量也必須增 加(劉虹妤，2000)，如 Schut 的分析中，當前後重疊與左右重疊均為 60%，
且每張影像上僅量測9 個標準點位時，最多只能使用包含 12 個附加參數的 誤差模式(李德仁、袁修孝，2002)。因此，在近景攝影的應用上，配合自動 偵測點位、自動匹配的技術，可提高像機率定時的自動化程度，而發展出 許多可用於率定像機的軟體，如：PhotoModeler (Eos Systems Inc., 2004)、
iWitness(吳笛豪，2008)及 Australis (Photometrix, 2004)等。
而非量測型像機的內方位通常較不穩定，且價格較量測型像機低廉，
使用實驗室法的效益較低，目前常以近景攝影測量方式的率定場法或自率 光束法，事先獲取非量測型像機的內方位參數，再將該組參數視為固定已
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知條件，應用於UAV 系統的航拍作業中(Förstner and Steffen, 2007; Hongxia et al., 2007; Eisenbeiss, 2009)。
不過，以近景攝影測量方式搭配商用軟體率定時像機，像機拍攝影像 的物距並非無窮遠，導致率定時的像主距(principal distance)並不能視為透鏡 的焦距(focal length) (Brown, 1971; 劉虹妤，2000；鄒芳諭、史天元，2010)。
但像機於 UAV 上航拍時，像機與被攝物體的距離較遠，故像機於 UAV 上 航拍時的像主距、焦距可視為相同，而與近景率定像機時的取像條件不同。
此外，不同率定軟體所得的結果也未必一致(Remondino and Fraser, 2006)，
使近景率定而得的像機內方位參數，未必能適當地描述像機於UAV 上航拍 時的狀態。
以航測率定場的方式率定像機，雖可取得描述整個攝影系統條件的參 數，但需確認率定與實際航拍時的像機狀態、拍攝時間、大氣條件、影像 量測的人員…等條件盡量一致，且須定期率定(李德仁、袁修孝，2002)，對 於搭載非量測型像機的UAV 系統而言，由於非量測型像機的內方位條件較 不穩定，某次率定所得的參數未必能沿用到下次航拍的過程中，加以 UAV 種類繁多，航拍時的航高變化大，難以建立一個可適用各種 UAV 的率定 場，欲以航測率定場的方式取得描述UAV 系統條件的參數，其成本較高。
由於自率光束法可用於非量測型像機的率定，也能應用於UAV 系統的 航拍任務中，求得較適合描述該次航拍的影像系統誤差模式。故應用UAV 系統於航測中時，使用自率光束法的空三平差，應可降低非量測型像機內 方位不穩定、非量測型像機的率定結果不同對空三平差的影響，並提高空 三平差時的精度。