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由於小型無人定翼機的空拍高度較低,其拍攝之單一影像涵蓋範圍較小,在 進行較大範圍的空拍任務時,通常會以多條航帶 (flight strip) 的方式飛行,拍攝連 續的許多張影像來涵蓋整個拍攝範圍,事後再進行拼接。例如圖 3 中,黃色路徑 為規劃路徑,紅色路徑為實際飛行路徑,UAV 在整個飛行過程中,以錄影或固定 時間間隔的方式,連續地拍攝影像,以取得涵蓋整個拍攝範圍的許多張影像。

圖 3 多航帶之空拍路徑規劃

完成空拍飛行任務並取得一連串的許多張影像之後,要對這些影像進行後製,

空拍的主要後製產物為地形圖 (topographic map)、數值地形模型 (digital terrain model; DTM) 與正射影像圖 (digital orthophoto map; DOM),在製作時除了要求所 有航帶上拍攝的一連串影像要覆蓋整個拍攝範圍,也要求影像之間要有一定的重

疊率 (overlap)。影像重疊率係指兩張影像拍攝到的地理範圍之重複程度,以百分 比 表 示 , 重 疊 率 又 分 為 前 後 重 疊 率 (forward overlap) 與側向重疊率 (lateral overlap),前後重疊率是同一航帶內前後影像之重疊率,側向重疊率則是相鄰航帶 間的影像重疊率,如圖 4 所示。不同的空拍後製產物要求的影像重疊率有所不同,

例如地形圖的製作,一般要求前後重疊率 60%以上,側向重疊率 30%以上,而正 射影像圖則要求前後及側向重疊率皆要在60%以上。

圖 4 影像前後重疊率與側向重疊率示意圖 資料來源:Xiang and Tian [9]

正射影像圖為空拍的重要後製產物之一,在取得空拍範圍內的所有影像之後,

需進行正射糾正 (orthorectification),以消除因中心投影之攝影方式造成的高差位 移 (relief displacement) 及相機傾斜造成的傾斜位移 (tilt displacement),使得影像 上任何地方的比例尺達到一致,之後再進行正射影像鑲嵌 (orthomosaic),將所有 的影像鑲嵌合成一個涵蓋空拍範圍的正射影像圖,例如圖 5 所示,最後的正射影 像圖由許多張的正射影像鑲嵌而成。

圖 5 正射影像鑲嵌合成 資料來源:Mozas-Calvache et al. [10]

正射影像圖的精確程度與影像品質受以下因素影響:

1) 影像重疊率是否足夠

充足的影像重疊率是製作良好正射影像圖的必要條件,在UAV 依照理想 規劃路徑飛行且飛行姿態在理想狀態的前提之下,影像前後重疊率與飛 行高度、飛行速度及相機連拍時間間隔有關,側向重疊率則與空拍路徑 的航帶間距相關。飛行速度主要與UAV 性能有關,連拍時間間隔則與相 機的規格相關,在規劃空拍路徑時,必須考量此二因素以及要達成的影 像重疊率與影像解析度,定出飛行高度及航帶間距。但事實上真正執行 空拍任務時,因為有風及其他影響因素存在,UAV 較難依照理想規劃路 徑飛行,風會影響下列因素,進而對影像重疊率造成影響,茲述如下:

a) 飛行速度

在固定的飛行高度與連拍時間間隔之下,若順風飛行時,飛行速 度變快,會使影像前後重疊率變小。相對的,在逆風狀況下,影 像前後重疊率會變大。

b) 飛行路徑精準度

UAV 在完美理想情境下,可完全按照規劃路徑飛行,其拍攝之影 像應如圖 6 (a) 般整齊排列、重疊率一致。在實際有風的環境下,

UAV 的實際飛行路徑與規劃路徑間存在飛行路徑誤差,使得重疊

率受到影響,如圖 6 (b),但飛行路徑精準度越高,重疊率受影響 程度越小。

圖 6 空拍影像之排列 (a) 理想狀況 (b) 考慮飛行路徑誤差

c) 拍攝時 UAV 相機是否保持水平

風的吹襲容易造成UAV機身及相機傾斜,當UAV有俯仰角 (pitch) 前後傾斜時,會對前後重疊率造成影響。當UAV 有滾轉角 (roll) 左右傾斜時,會對側向重疊率造成影響。以圖 7 為例,當拍攝相 鄰兩張影像時,UAV 皆保持水平,其影像重疊率為規劃的 50%,

但若其中一張影像在拍攝時,UAV 因風的影響而傾斜 10 度,則 重疊率受到影響而縮減至約23%。

圖 7 UAV 機身及相機傾斜對影像重疊率之影響

d) UAV 偏航角 (Yaw) 是否與行進方向一致

飛機在有側風的環境下飛行時,若不改變偏航角,也就是機頭方 向,飛機會被風吹偏,產生漂移,而無法保持行進方向,如圖 8 (b) 所示。為了保持行進方向,飛機必須改變偏航角,往風的來 源方向修正,以抵銷側風產生的漂移,稱之為側飛 (crab),此時 行進方向保持了,但偏航角與行進方向不一致,兩者間有一夾角,

此一夾角會隨著側風風速增強而變大。在側風下進行空拍飛行的 影像重疊率會低於無側風的狀況,如圖 8 (c) 與圖 8 (a) 所示。

圖 8 側風對UAV 的行進方向、偏航角及影像重疊率之影響 (a) 無側風 (b) 漂移 (c) 側飛

2) 影像拍攝高度是否一致

拍攝高度除了會影響重疊率以外,也會影響拍攝影像之地面解析度,高 度若不一致會造成每張影像的地面解析度不一致,在進行影像鑲嵌時,

會產生影像拉扯,造成影像品質下降。

3) 影像是否有傾斜位移

在拍攝影像時,相機若傾斜,會影響重疊率,也造成影像有傾斜位移,

須針對此傾斜位移進行正射糾正,在進行此一糾正時,會有影像形變的 現象,造成影像解析度的降低,且傾斜角度越大,形變的程度越大,解 析度的降低程度也越大。

4) 空拍時的光線是否充足

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