3. 5 系統運作
6. 實驗與分析
6.2 率定及直接地理定位驗證
6.2.2 第二次率定實驗
根據第一次率定，第二次系統率定規劃相應改 善策略，力求系統直接地理定位能力及可靠性能有 更進一步之提昇。
第二次系統率定之初始化程序，路線考量該區 域有福衛衛星控制站，有電磁干擾效應等疑慮。因 此初始化過程避開衛星控制站，系統於圖31 中之 S 點開機，沿黃色路徑並繞圓環逆時針行進，過程 約莫五至十分鐘。
此目的在於充分使本系統定向定位系統之卡 曼濾波器收斂且穩定之定位及姿態解。待此初始化 程序完成，系統緩慢運行至 T 點後開啟影像感測 器，使影像感測器白平衡至符合環境現況，將影像 感測器更改設定至外部驅動模式沿紅色路徑進入 率定場進行率定拍攝作業。拍攝時採取下列三項策 略：
良好之近景攝影連結點：在本率定場，控制牆面與 牆面間有相當寬度的道路間隔。而在第一次率定中，
儘管相機之FOV 仍足以使控制牆面區出現在率定 影像邊幅，但連結點之分布便因此受限。採用地面 特徵物(如水溝蓋角隅)作為連結點，又恐因拍攝視 角差異造成量測錯誤，難以確保像點量測之準確性。
因此在第二次率定實驗，以直徑 5cm 之保麗龍球 擇適當位置現地佈設，作為近景攝影之連結點。又 因其為球狀形式，以球心為像點量測中心而言，並 不會因拍攝角度差異而有量測不確定性之情況發 生(圖 32 示)。藉此策略提供良好分布之攝影連結 點，並提昇在像點量測上之準確性。
足夠之基線距離：在第二次率定實驗，對於第一次 率定之攝影基線過短使外方位求解在攝影方向上 之距離變化不足等問題，採取如圖33 之策略。為 使MMS 前方與側方相機皆能有足夠之基線長，必 須慎選MMS 之攝影位置，如圖 33 之 T1-T3、T3-T4 即是能同時滿足前方與側方感測器率定需求之良 好拍攝位置。
充分的姿態變化：由式(11)、(12)可知，求解固定 臂及軸角參數，皆需姿態矩陣(R )的觀測量，軸角 參數部分也需外方位姿態 R )的提供才能進行求 解。而在第一次率定實驗，系統行進路線多為直線，
資料間幾乎僅有平移效果，姿態並無太大改變，如 此一來便無法提供兩階段參數求解足夠的差異性。
因此在第二次率定上，採取在率定場中央位置處進 行八方向之拍攝，使 INS/GPS 系統之 Heading 有 足夠的變化，試圖在率定之姿態變化上提供夠多餘 觀測。見圖34 之示意。
圖31 第二次率定初始化路徑
圖32 連結點佈設情形(紅圈為連結點佈設處)
圖33 足夠之基線距離示意
圖34 充分之姿態變化示意
圖35 及表 5 為外方位網型與成果展示。成果 顯示，外方位之精度在策略一(良好之連結點分布，
見圖35 之紅框處)、二(足夠之基線距離，圖 35 之 黃框處示)之考量下，由第一次率定之 23cm 精度改 善至 1.59cm 獲得顯著性的增益，估計此一改善幅 度將反應至軸角及固定臂之參數求解上。
圖35 第一次率定之外方位光束法平差網型 表5 外方位精度成果
RMS (m) Ratio
X 0.0218 1:4100 Y 0.0175 1:5100 Z 0.0085 1:10600
Overall 0.0159 1:5600
在軸角與固定臂之率定，選用五台相機皆同時 刻拍攝之26 組影像，共 130 張影像外方位成果，
作為本次率定之資料。該資料下所解算出之固定臂 參數與標準差顯示在表6；而軸角參數則考量第一 次率定的矩陣元素表示方式無法提供軸角率定成 果對於後續系統定位之影響程度，因此改以相機與 INS/GPS 框架間之夾角為表示方式。如表 7 示，
Xc_Eb、Yc_Nb、Zc_Ub分別代表相機三軸與INS/GPS 三軸之夾角，此也可初步驗證感測器間的相對關係，
見圖36。
圖36 本研究 MMS 各感測器間軸角關係 由圖36 與表 6、7 對照，本次率定成果大致符 合本系統之感測器相對關係。在精度指標部分，表 6 固定臂成果可見在固定臂參數 X、Y、Z 標準差 方面分別提昇至2~2.4cm、1.8~2.2cm、3.7~5.3cm。
在 表 6 軸 角 成 果 ， 三 軸 夾 角 標 準 差 分 別 介 於 0.23o~0.67o、1.10o ~1.11o、1.10o ~1.11o，而表8 則 將此影響量級換算至對於距20m 物點之定位誤差，
分 別 對 三 軸 造 成 7.8~23cm 、 38.1~39cm 、 35.6~39.1cm 之誤差，顯示其為目前嚴重影響系統 直接地理定位能力之關鍵因素。
表6 第二次率定之固定臂參數成果
表7 第二次率定之軸角參數成果
表8 距 20m 物點之軸角參數成果影響量
表8 所示之誤差量級可歸類為：1.系統支架穩 定性，2.資料坐標轉換涉及投影坐標系統之子午圈 收斂角因素，3.INS/GPS 系統定位定向精度之限制。
經深入分析，在經過適當初始化程序後，應可使定 向定位感測器姿態方面控制在一定程度之影響範 圍內，且本研究MMS 之定向定位整合系統在 Roll、
Pitch 能力為 0.05(deg)、Heading 為 0.1(deg)，相對 反應之誤差量級約為 0.018m、0.035m。因此因素 1(非一體性之系統支架)與因素 2(未改正之子午圈 收斂角於坐標轉換上之誤差)較有可能為此處影響
軸角參數成果之原因。
了解各項率定參數對物點之影響量級，最後便 是直接地理定位能力驗證。系統同樣設定每八公尺 進行拍攝，而為使能夠拍攝大量檢核點位進行驗證，
系統同樣由圖37 中之 S 點啟動延藍色路徑逆時針 行進，待十字區之檢定場繞行完畢，即完成第二次 率定之直接地理定位能力檢驗。圖38 與 39 分別為 直接地理定位成果之折線圖及直方統計圖。表 9 為系統直接地理定位成果。
圖37 第二次率定之直接地理定位能力檢驗 由圖 39 直方統計與表 8，在系統直接地理定 位能力之N 軸上均值趨近於 0，系統誤差影響層面 甚少，整體分布也較為傾向一個常態分布的趨勢。
然而在h 軸方面均值達-0.16m，分布趨勢也傾左，
顯示MMS 在這方面有較顯著的系統誤差存在。E 軸均值大致為0.05m 左右，顯示其系統誤差影響仍 存在但並不顯著，分布趨勢則些微傾右。再由表9 所 示 各 項 指 標 ，MMS 在水平方面定位誤差為 0.154m (RMS)，高程方面為 0.234m (RMS)，三維 定位誤差0.280m (RMS)。顯示本 MMS 目前已擁有 平面15cm 及三維 28cm 之直接地理定位能力，這 顯然與前述率定所得出之各項軸角與固定臂參數 精度指標依理論推估所得之誤差影響優異許多。在 系統硬體、率定理論未改變之情形下，推測應有其 他因素在此方面提昇MMS 直接地理定位上的精度 效益。
圖38 系統直接地理定位成果(縱軸單位：m)
圖39 系統直接地理定位成果直方統計圖 表9 系統直接地理定位能力驗證
E (m) N (m) h (m)
Number 71
Max 0.281 -0.303 -0.642 Min -0.001 0.002 0.001 Mean 0.051 -0.002 -0.159 Std 0.103 0.103 0.174 RMS 0.115 0.102 0.234 HPE 0.154
VPE 0.234
3D 0.280
車載MMS 由於搭載之相機配置位置限制，在 同時刻下之前方交會幾何差，MMS 直接地理定位 能力也因此受限，如圖40 所示在 T1’時刻之 α 角。
然藉由多位置、不同時刻下之拍攝影像所構成之交 會角，卻有可能構築良好的交會幾何以及較短的觀 測距離，見圖 40 之 β、γ 及綠色測線。本研究採 Visual Studio 2008 C++所自行研發之直接地理定 位模組，除可匯入地控點坐標、相機外方位及影像 外方位資料外，程式具反投影及消除透鏡畸變誤差
功能使欲量測之地控點坐標顯示在影像上，以減少 量測之錯誤(圖 41A 區所示)。並藉此概念，搜尋所 有拍到此地控點之影像，一併顯示在視窗底處，以 人工挑選適當間距與交會角之多張影像進行前方 交會，以評估系統直接地理之定位精度(圖 41B 區 所示)。如此一來，便能達成在不同時刻之多影像 之前方交會，對於MMS 之直接地理定位增益便因 此展現在表9 所示之各項能力指標。
圖40 不同時刻構築之多影像前方交會
圖41 直接地理定位模組
然而，至此僅能證明系統於環境無太大改變之 平穩狀態下的直接地理定位能力。這顯然不符合一 個必須實際現地運行，並在相當時間下保持適當穩 定度之MMS 條件。因此於前述之直接地理定位能 力檢驗完成，系統駛離距該控制場區約十公里、總 路途約三十公里之關廟地區，途經高速狀態下行駛 之高速公路、鄉鎮區之巷弄環境，再次行駛回歸仁 校區檢驗場區進行直接地理定位檢驗，與率定影像 之拍攝時間差距約幾1 小時。如此將可對系統之直 接地理定位能力，在相同系統修正參數下，以及 IMU 經過一段時間的運作後，驗證本系統之穩定 度，見圖42 實驗軌跡。而圖 43 與 44 分別為穩定
-0.2 0 0.2 0.4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
dE
number
-0.4 -0.20 0 0.2
2 4 6 8 10 12 14 16 18
dN
number
-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0
2 4 6 8 10 12
dh
number
度實驗之直接地理定位成果折線圖及直方統計圖。
圖45 環境於系統直接地理定位影響 而在系統實際運用方面，本系統亦於八八水災 案例進行測繪車應用於快速災損評估之可行性分 析，實際至林邊、甲仙等地深入災區進行資料採集。
結合Google map 展示介面，可清楚看出災損情形，
如圖46 右下之甲仙斷橋。此外，本系統亦結合全 景相機於街景製作等運用(如圖 47)。此皆證實，本 系統已具有實際佈署之應用能力。預期在系統硬體 及軟體面更健全的將來，能有更進一步的提升。
圖46 八八水災調查案例
圖47 街景製作應用
7. 結論
在本MMS 率定成果、直接地理定位能力測試 及實際運用部分，可整理為下列結論：
1. 採兩階段率定法之第二次率定成果部分顯示，
固定臂參數成果在影像感測器X、Y 軸部分為 2~2.3cm、Z 軸 3.7~5.2cm 標準差範圍，尚符合 本系統之精度標的。
2. 軸角參數成果部分顯示，INS 與影像感測器間 三軸姿態關係符合MMS 現況，在 20m 距離下 之物點定位誤差分別有 7.7~25cm (Xc_Eb)、
38~39cm (Yc_Nb)、35~39cm (Zc_Ub)之誤差量級。
經分析及系統穩定度驗證，證明未改正之子午 圈收斂角可能為影響其軸角率定精度之關鍵 因素。然此一部分仍須透過未來實驗之持續驗 證才能得出更切確之結論。
3. 由 MMS 於檢定場直接地理定位能力測試，顯 示在此環境下系統擁有平面 15cm(RMS)及三 維28cm(RMS)的定位能力。此成果相較由軸角 與固定臂參數精度指標理論推估所得之定位 成果優異許多，證實本研究所使用之不同時刻
3. 由 MMS 於檢定場直接地理定位能力測試，顯 示在此環境下系統擁有平面 15cm(RMS)及三 維28cm(RMS)的定位能力。此成果相較由軸角 與固定臂參數精度指標理論推估所得之定位 成果優異許多，證實本研究所使用之不同時刻