緒論

1-1 研究動機與目的

利用無人飛行載具系統(Unmanned aircraft system， UAS)之航拍作業與傳統航 空攝影測量作業相較而言，具有高機動性、高安全性、高效率、低成本及天候限 制小等特性，由於其 時間短、且因較低空飛行，故易取得高解析度影像，在國外 已多廣泛應用於環境監測、考古選址研究、工程進度管控等領域。國內也有將UAS 運用於現地難以到達之災區勘查與災損評估、大範圍之現地調查(如：水稻田等農 作調查、蚵架與魚塭養殖調查)、或進行特定重要區域之正射影像產製，進而更新 相關圖資，甚至有些以嚴密的附加參數的自率光束法空三模式並搭配大量的地面 控制點，使得UAS 的影像可滿足立體測圖作業需求，產製高精度的三維向量圖資 (內政部國土測繪中心於 2011 年以 UAS 影像更新臺中市特三號道路圖資)。

基於 UAS 技術的蓬勃發展，目前市面上已有許多特別針對 UAS 影像進行後 續解算處理並產製相關應用產品(正射影像、DEM/DSM、等高線、密點雲模型)的 商業軟體，其多利用高重疊率的影像(基本要求為航帶內前後重疊 80％、航帶間側 向重疊60％)，透過其關鍵的影像匹配技術取得大量的特徵匹配點建立影像連結關 係進行方位解算，甚至繼而進行後端的密點雲匹配，提供三維建模的參考資訊來 源，是以其方位解算成果的精度深刻影響著後端產品的精度。

與傳統航測作業影像相較，UAS 影像在空中三角測量(以下簡稱空三)平差計算

國內在傳統航測作業上對於控制點之佈設位置與數量已有明確的規範加以訂 定(如：內政部基本圖測製規範)，但針對 UAS 作業卻無相關規範可供遵循，且各 商業軟體中也幾乎未對控制點的需求有詳細說明。故實務工作上，為求產製高精 度的正射影像成果，現行作業多以傳統航測上無任何GPS 輔助資訊方式之佈設大 量控制點(沿測區周圍佈設 i=2b 的全控點，並以 i=4~5b 的跨橋距橫貫測區佈設高 控鍊，如圖1-1-1)來進行規劃。由於該規劃是按傳統航測影像前後 60％、側向 30

％的重疊率設計，是否仍適用於前後 80％、側向 60％高重疊率的 UAS 影像則是 本研究想要釐清及探討的課題。

→ 航線方向

圖1-1-1、傳統航測下的控制點佈設方式

本研究試圖以實際資料驗證控制點佈設密度對成果解算精度之影響，並考量 不同商業軟體之解算模式對控制點的需求及敏感程度可能會有所差異，茲以目前 市面上基於攝影測量或電腦視覺不同解算模式原理之商業軟體(基於作業資源考量，

選定 EnsoMOSAIC、ORIMA、Pix4D、APS)進行實驗及分析，期能在實務作業上 提供最佳的控制配置方案。

1-2 文獻回顧

目前關於UAS 空三的解算模式可分為基於光束法整體平差的傳統攝影測量模 式，與基於核線幾何的電腦視覺模式。

1-2-1 傳統攝影測量模式之相關研究

基於傳統攝影測量之 UAS 空三解算中，由於像機內方位參數不穩定的問題，

多以附加參數的自率光束法平差進行空三求解，而附加參數的選定則需考慮多項 因素：(1)平差區域網的面積；(2)左右重疊(sidelap; side overlap)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)。

謝幸宜(2011)針對自率光束法有非常詳盡的分析：在像機率定作業中，除了率 定軟體外，率定場的相關條件(率定板、標點分布、標點是否隱含長度資訊等)也會 影響率定成果，且率定成果並無法真實描述航拍當時的像機內方位參數，故透過 自率光束法空三平差即能重新解算及調整像機參數的適用性，且在眾多的附加參 數模型中，以Brown(1976)所提模式具有最佳的精度。本研究希望藉由本實驗區高 重疊率的影像下，探討不同控制配置對於各軟體所提供之附加參數模式的影響 性。

1-2-2 電腦視覺模式之相關研究

al. 1998; Hall et al.,1982)。其它方法則輔以矩陣方式進行幾何約制，用以求解像機

之內部、外部參數(Faugeras and Toscani, 1986)。而後，透鏡畸變引入了兩個非線性 方程，對於影像變形則有了更精確的描述模型，部分研究認為只有徑向的鏡頭畸 變(Tsai, 1987)，另一部分則認為尚存有切線方向的畸變(Weng et al.,1992)。透過率 定程序後，即可以三維光線投影至二維像平面之方式進行求解。然率定作業具有 一定的作業程序，缺乏作業彈性，且像機的光學和幾何特性可能隨著不同場景及 像機運動而呈現變動，並非一個穩定的狀態；(2)方法二則是透過建立核線幾何關 係(Faugeras, 1993) 以 及 重 建 歐 基 里 德 坐 標 系 統 (Hartley, 1993) 進 行 作 業 。 Longuet-Higgins(1981)最早提出了以核線幾何進行場景重建，之後也有許多相關的 研究在探討這個課題(Huang and Faugeras, 1989)。針對自率與未率定系統的研究中，

Faugeras et al.(1992)提出利用 Kruppa 公式求解像機內部參數為固定時的自率參 數 ， 其 後 便 有 許 多 基 於 此 前 提 的 類 似 研 究(Armstrong,1996; Faugeras,1995;

Hartley,1994)。然而，有別於 Kruppa 公式解法的研究也相繼出現(Heyden and Aastrom,1996; Pollefeys and Van Gool,1998; Quan and Triggs,2000)，其認為這些像機 內部參數在一連串的序列影像中並非固定不變。Hartley(1993)則提出了如何以必要 矩陣及基礎矩陣進行核線幾何的約制(Hartley et al.,1992)以及像機姿態的估計 (Hartley, 1992)。而後 Deriche et al.(1994)提出一個利用核線幾何進行共軛匹配並進 行異常值偵錯的穩健方法。藉由核線幾何的應用，可助於立體系統(Brooks et al.,1996)，照像機運動(Jang and Ki-Sang,1996)和場景重構(Zhang et al.,1996)的估計

與影像匹配的簡化。由於核線幾何中解算基礎矩陣的重要性，後續則有許多致力 於提升其解算精度的研究。最經典的線性方法主要有基於最小二乘法(Zhang,1998) 和特徵值最小化(Torr and Murray,1997)；其它方法則有基於通過迭代(Brady and Wiles,1996)的方法來優化線性方法；而穩健法則基於更精確的幾何檢測和匹配錯誤 濾除(Rousseeuw and Leroy,1987; Zhang,1998)，之後的相關研究中仍主要針對基礎

矩陣提出新的估計方法，以改善其解算精度和並提升作業效能 (Bober et al.,1998;

Stewart,1995; Zisserman, 2000)。

1-3 研究方法與流程

在傳統航測的空三作業中，對於控制點的分布、連結點強度均有明確嚴謹的 作業規範供遵循(參閱本論文 4-2 節)。但國內目前在 UAS 的作業中尚未訂定相關 作業規範，而基於 UAS 影像的小像幅特性，現行大多以前後 80％、側向 60％的 高重疊率進行航拍，但唯獨於控制點的佈設上並無一致性的作法，且控制分布對 其成果精度的影響性，是否會因不同軟體解算模式上的不同而受影響，遂成為本 研究欲探討的課題。

本研究以不同控制密度與分布規劃了 8 種控制配置，以同樣一組實驗場資料 分別以 EnsoMOSAIC、ORIMA、Pix4D、APS 等四套軟體依各種控制配置進行空 三平差計算並產製後端的正射影像，藉由各解算成果來評估各控制配置之適用性。

實驗流程如圖1-3-1 所示，首先測試選定較佳之附加參數模式，接著評估空三解算 成果的相關網形條件與精度指標，再來針對後端產製成果之正射影像進行評估，

最後針對各軟體提出建議控制方案。

圖1-3-1、實驗流程圖

1-4 論文架構

本論文各章節編排內容如下：

第一章 緒論

提出研究之動機與目的及相關文獻，並介紹研究流程與論文架構。