移動遙測製圖系統的觀念可溯及 20 世紀初航空攝影測量之始，以飛機為平 台搭載相機，利用地面控制點及影像重疊共軛點量測反算影像方位，此種定位方 式稱為間接式定位(Indirect Geo-referencing)，此為移動遙測製圖系統的原始形 式。而自 1980 年代起隨著衛星定位技術之發展，從早期使用美國 GPS (Global Positioning System) 的 單 一 系 統 ， 接 下 來 伴 隨 俄 羅 斯 的 GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System)之發展提供早期多系統衛星定位技術之雛型，加上歐 洲發展中的 Galileo 與已於 2012 年底正式提供區域性服務的北斗系統 BDS (BeiDou Navigation Satellite System)，衛星定位之精度與幾何強度逐年提升。而
航空攝影測量即透過結合多系統衛星動態定位技術，使得求解影像方位的過程 僅需少量控制點，如此可大幅節省外業人事成本與提升作業效率。歐美的空間資 訊工程相關研究機構於 1980 年代陸續提出來整合衛星定位技術及數位相機的車 載移動遙測技術(El-Sheimy, 1996)，但在此階段車載移動遙測只侷限於可行性探 討、雛型設計與系統整合及原型系統測試。但衛星定位技術在市區、地下道、隧 道、森林等地區仍然會受到訊號遮蔽的效應所影響，一般來說，第一種狀況為使 用者接收儀無法鎖定超過 4 顆衛星，故無法獲得定位解；而第二種狀況為使用 者雖鎖定超過 4 顆衛星，但其觀測量品質不佳，導致定位精度不佳，如圖 1.7 所 示。同時在空載系統之應用時亦常因劇烈的姿態變化而導致衛星失鎖而無法獲 得定位解之狀況。
圖 1.7 衛星訊號遮蔽的效應
早期的慣性導航技術皆是為符合軍事平台之需求所建立的，一直被視為敏 感度極高且受相關國家管制的導航系統，同時早期的 INS 使用機械環架式設計，
其精度高但體積龐大，因此無法應用於移動遙測製圖中，如圖 1.8 左所示。自 1980 年起，固裝式(Strapdown)慣性測量儀(Inertial Measurements Unit, IMU)之發 展因光學陀螺儀與石英加速度計技術發展普及而逐漸成為主流，這類慣性測量 儀具備精度高與體積小等特性，如圖 1.8 右所示，故吸引歐美空間資訊領域研究 學者深入探討將慣性導航技術引入移動遙測製圖技術之可行性。慣性導航技術 需要初始的位置及姿態供加速度的轉換及積分運算，前者可以透過輔助感測器 (如衛星定位技術)給定，但姿態部分則需要一段 10 至 15 分鐘的初始對準 (Alignment)的程序，初始的水平姿態可藉由加速度計在完全靜止的模式下的輸
出來決定，而初始的方位角則要透過陀螺儀偵測地球自轉的速度，或磁力計感測 的地球磁場來計算。因為地球自轉的速度很慢，所以需要較精密的陀螺儀(陀螺 儀之飄移要小於 10 度/小時)才有辦法偵測。這個相對於載體及導航坐標系的初 始姿態矩陣確定之後，整個 INS 可切換至自由導航模式。此時的 INS 不像衛星 接收儀需要接收外來的信號進行導航，裝載有 INS 的載體可以進行自主導航 (Autonomous Navigation)(Titterton and Weston, 2004)，慣性導航技術具有高採樣 頻率及短時間內高精度之特性，所以可以被使用來解決衛星定位所遭遇諸如訊
整合式定位及定向系統能夠克服單一系統之缺點且提供更穩定的定位及定
表 1.5 多平台移動遙測製圖技術之優缺點
大亞伯達省政府與卡加利大學(University of Calgary)共同發展 Alberta MHIS。早 期的車載移動製圖技術使用航位推算感測器，如陀螺儀(Gyroscopes)、加速度計 (Accelerometers)及里程計速器 (Odometer) 等，利用相對定位的原理求取定位 解。此時期所用的感測器多為類比式相機，所拍攝的照片詳實記錄公路設施的狀 況，提供維修單位近即時的公路資訊。而此時期第二個代表性系統為美國俄亥俄 州立大學(The Ohio State University)製圖中心(Center for Mapping)研發車載移動 製圖系統，稱為 GPSVan。該系統使用 GPS 及里程計數器提供導航參數，該系統 主要感測器為兩部可動態連續拍攝立體像對的相機，透過近景攝影測量的原理 可獲得特徵物的三維空間坐標，其定位精度界於 0.3 至 3 公尺間(Grejner-Brzezinska, 2001)。
後 INS 時代的代表系統為加拿大卡加利大學所研發的 VISAT 系列，該校投 入車載移動製圖技術的研發已將近 30 年，首先於 1993 年順利將 INS/GPS 系統 整合至 Alberta MHIS 中並發展出第一代的遙測技術架構，稱為 VISAT Van 第一 代(Shin, 2005)。接下來提出的 VISAT 第二代整合了 INS/GPS、里程計數器、彩 色 CCD 相機、攝影機等完整架構(El-Shiemy, 1996)。這套系統為全球首度引入使 用環型雷射陀螺儀(Ring Laser Gyroscope, RLG)之導航等級 INS(陀螺飄移<0.01 度/小時)之系統，其定位精度為 0.1 至 1 公尺。該系統具備可調式攝影間隔與較
車載光達級移動製圖系統，平均每套售價約在新台幣 3000 萬左右。這些商用系
正是目前國外相關學術界及業界持續發展的方向。上述精密導航與定位及定向 以 GPS 多天線陣列之方式提供飛機的姿態(Cohen and Parkinson, 1992; El-Mowafy and Schwarz, 1994)，如此可應用至空中三角之解算程序中，但此種設計所提供之 精度(0.1 至 0.03 度)受限於應用在航測飛機上可安置多天線陣列之基線長度(2 至 10 公尺)與 GPS 整數週波未定值之解算問題，故無法成為具備直接定位能力的 空載移動遙測製圖技術主流產品(Mostafa and Schwarz, 1999)。
在前 INS 時期，約自 1990 年代初期歐美已有諸多學者已認知到慣性測量儀 對發展空載移動製圖技術之必要性(Cannon and Schwarz, 1990)，而最早配置慣性 測量儀之研究型空載移動遙測製圖技術為由加拿大卡加利大學空間資訊工程系 所開發(Skaloud et al, 1996)。其無控制點直接定位精度約為 30~40 公分。而空載 系統之發展落後於車載系統之原因在於高精度 INS 的取得。在 1990 年初期發展 的車載系統絕大部分只使用輪速計與陀螺儀，而空載系統對於完整的 INS 提供
高精度三軸姿態解之需求更勝於車載系統，卡加利大學於 1993 年領先全世界引 入 INS 應用於車載系統，故不難理解空載移動製圖技術之研發時程略晚於車載 系統之原因。
同時美國俄亥俄州立大學於製圖中心於 1998 年發展類似的空載製圖系統 (Airborne Integrated Mapping System, AIMS)，其無控制點直接定位精度約為 20~30 公分。引入直接定位技術之後，其人力以及時間成本可以大量減少，製圖 效率大量提高。根據 Grejner-Brzezinska(2001)之統計，直接定位航測製圖成本可 以節省至少 70%，而其精度亦可滿足絕大部分業主的需求且其製圖效率亦可提 升至少 60%。Ip 等人(2004)整合了傳統使用地控點之間接定位(空三)與直接定位 發展出使用整合式定位演算法(Integrated Sensor Orientation, ISO)之空載移動測 繪系統以提升空載移動測繪系統之穩定性。最後一個階段為空載光達時期，與前 二個階段的空載遙測製圖技術相較之下，其主要差異在影像擷取感測器部分搭 載雷射掃描儀或光達。空載雷射掃描最早之實驗可追溯至 1970 至 1980 年代，
但一直到雷射掃描儀與 INS/GPS 整合式定位定向系統之相關軟硬體技術成熟 後，自 1995 年後才逐漸引入空間資訊領域之相關應用(Axelsson, 1999)。
國內有部分大型測量公司與農林航測所等單位陸續引進空載移動測繪系統 監控之目的。圖 1.13 所示為 Trimble 所發展的室內移動製圖系統(Trimble Indoor
Mobile Mapping Solution)，此系統搭載光達、全景相機、慣性測量儀與輪速計；
因本系統強調室內製圖之應用，所以就不搭載 GNSS 接收機。
圖 1.13 Trimble 的室內製圖系統(摘錄自 https://www.trimble.com)
Trimble 公司於 2013 年問世的 V10 系統也屬於個人攜帶式移動製圖系統(可 參閱第三章)，由 12 台工業相機與一台 e-GNSS 接收儀所組成，整合全球定位系 統與環景影像攝影裝置，能夠拍攝 360 度環景數位影像。Page 等人(2014)利用此 系統在紐西蘭的 Larnach Castle 分別於三個與十個測站拍攝周圍環境，透過量測 不同影像上的共軛像點位置進行多測站光束法平差，得到每個拍攝位置的外方 位元素。在拍攝十個測站的情況下，周圍 26 個地面檢核點的均方根誤差可小於 1 公分，如表 1.6 所示，證實此系統用於平差求解測站外方位的可行性。
表 1.6 應用 Trimble V10 進行光束法平差之檢核點均方根誤差(Page, 2014)
1.2.4 穿戴式移動製圖系統回顧與現況
在室內導航技術的蓬勃發展下，穿戴或手持裝置的定位精度有顯著的提升，
並隨著各式各樣的微機電感測器成本與體積逐漸下降，加上一般手持裝置皆搭 載有相機或錄像影機的功能，因此許多室內導航的研究中，也開始利用影像與深 度感測器，甚至光達等等儀器來輔助導航應用。然而影像成果在室內應用上，多 半為輔助導航，大部份研究皆未探討將定位成果用於災情獲取上。Beauregard (2006)提出以頭盔式的室內導航技術，將慣性感測器與 GPS 天線放置於頭盔上，
利用行人航位推算演算法來達到室外與室內的無縫式定位效果，如圖 1.14 所示。
在以頭盔為平台的研究方面，Bretschneider 等人(2006)探討頭戴式的顯示器對於 消防員的用途，裝置如圖 1.15 所示。在原本頭盔上，加裝攝影機或是相機，甚 至是熱感應儀器來協助救災活動。此擴增實境的顯示應用與導航輔助上，在 Menozzi 等人(2014)的研究中有提出以影像上量測或者偵測到的特徵點來進行 定位與姿態的輔助，將影像點坐標透過載台本身的內外方位參數轉換為大地坐 標系統，並透過影像匹配來輔助定位。
圖 1.14 頭盔式穿戴裝置(Beauregard, 2006)
圖 1.15 頭戴式顯示器(Bretschneider et al., 2006)
此外，國外研究也提到以身體不同部位為載台的成果，如 Langer 等人(2012) 提出以身體軀幹為核心的定位感測系統，如圖 1.16。此套系統同樣搭載有慣性原 件外，更有光達與相機為影像輔助，來開發相關定位演算法。前述提到的系統中，
皆為整合在同一載台上，國外研究中也有提到將各感測器分開放置來確保成果 穩定性，如 El-Mokni 與 Govaers (2011) 與 Bernoulli 等人(2011)兩者的研究中，
皆為整合在同一載台上，國外研究中也有提到將各感測器分開放置來確保成果 穩定性，如 El-Mokni 與 Govaers (2011) 與 Bernoulli 等人(2011)兩者的研究中，