車載移動遙測製圖技術之回顧

車載移動遙測製圖技術的濫觴可追溯至 1980 年代初期部分加拿 大 的 省 政府 及美國 州 政 府提 出的移 動 式 高速 公路設 施 維 護系 統 (Mobile Highway Inventory System, MHIS)之需求(Lapucha, 1990)。從 1980 年代迄今，目前初估至少 1000 台車載移動遙測製圖系統(含街景 車)正遍布世界各地提供快速的空間資訊擷取方案，其中重要的里程 碑可分為三個階段；第一階段為前 INS 時期，約自 1983 年自 1993 年；第二階段為後 INS 時期，約自 1993 年起至 2000 年；而最後一個 階段為車載光達時期，約自 2000 年起至迄今。為因應不同使用者之 需求，車載移動遙測製圖技術在這 30 年來其定位定向系統與觀測系 統皆有明顯的變化，以下就分這三個時期簡單介紹代表性的系統與參 考文獻。

前 INS 時代的第一個代表性系統為加拿大亞伯達省政府與卡加 利大學(University of Calgary)共同發展 Alberta MHIS，請參考圖 2.6。

早 期 的 車載 移動遙 測 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(Schwarz et al., 1993)。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。1988 年加拿大 Alberta MHIS

在車載移動遙測製圖技術上，首先應用差分全球定位技術(Differential GPS, DGPS) 來提供相機投影中心的位置參數，隨後並在 1990 年評 估引入 INS 來提供投影中心精確的姿態參數以及適時在 GPS 衛星失 鎖導致無導航解時提供高精度的位置參數(Lapucha, 1990)，當時所使 用的 Litton-LN 90-100 INS 與 GPS 接收儀設置圖請參考圖 2.7。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)研發車載移動遙測製圖系 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 0.3m 至 3m 間(Grejner-Brzezinska, 2001)，細節請參考圖 2.8。

圖 2. 6 Alberta MHIS(摘自 Lapucha, 1990)

圖 2. 7 Alberta MHIS 之 INS/GPS 整合設計(摘自 Lapucha, 1990)

圖 2. 8 GPSVan (摘自 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，該校投入車載移動遙測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 測製圖技術架構，稱為 VISAT Van 第一代(Schwarz et al., 1993)。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 調式的攝影間隔與較高的拍攝行車速度(100km/hr)。2003 年該系統亦 獲得加拿大研究學會大筆研究資金，在 VISAT 第二代的基礎上，針 對硬體及相關軟體性能進行升級並打造全新的車輛，稱為 VISAT 第 三代。與 VISAT 第二代相較之下，除電力系統大幅升級之外，控制 電腦體積也大幅縮小，CCD 相機之性能大幅提昇並使用更高等級的 INS/GPS 整合系統，VISAT 系統之細節請參考圖 2.9 至圖 2.11。

後光達時期約自迄今，與前二個階段的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新增的車載雷射掃描儀或光達(Li et al., 2001)。圖 2.12 所示為 Street Mapper 公司於 2005 年所發展搭載 雷射掃描儀的車載移動遙測製圖。

圖 2. 9 VISAT 第一代(摘自 Schwarz et al., 1993)

圖 2. 10 VISAT 第二代(摘自 El-Sheimy, 1996)

圖 2. 11 VISAT 第三代(University of Calgary 提供)

圖 2. 12 Street mapper 車載 MMS(Street Mapper 提供)

國內關於車載移動遙測製圖系統相關的完整研發工作始於 2008 年，成功大學於 2008 年起在國科會連續三年資助下開始嘗試自主研 發車載移動遙測製圖技術(含軟硬體)，目前成果顯示無控制點直接平 面定位精度為 15 公分(均方根誤差)，三維定位精度為 28 公分(均方根 誤差) (Li, 2010)。該系統使用的整合式定位定向系統為使用包含使用

高階戰術等級微機電陀螺儀(陀螺飄移 10 度/小時)之慣性測量儀與 GNSS 接收儀與輪速計自行組裝之原型系統，如圖 2.13 左所示，而非 一般商用系統使用高階光纖陀螺儀(Fiber Optic Gyroscope, FOG)之慣 性測量儀，而部份成果亦於美國導航學會 GNSS2010 年會發表並獲得 最佳論文獎(Li, 2010)。自行研發了包含多感測器系統整合與觀測量同 步、機電設計、精密定位定向演算法、感測器率定與直接定位模組等 自主研發的移動測圖關鍵技術，也成功為國家訓練相關的技術人才。

Ladybug 3 全景相機

GPS / IMU 工業級數位相機

輪速計

圖 2. 13 第一代(左)與第二代鷹眼平台(右)

同時國科會於 2011 年起連續三年資助本系進一步驗證車載移動 遙測製圖系統與無人機載遙測製圖系統在防災減災之相關應用，同時 因應災區之崎嶇地形，目前已發展之鷹眼平台第一代重新安裝至四輪 傳動車上以提高在災區作業之機動性。同時針對電力需求與載台內部 完成設計與規劃、並完成直接定位酬載(含定位定向模組與相機)之安 裝與初步地面測試，如圖 2.13 右所示。表 2.3 為鷹眼平台在檢定場直 接定位能力之各項驗證指標，而直接定位誤差圖與直方統計圖分別顯 示在圖 2.14、圖 2.15。折線分布圖中點與點間並無關係(依點號順序 排列)，連線僅為易於分析系統直接定位能力變動情形。由表 2.3 所示 各項指標，鷹眼平台在水平方面定位誤差為 0.154 公尺(均方根誤 差)，高程方面為 0.234 公尺(均方根誤差)，三維定位誤差 0.280 公尺(均 方根誤差)。顯示本鷹眼平台目前已擁有平面 15 公分及三維 28 公分 之動態直接定位能力。

圖 2. 14 系統直接定位成果與各檢核點坐標差異(縱軸單位：公尺)

數進行比較。由這些發展趨勢可知，車載移動遙測製圖技術確實是能 夠滿足空間資訊相關領域，日漸迫切需求的快速採集資料解決方案，

而近年來國內外商用車載移動遙測製圖技術之實例；包含了 Google Street View、TOPCON、Optech’s Lynx Mobile Mapper、Leador Spatial LD-2000 RH 等擇要介紹介紹如下。

表 2. 4 國際上研究單位所發展的車載遙測製圖平台(摘自 Li, 2010)

 Google Street View

Google 於 2007 年 5 月開始進行名為 Google Street View 計畫，該 計畫主要是針對 Google Earth 以及 Google Maps 增加街景導覽的功 能，該功能可給予使用者身歷其境的感覺，只要於地圖街道上選定一 點，即可透過 Street View 得知該地點實地的 360 度全景景象，這些全 景景像資料便是透過 Google 自行發展的街景車於世界各地蒐集資料 而來。目前 Google Street View 功能在 Google Maps 的介面如圖 2.16 所示。

圖 2. 16 Google Street View 介面(摘自 http://maps.google.com.tw/) 2008 年底開始於台灣進行拍攝工作的 Google 街景車基本配備至 少含有 GPS、相機、光達。360 度全景景象的產生過程主要是透過相 機拍攝，並將相機拍攝時間與 GPS 軌跡的時間同步處理，GPS 資料 提供拍攝相片時所在的位置，像片則組成拍攝位置的全景景象，此即 Street View 的基本運作原理。此外，Google 測量車上裝置的光達儀器 為德國 SICK AG 公司所生產的 LMS291 系列型號，可用來建立 3D 的建物模型。

 TOPCON

TOPCON 公司發展的移動遙測平台名為 IP-S2 Mobile Mapping System，該平台的早期版本曾經在 2007 美國導航學會所舉行之 GNSS2007 上展出，當時系統的版本相當簡單，主要是由 GPS 以及光 達組成，而在 2009 年則發表了較完整的版本，其組成元件如圖 2.17 所示。IP-S2 的定位定向系統採用了測量級的雙頻多系統(如 GPS、

GLONASS、WAAS)的 GNSS 接收機和高階戰術等級精度的慣性測量 儀(Honeywell HG1700 Series)為其核心架構，在 GNSS 正常狀況下位 置精度可以達到平面精度 15 公分與垂直方向精度 25 公分；方位角精 度則可達到 0.05 度，另外在 GNSS 訊號遮蔽 30 秒以內時平面精度可

維持 55 公分與垂直方向精度 30 公分；方位角精度則可達到 0.075 度 (使用飄移為 1 度/小時雷射陀螺儀之慣性測量儀)。除了 GNSS 以及慣 性測量儀之外，IP-S2 系統也可以整合里程計提供額外的速度及位置 資訊，但此款系統受國際武器輸出管制(International Traffic in Arms Regulations, ITAR)，需要申請美國國務院出口許可，國內成功大學 航太工程學系曾申請進口該系列之慣性測量儀(飄移 5 度/小時)，但未 獲得許可。目前國內代理商引進的型號為 IP-S2 Lite 系列之產品，使 用的慣性測量儀屬高階微機電系統，微機電陀螺儀與加速度之飄移分 別為 25 度/小時與 8mg。

圖 2. 17 TOPCON 公司開發的移動測圖系統(摘自

http://www.topconpositioning.com/products/mobile-mapping/ip-s2) IP-S2 的感測器介面可以根據使用需求，同時整合相機以及光達 系統，其中整合相機時拍照速率可以達到 15fps，而搭配 IP-S2 的光 達系統則可以產生方圓 30 公尺內物件的點雲資料。IP-S2 的資料擷取 與處理系統功能相當完備，時間同步的機制可以替各種感測器資料打 上統一的時間資訊，搭配戰術級的慣性測量儀更可以提供外方位元素 的資料在每張照片中，以符合測量製圖的需求。

 Optech’s Lynx Mobile Mapper

加拿大 Optech 公司在 ISPRS 2008 會議中展出一款該公司自行發 展的測量車 Lynx Mobile Mapper，如圖 2.18 所示，主要組成元件為高 精度的定位定向系統、測量等級光達系統、相機。Lynx Mobile Mapper 的定位定向系統核心為 Applanix/Trimble POS LV，為目前商用系統中 整體效能最佳的系統之一，除了使用雷射陀螺儀之導航等級慣性測量 儀之外，INS/GPS 運算的核心軟體 POSPac Land 亦提供緊耦合的整合 架構，整體的定位可達公分級精度，姿態角的精度則依據選配的慣性 測量儀而有所不同，一般而言其精度都可以達到 0.05 度，惟此系統 部分慣性測量儀等級受到出口管制，目前台灣無法使用該系統。

圖 2. 18 Optech 的測量車 Lynx Mobile Mapper(摘自 http://www.optech.ca/index.htm)

 Leador Spatial LD-2000 RH

圖 2.19 所示為中國武漢大學李德仁院士所屬的立得空間信息技 術發展有限公司(Leador Spatial)開發的 LD-2000 RH。LD-2000 RH 為 立得空間開發的三種型號車載移動遙測平台中製圖精度最高的型 號，實地測量的精度可達到 20 公分，符合中國大陸 1/2000 比例尺製 圖的規範。在測量車上搭配了戰術等級以上的慣性導航設備，其陀螺 感測器為光纖陀螺，此外再搭配雙頻的 GPS 接收儀以及里程計數器，

圖 2.19 所示為中國武漢大學李德仁院士所屬的立得空間信息技 術發展有限公司(Leador Spatial)開發的 LD-2000 RH。LD-2000 RH 為 立得空間開發的三種型號車載移動遙測平台中製圖精度最高的型 號，實地測量的精度可達到 20 公分，符合中國大陸 1/2000 比例尺製 圖的規範。在測量車上搭配了戰術等級以上的慣性導航設備，其陀螺 感測器為光纖陀螺，此外再搭配雙頻的 GPS 接收儀以及里程計數器，