第四章 實驗成果與分析
第二節 飛航規劃
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第二節 飛航規劃
欲以航空攝影的方式製圖時，需要透過立體觀察與量測完成，因此在 航線上相鄰的像片、或相鄰兩條航線上的像片，需要有重疊的區域。相同 航帶上相鄰的像片重疊區，稱為前後重疊；相鄰航帶之間的像片重疊區，
則稱為左右重疊。
為了符合攝影測量的需求，飛行計畫成了主要的課題。飛行計畫中需 要考量的因素很多，包括：飛機的航高(flying height)、攝影基線的地面距 離、航線之間的地面間隔等，而這些元素的設計，又與攝影的目的、規格 要求、像比例尺(photo scale)、像片的地面涵蓋(ground coverage)、地形起伏…
等有關，同時必須考慮氣候條件的影響。飛行計畫的元素確定後，需在攝 影地區的地圖上規劃、繪製航線位置，成為航線圖(flight map) (Wolf and Dewitt, 2000)。
一般航測作業時常採用60%的前後重疊與 15～30%的左右重疊，但可 視實際作業狀況而調整。如在地勢平坦區，採用60%的前後重疊、15~30%
的左右重疊即可，但若於地勢起伏較大的區域，則前後重疊、左右重疊均 應增加(何維信，1995)。在數位空照像機（如 Leica 公司的 ADS40、Vexcel 公司的UltraCamD、Z/I 公司的 DMC 等）上市後，由於不必裝載底片，甚 至可拍攝前後重疊高達80～90%的影像，且可降低因遮蔽(occlusion)而無法 立體觀測的問題(陳英煥，2007)。
然而，在使用UAV 搭載像機獲取影像時，由於 UAV 的航高通常較低，
且像機多屬非量測型像機，而必須特別注意下列可能影響攝影測量精度的 因素(Mikhail et al., 2001)：
1. 一般飛行計畫參數：如拍攝範圍、影像尺寸、拍攝時是否需要重疊區 域…等。以 UAV 作為像機載台時，通常難以精確控制拍照時的外方 位參數，因此飛行計畫中應提高影像重疊率，以避免空隙產生。
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2. 影像的品質與解析度：以 UAV 取得航拍影像時，像機是位於移動中的 載台上，加上 UAV 的重量輕，載台內部機件的震動影響相對較大，
可能導致影像模糊。
3. 各項設備的耗損與無人載台的起降安全性。
具備 GPS 自動導航功能的旋翼式 UAV 系統具備較佳的停懸能力，可 飛抵定點執行拍攝，相較於定翼式的UAV 系統，應可獲得較準確的外方位 參數。然而，單旋翼式的UAV 系統，可能於拍攝過程中產生較大的震動，
因此在人口稠密處、或地形起伏變化較大的區域，若選用較為平穩、且以 電力為動力來源的四旋翼UAV 系統執行航測任務，應能將影響攝影測量精 度的因素盡量降低，同時確保安全。
由於本研究主要探討以UAV 系統執行航拍，並提高特定區域獲取高精 度圖資的潛力，研究中以國立政治大學校園的部分區域作為試驗區執行 UAV 的航拍任務，該區域範圍約 300 m×300 m。因測試區位於校園內，區 域較小且為人群密集處，加上建築物眾多，故選用以電力為動力來源的四 旋翼UAV 系統：Microdrones 的 MD4-200 執行航拍。
除上述考量外，本文中選用的MD4-200，尚能透過 INS 系統的資訊自 動調控四個螺旋槳的轉速而維持機身的平穩。當遇有GPS 解得的點位坐標 跳動時，自動控制系統也會限制 MD4-200 的航速，可盡量避免 UAV 載台 產生較大的加速度、震動而降低影像品質。而當MD4-200 飛抵預定拍攝的 位置時，會於該處停留數秒，由自動控制系統判斷風速較低時再獲取影像。
此外，若因氣候不佳而導致電力於航拍作業結束前提前耗盡，該系統也會 取消航拍作業，自動降落到地面，故能將影響攝影測量精度的因素影響降 低，同時兼顧載台起降與地面人員的安全性。
規劃航拍時，首先考量MD4-200 的最佳工作航高，設定航高為 100 m，
而為了避免空隙產生，且欲應用自率光束法的空三平差時，須使用較高重 疊率的影像，使平差過程中解算而得的附加參數，能較全面地描述影像上
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的系統誤差，因此設定 75%前後重疊、50%左右重疊，規劃的航拍位置如 圖4-7 所示。
圖4-7 國立政治大學校區-航高 100m 航拍位置(Google Earth 影像) 空三平差時的地面控制點與檢核點，規畫時以均勻分布為原則，所有 點位的分布如圖 4-8 所示，少數點位座落於難以使用 GPS-RTK 量測的地方
（如：屋頂或屋角點），因此圖4-8 中，以 表示無法獲得物空間坐標的點 位。部分點位落在無明顯特徵的均調區（如：操場中央的草皮部分），以人 工方式佈標，圖4-8 中以 表示。其餘點位則選取自然地物特徵點，圖4-8 中以 表示。點位坐標全以 GPS-RTK 量測。平面坐標系統採用 TWD97 坐標系統，高程系統採用WGS84 的高程系統（即 GPS 橢球高）。
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圖4-8 地面控制點分布略圖(Google Earth 影像)
另外，近景攝影測量應用自率光束法率定像機時，為了獲得較精確的 結果，多要求拍攝時的交會角度良好。本研究中為測試較低航高與不同拍 攝角度的影像是否能提升自率光束法空三平差的精度，另規劃航高為70 m 的航拍路線：設定 80%前後重疊、60%左右重疊（圖 4-9）。地面佈標點與 特徵點則同樣使用圖4-8 中的規劃。
圖4-9 國立政治大學校區-航高 70m 航拍位置(Google Earth 影像)
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為了使 MD4-200 能順利執行任務，不受限於操控人員技術的限制，
MD4-200 可搭配 MdCockpit 完成航線規劃、自動執行飛航任務與記錄等工 作。MdCockpit 規劃航線的介面如圖 4-10 所示，中央區域的地圖，是連結 到 Google Earth 所擷取的畫面，可直接於地圖上點選、新增航拍位置，如 圖4-10 中的紅色路徑。
圖4-10 MdCockpit 的規劃航線介面
圖 4-10 中的紅色路徑上，有一個 MD4-200 的小圖示，其上方顯示一 條紅色虛線代表UAV 的 x 軸方向，可依需求而調整方向。此外，規劃航線 時，軟體介面中會以一個MD4-200 的圖示輔助規劃，且該圖示周圍會出現 一個虛線框（如圖 4-10 中黃色虛線框起處），代表航拍時影像約略涵蓋的 範圍，且會隨著航高設定的不同、像機焦距的不同而改變。介面右方的欄 位中可設定每個航拍位置應執行的任務，同一個航拍位置可設定拍攝多張 影像。地圖左方的欄位則會顯示預計飛行的時間。
由於MD4-200 使用的動力來源為鋰電池，無法一次拍攝所有的影像，
為了能在有限的時間內獲取最多影像，建議可設定「初始水準速度」為 5
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m/s；「初步垂直速度」為 3 m/s。每個航點規劃屬性的設定中，「停留」設 定為3 s.（3 秒）。而為了安全地執行任務，除了建議「自動降落下降速率」
設定為0.5 m/s，MD4-200 於電力不足時，也會自行取消任務、自動降落。
MD4-200 執行航拍任務時，若遇有瞬間風速過高（大於 4 m/s）的狀況，
未必能順利執行影像的拍攝，因此實際攝得航高100 m 的影像 66 張、70 m 的影像242 張。
此外，因天候、電池與時間等因素限制，無法一次取得所有的影像，
因此影像獲取的日期並不相同：航高100 m 的影像於 5 月 24 日至 5 月 26 日獲取。航高70 m 的影像則於 6 月 28 日、7 月 5 日、7 月 6 日拍攝。
由於部分佈標點可能於相鄰兩次航拍之間遺失，為了使地面佈標點、
特徵點與規劃時的分布盡量相同，部分規劃點位曾多次佈設，使得最後以 GPS-RTK 量測的點位坐標共有 53 個，且少數點位坐標相當接近，但影像 觀測量則分別落在於不同日期所拍攝的影像中。