小油坑實驗區

公司頂樓之牆面，率定方式與野外率定場相同，距率定場約 10m，以率定 場之中心點為原點、半徑為 8m，均勻分布的八個位置以及中間共九個位置，

取像共 12 張(有三個方向取兩張照片)，如下圖 4- 10。

圖 4- 10 巨哥 XM6 率定場所使用的 12 張率定場影像

接著使用 iWitness Pro 軟體，並以人工點選的方式量測率定標之位置並 計算出相機參數，見表 4- 7，其 3D 位置如下圖 4- 11 所示。

表 4- 7 巨哥 XM6 經近景率定後相機參數成果

焦距 25.1623 mm

像主點偏移量(x0, y0) (-0.2249mm, 0.4804 mm) 輻射畸變差 K1 5.6957e-004

輻射畸變差 K2 6.1859e-007 輻射畸變差 K3 -1.7373e-008 離心畸變差 P1 -6.0766e-005 離心畸變差 P2 -1.2939e-004

圖 4- 11 近景率定場率定時取像位置與檢定場關係 3D 示意圖

率定時於現地實以鋼捲尺量測 6 段線段距離，其中最長一段距離作為設 定模型比例尺之用(圖 4- 12 紅色線段)，其餘 5 段作為檢核之用，比較成果 如下表 4- 8。

表 4- 8 巨哥 XM6 近景率定檢核成果

線段(點號) 檢核距離(m) 於軟體中量測(m) 較差(m) 33-42 0.96 0.96 -0.00 16-43 1.63 1.65 0.02 33-44 0.96 0.90 -0.06 41-46 1.33 1.33 -0.01

11-45 1.8 1.89 0.09

RMSE 0.05

上表中之檢核距離為實地使用鋼捲尺量測的距離，與軟體中量測距離之 較差都在 10 公分內，RMSE 為 5 公分。如下圖 4- 13 可知，率定標雖有受 熱，但影像品質都較模糊，使得率定成果受到影響。，但此精度已足夠作 為 in-flight camera calibration 自率光束法之初始值。

圖 4- 13 巨哥 XM6 率定影像成果擷取

第三節 指南溪試驗區實驗 一、 航拍規劃

指南溪試驗區如圖 4-14 所示，由於熱像儀片幅相較於一般可見光相機 來的小，本研究所用熱像儀像幅僅有 480 pixels × 640 pixels，為此本研究 將採拍攝影像高重疊率的方式以避免因旋翼機晃動而導致漏拍的情形。而 為了每張影像能獲取較多的地表資訊以節省航拍成本又考慮到地面解析度 的問題，因此本研究航拍航高設計為 150m，前後重疊率約 80%、側向重疊 約 40%，共設計兩航帶取像，見圖 4-14.。又依據本次研究 TAU640 熱像儀 每個像元尺寸為17μm，焦距為 25mm，於航高設計 150m 時，每個像元之 地面涵蓋範圍為 10 公分 × 10 公分，根據千分之一地籍圖測繪規範，中心 標在影像上尺寸應介於 2 至 4 個像素(pixel)之間，控制標實地佈設尺寸為 60 公分 × 60 公分。而航帶頭尾佈設四個全控點之外，在實驗區內均勻佈 設五個檢核點。控制點和檢核點分布如圖 4- 14。

圖 4- 14 控制點(深藍)與檢核點(淡藍)佈設分佈圖

二、 拍攝結果

指南溪實驗區錄像時間為 2015 年 6 月，由錄像中依照 UAS 上所紀錄 之取像時間擷取像片，地面涵蓋範圍如圖 4- 15，共兩條航帶，85 張熱像。

三、 圖 4- 15 指南溪實驗區使用之熱影地面涵蓋圖 UAV

GNSS PPK 軌跡求解

本研究透過動態後處理解算部分成果(見圖 4- 16)其平面精準度約為 1 公分，高程精度約為 3 公分。

圖 4- 16 指南溪動態後處理部分成果

而將飛行軌跡展點至 Arc Map 10.1 並放大檢視，可發現飛行軌跡有規 律之位移趨勢，每隔一定之時間間格，飛行軌跡便會於一位置盤旋 3~5 秒(見 圖 4- 17)，這便是於航線規劃時所設計的 UAS 停旋位置。進一步分析其屬 性資料發現在此兩秒的區間中，UAS 之所在位置的平面偏移量約為±3 公分，

而高程則在±50 公分之間，如下表 4- 9。

圖 4- 17 UAV 航拍時某取像位置之軌跡移動趨勢上視圖

24:30.7 308140.698 2764210.477 0.00 0.02 -0.41

151734556 0.11 0.07 0.03

歸算至相機透視中心。歸算前後之較差可求出衛星接收天線與相機透視中 心之距離，如下圖 4- 20。所算出之距離與實際量測值 36 公分相仿，因此 歸算無誤。

圖 4- 20 歸算前後各方向距離較差值與距離

七、 熱像連結點匹配探討

影像匹配可以分成特徵匹配和區域式匹配，而本研究所使用軟體 Pix4Dmapper 是採特徵匹配的方式，而傳統空三模組 ERDAS IMAGINE 是 採區域式匹配的方式，以下將以指南溪實驗區資料為樣本，探討在匹配連 結點方面之孰優孰劣。

圖 4- 21 ORIMA 自動匹配後前交所生成的連結物點

(二) Pix4Dmapper 軟體匹配

商用軟體 Pix4Dmapper 所使用的是類 SIFT 特徵點匹配的方式，實做後 觀察可明顯發現其所匹配之連接點較 NCC 匹配的多，如下圖 4- 22 所示。

圖 4- 22 Pix4Dmapper 產製之連接地物點示意圖

但將成果拉近檢視會發現，仍有許多錯誤的匹配像點，如圖 4- 23 所示。

將 其 連 接 點 成 果 匯 入 ORIMA ， 內 外 方 位 參 數 皆 使 用 與 用 於 Pix4Dmapper 相同之參數，更能明顯看出位於熱像涵蓋範圍外之許多錯誤 點，見圖 4- 24。

圖 4- 24 以 Pix4Dmapper 連接點匯入 Orima 錯誤點示意圖

小結：

實驗結果可知特徵式匹配相較於區域式匹配有較好的成果，因此本研究 將使用 Pix4Dmapper 所得到的像點資料，雖然商用軟體 Pix4Dmapper 已於 內部進行一次錯誤較大之誤匹配像點得剔除，但仍有錯誤存在。因此先將 該像點資料匯入到本研究自行撰寫能線性求解出三焦張量的程式，再將此 程式作為 RANSAC 的模式參數，挑選最佳之三焦張量，再將除錯過的像點 匯入 ORIMA 平差模組進行後續處理。

八、 Pix4Dmapper 光束法空三平差

本研究先使用商用軟體 Pix4Dmapper 之自動空三平差，如下圖 4- 25 所 示。如上述文章中提到因為還有許多誤匹配點尚未剔除，因此由成果可看

出在 X、Y、Z 三方向 RMSE 分別約 40 公分、78 公分、127 公分，尤其是 高程方向誤差高達 1m 多。

圖 4- 25 Pix4Dmapper 自動光束法平差解算成果

九、 誤匹配點剔除

本研究擬以以信心水準 95%，即是將 RANSAC 中的 z 變數設為 0.95。

假定由 Pix4Dmapper 匹配出的連結點有六成是對的，因此變數 w 設為 0.6，

三焦張量是以 7 組像點所求解，因此 n 變數設為 7。由上述設定可得到需重 新取樣之次數 k 為 105 次。本研究將以 RANSAC 執行三焦張量解算， 將 Pix4Dmapper 輸出的像點坐標進行誤匹配點剔除。因為 Pix4Dmapper 是以 特徵式匹配之影像匹配，其優點在於匹配出的連結點非常多，而為使剔除 之後的連結點能有最少的誤匹配點出現，本研究將門檻值設作次像元

存在，便能作為基準值來比較之。原始連結點在各影像上之總和為 14235 筆，而將其匯入軟體 ORIMA 完成空三平差後剩下 10968 筆，經由三焦張 量模式之 RANSAC 除錯過後剩下 7372 筆。將空三平差完後的像點與經過 三焦張量模式之 RANSAC 除錯後的像點作一比較，發現在 7372 筆資料裡 有 5047 筆是與空三平差完成後的像點一樣的，也就是說經由三焦張量剔除 誤匹配點後，其像點正確率為 68%。

推論由於本研究僅以同一條航帶之鄰近三張影像解算三焦張量並剔除 誤匹配點，並未考慮相鄰航帶間之鄰近影像，因此才會仍有誤匹配點存在。

十、 ORIMA 光束法空三平差

本研究先以 Pix4Dmapper 所計算出來的外方位參數作為初始值，接著 將 經 過 三 焦 張 量 模 式 之 RANSAC 除 錯 後 的 剩 餘 像 點 匯 入 IMAGINE Photogrammetry 2015 的外掛平差軟體 ORIMA 進行空間前方交會後發現依 然會出現不正確的地物點，如圖 4- 26。因此再將匯入 ORIMA 之連結點再 次除錯完成空三平差，如此可視為已無誤匹配點，並用此成果加入不同的 GNSS 觀測量探討不同的 GNSS 觀測量對整體空三平差結果的影響。

圖 4- 26 經除錯後之連接點匯入 IMAGINE Photogrammetry 示意圖

空三平差時地控點之 X、Y、Z 方向精度都設為 5 公分；而在相同像點

圖 4- 27 純地控檢核點分布及高程差值

十一、 產製數值溫度表面模型

完成空三平差後的成果繼續使用 IMAGINE Photogrammetry 中的 eATE 軟體生成密點雲接著產製 DSM 以及正射鑲嵌熱影像，成果如圖 4- 28 與圖 4- 29 所示。DSM 與正射熱像之網格大小皆為 11 公分。

圖 4- 28 指南溪熱像所產製之 DSM

能將兩 DSM 相減(可見光產製 DSM 減熱影像產製之 DSM)得高程較差，如 此便能進一步分析熱影像產製之 DSM 整體高程的精度以補足檢核點選取 困難的問題。

圖 4- 30 可見光與熱影像 DSM 相減較差顯示

由上圖 4- 30 可看出主要實驗區較差都位在±5m 的區間內，中間部分幾 乎是藍色、黃色以及淺綠色交雜，推論應是未將 DSM 作一平滑化與人為修 改，才會造成此結果。進一步量化如下表 4- 13 所示，可以看出較差於±1m 的佔 23.93%，而±3m 佔了 57.06%，而位於南邊山區部分位於測區邊緣且 高差大，其高程精度本來就比較差，大於 5m 的值大多來自該區域。而圖 4- 31 中不易變動區域的河堤和道路面，較差則是在±1m 間。

圖 4- 31 指南溪不易變動區顯示圖(框線處) 表 4- 13 可見光與熱影像產製之 DSM 相減較差量化表

區間名稱 網格數量(個) 百分比

小於-5m 116615 4.50%

-5m 到-3m 182327 7.04%

-3m 到-2m 205815 7.94%

-2m 到-1m 314433 12.13%

-1m 到 1m 620025 23.93%

1m 到 2m 196533 7.58%

2m 到 3m 141701 5.47%

3m 到 5m 182920 7.06%

大於五 630971 24.35%

總數 2591340 100.00%

再來是檢核正射影像，使用 GNSS RTK 所量測的地物點作為檢核點，

圖 4- 32 指南溪正射影像檢核點分布圖

由下表 4- 14 檢核成果可看出除了較靠近邊緣的 3 號點以外，其餘檢核 點位皆在 30 公分左右，平面精度為 47 公分。

表 4- 14 指南溪正射熱影精度檢核

點號 X 方向較差(m) Y 方向較差(m) 位置較差(m)

1 0.05 -0.42 0.42

2 0.03 -0.23 0.24

3 -0.13 0.83 0.84

4 -0.21 0.08 0.22

5 -0.20 0.23 0.31

RMSE 0.15 0.44 0.47 最後將所有產品一起匯入 ArcGIS 做展示，以滑鼠游標在影像上移動至 想要點選之地點(圖中紅點)，則可獲取該點位之地面坐標資訊(圖中紅色框)，

而由於熱像儀 TAU 640 無法輸出溫度資訊，因此以灰階值(圖中綠色框)作 為其展示結果，如圖 4- 33 所示。

圖 4- 33 指南溪 DTSM 於 ArcGIS 展示(紅色框：坐標資訊，綠色框：以灰 階值呈現之各張影像記錄之溫度資訊)

上圖中溫度灰階值有為 0 是因為該影像並無此地面位置之感應溫度資 訊，由此展示可知紅點地物點之三維坐標為(308,059.302 m、2,764,177.884 m、

39.054 m)，此紅點在五張影像有值；但有幾張之灰階值明顯與其他張影像 有所差異，研判是因為在執行反解法時於每張影像重新取樣時的影響。

第四節 小油坑試驗區實驗 一、 航拍規劃

小油坑實驗區航線規劃乃依據小油坑地形設計，由於小油坑地形呈現西 低東高，因此本研究將測區分成三種航高航拍取像。影像前後重疊約 80%、

側向重疊約 40%；航高均設計為離地高 200m；熱像儀 XM6 每個像元尺寸 為17μm，焦距為 25mm，此時每個像元之地面涵蓋範圍為 13.6 公分 × 13.6 公分，每幅熱影像地面涵蓋範圍為 87m × 65m，規劃航線所擷取的熱影像 涵蓋範圍如圖 4- 34 所示。而由熱成像的特性，導致特徵點不像可見光影像 中如此明顯，如圖 4- 35，且由於地形限制，無法像指南溪實驗區一樣於航 帶頭尾佈設四個地控點，為使控制呈均勻分布，僅能由既有可見光影像立 體觀測量測外圍的四點做為控制點，如圖 4- 36 中藍色十字標處，其平面精 度約為 20 公分、高程精度約為 30 公分；而現地佈設的 5 個鋁標做為檢核 點，如圖 4- 36 中綠色十字標處，根據千分之一地籍圖測繪規範，中心標在 影像上尺寸應介於 2 至 4 個像素(pixel)之間，因此本次鋁標設計尺寸大小為

側向重疊約 40%；航高均設計為離地高 200m；熱像儀 XM6 每個像元尺寸 為17μm，焦距為 25mm，此時每個像元之地面涵蓋範圍為 13.6 公分 × 13.6 公分，每幅熱影像地面涵蓋範圍為 87m × 65m，規劃航線所擷取的熱影像 涵蓋範圍如圖 4- 34 所示。而由熱成像的特性，導致特徵點不像可見光影像 中如此明顯，如圖 4- 35，且由於地形限制，無法像指南溪實驗區一樣於航 帶頭尾佈設四個地控點，為使控制呈均勻分布，僅能由既有可見光影像立 體觀測量測外圍的四點做為控制點，如圖 4- 36 中藍色十字標處，其平面精 度約為 20 公分、高程精度約為 30 公分；而現地佈設的 5 個鋁標做為檢核 點，如圖 4- 36 中綠色十字標處，根據千分之一地籍圖測繪規範，中心標在 影像上尺寸應介於 2 至 4 個像素(pixel)之間，因此本次鋁標設計尺寸大小為