行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
氣球載具遙測分析河道變遷
Change Detection of River Way Using Remote Sensing Images
計畫編號：NSC 90-2211-E-004-002
執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：黃灝雄 執行機構及單位名稱：國立政治大學地政學系
一、中文摘要 為有效了解地表資訊，可視研究目的 而利用各種遙測方法獲取地面影像，但不 論目前常用之飛機、或是以衛星為載具之 空中攝影測量等相關研究，在影像獲取方 面，常面臨成本費用、機動性、比例尺需 求、後續影像處理等問題。因此，本研究 選定一小流域面積之河川作為實驗區，並 設計以氣球為載具之航空攝影方式，裝載 CCD 攝影機以及數位攝影機，透過 CCD 攝影機，即時無線傳輸地面影像至置於地 面之監視螢幕，依此調整氣球至預定之位 置後，遙控啟動數位攝影機之快門裝置。 由成果影像中檢核點之精度結果，以 及套疊正射糾正並鑲嵌後之河道影像與地 形圖之成果，證明氣球載具之數值航空攝 影方式，確可有效應用於大比例尺製圖之 研 究 ； 本 研 究 又 利 用 分 類 後 比 較 法 （post-classification comparison method）以 偵測出溪流實驗區三個不同時期之變遷情 況。關鍵詞：數值攝影測量、氣球載具、變遷
偵測
Abstract
Satellite images have been applied in detecting the changes of an overall drainage basin. However, the resolution of the image data is not high enough for studying a small flood area. This research is therefore, going to collect images by using the low altitude remote sensing approach. A balloon was used as the platform to acquire image data in this research. A video camera and a digital camera were fixed together and hanged by the balloon. Radio images were
communicated and displayed on a LCD monitor arranged on the ground. Once monitor the area of interest shown on the LCD, images were taken remotely with the digital camera. The resultant images were rectified for comparison and analysis. This method can be an effective and convenient way for the relative research about large-scale mapping.
Keywords: Digital Photogrammetry, Balloon
Platform, Change Detection.
二、緣由與目的
遙感探測（remote sensing）是一門藉 由分析所獲取的資料，以探知物體、地區 或是現象的科學，而其獲取資料的方式， 被要求在不接觸到該物體、地區或是現象 的 情 況 下 進 行 （ Lillesand and Kiefer, 2000）。為此，在遙感探測時，須利用載 具將感測器（detector）載離地面，並依據 不同的目的，升高、移動載具至預定位置， 再使用感測器獲取資料，以作後續之分析。 隨著科技的進步，實施遙感探測所採 用的載具也有不同的發展。自西元 1840 年 開始，科學家嘗試以熱氣球為載具，搭乘 熱氣球至空中拍攝地面影像；西元 1882 年 採用風箏搭載感測器，以獲取地面影像資 料；至西元 1908 年由於飛機的發明，始利 用飛機裝載攝影機，航空拍攝像片；而在 西元 1960 年後，隨著專為獲取地球氣象資 料之氣象衛星升空，裝置獲取不同類型資 料之感測器的遙測技術，更擴充了遙感探 測 的 應 用 範 圍 （ Lillesand and Kiefer, 2000）。
然而，在各種遙測方式中，不論是目 前最常使用之飛機、或是近年來以衛星為 載具所進行之空中攝影測量等相關研究，
在影像獲取方面，常常面臨下列幾個問 題，包括：取得影像之經費頗為昂貴、實 施航空攝影之機動性不足、影像比例尺之 目的需求不同，以及後續影像處理繁複等 問題。 為解決以上問題，本研究計劃提出一 套較有彈性的航空攝影方式，包括利用氣 球為載具，並搭配數位攝影機為感測器， 由氣球將數位攝影機載至空中，拍攝地面 之數值影像。期望此種方式能夠降低航空 攝影測量所需經費，提高航空攝影施測之 機動性，並可獲取大比例尺影像，且能有 效簡化影像製作的步驟。除此之外，也探 討採用此種方式時，各方面之限制條件， 作為日後實施航空攝影應用之參考。 根據上述原因，本研究之研究目的如 下： （一）以氣球為載具，搭配數位攝影機為 感測器之航空攝影器材，可提供機動、經 濟之航空攝影方式。 （二）紀錄並提供採用此種數值航空攝影 方式拍攝時之程序，以及所應注意之事項。 （三）探討利用此種航空攝影方式進行拍 攝時，可能受到各方面之影響，及其因應 辦法。 （四）應用本研究所設計之航空攝影器 材，拍攝一河道之航空像片，並與不同年 代之影像比較，以實施變遷偵測。 三、結果與討論 （一）航空攝影器材之製作成果 本研究設計製作之航空攝影器材，分 為氣球載具、攝影器材載台與控制器材三 個部分，以下分別介紹其特性與功能。 1、氣球載具 本研究選用可回收之塑膠製空飄氣球 作為航空器，直徑為 2.7 公尺，可載重量約 為 10 公斤；並為安全考量，使用氦氣為充 灌之氣體。 2、攝影器材載台 研究設計之航空攝影器材，是利用數 位攝影機以及 CCD 攝影機作為獲取地面 影像之感測器，兩部攝影機分別具備不同 之功能，將其同時安裝至一穩固之載台後 （參見圖一），吊掛在氣球載具下方，待 氣球升高至預定之高度與位置，即開始進 行航空攝影工作。以下便針對數位攝影機 以及 CCD 攝影機之功能，分別加以介紹： （1）數位攝影機 研究以數位攝影機取代傳統光學攝影 機，是因為數位影像具備可直接輸入電腦 使用，並在電腦螢幕上進行量測，以及底 片可重複使用，且可免去底片沖洗之工作 等優點，可以改善傳統航空攝影像片進行 後續測繪製圖等應用所面臨之問題。 本研究採用之數位攝影機為柯達公司 出產，型號為 DC280，規格如下所述： a、像元解析度（pixel resolution）：1760 ×1168 像元。 b、焦距長度：自 30 公厘（廣角鏡頭） 至 60 公厘（窄角鏡頭），本研究使用長焦 距，亦即窄角鏡頭進行拍攝。 c、數位攝影機尺寸：長度為 133 公厘； 寬度為 52 公厘；高度為 76 公厘。 在攝影器材載台中，數位攝影機之功 能為獲取地面數位影像資料。當氣球位於 預定之位置，即遙控啟動數位攝影機之快 門裝置，拍攝地面影像。 （2）CCD 攝影機 攝影器材載台中裝置之 CCD 攝影機 的規格，其長度為 58mm，寬度為 29mm， 高度為 24mm；畫面解析度為 290,000 個像 元。 CCD 攝影機之功能為監測數位攝影機 的視場範圍。為有效掌握數位攝影機所拍 1、數位攝影機 2、CCD 攝影機 3、CCD 攝影機之天線 4、CCD 攝影機之電池 5、啟動數位攝影機快門裝置之伺服器 6、伺服器之天線 圖一 攝影器材載台 1 2 3 4 5 6
攝之影像，本研究設計利用 CCD 攝影機無 線即時傳輸範圍較大之地面影像，並於地 面備置監視螢幕，以接收及展示 CCD 攝影 機傳送之地面影像，作為拍攝航空影像之 參考。 （3）地面測試項目 如上所設計之器材，須先於地面測試 下列項目： a、攝影器材載台之設計：攝影器材載 台裝設數位攝影機與 CCD 攝影機時，必須 注意保持二部攝影機之光軸近似平行，以 確保其視場方向一致；除此之外，包括啟 動數位攝影機快門之遙控裝置、CCD 攝影 機之天線以及電力設備，均需妥善設置並 固定在攝影器材載台中。 b、數位攝影機之快門啟動：採遙控方 式啟動數位攝影機之快門裝置，為求地面 控制者遙控拍攝時確能啟動快門，須事先 多次測試，包括拍攝時應移動遙控裝置移 動之幅度及停留時間。 c、遙控傳輸距離之測試：由於 CCD 攝影機所傳輸之監視影像以及遙控啟動快 門裝置都是以無線方式進行，因此必須在 地面測試這兩個部分共同的最大傳輸距 離，作為規劃飛行計畫中航高的參考。 d、攝影機視場像幅之測試：由於 CCD 攝影機之視場範圍大於數位攝影機，但用 來攝影測量製圖的影像是由數位攝影機拍 攝，所以必須測試 CCD 攝影機與數位攝影 機之視場重複部分，並在 CCD 攝影機監視 螢幕上劃設出數位攝影機之視場範圍，以 有效拍攝實驗區影像。 e、數位攝影機之率定：由於研究使用 之數位攝影機為非量測型之攝影機，其內 方位參數並不固定，因此於室內先行多次 率定，以提高攝影測量之精度。率定結果 可得包括像主點位移、像幅大小、焦距以 及透鏡畸變差。 3、控制器材 航空攝影方式，是以三條繩索之一端 同時固定在氣球下方的繩結，繩索另一端 分別由地面三位控制人員操控，藉施放之 長度及控制人員之位置移動，以調整氣球 載具的高度與位置。 由於控制繩索必須具備堅韌且質輕的 特性，因此研究選用截面直徑為 5mm，重 量為 1.6 公斤/100 公尺，能夠承受 580 公斤 拉力的尼龍繩作為氣球載具之控制器材。 下圖即為氣球載具、攝影器材載台與 控制繩之整體組裝成果。 圖二 航空攝影器材組成構造圖 （二）氣球載具航空攝影之施測步驟 研究拍攝之實驗區為指南溪流經政治 大學校區內與景美溪匯流處之一段，利用 現存之政治大學航空攝影像片進行實驗區 面積之量測，得河長約為 210 公尺，河寬 約為 45 公尺。 1、實施空照所需之前置作業包括： （1）草勘實驗區 （2）規劃飛行計畫 （3）選擇施測日期 （4）地面控制點之佈設與量測 2、以氣球載具進行航空攝影之步驟如下： （1）氣球充氣後，由地面控制人員固 定控制繩於氣球下方，並吊掛攝影器材載 台於氣球下方。 （2）控制人員於起始點施放氣球至預 定高度後，藉 CCD 攝影機傳回之影像，由 監視螢幕中監看，當拍攝的目標進入數位 攝影機的視場範圍，即遙控啟動數位攝影 機的快門按鈕，拍攝河道影像。 （3）控制人員移動至飛行計畫所規劃 之攝影站位置，重複步驟（2），完成實驗 區各個攝影站之航空攝影。 （三）成果影像 研究利用民國 90 年 8 月 2 日以及 91 年 1 月 7 日拍攝之影像中，選取拍攝方位 最佳之影像傳輸至電腦，利用 ImageStation 軟體，進行方位判定與正射糾正，經鑲嵌 後之成果如圖三及圖四所示。 1、氣球載具 2、控制繩 3、攝影器材載台 4、氣球載具與控 制繩連結處 5、氣球載具與攝 影器材載台連結 處 1 5 4 2 3
圖三 民國 90 年 8 月 2 日拍攝，經正射糾 正並鑲嵌後之實驗區影像 圖四 民國 91 年 1 月 7 日拍攝，經正射糾 正並鑲嵌後之實驗區影像 （四）變遷偵測 研究使用三個不同時期之實驗區影像 進行變遷偵測，分別為民國 87 年 10 月 1 日、90 年 8 月 2 日與 91 年 1 月 7 日獲取並 經正射糾正處理後之數值影像。將三個時 期的影像選取相同位置及大小之部分，作 為後續偵測變遷之原始影像。 圖五 民國 87 年拍攝實驗區部分正射影像 圖六 民國 90 年拍攝實驗區部分正射影像 圖七 民國 91 年拍攝實驗區部分正射影像 為得到詳細的 from-to 量化資訊，本研 究使用分類後比較法進行變遷偵測。首先 將圖五至圖七之原始影像，依水體、植物、 沙地和水泥地四種類別，採監督式分類方 式對影像分類，影像中的每個像元被指派 到具有最高相似性的類別，最後分別得到 圖八至圖十之分類圖（classification map）， 由圖可見河川走向於各時期間之明顯變遷 情況。 圖八 民國 87 年拍攝航空影像之分類圖 圖九 民國 90 年拍攝航空影像之分類圖 圖十 民國 91 年拍攝航空影像之分類圖 除了分類圖所提供之質化資訊外，由 分類後影像各個類別的像元數目所組成之 變遷偵測矩陣（change detection matrix）， 亦可得到各時期影像之間變化的量化資 訊。 表 5-1 民國 87、90、91 年之影像變遷偵測 矩陣（單位：像元數目） 水體 植物 沙地 水泥地 總計 民國 87 年 130887 408482 210662 120629 870660 民國 90 年 242456 137719 61650 428835 870660 民國 91 年 125916 115387 315311 314046 870660 四、計畫成果自評 本研究以氣球為載具並搭配數位攝影 機進行航空攝影之方式，可改善傳統航空 攝影測量在施測成本過高與機動性不足等 問題，而利用此種航空攝影方式於空中拍 攝地面影像，也確能獲取大比例尺之數值 年代 類別
航空影像，有效達成計畫預期目標。 在變遷偵測部分，利用氣球為載具所 攝得之航空影像經正射糾正後，利用分類 後比較法和不同時期所攝得影像比較後， 亦能明顯偵測出三個時期之量化和質化的 相關變遷資訊。 在後續研究方面，為提高影像之像元 解析度或幾何精度，建議使用像元數目更 高或量測型攝影機作為記錄地面影像之感 測器，並配合不同之攝影機另行設計符合 其規格之載台。 另外，為有效掌握航空影像之拍攝角 度，建議加強攝影載台之機械裝置，使拍 攝者得視拍攝目的需要，遙控調整攝影器 材載台之ω、φ、κ角度。 五、參考文獻 [1] 何維信，「航空攝影測量學」，台北：大中國 圖書公司，民國八十五年。 [2] 呂鴻道，「小像幅數值攝影測量之研究」，碩 士論文，中正理工學院軍事工程研究所，民國 八十八年。 [3] 李茂園，「高解析度衛星影像之幾何處理與定 位精度分析」，碩士論文，國立台灣大學土木 工程學研究所，民國九十年。 [4] 林新岳，「東埔、梅山地區航照圖、衛星影像 應用於土地利用變遷監測之研究」，碩士論 文，逢甲大學管理學院土地管理研究所，民國 八十六年。 [5] 范成楝，「遙控飛機空載視訊影像自動化鑲嵌 方法之研究」，碩士論文，國立中央大學土木 工程研究所，民國九十年。 [6] 施義芳，「遙控直昇機應用於工程管理監測可 行性之研究」，碩士論文，國立中央大學土木 工程研究所，民國九十一年。 [7] 曾 清 、 儲 慶GPS 衛星測量原理與應用」， 美 ，「 台南：國立成功大學衛星資訊研究中心，民國 八十八年。 [8] 黃震靜，林松雄，「GPS 應用於航空攝影實務」， 第十六屆測量學術及應用研討會，民國八十六 年。 [9] 黃俊偉，「大範圍地區土地使用分類之研究」， 碩士論文，國立中央大學土木工程研究所，民 國九十年。 [10] 黃琬瑜，「數值航攝資料控制之研究-以政治 大學校區為例」，碩士論文，國立政治大學地 政系，民國八十九年。 [11] 龔健彬，「運用非量測性相機、桌式掃描器進 行近景攝影測量之研究」，碩士論文，國立交 通大學土木系，民國八十七年。 [12] 謝允中、陳佳元、林朝陽，「數值正射像片製 圖及其問題之研究」，第十七屆測量學術及應 用研討會，民國八十七年。 [13] 謝怡昇，「數值航攝影像應用於土地利用強度 之研究」，碩士論文，國立政治大學地政學系， 民國九十年。
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