熱影像建製數值地表溫度模型之研究 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學地政學系私立中國地政研究所. 碩士論文. 政治大立熱影像建製數值地表溫度模型之研究. 論文題目：. ‧ 國. 學. ‧. Study on Using Thermal Image to Establish Digital Surface Temperature Model. er. io. sit. y. Nat. n. al. 研. 中. Ch. 究. 指導. 教. 華. 國. 民. i n U. v. engchi 生：廖家翎授：黃. 1. I. 0. 灝雄. 3. 年. 1. 月.

(2) 謝誌. 要離開待了六年半的政治大學，說起來是感傷的，但又不得不讓人雀躍，因為終於畢業了!回顧這長長的六年半，首先要感謝的仍是指導我、教誨不倦的灝雄老師，老師交給我的不只是學問上的精進，在我面臨到許多不管是研究卡關、人生課題或是工作低潮，老師總是我最好的傾聽者與解惑者，每每給予我振奮人心的力量，鼓勵我要一直往前，這趟旅程步履雖然蹣跚，但因為有老師，讓我走得很踏實。. 政治大. 謝謝蔡富安老師及邱式鴻老師對我的論文提出相當多寶貴的意見，讓我突破很多一直以來的盲點往前邁進；謝謝士淵老師總是能仔細點出. 立. 我所需要改進的地方，而且也是陪伴我們研究所生涯的良師；詹老師在. ‧ 國. 學. 最後幫助我許多也十分十分的感謝，沉穩的嗓音安定了我不安的心靈；謝謝老生老師，在大學的時候您就是我的導師，一路走來老師都對我相. ‧. 當親切；謝謝甯老師，在期初期末報告的時候給了我很多意見。. Nat. sit. y. 雖然報考的是一般生，但卻在碩一下的時候休學去工作，原本的我. er. io. 很迷惘，迷惘到底能不能完成我的碩士學業，謝謝一直在我身邊的同學. al. 們，敏瑜、怡君、汝晏、伊玲、翊甯、舜閔，總是叫我要快點回去念書，. n. v i n Ch 還有我所敬佩的振廷學長與安勤學姊，也一直在這條路上很支持我並幫 engchi U. 助我，特別感謝學弟妹們惠雅、宇鴻、翎衣、志文，以及承一學長，在我的論文上幫助許多，也讓我感受到地研所是個溫暖的大家庭。最後要謝謝我的家人，總是在我徬徨無助的時候給了我一個不會後悔的決定，也謝謝吉他社與中友會的好朋友們，以及汐止地所的好同事，還有室友佳鈴，族繁不及備載，有大家的支持，研究的路就不孤單。還記得灝雄老師跟我說，研究生是孤獨的，話是沒錯，但是那是身體孤獨，心靈還是有很多人支持著我，謹以此謝誌感謝一路幫助我的人們，有大家的幫助，才有今天的我。家翎於政治大學綜合院管 6 樓地政系 GIS 研究室 II.

(3) 摘要. 熱影像可獲取不同於可見光與近紅外光的溫度資訊，可運用於監測地表火山及斷層帶的溫度或災害防治上。以往於空載或衛載上的熱感測器解析度皆較低，判釋熱影像受到限制；如今，低成本、高機動性的無人飛行載具發展趨於成熟，可搭載熱感測器，並近空垂直拍攝近景熱影像，得到較高空間解析度之熱影像。然而，熱影像上之地物內容與邊緣較一般可見光影像模糊，若要將. 政治大. 熱影像應用於地理空間資訊系統上時，為使熱影像可與其他地面坐標資料結合，勢必需先幾何改正熱影像，並以相同區域之數值地表模型，正. 立. 射化熱影像，同時三維展示熱影像與地表模型，提供研究者地形與熱分. ‧ 國. 學. 佈資訊；此外，對於火山地帶來說，高程資料也常是研究者判釋分析的重點資訊，此做法可看出區域之溫度分佈。. ‧. 為正射糾正熱影像，利用共線式執行空中三角測量平差，本研究不. Nat. sit. y. 僅率定熱像儀，求其內方外元素，更以空中三角測量平差，計算熱影像. er. io. 之外方位元素。此外，因熱影像紀錄地表輻射資訊，與可見光資訊大不. al. 相同，故熱影像經共線式空中三角測量平差後，建製之數值地表模型. n. v i n (Digital Surface Model,C DSM)，並非該拍攝地區之真實地表起伏模型，因 hengchi U. 此本研究利用一既有的 DSM，正射糾正空中三角測量後之熱影像，並以誤差向量圖表示正射糾正之成果。關鍵字：熱影像、空中三角測量平差、正射熱影像. III.

(4) Abstract. Usually, thermal images contain abundant temperature information which can often be used to monitor the surface temperature or volcanic disaster prevention. Previously, thermal images acquired by satellite platform have low resolution. Today, low-cost, highly maneuverable unmanned aerial vehicle (UAV) can carry thermal sensors and obtain close-range thermal images with high spatial resolution. Due to the distortion of thermal sensor, geometric correction should be applied to the thermal images. In this study, a UAV-borne thermal sensor has. 政治大. been calibrated, and used for taking thermal images. The exterior orientation. 立. elements of the thermal images have been determined by using aerial. ‧ 國. 學. triangulation. A digital surface model generated by LiDAR was then used to ortho-rectify the thermal images. Gray values of the rectified thermal images were also normalized for generating a thermal mosaic. The resultant rectified. ‧. thermal mosaic has excellent appearance for showing the temperature. sit. y. Nat. distribution and elevation simultaneously.. er. al. n. image. io. Keywords: thermal image, aerial triangulation, ortho-rectified thermal. Ch. engchi. IV. i n U. v.

(5) 目錄. 謝誌.....................................................................................................................II 摘要....................................................................................................................III Abstract.............................................................................................................IV 目錄.....................................................................................................................V 圖目錄..............................................................................................................VII 表目錄................................................................................................................IX 第一章. 緒論......................................................................................................1. 政治大. 第一節. 研究背景 ...................................................................................... 1. 第二節. 研究動機與目的 .......................................................................... 3. 一、. 研究動機 ...................................................................................... 3. 二、. 研究目的 ...................................................................................... 4. ‧ 國. y. sit. 論文架構 ...................................................................................... 8. io. 第二章. 研究流程 ...................................................................................... 7. 理論基礎與文獻回顧 .......................................................................... 9. n. al. er. 第四節. 研究方法 ...................................................................................... 5. Nat. 二、. 研究方法與流程 .......................................................................... 5. ‧. 一、. 學. 第三節. 立. i n U. v. 第一節. 熱紅外遙感探測 ........................................................................ 11. 第二節. 率定熱影像 ................................................................................ 13. 第三節. 無人飛行載具 ............................................................................ 17. 第四節. 數值地表模型獲取方法 ............................................................ 22. 第五節. 小結 ............................................................................................ 26. 第三章. Ch. engchi. 實驗設計 ............................................................................................ 27. 第一節. 實驗規劃 .................................................................................... 27. 第二節. 資料取得 .................................................................................... 31. 第三節. 控制點佈設 ................................................................................ 35. 第四節. 成果檢核 .................................................................................... 37. 第四章第一節. 研究成果與分析 ................................................................................ 38 熱像儀率定成果 ........................................................................ 38 V.

(6) 第三節. 熱影像近空拍攝成果 ................................................................ 44. 第四節. 熱影像相對溫度標準化 ............................................................ 54. 第五節. 熱影像成果與分析 .................................................................... 58. 第六節. 溫度標準化成果 ........................................................................ 64. 第七節. 建置數值地表溫度模型 ............................................................ 67. 第五章. 結論與建議 ........................................................................................ 69. 第六章. 參考文獻 ............................................................................................ 72. 一、. 中文參考文獻 ............................................................................ 72. 二、. 外文參考文獻 ............................................................................ 73. 三、. 網頁參考文獻 ............................................................................ 75. 政治大. 附錄....................................................................................................................75. 立. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. VI. i n U. v.

(7) 圖目錄. 圖 1. 研究區(翻印自臺北市山坡地住宅區環境地質調查研究，潘國樑， 1986)....................................................................................................... 5. 圖 2. 研究流程 ................................................................................................ 7. 圖 3. 電磁波波段 .......................................................................................... 11. 圖 4. 不同溫度下的黑體輻射曲線 (Lillesand et al., 2008) ........................ 12. 圖 5. 大氣窗與各種感測器間波長之關係對照圖 (Lillesand et al., 2008) 12. 圖 6. 定翼機飛機構造示意 (圖摘自模型飛機的空氣動力學，2002) ..... 19. 圖 7. 旋翼式直升機示意 (簡榮興，2010) ................................................. 20. 圖 10. DEM 與 DSM 之示意.......................................................................... 22. 圖 11. 空載雷射掃描作業示意 (顏宏宇，2005).......................................... 24. 圖 12. 雷達干涉幾何示意 (謝嘉聲，2006) ................................................. 25. 圖 13. 實驗區範圍 .......................................................................................... 28. 圖 14. 控制點及檢核點分布 .......................................................................... 28. 圖 15. iWitness PRO 率定模板 ..................................................................... 30. 圖 16. 鋁質點位率定標可見光影像 .............................................................. 30. 圖 17. 鋁質點位率定標熱影像 ...................................................................... 30. 圖 18. 航帶配置 .............................................................................................. 33. 圖 19. 方形鋁質板可見光影像 ...................................................................... 35. 圖 20. 鋁質板實際於測區之成像 .................................................................. 36. 圖 21. 率定用影像 .......................................................................................... 39. 圖 22. 實驗區點雲展繪 .................................................................................. 41. 圖 23. 實驗區剖面地形現況 .......................................................................... 42. 圖 24. 地面點之點雲 ...................................................................................... 43. 圖 25. 實驗區 DSM ........................................................................................ 43. 圖 26. UAV 搭載熱像儀 ................................................................................. 44. ‧. ‧ 國. io. sit. y. Nat. n. al. er. 圖 8. 學. 圖 9. 治政大航帶首尾增加鏈狀高程控制點 .......................................................... 21 立航帶首尾各增加一條正交航帶 .......................................................... 21. Ch. engchi. VII. i n U. v.

(8) 圖 27. 熱影像手動固定溫標之取像問題 ...................................................... 45. 圖 28. 自動測溫近空原始熱影像 .................................................................. 47. 圖 29. 測區原始熱影像成果 .......................................................................... 49. 圖 30. 處理後之熱影像 .................................................................................. 51. 圖 31. UAV 飛行軌跡 ..................................................................................... 52. 圖 32. 每張影像之地面涵蓋 .......................................................................... 53. 圖 33. 熱影像上之溫標 .................................................................................. 54. 圖 34. 依溫標行溫度標準化過程 .................................................................. 55. 圖 35. 熱影像中偏高溫及偏低溫地物 .......................................................... 56. 圖 36. 依地物溫度行溫度標準化過程 .......................................................... 57. 圖 37. 空三平差後各影像間相對位置 .......................................................... 59. 圖 38. 政治大熱影像空三後自動匹配之 DSM ........................................................ 60 立不同高度地物呈像於熱影像 .............................................................. 61. 圖 40. 近空熱影像測區範圍及 DSM 之相對位置 ....................................... 62. 圖 41. 正射鑲嵌熱影像 .................................................................................. 63. 圖 42. 誤差向量 .............................................................................................. 63. 圖 43. 以溫標行溫度標準化成果 .................................................................. 65. 圖 44. 以地物溫度行溫度標準化成果 .......................................................... 65. 圖 45. 以溫標行溫度標準化成果之灰階直方圖 .......................................... 66. ‧ 國. ‧. y. sit. er. al. v i n Ch 以地物溫度行溫度標準化成果之灰階直方圖 e n g c h i U .................................. 66 n. 圖 48. io. 圖 47. Nat. 圖 46. 學. 圖 39. 數值地表溫度模型 .............................................................................. 67 圖層展示數值地表溫度模型 .............................................................. 68. VIII.

(9) 表目錄表 1. FLIR-T360 規格(FLIR System, 2009)................................................... 6. 表 2. 含熱波段之衛星 .................................................................................. 15. 表 3. SDH 260 無人飛行載具規格 ............................................................. 31. 表 4. Optech ALTM Pegasus 空載雷射掃描儀規格 .................................... 34. 表 5. FLIR T360 熱像儀率定成果 .............................................................. 40. 表 6. 控制點與檢核點 RMSE ...................................................................... 58. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. IX. i n U. v.

(10) 第一章第一節. 緒論. 研究背景. 任何物體在溫度高於絕對零度 (0k) 時，都會放射出電磁波能量，這些能量無法為人類肉眼觀測，需要透過特殊的感測器，才能記錄溫度的變化，便於了解及分析。熱紅外波段涵蓋範圍廣泛，遙測學中稱波長介於 3 至 14 μm 為遠紅外 (Far Infrared) 或熱紅外 (Thermal Infrared)，其中波長 3～5 μm 通常用於高溫的偵測，譬如森林火災或是地殼溫度的變. 政治大. 化，波長 8～14 μm 則較適合於地表地物，如植被、土壤、水體等，其中. 立. 波長 10.5～12.5 μm 為飛行於臭氧層上方的衛載感測器較常用的波段. ‧ 國. 學. (Jensen, 2007)。. ‧. 一般熱感測器多為衛載或空載，與其他波段相比，其空間解析度較差；譬如 LandSat 7 衛星 ETM+感測器，可見光波段之空間解析度為 30 m. y. Nat. sit. × 30 m，惟其第六波段熱紅外影像之空間解析度則僅 60 m × 60 m；另如. er. io. ASTER 感測器，可見光波段之空間解析度為 15 m × 15 m，但第十至第十. al. v i n Ch 的熱感測器依航高不同，可以獲得比衛載感測器空間解析度較高的熱影 engchi U n. 四波段對應之熱紅外影像的空間解析度，則僅有 90 m × 90 m；至於空載. 像，但礙於飛行高度的限制，不易獲取更高空間解析度之熱影像。因此在熱影像的蒐集上，若能藉由可飛行低空之無人飛行載具 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 執行空照任務，應較能有效改善熱影像之空間解析度。常見的無人飛行載具有遙控直升機 (周天穎、葉美伶、鐘若琪，2010)、遙控飛機、四旋翼直升機、氣球 (林士淵，2002) 等等，其目的都是期望能獲取較低空之高空間解析度的影像，以提升後續量測及判釋分析的結果，而無人飛行載具相較一般航空載台，也有成本低、機動性高、便利性佳、較不受天候影響的優勢。國內有許多利用無人飛行載具拍攝地物之研究，譬如應用於測量製圖 (林士淵，2002；謝幸宜，2011；黃隆明， 2006)、防災 (周天穎、葉美伶、鐘若琪，2010) 之用，惟國內研究偏重 1.

(11) 利用可見光波段，較少利用無人飛行載具，執行熱像儀之空拍任務，而國外已有將熱感測器搭載於 UAV 之研究 (Wilfried Hartmann, 2012)，並探討地面控制點數量對其行空中三角測量之精度影響，而未呈現熱影像與地表起伏之關聯。因此，本研究主要目的在期望藉由無人飛行載具之優勢，以 UAV 搭載熱感測器，拍攝低空、具有較高空間解析度的熱影像，克服以往衛載和空載熱感測器所得影像之空間解析度較低的缺點；同時，並利用相同研究區之數值地表模型，建立製作正射熱影像，並藉由套疊正射熱影像於 DSM 上，建置數值地表溫度模型。一般利用可見光波段、常見之正射影像，結合航攝像片與地圖的優. 治政接求得距離、角度與面積資訊 (何維信，2009)。而在航空攝影測量程序大立中，藉由相同地區之航測影像及數值地表模型，可正射糾正該航測影像。點，具有影像的性質與地圖正確平面位置的特性，且可在正射影像上直. ‧ 國. 學. 熱影像屬遙測影像的一種，經空中三角測量獲取外方位資訊後，以數值地表模型正射糾正熱影像，可同時展示相同地區之高程與溫度資訊。. ‧. 綜合以上所述，本研究之基本背景在以無人飛行載具蒐集熱影像，. y. Nat. sit. 利用數值地表模型，經由正射糾正熱影像，預期同時展示研究區域之地. n. al. er. io. 表高程與及熱資訊。. Ch. engchi. 2. i n U. v.

(12) 第二節研究動機. 以往航空攝影測量中，以空中三角測量平差求解外方位元素及地物點坐標時，常採用可見光影像，較少直接採用熱影像於空中三角平差，以求解外方位元素及地物點坐標，也因以往熱感測器多搭載於衛星或飛機上，熱影像之空間解析度較低，難以於影像上量測控制點而作罷。然而近年來無人飛行載具技術發展趨於純熟，獲取較高空間解析度之熱影像已非難事，而熱影像顯示之溫度指標可監測地熱活動、火山活動、土石流潛在區域及斷層地區，無人飛行載具能長期且穩定的收集資料，並. 政治大. 減少對科學家及執行計畫者之物理傷害 (Pallister et al., 2005)。惟通常熱. 立. 影像僅提供平面熱資訊，無法同時觀測地區之地表模型，對於火山及斷. 學. 層地帶來說，高程資料也常是判釋分析的重點資訊，如能同時三維展示. ‧ 國. 熱影像與地表模型，應可明確提供研究者地形與熱分佈資訊。. ‧. 熱影像在取像時，需考慮相機內方位參數率定之幾何校正問題。另. sit. y. Nat. 因熱影像紀錄的為地表輻射資訊，與可見光資訊大不相同，故熱影像經空中三角平差後建製之數值地表模型 (Digital Surface Model, 以下簡稱. io. er. 一、. 研究動機與目的. DSM)，並非該拍攝地區之真實地表起伏模型，因此本研究利用現有的. n. al. Ch. i n U. v. DSM，正射糾正以 UAV 搭載熱感測器所得之熱影像，目的在使熱影像由. engchi. 以往僅能提供平面資訊，進而能同時提供高程資訊，使地表模型與熱影像能於自然地形起伏判釋分析中相輔相成，並發展為可提供溫度數值之數值地表溫度模型。. 3.

(13) 研究目的根據前述研究動機，本研究之目的可歸納為以下三點： (一) 正射糾正多張連續拍攝之熱影像，並鑲嵌為一張正射熱影像。 (二) 定量評估正射熱影像之精度。 (三) 同時展示數值地表模型與正射熱影像，建製數值地表溫度模型，並使模型具有溫度資訊的屬性，以能展示地表起伏及溫度之特性，期盼應用於許多有關於地表溫度之加值研究。. 立. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. 二、. Ch. engchi. 4. i n U. v.

(14) 第三節一、. 研究方法與流程. 研究方法本研究以國立政治大學指南溪畔之部分校區為實驗區，該區域於既有圖資上，顯示新店斷層可能經過，圖 1 中紅圈部分為本研究的實驗區，藍線部分為新店斷層帶，本研究嘗試以熱像儀感測此地區，主因在此地區包含多種地表覆蓋，如水體、草地、柏油、水泥、樹木等。 (308133 m, 2764238 m). (307713 m, 2764238 m). 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學 (308133 m, 2763961 m). y. Nat. sit. io. 研究區(翻印自臺北市山坡地住宅區環境地質調查研究，潘國樑，1985)，右圖為此區之 Google 空拍影像. n. al. er. 圖 1. (307713 m, 2763961 m). Ch. i n U. v. 接著率定實驗用之熱像儀 FLIR T360 (規格如表 1 )，因熱像儀搭載於. engchi. 無人飛行載具上，故以焦距無窮遠率定之，且為求得非量測型相機之焦距，需佈設合適之三維率定場，並使用 iWitness PRO 攝影測量軟體，率定求得精確之相機內方位參數。在規劃航線及佈設地面控制點之後，以無人飛行載具取得熱影像，攝像時選擇白熱模式 (亦即溫度較高呈現越白，溫度較低呈現越黑) 以減低每張影像之色調差異；取得熱影像後，將標準化每張熱影像之地物溫度，使呈現於熱影像上之各類地物，具有一致之相對溫度。而後以影像工作站. (Leica Photogrammetry Suite, LPS)，量測地面控制點與點選連結. 點，並行空中三角測量平差，求得影像之外方位元素。接著，利用空載光達點雲製成之數值表面模型 (Digital Surface Model, DSM)，正射糾正熱 5.

(15) 影像，並鑲嵌成較大範圍之正射熱影像。而後以實驗區中由人工佈設並實地量測的檢核點，定量評估正射熱影像之精度。最後，以正射熱影像及數值表面模型，建製成為數值表面溫度模型，預期可於模型中觀察該區之熱分佈，並歸納出建製數值表面溫度模型之可行性，提出本研究之結論與建議。. 表 1. FLIR-T360 規格(FLIR System, 2009). 視場角/最小焦距. 25° × 19° / 0.4 m. 影像縮放大小. 1至4倍. 可涵蓋溫度範圍. 對焦方式. 自動對焦 / 手動對焦. 熱靈敏度政治大精度 -20C 至 120C 立. 0.06C ±2C 或讀數的±2％取較高值. 學. 紅外影像像幅. 320 × 240 pixels. 可見光影像像幅. 拍攝模式. 熱紅外/可見光/兩者融合影像. 顯示模式. y. 灰階 (黑熱、白熱) / 彩色 /. 106 × 201 × 125. 重量. al. Ch. engchi. 6. sit. 電源供應. n. 體積 (mm3). 1280 × 960 pixels. 鐵 (色溫呈現金屬感). JEPG 影像檔儲存於 SD 記憶卡(可同時儲存熱紅外及可見光影像). io. 儲存模式. 7.5～13.0 μm. ‧. 光譜解析度. Nat. 焦面陣列. er. 感測器型式. ‧ 國. 0C 至 350C. i n U. v. 充電式鋰電池(可待命 4 小時). 0.88 kg (含電池).

(16) 研究流程根據上述研究方法，整理得研究流程，如圖 2 所示。. 選定實驗區. 率定熱像儀. UAV 空拍. 立. 治政熱影像大學. ‧ 國. 空中三角測量. ‧. DSM. 正射糾正熱影像. io. sit. y. Nat. n. al. 精度檢核. Ch. engchi. i n U. 數值地表溫度模型. 成果分析圖 2 研究流程. 7. er. 二、. v.

(17) 第四節. 論文架構. 本文各章節內容編排如下：第一章為緒論，包含研究背景、動機、目的、方法與流程，分別闡述本研究之創新、重要與發展，及本文實際應用的未來展望。第二章為文獻回顧與理論基礎，承續第一章所提的動機與目的，說明研究使用之理論及技術，包括：熱紅外的基礎理論、熱影像之內方位率定、無人飛行載具以及建立數值表面模型的方法，並由前人之研究成果與內容，評估與本研究的關聯性，以助於實驗方法之選用。. 治政大第三章為實驗設計，依據文獻回顧中所得的結論，規劃實驗內容及立流程，分別介紹整體實驗架構，以及研究所需資料與處理程序，並敘述 ‧ 國. 學. 本研究取得與處理熱影像之方法。. ‧. 第四章研究成果與分析，以第三章所規劃之實驗方法所得研究成果，討論並分析。其中包括相機率定、DSM 建製成果、熱影像拍攝成果以及. y. Nat. er. io. sit. 數值地表溫度模型展示。. 第五章結論與建議，接續第四章研究成果與分析，結合與比對研究. n. al. Ch. i n U. v. 初始目的，歸納研究結論，並提出未來研究之建議。. engchi. 8.

(18) 第二章. 理論基礎與文獻回顧. 隨著空間資訊的蓬勃發展，許多儀器設備也日新月異。熱感測器之發展，代表了資料收集能更進一步獲取地物之熱紅外資訊，可藉此判釋出更多幾何與輻射細節。熱像儀可獲取波長 7.5～13 μm 之物體溫度資訊，在人眼可見光波長範圍之外，而光線是一種電磁波，波長越長、能量越弱，即紅外線的能量比可見光低。而若以照相與攝影技術來看感光特性，光波的能量與感光材料的敏感度為感光的主要因素。但高能量波對物質之穿透力相當強，無法在感光材料上形成反射波使感光材料擷取影像，. 政治大 (賴耿陽，1995)。紅外線攝影術以造影為目標，隨著光電化學科技發展，立. 例如 X 光就需於被照物體的背後取像。因此攝影技術往長波長部分發展. 中、遠紅外線等熱像感應材料，可利用特殊的感應器及冷卻技術，形成. ‧ 國. 學. 電子影像。. ‧. 如今熱影像已做為多元用途，其最早是應用於軍事方面，近年來更. y. Nat. 應用於許多方面，如以熱影像偵測人與車輛 (Gaszczak, 2010)、以熱影像. io. sit. 搜尋火災發生的區域視野，並提供特別的火災事件細節 (Ambrosia, 2003). er. 等研究，皆為應用熱影像於各種領域之中，做為決策與分析的利器。. al. n. v i n Ch 另外，藉由近年來發展迅速之無人飛行載具系統技術，能克服空載 engchi U 或衛載影像受限制之條件，且以低成本、高即時性、高整合性受決策者之青睞，且其高度發展性也備受業界所依賴，對於發展適合各種感測器之載台，無人飛行載具將是一個可列入考慮的選擇 (Patterson, 2005)。本研究即使用無人飛行載具搭載經率定後之熱像儀拍攝熱影像，在熱影像完成空中三角測量後，以一既得之 DSM 將熱影像正射化，以探討建置數值地表溫度模型之可行性。以下共分為五節，在回顧有關熱紅外的基礎理論，以及熱紅外遙測的應用後，接著針對熱影像之內方位率定、無人飛行載具以及建立數值表面模型，描述理論基礎及各項相關研究，各節為於探討本研究之利用工具與實驗計畫，並於最後一節總結文獻回 9.

(19) 顧於後續研究之連結性，以利達成本研究之目的。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 10. i n U. v.

(20) 第一節熱紅外遙感探測熱紅外的遙感探測是指感測器感測波段限於紅外光波段範圍之內，如圖 3，此為狹義的定義，說明獲取的數據來自熱紅外波段；另一種廣義的定義為：利用衛載或空載乃至於手持式感測器收集、記錄地物的熱紅外訊息，並利用這種熱紅外訊息辨別地物和反演地表參數，如溫度、濕度和熱慣量等。. (μ m). 立. wavelength (μ m). 政治大 wavelength (μ m). ‧. ‧ 國. 學. io. er. 電磁波波段. sit. y. Nat. 圖 3. al. n. v i n Ch 化的曲線圖，常溫的地表物體(約 3μm e n g300°K)放射的紅外能量主要在大於 chi U 圖 4 為黑體幅射光譜曲線，為於不同溫度下物體輻射能量隨波長變. 的中遠紅外區，即地表熱輻射。熱輻射不僅與物質溫度的表面狀態有關，物質的內部組成與溫度，對熱輻射也會有影響。在大氣傳輸過程中，地表熱輻射可通過於 3~5 μm 與 8~14 μm 此兩個大氣窗的波段，如圖 5，此為大多數熱感測器設計波長範圍之依據。熱紅外遙感在地表溫度反演、城市熱島效應、森林火災監測、旱災監測、礦物探勘、地熱探勘、於岩溶區探勘水源等領域，皆有很廣的應用前景。另外，熱影像因可提供不同於以往可見光影像的多元資訊，已廣泛應用於建築物環保節能 (劉華嶽，2009)、農業用地灌溉情況、冷暖氣管線或高壓電塔的監測 (Vasel et al., 2008)、發掘水源地 (Sheng et al., 11.

(21) 2010)、調查崩塌地或土石流地區 (李璟芳、張守陽、林志平，2004)、偵測地熱或火山活動 (Schwonke, 2007)以及追蹤衛生掩埋場滲漏水情形等領域。. ‧. 圖 4. 學. ‧ 國. 立. 政治大. 不同溫度下的黑體輻射曲線 (Lillesand et al., 2008). n. er. io. sit. y. Nat. al. 圖 5. Ch. engchi. i n U. v. 大氣窗與各種感測器間波長之關係對照圖 (Lillesand et al., 2008). 12.

(22) 第二節. 率定熱影像. 面陣列熱像儀屬於非量測型相機，而非量測型影像若經適當的率定，仍可得到相當高的相對精度 (Wolf and Dewitt, 2000)。一般非量測型相機拍攝為中心透視投影成像，由相機中心、像平面及物空間符合共線條件關係，以共線條件式表示 (Wolf and Dewitt, 2000)。其中相機中心至像平面成像時，會因為透鏡畸變及焦平面變形，導致光軸偏移，故需要利用數學模式改正，即為相機率定(Camera Calibration)。面陣列熱像儀在取像原理上與傳統框幅式相機 (Frame camera)相似，且面陣列熱影像可經實地率定法的標準程序率定近景熱影像 (Luhmann et al., 2010)，取得熱像儀之. 政治大. 內方位參數，包含：(1)焦距：透鏡與感測器之間的距離。(2)透鏡輻射畸. 立. 變差：因透鏡曲面不均勻引起的光線偏移量，又稱對稱輻射透鏡畸變差。. ‧ 國. 學. (3)像主點位置：相機光軸中心與焦面交會點，理想上應位於電荷藕合元件中心，但實際上可能存在偏移量 (那至中，2010)。. ‧. 非量測型相機率定時，需考慮透鏡畸變差及輻射畸變差，因此研究. sit. y. Nat. 中選用商用軟體 iWitness 來率定熱像儀，該軟體採用附加參數自率光束. al. n. 一、. io. 平差中。. er. 法求解透鏡畸變差參數 (Fraser, 1997)，使率定結果能夠使用於解算空三. Ch. 熱像儀於率定時之限制. engchi. i n U. v. 以 UAV 拍攝之影像須正確的地理對位，但因為低成本之 GNSS 接收器與 IMU 礙於載重限制，其精度不足以直接地理對位其量測作業，故傳統上常選擇空中三角測量求得影像之外方位。熱像儀搭載於 UAV 上可應用於許多不同的領域中，但相較於光學相機，熱像儀具高畸變差、像主點偏移量大等缺點，且熱影像之低空間解析度與低對比度使處理熱影像面臨許多挑戰，加以熱影像多變形與模糊，也有許多捲曲的地物特徵 (Hartmann et al., 2012)，故在熱影像中不利於使用一般率定標來率定。 13.

(23) 二、. 率定熱影像的方法在熱影像中要有足夠的對比，才能使率定點成像於熱影像中，除此之外，設計出的率定場還要能移動，且為了方便率定並控制成本，應不需人工加熱率定點 (Luhmann et al., 2010)。鋁金屬在熱影像中呈現黑色，其可使率定點在影像上呈現黑色，而使用鋁做為率定場，率定場中也應包含一些有高度的、有確定幾何形狀的物徵。另外，同樣因鋁在熱影像中呈現黑色，可於其他自然地物中被明顯辨別，在佈設使用於空三平差之人為控制點時，也可選用鋁質圓形標做為人為控制點，隨著不同研究範圍及 UAV 飛行高度計算地面取樣距離. 政治大有 6 個像元大小立 (Hartmann et al., 2012)。. (Ground Sample Distance, GSD)，需使鋁質圓形人為控制點在熱影像中約. ‧ 國. 學. 幾何改正. ‧. 點位之像空間系統誤差包含透鏡輻射畸變差、透鏡切線畸變差、焦平面上的影像變形、焦平面以上的變形及其他因素 (Fraser, 1997)。在相. y. Nat. sit. 同相機中的變形程度是固定的，因此率定時利用大量多角度的照片，可. io. 得到對幾何及輻射之改正參數。其中，變形量影響最大的是透鏡輻射畸. n. al. er. 三、. i n U. v. 變差，且使用不同率定軟體得到之輻射改正參數亦會不同，故本小節僅. Ch. 討論透鏡輻射畸變差。. engchi. 透鏡輻射畸變差是由於相機鏡頭的形狀，造成光線由透視中心射出時，經過透鏡改變光線前進方向，使成像點沿輻射方向偏離。其改正方式為以像主點為對稱中心，故又稱對稱輻射透鏡畸變差 (陳玉鴛，2012)。輻射畸變差改正公式 (Photometrix, 2011)，如式 1 所示： (1) 其中，r 表輻射距離. ，利用 r 求得輻射畸變. 差後，再依幾何關係計算像點改正量 ,. ，如式 2 所示： (2). 14.

(24) ：對稱輻射畸變差之改正量：對稱輻射畸變差 r：像點至像主點之輻射距離：對稱輻射畸變差係數 x,y：量測所得的像坐標：像主點坐標輻射改正. 治政大 2 列出含熱感測器的衛早期熱像儀多設置於航空或衛星載臺上，表立星名稱、熱像儀取像的波長範圍及其空間解析度。. Nat. 10.4~12.6. Landsat-4 (TM). 10.4~12.5. n. al. Landsat-5 (TM). Landsat-6 (ETM) (發射失敗). Ch. 10.4~12.5. e n g10.4~12.5 chi U. 空間解析度 (m) 240 120. er. Landsat-3 (MSS). ‧. 熱波段之波長範圍 (μm). io. 衛星名稱 (感測器). y. 含熱波段之衛星. sit. 表 2. 學. ‧ 國. 四、. v ni. 120 120. Landsat-7 (ETM). 10.4~12.5. 60. MODIS. 10.8~12.3. 1000. 衛星載臺在掃描前，感測器會先感應標準輻射源，使各波段之數值有共通的標準，稱為載台上之率定 (On-board Calibration) (陳承昌，2005)，但因為載臺漫長的飛行期間，感測器會因為時間而產生精度衰退現象，也難以用其他率定方法而得 (Thome, 2001)。遙測光學影像輻射率定方法一般可分為三種︰（1）建立物理模式； 15.

(25) （2）從已知目標物獲取反射率資訊；（3）直接從不同波段之影像上建立各種目標物之輻射值關係 (Smith and Milton, 1999; Perry et al., 2000)。而熱影像絕對輻射率定在精度要求較高的情況下，須使用實地調查法，相當於從已知目標物獲取輻射資訊，進行熱影像輻射改正。反射法 (Reflectance-based Approach)是實地調查法的一種，其方法為在衛星拍攝到的地表範圍內，圍出網格形的取樣區，取樣區大小需與所要率定感測器之空間解析度一致，接著使用光譜儀 (Spectrometer)在取樣區實地收集地表輻射量，取各處的輻射量平均值計算該取樣區的光譜反射值，以此作為輻射率定衛星影像中，取樣區的輻射資料與反射值之參考 (Thome, 2001)。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 16. i n U. v.

(26) 第三節. 無人飛行載具. 無人飛行載具 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 名詞出現於 1917 年，早期 UAV 之研製及應用範圍主要在軍事用途，如演習時的靶機演進為無人偵察機，之後逐漸演進成軍民通用的多樣化選擇，近年來則廣泛應用於災難監測及航空攝影測量製圖應用上，其發展甚至也結合了近景攝影測量之應用。其與遙控飛機最大的差異在於 UAV 可用來執行特別任務，也可設計不同飛行特性的飛行器來執行任務。隨科技進步，成本降低，各種遙感元件、動力及無線操控設備的不斷問世，民間得採用以遙測、廣告甚至休閒娛樂為目的之無人飛行載具，目前世界各國已發展之各用. 政治大. 途 UAV 類型高達數百種之多 (簡榮興，2010)，而在此平台上所搭載之感. 立. 測器也相當多元，不僅包含光學相機、熱像儀、近紅外相機，甚至是光. ‧ 國. 學. 達感測器、多光譜感測器也可搭載於 UAV 平台。現今 UAV 平台所裝載的導航系統 AHARS (Attitude and Heading Reference System) 可提供三維. ‧. 坐標之位置參數及姿態參數，作為地理對位之用。. sit. y. Nat. 以航空攝影測量的角度而言：(1) UAV 飛行的穩定性可能影響影像的. io. er. 品質；(2) GPS、INS 的定位精度與像機中心間的幾何關係，可能對給定外方位產生一定影響；(3) GPS、INS 的定位精度與導航功能的準確性，. n. al. Ch. i n U. v. 或 UAV 操控系統與人員的準確性，也是影響使用 UAV 空拍的成功關鍵；. engchi. 此外，(4) 機動性與(5) 安全性也必須於選擇載具時完善考量 (謝幸宜， 2011)。在選擇載具時應參考各種 UAV 的優缺點，文獻中由 UAV 的分類敘述其優缺點，而分類 UAV 的方式亦多，以下採操控方式及飛行機制予以分類及敘述其優缺點，並說明 UAV 的航線規劃及控制點佈設方式。. 一、. UAV 操作方式依製作技術層次由簡而繁可分類為遠端操控、自主飛行及半自主飛 17.

(27) 行三種方式，分述如下： (1) 遠端操控：UAV 機體之各種動作，係以操作人員藉無線電波訊號加以操作，其優點在於成本較低，但除操作範圍受無線操控設備之功率限制外，飛行器之尺寸，在千公尺外即難以肉眼判斷飛行姿態，使巡航範圍受限。此問題雖可在 UAV 上加裝視訊設備，以主觀 (First Person View, FPV)方式飛行，但仍受限於國內對民用無線設備功率之限制，通常操控半徑均以數公里為限。 (2) 自主飛行：UAV 於升空後，即能以機體內置之姿態感測器、加速度計、風速計甚至 GPS 等感測裝置，透過微電腦自動控制進行航道飛. 政治大 UAV，在降落時多切換為手動遙控操作，或以捕捉網等附屬設備進立. 行，但由於降落時自動控制難度較高，目前大部分所謂自主飛行之. ‧ 國. 學. 行之。其優點包括航距僅受動力設備之限制可超過數十公里、可在視距外飛行、無須人為操作等等，但其成本高昂，且地形複雜處執. ‧. 行任務時，自主飛行所需考慮之變因較多，自動控制技術難度高等問題，較難克服。. sit. y. Nat. io. er. (3) 半自主飛行：半自主飛行介於遠端操控及自主飛行之間，而以遠端操控為主要飛行控制方式。在 UAV 上加裝感測器等電子設備，使之. n. al. Ch. i n U. v. 能達到自動穩定、鎖定高度、速度甚至位置等功能，除可克服前述. engchi. 距離較遠時控制不易之問題外，更降低了操作人員飛行操作技術之門檻 (簡榮興，2010)，使 UAV 較不受限於操作人員的技巧、經驗與判斷能力，而可完整地蒐集影像等資料，發揮 UAV 系統的最大功效 (Eisenbeiss, 2009)。二、. UAV 飛行特性 UAV 依其飛行特性可分為定翼機 (Fixed wing) 及旋翼機 (Rotary wing) 兩大類，分述如下： (1) 定翼機：定翼機即一般最常見的航空器形式 (見圖 6)，其為人類模仿鳥類飛行所設計出之型態，為自然界中最符合空氣動力學的飛行 18.

(28) 方式，具有耗能小、巡航半徑大等先天優勢，即使在無動力狀況下，也具有相當的滑翔能力，除此之外，尚有飛行過程速度保持一致、取像穩定度較佳、製作容易，成本低廉等優點，而其缺點為必需不斷前進，不能滯留於空中定點拍攝、飛行速度受航向順逆風之影響甚大、降落時須一定的跑道長度或回收機構、體積較大等 (簡榮興， 2010)。因此，若實驗區位於建物密集的都市、地形崎嶇之地區，則下述之旋翼機會是較佳的選擇 (Eisenbeiss, 2009)。. 螺旋槳機頭罩. 方向舵機身垂直安定翼. 前緣. ‧. 襟翼水平安定翼. 後緣. 升降舵. Nat. sit. y. 副翼. 翼端. n. al. er. io 圖 6. 翼根. 學. ‧ 國. 立. 治政大座艙罩. i n U. v. 定翼機飛機構造示意 (圖摘自模型飛機的空氣動力學，2002). Ch. engchi. (2) 旋翼機：旋翼機以直昇機為主要之代表 (見圖 7) 。其優點為可垂直升降不需跑道，不受操作地形限制以及可滯留於空中定點，較適合救援工作及空中巡邏 (趙弘文，2009)，且其具較高的機動性，可隨時改變飛行速度、修正飛行高度；但耗能較大，巡航範圍受限、機械傳動方式複雜維修不易及操作困難、飛行中易因機翼擺動，造成載體產生振動等問題。. 19.

(29) 旋翼旋轉方向. 尾翼. 反作用力矩. 圖 7. 航線規劃與佈設控制點. 政治大的也是飛行計畫最主要的考慮因素。其它的因素包括：(1)攝影範圍、(2) 立. 航線計畫所必須考慮的因素，會因為航攝目的不同而異，而航攝目. 學. 攝影比例尺、(3)攝影機的焦距與像幅大小、(4)前後重疊、以及(5)左右重. ‧ 國. 疊等。一旦這些因素確定後，就可計算整個飛行計畫，以及繪製飛行航. ‧. 線圖 (何維信，2009 )。. sit. y. Nat. 現 UAV 系統已整合 GPS 定位、GPS 導航、軌跡紀錄、甚至具備 INS 導航與自動控制系統，除使 UAV 操控更加容易，機動性提升，更可事先. io. er. 三、. 旋翼式直升機示意 (簡榮興，2010). 規劃航線 (謝幸宜，2011 )。而為了加強航帶間的幾何條件，使空三平差. n. al. Ch. i n U. v. 求解過程趨於穩定，可使用以下方法加強航帶間的幾何條件 (Ackermann,. engchi. 1994 )：(1)相片側向重疊增加為 60%；(2)航帶首尾增加鏈狀高程控制點 (見圖 8)；(3)航帶首尾各增加一條正交航帶 (見圖 9)。三種方法中，方法一需因左右重疊率提高而增加像片數，使空三內業處理工作更加繁重，較不符合經濟效益；而方法二的高程控制點則是需佈設在航帶重疊之處，才能有效控制高程精度，若製圖區不可及將無法使用此方法；方法三可透過正交航帶有較好的幾何條件及較高可靠度，在經濟效益考量之下，一般建議採用方法三作為使用 GPS 空三的標準控制點佈設模式 (Ackermann, 1994)。. 20.

(30) 全控點高程控制點航帶正交航帶. 航帶首尾增加鏈狀高程控制點. 立. 圖 9. 航帶首尾各增加一條正交航帶. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. 圖 8. Ch. engchi. 21. i n U. v.

(31) 第四節. 數值地表模型獲取方法. 數值高程模型 (Digital Elevation Model) 以數值、離散化方式，描述並記錄自然地貌之起伏，其資料內容僅儲存地表裸土之高程資訊，並不包含其上之附加物，如：植被、建物和覆蓋物等；而數值地表模型 (Digital Surface Model, DSM) 則不僅包含地表裸土的高程資訊，同時亦儲存其上附加物之高程資訊，因此能完整呈現區域中，地表面的實際情形 (McGlone et al., 2004)，關於 DEM 與 DSM 之分別如圖 10。至於數值地面模型 (Digital Terrain Model, DTM) 則定義為描述地球表面型態中，多種. 治政大坡度、坡向等；(2)基本地物訊息，如水系、交通網、居民點等；(3)自然立資源和環境訊息，如土壤、植被、地質、氣候、太陽輻射等；(4)社會經訊息空間分布的有序數值陣列，內容主要包括：(1)地貌訊息，如高度、. ‧ 國. 學. 濟訊息，如某地區的人口分布、國民收入等 (周啟鳴等，2006 )。不管是 DTM、DEM、DSM，其均為製圖與分析應用上的重要產品。. ‧. n. al. er. io. sit. y. Nat. DEM 建物. Ch. v ni. 植被. 植被 engchi U. DSM. 原始地表圖 10. DEM 與 DSM 之示意. 在製作正射影像時，因台灣尚無完整的 DSM 資料，故大部分的影像正射處理，仍是利用現有農委會委託農林航空測量所製作的全台 40 公尺解析度的 DTM 進行，但若僅採用 DTM 處理，在局部地區會無法糾正房屋的高差位移 (顏宏宇，2005 )。DSM 是代表地表最外層的物體 (如建築物、植被、覆蓋物等)，故若要正射糾正一般衛星影像或航空像片時，較 22.

(32) 嚴密的方法是採用包含地上物資訊的 DSM 來進行。 DSM 的資料來源主要為地面測量、攝影測量、光達測量及雷達干涉技術，以下分別說明上述獲取 DSM 方法，並敘述其優缺點。一、. 地面測量地面測量是傳統獲得測繪數據的手段，使用全球定位系統 (Global Positioning System, GPS)、全測站、電子平板儀，或經緯儀加上測距儀配合計算機，在已知點位的測站上，觀測目標點的方向、距離和高差三個要素，進而計算出目標點的三維坐標，並輸入電腦做為建立 DSM 的原始. 治政大範圍內的大比例尺地形測圖和地形建模；然而地面測量的方式工作量大，立所花費的人力、物力、金錢、時間皆高，且獲取之資料點數量密度較低，數據 (周啟鳴等，2006)。地面測量可獲取高精度的高程數據，可用於小. ‧ 國. 學. 故一般不適合大規模的數據採集作業。攝影測量. ‧ sit. y. Nat. 攝影測量是利用航空或衛星影像，以像機或感測器記錄地表的可見光資訊，並將如體積、長度、高度、曲率、輪廓等記錄於影像或像片中，. io. er. 二、. 經解算空中三角測量，求得地面點坐標，進而建立 DSM。航空攝影測量. n. al. Ch. i n U. v. 一直是地形圖測繪和更新上，最有效且最主要的手段，其獲取的影像可. engchi. 快速建製大範圍或更新大面積的地形數據。衛星遙感也是快速獲取大範圍 DSM 的另一種有效方法，且近年來發展出高空間解析度的衛星遙測影像，如空間解析度高達 1 公尺的 IKONOS 衛星影像和 0.61 公尺的 QuickBird 衛星影像. (Lillesand et al., 2004 )。攝影測量可用於大範圍至圖，. 且能達到地勢險峻區域，且於地勢明顯變化之區域，如坡度變化及大之處，可收集較高密度的資料，便於在 DSM 中呈現。為其影像品質易受到雲霧等天候因素影響，造成影像部分區域受遮蔽，需另外將被雲霧遮蔽部分消除，可能降低使用影像建製 DSM 之精度。. 23.

(33) 光達測量光達 (Light Detection and Ranging, LiDAR)使用雷射測距原理，紀錄由儀器發射出雷射光射向物體，接著接收自物體反射回來的光訊號，並計算往返的時間而得到儀器與物體之間的距離。光達分為地面光達及空載光達，一般用做測製大範圍地表地物，常使用空載光達作業，由於是置於飛機上操作，故又稱空載雷射掃描 (顏宏宇，2005)，圖 11 為空載光達掃描作業示意圖。. 立. 政治大. 學 ‧. ‧ 國 io. sit. y. Nat. n. al. er. 三、. 圖 11. Ch. engchi. i n U. v. 空載雷射掃描作業示意 (顏宏宇，2005). 空載光達搭配全球定位系統 (Global Positioning System, GPS) 及慣性量測單元 (Inertrial Measurement Unit, IMU)，並歸算各單元之坐標系統至光達坐標系統，便可依空載雷射掃描方式，直接獲取地物精確的三維絕對坐標，其高程精度通常較平面精度高 2 至 5 倍，空載光達的高程精度約有 0.15~0.20 m，水平精度約 0.5 m (Baltsavias, 1999)。. 24.

(34) 雷達干涉技術利用地球資源衛星遙測影像製作 DSM 除了使用可見光波段影像之外，主動式衛星獲取的地面資料也可用來製作 DSM，例如合成孔徑雷達干涉技術 (Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR)。合成孔徑雷達 (Synthetic Aperture Radar, SAR) 具有穿透雲霧之能力與日夜皆可施測的特點，其延伸技術 InSAR 利用不同時間或不同位置的雷達天線，得到兩幅或多幅複述影像，藉由相位值的差異量，以獲取地表的三維資訊。合成孔徑雷達干涉技術簡單的幾何關係表示如圖 12，其中 A1、A2 為獲取地表資訊時天線的空間位置，B 為兩天線間的距離 (基線長)，H 為航高，θ. 治政與 r 的距離差值，α 值為基線與水平線的夾角。大立. 為視角，r 為第一個天線至地面點的距離，δ 為第二天線至地面點的距離. 學. 在雷達干涉的處理技術中，只要確定軌道之參數值：航高、視角、. ‧ 國. 基線及基線與水平線的夾角等資料，配合雷達波長便可計算點位的高程. Nat. io. sit. y. ‧. 值 (謝嘉聲，2006)，進而求得自然地表之 DSM。. n. al. er. 四、. 圖 12. Ch. r +δ. engchi. i n U. v. 雷達干涉幾何示意 (謝嘉聲，2006). 25.

(35) 第五節. 小結. 本章回顧並整理與本研究相關之研究，從探討熱紅外遙感之原理與如何使用 UAV 取得熱影像，到建製研究區之 DSM 方法。由第一節可知熱紅外遙感的原理與特性，以及其相較於可見光影像之優勢；第二節回顧率定熱影像所需須考量到之取像特性，在了解熱感測器取像特質，應能有效規劃本研究之相機率定程序；第三節整理普遍使用之無人飛行載具之功能與特性，以及其航線規劃所需考量之要點，對於本研究選擇飛行載具上有很大的助益；第四節說明 DSM 之意義，並描述建製數值地表模型之方法，並比較其應用範圍及取得之便捷性。. 政治大. 綜合本章所述，實驗以非量測型相機拍攝，須先以不同於可見光之. 立. 方法率定相機後，始得進行空拍任務。實驗選用旋翼機執行空拍任務，. ‧ 國. 學. 可利用旋翼機之起降不須跑道、具較高機動性之特點，於校園範圍內取像。在 UAV 航線規劃方面，將在航帶之外另外規劃兩條正交航帶，提升. ‧. 影像空三平差品質。. sit. y. Nat. 至於正射熱影像所需之數值地表模型，則選用有大範圍點雲資料之. io. al. er. 空載光達建製，空載光達的點雲密度高，建製之 DSM 網格甚密，足以用. n. 於本研究之測區。. Ch. engchi. 26. i n U. v.

(36) 第三章. 實驗設計. 本章主要敘述實驗規劃、資料取得及成果檢核方法，包括實驗區之介紹、相機之率定、使用之儀器與檢核方式。. 第一節. 實驗規劃. 以下分別介紹實驗區相關資訊，包含選擇原因、控制點與檢核點空間分布位置及相機率定設置。實驗區. 立. 政治大. 本研究選定政大於指南溪畔之部分校區，該地區具有高程變化、豐. 學. 富地覆及多種地形環境之特性，預期可於熱影像中，觀察多層溫度表現. ‧ 國. 之地物。實驗區全長約 130 公尺，寬約 50 公尺，總涵蓋面積約為 6,500. ‧. 平方公尺，如圖 13 所示；地面包含草地、裸土、水體及柏油路面，建物. sit. y. Nat. 與橋梁坐落其中，河堤草地為斜坡面。. 由於熱影像中，地物多捲曲與模糊，影像中缺乏明顯物徵點，不易. io. er. 一、. 使用自然地物作為控制點，因此需於實驗區佈設均勻分布之控制點。控. n. al. Ch. i n U. v. 制測量則以即時動態測量 GPS-RTK (Real Time Kinematic)，求得控制點與. engchi. 檢核點之三維坐標。實驗區總共佈設 20 個地面控制點，其中選擇 15 個點作為解算空中三角測量之控制點，其餘 5 個則作為檢核正射熱影像成果之檢核點，而控制點與檢核點之分布及編號如圖 14 所示，相關控制點及檢核點點位資料，詳如附錄一所示。. 27.

(37) 實驗區範圍. 圖 13. 學. ‧ 國. 立. 政治大實驗區範圍. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. 17. e n g c2 h i 1. i n U. v. 19 3 18 20 5 16 4 15 6 10 11 12 7 13 8 14 9. 圖 14. 控制點及檢核點分布 28. 控制點 (15 個) 檢核點 (5 個).

(38) 感測器率定本研究考量近空垂直攝影測量中，UAV 飛行之絕對高度為 100 公尺，，離海平面約 80 公尺，其物距可視為無窮遠，因此於率定熱像儀時，設定焦距至無窮遠處，以獲得較精確之內方位參數，包含焦距、像主點位置、透鏡輻射及離心畸變差等參數。為符合本研究之取像距離近 100 公尺，故選擇可使用較長攝影距離，拍攝率定標影像的攝影測量軟體 iWitness PRO，為本研究之率定軟體，並以實地率定法 (field methods) (Wolf and Dewitt, 2004)率定熱像儀。率定軟體中之率定模板 (見圖 15)之相對位置為已知值，由於熱像儀之呈像不. 政治大. 同於可見光影像，為使率定標於熱影像中清晰可辨認，故率定標材質需. 立. 另外選定。. 學. 文獻回顧中，Hartmann 等學者發現鋁金屬在熱影像中呈現溫度較低，. ‧ 國. 可使率定點在影像上呈現較黑色調，因此，本研究改於白色紙上，貼附. ‧. 相同尺寸之鋁金屬小圈，以製作率定模板，使率定模板的點可相對清晰. y. Nat. 呈像於熱影像中。圖 16 為鋁質率定模板之可見光影像，圖 17 為鋁質率. io. sit. 定模板之熱影像，在熱影像中，使用鋁質部分呈現黑色，率定標的其他部分呈現白色，類似可見光之黑白率定標，以此做為每張影像之率定模. n. al. er. 二、. i n U. v. 板，使用三維率定場解算率定成果，詳見第四章第一節所述。. Ch. engchi. 29.

(39) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 圖 15. iWitness PRO 率定模板. n. er. io. sit. y. Nat. al. 圖 16. Ch. engchi. 鋁質點位率定標可見光影像. i n U. v. 圖 17. 30. 鋁質點位率定標熱影像.

(40) 第二節. 資料取得. 實驗取得資料的方式，係利用無人飛行載具搭載熱像儀，攝取得近空垂直之熱影像，次以地面控制點，解算空中三角測量平差求得外方位元素後，在具備熱影像之內、外方位的條件下，以一已知的數值地表模型正射糾正熱影像，並將正射熱影像與數值地表模型同時展示，成為數值地表溫度模型。以下分別敘述無人飛行載具之航線規劃與取得數值地表模型的方式。無人飛行載具之航線規劃. 政治大之限制，需旋轉熱像儀 90 度，以放置機身，並以 240 × 320 的像幅取像；立在 100 公尺的航高下，每張熱影像之地面涵蓋為 32.34 公尺 × 43.12 公尺。本研究以 SDH260 型號之旋翼機 (規格如表 3)飛臨實驗區，因載台. 學. ‧ 國. 為避免側風影響，且為提升重疊，實驗刻意規劃航帶之前後重疊率 (end lap) 為 80%，左右重疊率 (side lap) 為 50%，基線長為 8.6 公尺，共拍攝. ‧. Nat. SDH 260 無人飛行載具規格. 表 3. n. al. sit. io 參數. y. 8 條航帶，其中 2 條航帶為正交航帶，如圖 18 所示。. er. 一、. 數值. Ch. v ni. 參數. engchi U. 數值. 機身總長. 1650mm. 引擎型號. G260PUH. 高度. 600mm. 齒輪比率. 8:1:5.18. 1780mm. 爬升速度. 4 m/s. 265mm. 最高風速容忍度. 6 級風. 主要羅盤旋轉直徑尾翼羅盤旋轉直徑. 31.

(41) 發動機. 260 gasoline. 接收器. Futuba/JR. 轉速. 9000-13000 rpm. 淨重. 8400 g. 作業溫度. 110°C - 160°C. 主要羅盤轉速. 1350rpm. 飛行最大速度. 25 m/s. 燃料. 汽油. 飛行最大高度. 3700 m. 無載重飛行時間. 80 – 90 mins. 發訊器. 6 channel +. 載重飛行時間治政大. 立 230 mm. 材質. 10 – 12 kg. 總重量. CF. 學. ‧ 國. 起落架長度. 50 – 60 mins. 燃料容量. 550 -1500 ml. ‧. 實體圖. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 32. i n U. v.

(42) 正交航帶. 學. 數值地表模型的來源與建製過程. ‧. 為快速取得高精度且大範圍之數值地表模型，本研究使用 Optech. io. sit. y. Nat. ALTM Pegasus 空載雷射掃描儀所蒐集建製之點雲資料，其規格如表 4。. n. al. er. 二、. ‧ 國. 立. 治政圖 18 航帶配置大. Ch. engchi. 33. i n U. v.

(43) 表 4. Optech ALTM Pegasus 空載雷射掃描儀規格. 參數. 數值. 參數. 數值. 作業範圍. 300 ～ 2500 m. 雷射光波長. 1064 nm. 水平精度. 1/5, 500 × 海拔. 高程精度. <5-15 cm. 發射頻率. 可編程；100～500 kHz 位置和方向系統. 掃描寬度(FOV). 可編程；0 ～ 65°. -10°C to +35°C. 相對溼度. ‧ 國. 收集強度. 可接收 4 個脈衝強度，包括最後一個 (12 bit). ‧. 0.2mrad (1/E). 可編程；0 ～ 140Hz (有效). 學. 0 ～ 95% 非冷凝. io. sit. y. Nat. er. 工作溫度. 220 通道 GNSS 接收系統. 治政掃描頻率大. 立光束發射角. POS AVTMAP50 (OEM) ；. Optech ALTM Pegasus 掃描所得的三維點雲資料，經由 ArcGIS 10.0. n. al. Ch. i n U. v. 處理，原有點雲三維坐標資料係以文字檔方式儲存，讀入 ArcGIS 10.0 後，. engchi. 基於 TIN 三角網是以多種向量方式建立，可由點雲建製得 TIN 三角網，使高程值儲存於 TIN 中，再內插計算成為數值模型的網格 (Raster)，求得數值地表模型。. 34.

(44) 第三節. 控制點佈設. 熱影像成像與光學影像不同，其所記錄的是為溫度資訊，故在選擇控制點位佈設之材質時，需考慮材質與周圍溫度的溫差及大小，是否足以使控制點位成像可為人眼所判釋。熱像儀每個像元大小為 25 微米，焦距為 18.55 公厘，考慮研究之航線規畫，在航高 100 公尺時，每個像元之地面涵蓋範圍為 13 公分 × 13 公分，意即控制點及檢核點之點位，在實地佈設材質於環境時，其材質板大小不能小於 13 公分 × 13 公分。為使點位能於熱影像上成像至少 6 個像元大小 (Luhmann et al., 2010)，以供判釋點位位置及點選控制點，本研究使用 45 公分 × 45 公分. 政治大. 的方形鋁質板，做為熱影像幾何改正之控制點及檢核點，如圖 19。另外，. 立. 為使實地鋪設鋁質板時，鋁質板中心可對齊控制點中心，於鋁質板之對. ‧. ‧ 國. 學. 角線中心穿洞，使佈設控制點之外業作業能快速且準確進行。. n. er. io. sit. y. Nat. al. 穿洞. Ch. 圖 19. engchi. i n U. v. 方形鋁質板可見光影像. 35.

(45) 經過測試，方形鋁質板於熱影像上之成像，已足以使控制點點位清楚呈現，圖 20 為由飛行中拍攝之熱影像，圖中的紅圈處之黑點即為鋁質板，可清楚區分鋁質板與其他地物。. 政治大. 立. ‧. ‧ 國. 學鋁質板實際於測區之成像. n. er. io. al. sit. y. Nat 圖 20. Ch. engchi. 36. i n U. v.

(46) 第四節. 成果檢核. 本實驗以影像工作站 Leica Photogrammetry Suite (LPS)量測熱影像控制點，並執行空中三角測量平差，求得影像外方位元素後，以空載光達點雲建製之 DSM，正射糾正熱影像，建立數值地表溫度模型。因熱影像中的地物特徵不甚明顯，故本研究僅檢核絕對精度。研究中以 GPS-RTK ( real time kinetic Global Positioning System)測得檢核點之 TWD97 平面坐標，再以檢核點之均方根誤差 (Root Mean Square Error, RMSE)及誤差向量圖，提供評估正射熱影像絕對精度之依據。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 37. i n U. v.

(47) 第四章. 研究成果與分析. 本章探討與分析研究成果。使用 UAV 取得之熱影像，僅具平面溫度資訊，藉由本研究建置數值地表溫度模型之過程，使數值地表溫度模型除了有三維坐標外，亦提供第四維之溫度資訊。以下各節分別敘述熱像儀率定成果、DSM 建製成果及正射熱影像成果之檢核，與建置數值地表溫度模型之探討。. 第一節. 熱像儀率定成果. 政治大像主點位置、透鏡畸變差等。實驗中佈設一個三維率定場拍攝率定模板，立. 由 iWitness PRO 率定非量測型相機，可求得內方位參數，包括焦距、. 率定模板共 20 個，這些率定模板必需置放於三個不同的平面及不同垂直. ‧ 國. 學. 高度上。. ‧. 實驗中，為使率定模板上鋁質圓點與其背景紙質兩者之溫度，維持穩定且差異明顯，必需於室外，取得充足陽光照射後，再拍攝取得多張. y. Nat. n. al. er. io. sit. 不同平面及不同垂直高度上之熱影像，如圖 21 所示。. Ch. engchi. 38. i n U. v.

(48) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 圖 21. 率定用影像. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 39. i n U. v.

(49) 本實驗之率定成果如表 5 所示。表 5. FLIR T360 熱像儀率定成果. 參數. 率定成果. 焦距：Focal length c. 18.5552 mm. 像主點：Principal point xo. -0.1717 mm. 像主點：Principal point yo. -0.1227 mm. 透鏡畸變差. 立. 政治大 1.0396×10-3. 輻射畸變差 K2. 2.0960×10-5. 輻射畸變差 K3. -4.8359×10-7. ‧. ‧ 國. 學. 輻射畸變差 K1. er. io. sit. y. Nat. 1.5869×10-4. 離心畸變差 P1. n. al. Ch. 離心畸變差 P2. engchi. i n U. v. -2.6843×10-4. 仿射畸變差 B1. -6.513×10-4. 仿射畸變差 B2. -1.596×10-3. 輻射透鏡畸變差 K3 為影響透鏡輻射變形的係數，仿射畸變差參數 B1、 B2 則為改正影像於行與列兩方向上的切線變形，使改正後影像在行與列方向上的像元尺寸一致。. 40.

(50) 第二節空載光達資料建製 DSM 成果研究中，使用空載光達於 2013 年 9 月 22 日飛行政大校園的資料，並以其前四個回波值之高密度點雲 (每 m2 約 3~5 點)製作數值地表模型。使用 ArcGIS 將點雲資料製成一 Las Dataset，可獲得點雲之資料特性。圖 22 為實驗區點雲展繪，不同高程以不同顏色表示，不僅可清楚分辨不同高程之建物與地物，且可觀察實驗區之剖面地形現況，如圖 23。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 圖 22. i n U. 實驗區點雲展繪. 41. v.

(51) 剖面線. 政治大. 學. ‧ 國. 立. 圖 23. 實驗區剖面地形現況. 除了展繪空載光達四個回波點雲外，亦可濾除非地面點，僅展繪地. ‧. 面點之點雲，如圖 24。. y. Nat. sit. 本研究建製之數值地面溫度模型亦包需顯示建物溫度，故使用四個. n. al. er. io. 回波點雲，並將實驗區點雲裁切先行而出，減少後續的運算時間。. Ch. i n U. v. 在點雲中有許多規則與不規則的高程點，首先產生不規則三角網. engchi. (TIN)，再由內插法產生規則網格 DSM，網格尺寸由程式自行設計成 1.28 m × 1.28 m，成果如圖 25。. 42.

(52) 圖 24. 學. ‧ 國. 立. 政治大地面點之點雲. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 圖 25. i n U. v. 實驗區 DSM. 43.

(53) 第三節. 熱影像近空拍攝成果. 熱像儀搭載於 UAV 之實際情況如圖 26，因 UAV 載台之限制，故熱像儀以旋轉 90 度放置，熱感測器垂直地面拍攝，以 240 × 320 之像幅取像。. 政治大. 學. (a)俯視圖 26. (b)側視. UAV 搭載熱像儀. Nat. sit. y. ‧. ‧ 國. 立. er. io. 在執行熱影像進空拍攝任務時，由於熱像儀按下快門後儲存一張影. al. n. v i n Ch 制，又因拍攝時環境之側風及風向影響，使 e n g c h i UUAV 無法以低於 4 m / s 之速像之時間需時約 3 秒，使 UAV 以一定速度飛行之連續拍攝受到很大的限. 率飛行；惟每張像片之基線為 8.6 公尺，UAV 若以最低速率飛行，在熱影像按下快門後 3 秒取下一張影像時，UAV 已前進 12 公尺，超過兩張影像間之基線長 8.6 公尺，將致各張影像間之前後重疊無法達到 80%甚至無重疊。在考慮以上種種因素後，以 UAV 拍攝熱影像之因應方式及應注意之環境設定整理如下：. (一) 熱像儀取像因受影像儲存時間之限制，若使用單張拍攝之取像方式，將致各影像間重疊率差。為使各張影像間有高重疊率，進而使用每秒具 20 張影像之錄影方式取像，錄影機之像幅為 704 × 408，並以平均 10 m / s 之速率飛行，以抵抗環境側風及不穩定之風向。 44.

(54) (二) 在環境溫度設定方面，雖手動固定溫標方式可使每張熱影像之色調一致，但若於飛行時拍攝到之地物溫度超過設定範圍，將致影像部分點位無資料或地物模糊不清，甚至整張影像無內容，如圖 27 所示，圖 27 (a)之綠色部分即表示溫度已超出設定之範圍，導致綠色部分無法測溫。. 政治大. 立. ‧ 國. 學. (a) 熱影像部分點位無資料. (b) 熱影像中之地物模糊不清. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. (c) 影像無內容圖 27. 熱影像手動固定溫標之取像問題. (三) 考慮本研究最終希望能應用於偵測火山區、溫泉區及地表之溫度，地表溫度乃是於未知情況下取像，故研究中使用自動偵測溫標模式取像，使每張熱影像皆有清楚之地物溫度內涵。 45.

(55) (四) 由於使用自動偵測溫標模式取像，故在影像後處理中，應加入溫度標準化過程，使各張熱影像間有一致之相對溫度。本研究之近空拍攝之熱影像成果如圖 28，使用錄影方式取像後，挑選條件為 UAV 飛行時，各張影像間具高重疊率及三個以上控制點之影像，以這些熱影像做為後續研究之用。接著是像幅處理問題，熱像儀像幅與攝影機像幅並不一致，惟攝影機以同步訊號傳遞方式記錄熱像儀之動態資訊，故錄影機與熱像儀取像之地面涵蓋範圍並無不同，熱像儀資訊僅經過平移及放大訊號，亦即雖攝影機像幅較大，但解析度仍是只有 320 × 240。. 政治大. 圖 29 為拍攝並挑選影像之成果，共挑選可用影像計 36 張，使用影. 立. 像裁切處理，將圖 28 中之影像黑色部分裁切，剩下紅框部分像幅大小為. ‧ 國. 學. 640 × 472，需另於綠框部分填入 640 × 8 的空白像元，並將影像像幅縮小等比例縮小為 320 × 240，以保持熱影像之內方位不變。圖 29 為原始影像，. ‧. 圖 30 為裁切並填入空白像元後之熱影像，將以此 36 張影像行空中三角平差測量。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 46. i n U. v.

(56) 政治大. 圖 28. 學. ‧ 國. 立. 自動測溫近空原始熱影像. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 47. i n U. v.

(57) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 48. i n U. v.

(58) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch 圖 29. engchi. i n U. v. 測區原始熱影像成果. 在圖 29 中，使用自動測溫模式取像，熱像儀在拍攝時感測之溫度因風力、風向、拍攝微傾角等因素，使得每張熱影像上的最高溫及最低溫皆不全相同，故需標準化每張熱影像之溫度，於本章第四節有詳盡介紹。. 49.

(59) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 50. i n U. v.

(60) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 圖 30. i n U. v. 處理後之熱影像. UAV 在飛行時，每 4 秒給出一 GNSS 導航精度之 GPS 值，做為紀錄 UAV 實際飛行之軌跡，以此值可展繪出 UAV 飛行軌跡如圖 31，圖中箭頭處為 UAV 開始紀錄 GPS 值的起點，每一點即為紀錄之 GPS 值。. 51.

(61) 立. 政治大. 圖 31. UAV 飛行軌跡. ‧ 國. 學. 在展繪航帶方面，為使研究中挑選之 36 張影像，其地面涵蓋及重疊. ‧. 率能清楚展示，研究中將 36 張影像的地面涵蓋以空心矩形各自繪出，如. y. Nat. 圖 32，不同顏色框表不同航帶。如此顯示，以錄影方式取像可得高重疊. io. sit. 率之影像，而實驗中原規劃航帶前後重疊率 80 %，左右重疊率 50 %，此. n. al. er. 可符合本研究之航帶規劃目標。. Ch. engchi. 52. i n U. v.

(62) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. v i n C 圖h 32e 每張影像之地面涵蓋 ngchi U. 53.

(63) 第四節. 熱影像相對溫度標準化. 因熱影像在拍攝時，以自動測溫模式取像，使每張影像之溫度範圍皆有所不同，為使獲取之影像具有相對溫度之意義，以達本研究能於數值地型模型上得到連續之熱分佈情形，實驗中加入熱影像溫度標準化，惟標準化後之溫度未經實地測量地物之實際絕對溫度，故僅可得其相對溫度。將地物溫度標準化之過程，在經本研究測試後歸納為兩種方法，一種為使用熱影像之溫標，將每張熱影像溫標歸算至同一溫度範圍內；另一種為分別量測各張熱影像內，其偏高溫及偏低溫之兩種地物溫度後，. 政治大種由細部到整體之標準化過程。立. 個別取兩地物之平均溫度，再以此兩溫度將各張影像溫度標準化，是一. ‧ 國. 學. 熱影像紀錄的是溫度，在影像上以灰階值 (0~255)呈現，灰階值為 0 表示該影像之最低溫，灰階值為 255 表示該影像之最高溫，故以灰階值. ‧. 可反推影像中之地物溫度。以下分別說明影像溫度標準化之兩種方法：使用熱影像溫標行溫度標準化. sit. y. Nat. 一、. n. al. er. io. 熱影像在錄影取像後，可於影像右側得一溫標如圖 33，溫標上之溫. i n U. v. 度顯示該影像之最高溫，溫標下之溫度顯示該影像之最低溫。. Ch. engchi. 圖 33. 熱影像上之溫標. 整理錄影取像之 36 張影像，各張影像中之溫標不全相同，需訂出各 54.

(64) 熱影像欲標準化之溫度。在查看各張熱影像自動測溫之溫標 (見圖 29)後，找出各張影像溫標之最高溫度為 42.4 ℃，最低溫度為 4.6 ℃；將 42.4 ℃ 預設為灰階值 255，4.6 ℃預設為灰階值 0，欲使各張影像中，相同灰階值表示相同溫度，如圖 34 所示，再依式 3 將各張影像溫度標準化。. 標準化溫度範圍 4.6℃ 標準化像灰階值. 0. 42.4℃ Y. A. X. 255. H℃. L℃. 政治大圖 34 依溫標行溫度標準化過程立. 原像灰階值 0. B. 255. X = [(255 – 0) / (42.4 – 4.6)] × (L - 4.6). ‧ 國. 學. Y = [(255 – 0) / (42.4 – 4.6)] × (H - 4.6). ‧. (A – X)：(B - 0) = (A – Y)：(B - 255). y. Nat. er. io. 其中，. sit. A=. al. n. v i n Ch X 表熱影像最低溫對應標準化後之灰階值， engchi U Y 表熱影像最高溫對應標準化後之灰階值， A (After)表各影像標準化後之灰階值， B (Before)表各影像標準化前之灰階值， H 表標準化前該影像的最高溫， L 表標準化其該影像的最低溫。. 55. (3).

(65) 二、. 以地物溫度行溫度標準化在考慮熱影像取像之溫度會受拍攝時之瞬間視場角所影響，利用溫. 標行溫度標準化可能會造成一個地物，在不同影像上出現不同溫度之情形，故實驗中亦利用同一地物在拍攝期間，其溫度不會劇烈變化之特性，發展出以地物溫度行溫度標準化之方法。首先需量測數張影像 (通常為同航帶)中共同出現之偏高溫與偏低溫的兩種地物溫度，如圖 35，該影像與其他同航帶影像中，共同出現之偏高溫與偏低溫地物分別為草地與柏油。. 立. 政治大. ‧ 國. 學. 柏油：偏高溫地物. ‧. 草地：偏低溫地物. 熱影像中偏高溫及偏低溫地物. er. io. sit. y. Nat. 圖 35. al. v i n Ch 測兩地物於各張熱影像上之灰階值，並取一平均灰階值後，以兩地物之 engchi U n. 因熱影像中之灰階值即表示溫度，測得灰階值等於測得溫度，故量. 灰階值做為標準化之依據，且其他航帶之偏高溫及偏低溫地物不需相同，在跨航帶計算時，需以兩張跨航帶影像中共同出現之地物行溫度標準化。此法可由單張影像逐一標準化航帶上之各影像，再擴展至跨航帶影像上，屬於細部到整體之標準化方法。圖 36 說明以地物溫度行溫度標準化之過程，可依式 4 將各張熱影像溫度標準化。. 56.

(66) 偏低溫. 偏高溫地物溫度. L℃ 地物溫度原像灰階值 0. X. B. Y. 標準化像灰階值. X. A. Y. 圖 36. 255. 依地物溫度行溫度標準化過程. - A) = (Y – B)：(. (X - B)：(. H℃. - A). A=. (4). 其中，. 政治大 X 表熱影像上，量測偏低溫地物溫度之灰階值，立. ‧ 國. 學. Y 表熱影像上，量測偏高溫地物溫度之灰階值，. 表多張熱影像上，量測偏低溫地物溫度之平均灰階值，. ‧. 表多張熱影像上，量測偏高溫地物溫度之平均灰階值，. y. Nat. n. al. Ch. engchi. 57. er. io. B (Before)表各影像標準化前之灰階值。. sit. A (After)表各影像標準化後之灰階值，. i n U. v.