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應用數值近景攝影測量技術於大比例地表變異量製圖之研究

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Academic year: 2021

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行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

應用數值近景攝影測量技術於大比例地表變異量製圖之研

研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 : 個別型 計 畫 編 號 : NSC 100-2116-M-151-001- 執 行 期 間 : 100 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日 執 行 單 位 : 國立高雄應用科技大學土木工程系 計 畫 主 持 人 : 謝嘉聲 計畫參與人員: 碩士班研究生-兼任助理人員:黃正龍 大專生-兼任助理人員:賴璟毅 大專生-兼任助理人員:蔡雨純 公 開 資 訊 : 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 101 年 10 月 21 日

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中 文 摘 要 : 臺灣本島地形多山多丘陵且地質條件特殊,如發生颱風、豪 雨與地震,易導致土質鬆軟及裸露地崩塌等現象,當發生天 然災害時,如何在最短時間內重現災區的實景,一直是防 災、救災的重要課題。為獲得災害地區地形變動的數據資 料,可選擇以實地測量、航空攝影測量、高精度的空載或地 面雷射掃瞄儀等技術產生地表三維資訊,但這些方法除須考 慮氣象及環境條件外,也需付出較多的時間及成本;其中近 景攝影測量技術具有非接觸、快速便利及低成本的優勢,適 合相關人員進行特殊地區、小規模災區之三維空間重建。 因此本研究以地面近景攝影測量技術為基礎,選擇不同距 離、不同性質的崩塌區進行實驗測試,嘗試使用輕巧便利的 單眼數位相機,配合近景攝影測量軟體,對實驗區內土石崩 塌區進行資料採樣及計算外,並評估點位成果精度,以提供 後續研究分析及救災規劃參考運用。 中文關鍵詞: 近景攝影測量 崩塌地 三維建模

英 文 摘 要 : Taiwan is an island with many mountains and hills, and her geological condition is very special. The occurrences of typhoons, heavy rains, or earthquakes will easily cause soils to become soft and bare grounds to collapse. After a nature disaster takes place, how to reappear the real scenery of calamitous area in the shortest period is always an important issue for disaster prevention and relief. In order to get the data of terrain variation in calamitous area, we can use the field survey, the photogrammetry, or the aerial or the surficial laser scanner with high precision to generate the three dimensional

information of the surface. Unfortunately, these technologies must not only take meteorological and environment statuses into account but also take a longer computing time and cost. Since the closed-range photogrammetry technology has the advantages of non-contact, fast, convenient, and low cost, people can use it to rebuild the three dimensional models for some special regions and calamitous areas with small scale.

Based on the ground closed-range photogrammetry technology, this thesis performs the experiments on the collapsing regions with different distances and characteristics. The light and convenient single-lens

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reflex (SLR) digital camera and the software of closed-range photogrammetry are used to collect and calculate all the data from the collapsing regions, in addition to evaluate the accuracy of location point. The various deforming data of collapsing regions are calculated to provide the references for the future research and disaster relief planning. 英文關鍵詞: Close-Range Photogrammetry, Collapsed area, 3D

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目錄

目錄

...

I

中文摘要 ... II

英文摘要 ... III

一、前言 ... 1

  1.1 簡介 ... 1  1.2 研究目的 ... 2  1.3 文獻探討 ... 2 

二、研究區介紹 ... 3

 

三、研究方法 ... 5

  3.1 相機率定 ... 5  3.2 現地分析與攝影配置 ... 6  3.3 三維建模 ... 6  3.4 坐標轉換 ... 7 

四、實驗結果 ... 7

  4.1 三維建模成果 ... 7  4.2 成果精度分析 ... 7  4.3 影響建模精度因素分析 ... 8 

五、結論 ... 10

 

六、參考文獻 ... 11

 

七、計畫成果自評 ... 12

 

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摘要

臺灣本島地形多山多丘陵且地質條件特殊,如發生颱風、豪雨與地震,易導致土質鬆 軟及裸露地崩塌等現象,當發生天然災害時,如何在最短時間內重現災區的實景,一直是 防災、救災的重要課題。為獲得災害地區地形變動的數據資料,可選擇以實地測量、航空 攝影測量、高精度的空載或地面雷射掃瞄儀等技術產生地表三維資訊,但這些方法除須考 慮氣象及環境條件外,也需付出較多的時間及成本;其中近景攝影測量技術具有非接觸、 快速便利及低成本的優勢,適合相關人員進行特殊地區、小規模災區之三維空間重建。 因此本研究以地面近景攝影測量技術為基礎,選擇不同距離、不同性質的崩塌區進行 實驗測試,嘗試使用輕巧便利的單眼數位相機,配合近景攝影測量軟體,對實驗區內土石 崩塌區進行資料採樣及計算外,並評估點位成果精度,以提供後續研究分析及救災規劃參 考運用。 關鍵詞:近景攝影測量、崩塌地、三維建模

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Abstract

Taiwan is an island with many mountains and hills, and her geological condition is very special. The occurrences of typhoons, heavy rains, or earthquakes will easily cause soils to become soft and bare grounds to collapse. After a nature disaster takes place, how to reappear the real scenery of calamitous area in the shortest period is always an important issue for disaster prevention and relief. In order to get the data of terrain variation in calamitous area, we can use the field survey, the photogrammetry, or the aerial or the surficial laser scanner with high precision to generate the three dimensional information of the surface. Unfortunately, these technologies must not only take meteorological and environment statuses into account but also take a longer computing time and cost. Since the closed-range photogrammetry technology has the advantages of non-contact, fast, convenient, and low cost, people can use it to rebuild the three dimensional models for some special regions and calamitous areas with small scale.

Based on the ground closed-range photogrammetry technology, this thesis performs the experiments on the collapsing regions with different distances and characteristics. The light and convenient single-lens reflex (SLR) digital camera and the software of closed-range photogrammetry are used to collect and calculate all the data from the collapsing regions, in addition to evaluate the accuracy of location point. The various deforming data of collapsing regions are calculated to provide the references for the future research and disaster relief planning.

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一、前言

2009年8月8日莫拉克颱風挾帶大量雨量侵襲南台灣,引發了山崩、地滑及土石流等嚴 重災害,對高屏地區造成重大的損害。其中下新開部落位於高雄市六龜區新發里境內,境 內有多處土石崩塌,本研究區域內共有三處崩塌區出現,一處在東面位處上游地區,一處 在東北面中游地區,一處在西南處下游地區,分佈面積約在9公頃左右,土石流發生後在較 高階地上的植生多半已被沖刷。這些發生區中以東面上游地區的規模最大,屬於整體土石 流發生之頂端坡體區域。其間並緊接流動區,因此堆積在上方窪地之土石伴隨豪雨所帶來 之水流沖刷向下搬運。 這樣的災害發生通常都很突然,如果即刻要了解災區空間變化情形,除非親至現場勘 察實情,否則很難獲致完整、正確的實際變化量。故本研究的目的是探討如何使用一種機 動性高、便利及低成本的方式,在短時間內取得災後崩塌區的地形三維模型,並探討使用 近景攝影測量技術對大比例地表變異量建模的可行性。

1.1 簡介

傳統測量對大型崩塌地可利用航空攝影進行全區航攝作業,能快速並全面性得到量測 區之地貌資訊,並可將高程資料應用於土石變化量的計算,結合航照圖及數值地形模型製 作三維地形模擬(Tralli, 2005);也可以利用數值地形模型(DEM),製作崩塌地形因子(坡度、 坡向、高程)、地質因子(地質)、及區位因子(土地利用、距水系距離、距道路距離)。但 因航測作業限於時間、天氣及經費等條件,無法隨時滿足使用者需求(蘇苗彬等,1998;陳 俊仰,2007)。 近期由於高精度的地面及空載雷射掃描儀的迅速發展,使用Lidar對崩塌地的研究也逐 步增加,該法利用雷射掃瞄儀在短時間內對崩塌地進行全面掃瞄,機動取得高密度點雲及 高精度的數值地形資料外,並將所獲點雲模型化,形成三維物體空間的向量資料,也可輔 以GPS測量地面控制點,將所獲點位轉至大地坐標系,後製成數值高程模型(郭朗哲,2004; 陳昭旭,2006)。但如遇大範圍崩塌地,地面雷射掃描儀的掃瞄範圍就稍嫌不足,而空載光 達同樣受限於氣候及費用等條件,且資料處理上,仍有因環境狀況而產生「無點雲」的「空 缺」(Voids)及網格高程由「非地面點」所產生「缺陷」(Artifacts)兩大問題必須檢查與矯正, 加上成本、運輸困難性和環境照明等因素的影響,Lidar的使用上仍有關鍵的局限性(劉進金 等,2010;Chandler, 2010)。

因此很多研究使用非量測型數位相機(Non-Metric Digital Camera)探討近景攝影測量技 術於空間量測的可行性,主要是它的通用性和普及性、使用方便、可對任意方向攝影及價 格相對低廉等原因(Luhmann, et al., 2006)。若在時間和成本的限制條件下,使用近景攝影測 量是經濟實惠的選擇。且藉由精度高一等級的全站儀(Total Station)或全球定位系統(GPS)實 測地面控制點坐標值,並於目標物上帶入約制條件,就可得到精度符合要求的成果(吳明陽, 2008)。 但是當拍攝目標物較遠時,測量成果與拍攝距離有明顯的影響,這是使用近景攝影測 量必須考慮的因素。另影響近景攝影測量精度還有相機的性能(包含鏡頭的解析度、率定成

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果好壞、焦距與視角大小)、攝影站的數量、基線(Base-Line)長度、控制點數量與分佈情況、 地面控制點精度、像點觀測精度、攝影景深與兩幅影像的交會角度等影響因素(Remondino et al., 2005)。

1.2 研究目的

為使一般作業人員能簡易的利用一般單眼相機,配合操作較容易的建模軟體,在災後 能快速的獲得崩塌區的變形量,本研究嘗試研究探討拍攝距離超過 1000 公尺的大範圍崩塌 區,並建立作業模式,成功的完成三維建模。並同時配合不同距離、不同崩塌狀況的不同 地形,建置一對照組,討論在不同的拍攝條件下,各項要素對成果精度的影響,提供相關 作業人員參考。

1.3 文獻探討

數位近景攝影測量的發展可以概括為五個不同特徵的時期:基礎階段的早期;初 進入數位階段的逐步發展期;進入數位階段的全面發展時期、穩步研究和加大推廣應 用的深入發展期和新近的成熟期。1964 年~1984 年是數位近景攝影測量早期階段,這 一時期的研究成果主要奠定了數位近景攝影測量的理論基礎,包括影像處理演算法、 誤差理論、CCD 元件的研究及應用、匹配演算法與多張像片的同時處理技術等。 1988 年~1992 年,數位近景攝影測量步入全面發展時期,越來越多的研究者在此 方向進行研究和系統開發,出現了許多成功的應用報導,而且擴大了應用範疇(如工 業測量、生物立體測量、流量測量、汽車碰撞實驗測量和空間探測等)。這一時期顯著 的特點有:(1)在學術研究和商業系統方面,全自動測量系統數量繼續增加;(2)應 用領域及行業大大拓寬;(3)與電腦視覺等其它學科的交流開始變多。 1992 年~1996 年,數位近景攝影測量的研究和開發不再像前一階段那樣不斷出現 新成果和新發現,而是處於更加穩步的發展,業內更多的關注是拓展應用和成型系統 的市場推廣。一系列的會議論文集公開出版,表明數位近景攝影測量技術和研究已趨 於成熟。 從1996年至今,近景攝影測量的研究及應用已步入成熟期。它已能滿足醫學領域 對影像即時性、幾何高精度方面的要求,可用於外科、人體測量學、人類行為動作的 監控測量等。研究的重點從幾何量測精度轉為即時性、全自動化和測量結果的應用延 伸(三維建模與虛擬實境)等。

2009年加拿大Simon Fraser大學的Sturzenegger (Sturzenegger et al.,2001),利用遠距地面 數位攝影測量調查在南非具有多尺度特徵大規模不連續性的Palabora露天礦山,使用一系列 焦距20-400mm的鏡頭,對距離1600公尺礦井拍照,最後產製出立體模型並討論其精確性。

另外還有研究結合航空影像與近景影像建立三維城市模型,2010年馬來西亞的Amat等

人(Amat et al., 2010),利用航空影像所產生DEM為三維視覺化城市的基礎,整合由近景攝 影測量產生小比例尺的建築物三維模型,早期的作法由航空影像像對上從屋頂的樣貌提取 建築物形狀,在區塊模型中,這種作法很難使建築物本身和其屋頂變成視覺化的,雖然後 續可以編修模型的紋理,但以航空攝影的照相角度,是無法讓建物模型上如窗戶等等細節

都變成視覺化。改用此種作法,可以實現真正的三維視覺化城市模型。

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景數位攝影測量的傾斜交會攝影,透過使用空中三角的解法和不同的共軛點分佈和控制點 測量產生的數值高程模型,比對從不同影像中提取同一表面的數值高程模型,藉以評估此 技術的精度(Heng et al., 2010)。並用地面雷射掃描儀比對攝影測量生成的DEM,產生的點 位要有更強的幾何設置來改進精度。此外,他還提出的相機鏡頭模型對大型物件深度是不 完全適當的,雖然如此,攝影測量仍可提供土壤侵蝕研究有用的地形資訊,不過提供的技 術限制是要被適當的考量。 Yakar(2011)利用近景攝影測量技術,量測土耳其特殊的喀斯特窪地地形,並以57幅影 像,使用Photomodeler軟體在一天內完成建模,喀斯特窪地物距約為100~150公尺,模型相 對精度RMS約為0.09m,以此驗證近景攝影測量可靠、快速、準確、安全的特性。 綜觀以上研究的特點,都是利用近景攝影測量技術精度高、具時間及成本的優勢,將 之運用在解決量測目標物大小、形狀與位置的問題。

二、研究區介紹

下新開部落位於高雄市六龜區新發村境內,東連桃源鄉二集團村,西接荖濃村,北臨 寶來村,南毗六龜村。下新開地區地勢呈東高西低,高程由海拔約 293 公尺至 938 公尺之 間,高低差約 645 公尺,地形狀況如圖 1 所示。 圖 1 下新開部落區域地形圖 研究區域現場狀況如圖 2 所示,現場土石堆積之災害範圍略呈扇狀形貌(堆積區域),地 勢由東向西逐漸降低,頗類似沖積扇之沉積與形成,土石來源明顯來自東面地形(發生區域 1)高處岩層之崩塌,扇頂為地形由平坦轉變至陡峭之處,寬度約 21 公尺左右,在北側坡(發 生區域 2)亦有明顯之向西南向崩塌現象,南側坡(發生區域 3)亦有明顯之向西北向崩塌現 象。

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圖 2 下新開部落研究區域正面圖(由西向東攝) 研究區域位處土壠灣斷層以東屬中央山脈地質區,圖 3 為研究區域環境地質圖,其地 層主要包括潮州層(Co)、長枝坑層(Cc)、階地堆積層(t)、冲積層(a)。 其中潮州層屬中新世地層,地層岩性均以板岩或硬頁岩為主;長枝坑層岩性為深灰色 頁岩和淡灰色細粒砂岩交互出現,砂岩緻密堅硬,部分為石灰質,主要成份是亞混濁砂岩, 偶爾可見炭質碎片,在主要河谷兩側常見有晚更新世至全新世的階地堆積層分布,地勢平 坦的沖積平原區則容納了大量由未固結礫石、砂及泥土組成的現代沖積層。故研究區域位 在地質構造較複雜、岩性風化破碎,提供充足的鬆散固體物質使土石流有足夠的材料來源, 可能也是此次土石流災害原因之一。 圖 3 研究區域環境地質圖(改繪至中央地質調查所)

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三、研究方法

近景攝影測量技術用於地物量測並產生數位三維模型已行之有年,特別是近幾年來, 由於高解析度數位相機及電腦等級不斷提升,使影像解析度已由百萬像素級迅速地晉升為 千萬像素級,價格亦日趨平民化。更因影像處理技術的成熟以及相關演算法如影像匹配及 相機率定等技術的發展,使現今的近景攝影測量在地形地物建模的技術,在時間性及整合 性上都較易為一般人接受。 本研究利用一般的單眼數位相機至實驗區內進行拍攝影像,並使用近景攝影軟體 (Photomodeler Scanner)產生三維點雲,此三維資料內插成規則網格,並以正射影像貼上生 成表面紋理,最後分析建模後DEM精度。 本研究利用近景攝影測量的原理及方法計算出正確的三維地表模型,處理的過程包含 相機率定、現地攝影、產生三維模型及坐標轉換等程序。

3.1 相機率定

本研究利用數位單眼相機CANON EOS 450D及EF 35mm F2.0定焦廣角鏡頭進行實驗, 相機與鏡頭之相關規格資訊如表1。 表 1 數位相機與鏡頭性能諸元表 本實驗中相機率定的方法使用軟體專用網格點校正板。拍攝率定網格板必須慎選場地, 且拍攝範圍的空間要足夠,可彈性調整攝影距離。拍攝時依場景條件妥切校調相機基本攝 影模式(光圈、快門等),加上如腳架及快門線等輔助工具,以維持穩定的影像品質。 以相機三個不同的姿態(正常、左傾斜 90 度及右傾斜 90 度)及四個不同的方位,分別對 率定板進行拍攝,再將拍攝的 12 幅影像輸入軟體中自動執行率定,完成後可得內方位參數 值,如表 2。 表 2 內方位參數表 改正數 項目 預設值 改正數 單眼數位相機:CANON 450D 感光元件說明 有效像素: 約 1220 萬像素 感光元件尺寸 22.2 x 14.8mm 影像檔案大小 大:約 4.3MB (4272 × 2848 像素) ISO 感光度 基本模式:ISO 100-800 自動設定 鏡頭:EF 35mm F2.0 定焦廣角鏡頭 焦距:35mm 鏡頭結構:5 組 7 片 口徑比:1:2 聚焦方式:AFD 全組直進式 對角線:63 最短攝影距離:0.25m

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焦距 f 35.890280 mm 0.007 mm 像主點坐標 xp 11.268692 mm 0.007 mm 像主點坐標 yp 7.433010 mm 0.005 mm 輻射畸變差 K1 7.224e-005 1.3e-006 K2 -9.161e-008 7.1e-009 K3 0.000e+000 N/A 離心畸變差 P1 0.000e+000 N/A P2 0.000e+000 N/A

3.2 現地分析與攝影配置

崩塌範圍如圖 4 中黃色斜線部分,面積大小約為 307,851m2,因目標涵蓋範圍廣且縱深 長,選擇至荖濃溪對岸的平坦地區擺設相機站三處,如圖中藍色實心方框所示,崩塌區涵 蓋範圍約如圖中紅色框線三角形區域,攝影站距離目標區最近點約 0.67 km (如圖中紫線距 離),最遠點約 2.1km(如圖中橙線距離)。 圖 4 研究區近景攝影測量配置示意圖

3.3 三維建模

先讀取相機率定後的參數值,進行內方位參數改正後,在像對上標註共軛點,當標註 點位數量足夠時,軟體以共面條件式使所有共軛點投影光線相交,此時完成影像初步相對 定位。 完成影像初步定位後,為提高模型精度仍需進行點位加密作業,每增加標註一組點位, 被關聯的點位附近便出現核線以協助標註共軛點,軟體會以共面式重新計算相對方位參數 值及點位坐標,直到50%的共軛點都達到近似值時,完成影像相對定位。完成相對定位後, 必須檢查點位精度,修正或剔除誤差較大的點位,預期在情況較好的條件下進行整體點位 平差。

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當完成內、外方為處理後,即可利用影像匹配的技術在影像的特徵點產生三維點雲坐 標,不規則三角網格可以適當地表達地形地貌型態,是較常運用在三維建模表面的網格形 式。DSM產生後,即可以三維視圖提供陰影(Shaded)、線構(Wire frame)、點(Dot)及紋理 (Texture)四種模型展示型態,而紋理貼圖為貼上正射影像的三維視覺化模型。

3.4 坐標轉換

Photomodeler是建模軟體,主要目的在完成模型建置,故在坐標轉換部分,僅提供簡易 的轉換模式,名為完全仿射轉換(Full Affine Transformation),即利用三點坐標轉換做為模型 的平移、比例尺和旋轉的替換。作法為在模型上選擇三個分布良好的控制點,先平移的一 個控制點至地面點,再利用第一點與第二點間的距離計算兩者間的比例尺縮放與旋轉角度, 最後再計算三點所構成平面間的旋轉角度,完成座標轉換。

因該方法僅適用於結構固定之模型,對於地面點位間的描述與計算不夠充分,因此本研究 加入七參數三維正形坐標轉換(3-D Conformal Coordinate Transformation)來進行轉換,並比 較兩種絕對定位的精度。

四、實驗結果

4.1 三維建模成果

拍攝的像對組經 Photomodeler 軟體處理後產生一組三維點雲(Point cloud)如圖 5。就視 覺上而言;從三維模型觀察已可有效的展示地形的樣貌,且能配合建模的需求,完成現地 的三維模型建置。 圖 5 研究區三維建模產生點雲圖

4.2 成果精度分析

使用軟體內建的三點坐標轉換模式進行空間坐標計算,選擇 3 個測控點之 A1、A3 及 A4 作為轉換控制點,另一點 A2 則作為檢核之用。最後計算控制點和檢核點的轉換坐標值 及精度如表 3。 表 3 三點坐標轉換點位精度分析表

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點號 量測坐標N 量測坐標E 量測坐標H 產生坐標N 產生坐標E 產生坐標H N誤差 E誤差 H誤差 A1 217197.551 2551053.692 351.690 217196.439 2551053.224 351.371 -1.112 -0.468 -0.319 A3 217101.474 2550981.388 348.400 217101.474 2550981.388 348.400 0.000 0.000 0.000 A4 217111.604 2550936.257 350.880 217111.604 2550936.257 350.880 0.000 0.000 0.000 1.237 0.219 0.102 控制點均方根誤差(RMSE) 0.642 0.270 0.184 總均方根誤差(Total RMSE) 0.720 A2 217220.786 2551023.337 358.124 217218.697 2551023.179 357.930 -2.089 -0.158 -0.194 檢核點均方根誤差(RMSE) 2.089 0.158 0.194 總均方根誤差(Total RMSE) 2.104 由上表可知控制點精度為 0.720m,檢核點精度為 2.104m,若以 1pixels 約為 21cm 計算, 誤差值稍大。為提高精度,將從 Photomodeler 輸出的模型點位坐標,以三維七參數坐標轉 換 (3-D Conformal Coordinate Transformation)取代軟體中三點坐標轉換。經轉換後,精度分 析結果如下表 4。

表 4 七參數轉換點位精度分析表

點號 量測坐標N 量測坐標E 量測坐標H 產生坐標N 產生坐標E 產生坐標H N誤差 E誤差 H誤差

A1 217197.551 2551053.692 351.690 217197.486 2551053.666 351.687 -0.065 -0.026 -0.003 A3 217101.474 2550981.388 348.400 217101.547 2550981.595 348.396 0.073 0.207 -0.004 A4 217111.604 2550936.257 350.880 217111.596 2550936.076 350.887 -0.008 -0.181 0.007 控制點均方根誤差(RMSE) 0.057 0.159 0.006 總均方根誤差(Total RMSE) 0.169 A2 217220.786 2551023.337 358.124 217219.799 2551023.307 358.331 -0.987 -0.030 0.207 檢核點均方根誤差(RMSE) 0.987 0.030 0.207 總均方根誤差(Total RMSE) 1.001 由上表分析得知,控制點精度大幅提升至 0.169m,檢核點精度為 1.001m,整體精度已達預 估範圍值內。

4.3 影響建模精度因素分析

影響近景攝影測量精度的因素有相機的性能(包含鏡頭的解析度、率定成果好壞、焦距 與視角大小)、拍攝的位置及角度(基線與物距比、兩幅影像的交會角度)及控制點精度等, 因此針對這些特性加以分析比對,期能從中尋求建模成功率與精度之間的最佳平衡值,以 縮短繁瑣的建模流程及所需時間。 4.3.1鏡頭焦距與模型精度分析 本項分析為使用2款不同焦距(35mm與18mm)的鏡頭建立單體模型後的精度比較,因 18mm焦距鏡頭屬短焦鏡頭,畸變情況也較為明顯,建模後分析精度如下表5: 表 5 不同焦距鏡頭建模控制點精度表 資訊 鏡頭 焦距 使用 照片 數 點 雲 組 點雲 數量 控制 點數 N- RMSE (m) E- RMSE (m) H- RMSE (m) Tatol RMSE (m) 18mm 2 1 42233 3 0.043 0.032 0.005 0.054

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35mm 2 1 27574 3 0.038 0.037 0.006 0.053 由上表所得資訊分析,二種鏡頭產生的模型控制點精度差異不大,但整體精度還是以 35mm 鏡頭精度較佳。另以 35mm 鏡頭產生的單體模型總均方根誤差約為 5cm,高程精度 可達 cm 以下等級。 4.3.2 攝影交會角度與模型精度分析 取兩組產生相同位置點雲的像對組,分別產生各自的單體模型,以分析攝影交會角度 與精度之間的關係,所得結果如下表 6: 表 6 攝影交會角度與模型精度分析表 在 Photomodeler 軟體中,攝影交會角度為 0 度至 30 度之間為最佳設定值。由上表可知在基 線與物距差異不大時,攝影交會角度較大,模型的精度明顯較高。 4.3.3 基線物距比與模型精度分析 在 Photomodeler 軟體中,將基線物距比設為 0.1 至 0.5 之間為最佳值,而基線物距比大 者,交會角度相對較大,影像匹配時間較長;基線物距比小者,相對攝影交會角小,可於 較短時間完成匹配。在本項的比較中,使用 18mm 焦距鏡頭,以 5 種不同基線與物距的像 對組,分析基線物距比與模型精度的關係,所得結果如下表 7: 表 7 基線物距比與模型精度分析表 資訊 像對組 攝影 交會 角 (°) 攝影 物距 h(m) 攝影 基線 b(m) 基線 物距 比 (b/h) N- RMSE (m) E- RMSE (m) H- RMSE (m) Total RMSE (m) 1 2.25 80.02 12.94 0.163 0.121 0.181 0.071 0.229 2 8.33 98.85 17.73 0.192 0.065 0.072 0.089 0.132 3 16.83 113.45 47.45 0.456 0.070 0.081 0.065 0.125 4 19.74 113.70 55.80 0.574 0.048 0.100 0.051 0.122 5 24.80 113.65 63.95 0.698 0.069 0.034 0.031 0.083 由上表 7 分析得知,基線物距比越大,模型精度越高,另各組模型的高程精度(H)均優於平 面精度(N-E)。 4.3.4 攝影距離(物距)與模型精度分析 以不同基線與物距的二組像對,對相同目標物建立單體模型,此法不會被其他因素影 資訊 像 對 組 攝影 交會 角 (°) 攝影物 距 h(m) 攝影 基線 b(m) 匹配 時間 分秒 N- RMSE (m) E- RMSE (m) H- RMSE (m) Total RMSE (m) CS1-CS2 28.35 89.10 19.56 39'11" 0.088 0.153 0.094 0.200 CS3- CS4 7.82 90.90 18.78 31'58" 0.159 0.119 0.134 0.239

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響成模的精度,僅單純比對物距與精度的關係。以 3 相機站拍攝三幅影像,再分別以近景 攝影測量程序建立二個模型,所得結果如下表 8: 表 8 不同物距與模型精度分析表 資訊 像 對組 點雲 數量 控 制 點 數 平均 物距 h (m) 攝影 交會 角 (°) 基線 物距 比 (b/h) N- RMSE (m) E- RMSE (m) H- RMSE (m) Total RMSE (m) CS1-CS2 40720 3 103.5 4.944 0.207 0.140 0.201 0.118 0.271 CS1-CS3 24661 3 109 9.612 0.299 0.162 0.251 0.121 0.339 由以上表分析可知,攝影物距短者,模型精度越高。 4.3.5攝影站數量與模型精度分析 本項分析以 18mm 鏡頭在不同位置,分別以 2、3 及 4 相機站位,拍攝同一地方的方式, 探討攝影站多寡與模絕對精度的關係,所得結果如下表 9: 表 9 攝影站數量與模型絕對精度分析表 資訊 像 對 組 攝 影 站 數 量 最大 交會 角 (°) 最長 物距 (m) 最長 基線 (m) N- RMSE (m) E- RMSE (m) H- RMSE (m) Total RMSE (m) CS1-CS2 2 8.36 86.71 16.07 0.065 0.072 0.089 0.132 CS1-CS2-CS4 3 14.82 86.71 36.59 0.089 0.029 0.057 0.120 CS1-CS2-CS4- CS3 4 24.61 102.4 57.39 0.014 0.029 0.015 0.036 由上表 9 可明顯看出,當攝影站數增多時,模型的 RMSE 值也隨之降低,但前提為要加入 比原來拍攝交會角度大的攝影站,否則精度不增反減。

五、結論

1. 研究區的 3D 建模的檢核點之 RMSE 值約為 16.9cm,使用近景攝影測量對遠距離崩塌 地三維建模,可提供有效的精度支援。但控制點產生誤差較大的部分在攝影景深處, 且距目標越遠的地方,精度越差;另因控制點位於研究區的下半部,使約制效果無法 延伸至目標上方,模型上半部會有較大誤差的點位產生。 2. 2..基線物距比值在 0.1~0.5 區間範圍及攝影交會角為 30 度以下為軟體成模的理想設定 值。選用攝影交會角度越大的像對組,精度越高;使用攝影交會角小的像對,影像匹 配速度較快,可節省大量作業時間,但精度相對較低。

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3. 3.由各項影響建模因素分析總結,理想的近景攝影測量建模應採用透鏡畸變較小的鏡 頭者、使用較短距離攝影者、攝影交會角較大者、基線物距比值較高者、有精度高與 分布良好的控制點及攝影站數量較多者等條件下,可產生精度較佳的模型。 4. 4.此次作業因研究區拍攝距離較遠、縱深長及通視良好之相機位置取得不易等不利條 件,導致產製的模型於攝影水平方向點位間距過大,點雲過於集中垂直方向,使得在 模型上有多處缺少點位資料的部位,雖不影響崩塌區的計算,但造成視覺效果的缺陷。 解決此問題的方法為提高拍攝的位置及縮短拍攝的距離,未來可運用遙控無人載具 (UAV)掛載高素質的廣角定焦鏡進行拍攝作業,配合地面的控制資料,應可提高模型的 精度及運用層面。

六、參考文獻

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七、計畫成果自評

本研究成功的利用一般型相機拍攝大範圍的新開地區崩塌大範圍的崩塌案例,並探討利 用不同拍攝方法產生的精度差異,可以提供災區快速的建模參考。 臺灣本島地形多山多丘陵且地質條件特殊,當發生天然災害時,如何在最短時間內重現 災區的實景,一直是防災、救災的重要課題。本研究以新開地區的崩塌案例,利用地面近 景攝影測量技術為基礎,選擇不同距離、不同性質的崩塌區進行實驗測試,成功建立大比 例地表之崩塌面積及土方等資料,可提供後續研究分析及救災規劃參考運用。 本研究亦案討不同拍攝方法及距離產生的精度差異,可提供現場人員依需求規劃拍攝模 式,配合不同應用,達成不同精度之產品需求。 後續研究方向為在現場環境條件限制下,如何建置有效的拍攝模式,並探討利用簡易的 拍攝相機,搭配演算法提升成果精度。

(19)

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2012/10/17

國科會補助計畫

計畫名稱: 應用數值近景攝影測量技術於大比例地表變異量製圖之研究 計畫主持人: 謝嘉聲 計畫編號: 100-2116-M-151-001- 學門領域: 測地學和重磁學

無研發成果推廣資料

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100 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人:謝嘉聲 計畫編號: 100-2116-M-151-001-計畫名稱:應用數值近景攝影測量技術於大比例地表變異量製圖之研究 量化 成果項目 實際已達成 數(被接受 或已發表) 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 ( 質 化 說 明:如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等) 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 2 2 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 1 1 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 (本國籍) 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 (外國籍) 專任助理 0 0 100% 人次

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其他成果

(

無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等,請以文字敘述填 列。) 本研究完成利用一般型數位相機進行遠距離、大範圍崩塌地三維之建模,可提 供災區工程人員快速的完成災損地區之最新三維建模,以利進行災害之評估及 救災之規劃。 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 目 計畫成果推廣之參與(閱聽)人數 0

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國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價

值(簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性)

、是否適

合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等,作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

■達成目標

□未達成目標(請說明,以 100 字為限)

□實驗失敗

□因故實驗中斷

□其他原因

說明:

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形:

論文:□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無

專利:□已獲得 □申請中 ■無

技轉:□已技轉 □洽談中 ■無

其他:(以 100 字為限)

本研究成功的利用一般型相機拍攝大範圍的新開地區崩塌大範圍的崩塌案例,並探討利用 不同拍攝方法產生的精度差異,可以提供災區快速的建模參考。

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面,評估研究成果之學術或應用價

值(簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性)(以

500 字為限)

臺灣本島地形多山多丘陵且地質條件特殊,當發生天然災害時,如何在最短時間內重現災 區的實景,一直是防災、救災的重要課題。本研究以新開地區的崩塌案例,利用地面近景 攝影測量技術為基礎,選擇不同距離、不同性質的崩塌區進行實驗測試,成功建立大比例 地表之崩塌面積及土方等資料,可提供後續研究分析及救災規劃參考運用。 本研究亦案討不同拍攝方法及距離產生的精度差異,可提供現場人員依需求規劃拍攝模 式,配合不同應用,達成不同精度之產品需求。 後續研究方向為在現場環境條件限制下,如何建置有效的拍攝模式,並探討利用簡易的拍 攝相機,搭配演算法提升成果精度。

數據

圖 2 下新開部落研究區域正面圖(由西向東攝)  研究區域位處土壠灣斷層以東屬中央山脈地質區,圖 3 為研究區域環境地質圖,其地 層主要包括潮州層(Co)、長枝坑層(Cc)、階地堆積層(t)、冲積層(a)。  其中潮州層屬中新世地層,地層岩性均以板岩或硬頁岩為主;長枝坑層岩性為深灰色 頁岩和淡灰色細粒砂岩交互出現,砂岩緻密堅硬,部分為石灰質,主要成份是亞混濁砂岩, 偶爾可見炭質碎片,在主要河谷兩側常見有晚更新世至全新世的階地堆積層分布,地勢平 坦的沖積平原區則容納了大量由未固結礫石、砂及泥土組成的現代沖積層
表 4 七參數轉換點位精度分析表

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