科技部補助產學合作研究計畫成果精簡報告
以四旋翼UAS酬載可見光和熱感測器取像製作數值表面溫度模型
技術研發
計 畫 類 別 ： 技術及知識應用型 計 畫 編 號 ： MOST 104-2622-E-004-001-CC3 執 行 期 間 ： 104年06月01日至105年11月30日 執 行 單 位 ： 國立政治大學地政學系 計 畫 主 持 人 ： 邱式鴻 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：謝耀震 碩士班研究生-兼任助理人員：詹立丞 大專生-兼任助理人員：陳芊卉 處 理 方 式 ： 1.公開資訊：立即公開 2.「本研究」是否已有嚴重損及公共利益之發現：否 3.「本報告」是否建議提供政府單位施政參考：是，經濟部中央地質調查所、經濟部 環保署能源局、農業委員會水土保持局中 華 民 國 106 年 02 月 28 日
中 文 摘 要 ： 隨著無人航空系統UAS(Unmanned Aircraft System) 快速發展，已 可整合全球定位系統GNSS (Global Navigation Satellite
System)作為導航、定位，更安裝電子式的慣性導航系統，搭配地面 監控系統或晶片執行自動駕駛與取像等功能，於小區域之環境監控 或地質探勘，將能提供更完整的空間資訊。而能夠垂直起降的四旋 翼UAS，機動性更高，若能藉由四旋翼UAS 酬載數位相機和熱感測器 (熱像儀)的方式，準確且快速地蒐集局部區域可見光和熱像資訊 ，再經適當的影像地理定位之後，以熱像搭配可見光影像製作之數 值表面模型(Digital Surface Model, DSM)產製正射鑲嵌熱影像後 ，製作數值表面溫度模型，提供環境監測或地質探勘另一重要之空 間資訊，將可更完整進行空間資訊分析。因此本計畫目標將研究以 四旋翼UAS 分別酬載可見光和熱感測器(熱像儀)航拍取得可見光影 像和熱影像之後，並以四旋翼UAS 上所接收之雙頻GNSS 觀測量經後 處理求高精度飛行軌跡資料輔助可見光影像和熱像的精確定位定向 ，之後製作實驗區的數值表面模型並製作正射糾正鑲嵌熱影像，最 後將DSM 和正射鑲嵌之熱像以數值表面溫度模型呈現，提供另一種 空間資料供相關研究之用。本研究先以政治大學指南溪為實驗區證 實本研究所提方法之可行性，並以陽明山大屯火山群的小油坑實驗 區驗證，成果可供地質相關研究之用。 中 文 關 鍵 詞 ： 關鍵詞：無人航空系統、環境監測、地質探勘、熱感器、正射糾正 、數值表面溫度模型
英 文 摘 要 ： According to Planck‘s law, Blackbody radiation law, each object with a temperature greater than absolute zero emits electromagnetic radiation (EMR). The EMR can be transformed to the spectrum by thermal sensors. This spectrum often reflects changes in object surface temperature, and it can be applied in different fields. With the rapid development of Unmanned Aircraft Systems (UASs), an integrated Global Positioning System (GPS) for navigation and positioning, even together with an electronic inertial navigation system, can be installed on UASs. Therefore, UASs with different sensors will be suitable for environmental monitoring or geological exploration in small area to provide much more complete spatial information. The Quadcopter UASs, by their higher mobility, will be much more suitable to carry digital and thermal sensors for accurately and quickly detecting and collecting both
digital and thermal images in the small area respectively. With the appropriate image georeferencing, it can establish Digital Surface Temperature Model after establishing ortho-rectified thermal images by thermal image together with Digital Surface Model (DSM), and can provide an another important spatial information for environment monitoring or geological exploration. Thus, the spatial analysis will be more comprehensive and complete. In this study, both
a Quadcopter UAS carried thermal and digital optical
sensors. Simultaneously the high-precise flight trajectory will be determined by the post-processing of dual frequency GNSS (Global Navigation Satellite System) observations collected by a GNSS receiver on board and a ground base station. The high precise trajectory will be used to
determine the position and orientation of both thermal and digital images. After that, DSM will be generated and ortho-rectified thermal images will be produced. Finally, these two data will be fused to generate Digital Surface Temperature Model (DSTM). DSTM will be provided for another spatial information for related studies. In this study, the test site was selected in Zin-Nan River near National Cheng Chi University to verify the proposed approach. Then test site in Xiaoyoukeng in Yangmingshan National Park is
performed, the result will be used for geological study in the future.
英 文 關 鍵 詞 ： Unmanned Aircraft System, Environmental monitoring,
Geological exploration, Thermal sensor, Orthorectification, Digital Surface Temperature Model.
1
科技部補助產學合作研究計畫成果精簡報告
計畫名稱：以四旋翼 UAS 酬載可見光和熱感測器取像製作數值表面
溫度模型技術研發
計畫類別：
□ 先導型 □開發型 ■ 技術及知識應用型
計畫編號：MOST 104-2622-E-004-001 -CC3
執行期間： 105 年 6 月 1 日至 106 年 11 月 31 日
執行單位：國立政治大學
計畫主持人：邱式鴻
共同主持人：
計畫參與人員：謝耀震、陳芊卉、詹立丞
研究摘要：隨著無人航空系統 UAS(Unmanned Aircraft System) 快
速 發 展 ， 已 可 整 合 全 球 定 位 系 統 GNSS (Global Navigation
Satellite System)作為導航、定位，更安裝電子式的慣性導航系統，
搭配地面監控系統或晶片執行自動駕駛與取像等功能，於小區域之環
境監控或地質探勘，將能提供更完整的空間資訊。而能夠垂直起降的
四旋翼 UAS，機動性更高，若能藉由四旋翼 UAS 酬載數位相機和熱感
測器(熱像儀)的方式，準確且快速地蒐集局部區域可見光和熱像資訊，
再經適當的影像地理定位之後，以熱像搭配可見光影像製作之數值表
面模型(Digital Surface Model, DSM)產製正射鑲嵌熱影像後，製作
數值表面溫度模型，提供環境監測或地質探勘另一重要之空間資訊，
將可更完整進行空間資訊分析。因此本計畫目標將研究以四旋翼 UAS
分別酬載可見光和熱感測器(熱像儀)航拍取得可見光影像和熱影像
之後，並以四旋翼 UAS 上所接收之雙頻 GNSS 觀測量經後處理求高精
度飛行軌跡資料輔助可見光影像和熱像的精確定位定向，之後製作實
驗區的數值表面模型並製作正射糾正鑲嵌熱影像，最後將 DSM 和正
射鑲嵌之熱像以數值表面溫度模型呈現，提供另一種空間資料供相關
2
研究之用。本研究先以政治大學指南溪為實驗區證實本研究所提方法
之可行性，並以陽明山大屯火山群的小油坑實驗區驗證，成果可供地
質相關研究之用。
人才培育成果說明：碩士畢業生一名。
技術研發成果說明：
1.以高精度 GNSS 觀測量輔助熱像定位定向模式技術。
2.以 UAV 熱像製作數值表面溫度模型。
技術特點說明：
1. 於無法布設密集地控點之區域能以高精度 GNSS 觀測量輔助熱像
定位定向，降低地控點布設及成本。
2. 可直接以熱像直接製作數值表面模型，並直接製作數值表面溫度
模型，不須額外製作數值表面模型，可降將成本。
可利用之產業及可開發之產品：
可利用之產業：能源開發、地質研究、火山地溫監控、環境監測、
太陽能板監測
可開發之產品：地溫監測系統、太陽能板監測系統
推廣及運用的價值：技術成熟後可增加產值約 100 萬、增加附加價
值或營利約 100 萬、增加就業人數約四人(包含
資料處理及儀器操作)。
處理方式：
1.公開方式：
■立即公開
2.本研究是否有嚴重損及公共利益之發現：
■否
□是
3.本報告是否建議提供政府單位參考
□否 ■是，經濟部中央地
質調查所、經濟部環保署能源局、農業委員會水土保持局
（請列舉提供之單位；本部不經審議，依勾選逕予轉送。）
中 華 民 國 105 年 11 月 31 日
3
一、
前言
隨著無人航空系統 UAS(Unmanned Aircraft System) 快速發展，具備高機動 性、安全、及時回覆等特性，可以低成本即時獲取資料，使得其應用範圍日趨廣 泛，且多數 UAS 的飛行高度較一般大型飛機為低，不易因雲層遮蔽而降低資料 蒐集之品質，亦可獲取一般地面人員難以接近之惡劣地形之影像，對特定區域監 測與監控、調查、紀錄而言，具有相當高的應用價值。而目前 UAS 主要分為定 翼機與旋翼機，其中定翼機的飛行穩定性較佳，但必須維持一定的飛行速度以產 生足夠的升力，且起降時需要一定的跑道長度或回收機構，在任務的執行上將受 到環境與空間的限制。而旋翼機的機動性則較高，除了不需跑道可垂直起降，也 可隨時改變飛行速度、修正飛行高度，且具備停懸(hovering)能力，較適合救援工 作、空中巡邏(趙弘文，2009)。若實驗地區較空曠，則定翼式的 UAS 應能提供品 質較佳的影像(黃昭雄等人，2005)，若實驗區位於人口稠密的都會區、山區等地 物複雜、地表起伏變化較大的區域，能夠垂直起降的旋翼機則較合適。此外，目 前 UAS 系統已可整合全球定位系統作為導航、定位之用，部分的 UAS 系統更安 裝了電子式的慣性導航系統，搭配地面監控系統或晶片執行自動駕駛與拍照等功 能，可同時記錄飛行時的 GPS(Global Positioning System)、INS 資訊，若於小區 域之環境監控或地質探勘，可藉由旋翼型 UAS 酬載熱感測器(熱像儀)的方式，準 確且快速地蒐集區域性的熱像資訊，再經適當的熱像地理定位與配合該區之數值 表面模型(Digital SurfaceModel, DSM)製作正射鑲嵌熱影像並以數值表面溫度模 型(Digital Surface Temperature Model, DSTM)方式呈現，將提供環境監測或地質 探勘另一重要之空間資訊，提供更完整的空間資訊進行分析。 目前國內以 UAS 酬載熱像儀進行相關研究者，如廖家翎(2014)研究以 UAS 酬載熱像儀拍攝熱影像，再以空中三角平差求其外方位元素，搭配率定熱像儀得 到內方位元素和空載光達產製出的 DSM，正射糾正空中三角測量熱影像。熱影 像溫度經過標準化之後，再結合 DSM 後，可得一 DSTM。但其所得之地表溫度 乃相對溫度，實用性較低。其 DSM 為空載光達所求得，並非與熱像儀同時取像， 在成本及人力上花費較多。而許翎依(2014)以 VBS-RTK GPS 輔助單旋翼 UAS 熱 影像定位定向之研究中，透過 VBS-RTK 的輔助，大大的降低對地控點的要求， 且即使 GPS 定位精度不佳，其解算空三之精度仍優於未以 GPS 輔助之。但由於 單旋翼穩定性較差，導致熱像儀取像品質較差，其會直接影響空三平差的定位精 度。而國外雖有類似研究，如美國太空總署(NASA) 以 UAS 酬載熱像儀進行森 林大火的災害防治(Ambrosia et al., 2005)；Miraliakbari et al. (2010)的研究中，利 用 UAS 酬載光學相機及熱像儀，光學相機為 Canon EOS 350D，焦距為 70mm、 以航高 500m 取像；而熱像儀 FLIR SC660，焦距為 74mm、以航高 400m 取像。 光學影像及熱像儀皆經相機率定，獲得相機內方位，及鏡頭畸變差。光學影像經 過空三平差處理程序後，可產生地面解析度為 10 公分之正射影像。將光學影像
4
與熱影像之正射影像進行影像融合，便於判釋。而 Hartmann et al. (2012)以八旋 翼 UAS 酬載焦距 13mm FLIR Tau 640 熱像儀以航高 38m 取得熱影像，該研究 中之熱像儀皆經相機率定。將獲取的高重疊熱像經過空三平差處理程序後，可產 生地面解析度為 5 公分之正射影像，產製 DSTM，但其飛行高僅為 38 m，飛航 高度較低，且其試驗區相當小。ŘEHÁK and PAVELKA (2012)使用 UAS 酬載熱 像儀取得(dump)垃圾堆積區域之熱影像，該試驗中僅航拍取得熱影像並未進行任 何處理。Brumana et al. (2013)以多旋翼 UAS 酬載非量測相機 Sony NEX-5N 和熱 像儀 FLIR TAU 640 對進行較大範圍熱影像地理對位的研究中，以嚴密光束法平 差搭配地面控制點，再以人工地理對位的方式在可見光影像或是在熱影像上點選 地控點，在 50 公尺航高下拍攝，精度可以達到 0.8 像元。這對後續其他使用者 的加值處理有著莫大的助益。綜合上述，本研究具體研究目的如下：一、以旋翼 UAS 酬載熱像儀航拍取像並以 GNSS 輔助熱像之光束法空三平差進行熱像定位 定向。二、生成熱像之 DSM，並產製正射糾正鑲嵌熱影像。三、將地表溫度資 料與正射糾正鑲嵌熱影像和熱像產製之 DSM 套疊製作 DSTM 供後續應用。
二、
研究方法
首先於租用多旋翼 UAS(圖 2-1)，酬載 BD970 GNSS OEM board 搭配 ANTCOM GNSS 天線 G5(簡稱 BD970)(圖 2-2)與熱像儀 FLIR Tau 640 (圖 2-3)。
圖 2- 1 本計畫租用之 AI-RIDER YJ-1000-HC 多旋翼 UAS（剛鈺，2015）
5 圖 2- 3FLIR Tau 640 熱像儀 由於熱像儀 FLIR Tau 640 須配合錄影卡以利於航拍時錄製熱像供後續處理。 所以本計畫使用錄像機模組 H.264 MINI DVR：此外，本計畫中亦將使用租用多 旋翼 UAS 上所酬載有 28mm 焦距的 Canon 550D 可見光相機同時航拍取得可見 光影像，協助後續資料處理。 完成感測器酬載之後，研究方法如下：
1) FLIR Tau 640 熱像儀與 Canon550D 可見光相機率定
FLIR Tau 640 熱像儀與 Canon550D 可見光相機為非量測型數位相機，因此 必須先經過幾何率定求得相機參數，相機率定擬採野外率定場法(field method)率 定。計畫使用之熱像儀每個像元尺寸為 17μm，焦距為 25mm，將依照航高，計 算每個像元之地面涵蓋範圍，以及率定用之率定標尺寸，如圖 2-4 即為設計之熱 率定標，約為 60cm × 60cm，之後將設計之率定標均勻布設於具高低差 50m × 50m 的野外率定場中，由多旋翼 UAS 酬載熱感測模組於九個設計之航高位置向率定 場中心錄影之後，選取九張交會幾何良好的熱影像進行幾何率定，並使得率定用 熱影像之像點光線交會角度約介於 70~100 度之間。而率定標之材質時，需考慮 材質與周圍溫度的溫差及大小，必須使點位足以辨識。由於鋁在大氣中對熱輻射 的反射高達 90%，其吸收率較低，因此鋁在熱影像是呈現黑色(Ostermann, 2007)。 因此本計畫中率定標的材質將使用鋁，而率定標中心坐標則是透過「數值法地籍 圖重測作業手冊」所規定之 RTK 辦理圖根測量方法施測之。熱像儀幾何率定時， 將選取九張交會幾何良好的熱影像，於 iWitnessPro 軟體中，量測均勻部設之率 定標的像坐標，執行熱像儀的參數率定。 圖 2- 4 設計之熱率定標
6 可見光影像相機率定方式與檢核方式均與熱像儀率定方法相似。由於本次計 畫以 DVR 錄影記錄熱影像，由於所採用之熱影像設備 Tau640 解析度為 640X480， 故錄影解析度搭配熱影像解析採用 VGA(720 X480)模式，對應之錄影每秒像幅數 為 30，必須把影片中的每個 frame 擷取出來，選取重疊率須滿足 80%的熱影像 供後續處理，航拍取像是以 H.264 MINI DVR 錄影卡錄製熱影像，根據 ITU-R BT.601，取樣的時候長寬的取樣比例不是 1:1，原本的 640 pixels 會乘上 1.1 倍變 為 702 pixels，並在左右各補 8 個無資料像點，因此錄影卡所儲存之片幅大小為 720 pixels 480 pixels。此大小和熱像儀 CCD 大小(640 pixels×480 pixels)不符， 又加上影像左下角留有時間標記也會影響後續處理，必須先進行影像前處理。因 此本研究使用 Photoshop 設定巨集將其裁切和重新取樣進行影像前處理。 2) 選擇試驗區 本計畫為發展結合多旋翼 UAS 可見光影像和熱像資料製作 DSTM 技術供後 續地質相關應用，計畫選擇先以政治大學指南溪為實驗區進行初步測試，再以陽 明山大屯火山群中的小油坑作為實驗區，驗證所提方法之可行性。 3) 航線規劃與控制點布設及測量 航線規劃依據實驗區地形設計航線，因欲以 GNSS 輔助可見光和熱像定位定 向，因此不論可見光或熱像取像時以能涵蓋實驗區為主，另於航帶首尾加飛一條 正交航帶，且影像前後重疊約 80%、側向重疊約 40%；依據航高設計計算可見光 影像和熱像一個像元的地面解析度，及影像尺寸計算每幅可見光影像和熱像地面 涵蓋範圍，並規劃可見光和錄影取像之航向和航點。此外，航帶頭尾布設四個全 控點之外，並設法布設至少五個檢核點。至於控制點之測量方式同樣依據「數值 法地籍圖重測作業手冊」所規定之 RTK 辦理圖根測量方法施測之。 熱像控制標之設計尺寸與材質考量與率定標相同，材質使用鋁。由熱像儀每 個像元尺寸為 17μm，焦距為 25mm，依據設計之航高，計算每個像元之地面涵 蓋範圍，設計控制點實地佈設之最小尺寸。而可見光感測器每個像元尺寸為 6.4 μm，焦距為 28mm，同樣依據航高，及每個像元之地面涵蓋範圍，設計控制點 實地佈設之最小尺寸。 4) 航拍取像與航拍軌跡紀錄
本次計畫航拍時採用 Mini DVR(Mini Digital Video Recorder)錄製擷取熱影像。 原因如前所述，由於本計畫所使用之多旋翼 UAS 酬載有限，該 Mini DVR 透過 SD Card 為儲存媒體搭配 H.264 的影像壓縮格式及每秒像幅數 30fps，可有效減 輕取像設備之重量並獲得高清晰的影像品質。 本計畫於多旋翼 UAS 上酬載 BD970 達成此目的。因此，本計畫擬於實驗區 附近選取一控制點當基站接收雙頻觀測量、並搭配 UAS 上酬載 BD970 所接收的 雙頻觀測量進行後處理解算 GNSS 之精確飛行軌跡供後續使用。因為多旋翼 UAS 飛行速度較定翼 UAS 更慢，因此為滿足實驗需求且 BD970 GNSS 接收模組最多 可達 50 Hz，因此以此裝置即時定位獲得高頻率之移動軌跡，資料接收設定為 (a).GNSS 接收速率為 10 Hz，即每秒接收 10 筆，並接收雙頻載波相位觀測量。 (b).當 GNSS 衛星高程角低於 15 度，容易造成多路徑效應，可在 GNSS 接收前設 定低於 15 度高程角之觀測資料予以刪除。此外基站接收速率搭配 UAS 上酬載 GNSS 接收速率亦設定為 10 Hz。 5) 資料前處理
7 與熱像儀率定作業相同，須將實驗區以 DVR 錄影所記錄之熱像，經過相同 之處理供後續處理。 此外，使用高精度 GNSS 飛行軌跡定位時，其定位頻率為每秒 10 筆，本次 租用多旋翼 UAS 欲穩定取像，以航點上固定錄影取像一定時間，如 2 秒鐘；若 錄影每秒像幅數為 30，則所取每幅影像間以及所獲得的 GNSS 定位成果，須藉 由所記錄的 GNSS 時間與取像時間對應得到對應所擷取熱像曝光時的 GNSS 觀 測量供後續輔助空中三角測量平差使用。可見光影像因取像時記錄取像時間，因 此由所記錄的 GNSS 時間與取像時間對應得到對應的 GNSS 觀測量供後續使用。 6) DSTM 數值表面溫度模型製作 (1) GNSS 輔助影像空中三角測量 以 GNSS 輔助多旋翼 UAS 影像定位定向，不論是可見光或是熱像，首先 面臨的問題為 GNSS 天線相位中心與感測器影中心不重合，若能將 GNSS 天 線安裝於感測器透視中心的垂直方向，給予適當的假設，亦可減少 GNSS 天 線至感測器投影中心偏移量量測不完全的系統誤差(Wolf et al., 2014)。本計 畫研究則是 IMU 中心至透視中心距離觀測方程式(式 2-1)之外，亦將歸算至 IMU GNSS 觀測量和透視中心組成的方程式(見式 2-2)，建立虛擬觀測方程式 解決 GNSS 天線中心與感測器透視中心之偏移量之問題，達到 GNSS 觀測量 輔助空三平差之作用完成影像之定位定向。式中： i i i G G G Y Z X , , 表 GNSS 觀測 量、 i i i L L L Y Z X , , 表透視中心坐標；S、vs、S0、dS:分別表示 GNSS 天線相位中 心至曝光站位置空間偏移量觀測、至曝光站位置空間偏移量觀測值改正數、 至曝光站位置空間偏移量近似值、至曝光站位置空間偏移量增值。 S+vs =S +dS 0 式(2-1) ( )2 ( )2 ( )2 i i i i i i L G L G L G X Y Y Z Z X S = − + − + − 式(2-2) 理論應使用天線中心至熱像儀透視中心組觀測方程式，但考量 UAV 受 陣風影響，機體擺動時此距離並非固定，且使用之 UAV 是以穩定平台酬載 熱像儀，設於 UAV 上的雲台有自動補償的特性，能確保相機不會隨風而晃 動，且所使用之 UAV 其 IMU 位於此穩定平台支架正上方，亦即 IMU 中心 與熱像儀透視中心不會受陣風影響，會穩定位於一垂直線上，因此由此段距 離經鋼尺量測後建立觀測方程式，也將 GNSS 觀測量歸算至 IMU 中心之後， 組成虛擬觀測方程式，進行 GNSS 觀測量輔助影像定位定向之研究。
而上述的影像連結點則是以商用軟體 Pix4Dmapper 自動匹配所得，但為 排除誤匹配點。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(Hartley and Zisserman, 2004)的程式除錯。三焦張量(trifocal tensor)T， 是指可由三張影像中存在之七個影像對應點推估出對應約制關係，稱三焦張 量，並以此來約制三張影像上的對應點。透過此法，在大多數的配置中都是 能克服並找出其誤匹配點。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。 (2) DSM 製作與正射鑲嵌熱影像
完成可見光影像定位定向之後，以 ERDAS Image LPS 模組下的 eATE 功 能設定 DSM 匹配策略與參數自動產生 DSM，適度編修後製作正射鑲嵌熱影 像。製作正射鑲嵌熱影像時，先於 ERDAS Image LPS 模組下的 Ortho
8
Resampling 功能設定網格大小(Output Cell Sizes)，如 0.5m，製作正射熱影像。 之後，於 Mosaic Pro 功能下執行熱影像之正射鑲嵌。 (3) DSTM 數值表面溫度模型製作 將所產製的 DSM 和正射鑲嵌熱影像同時展示在 Arc GIS 上即會自動套 疊，製成數值表面溫度模型。另透過全圖層檢索可以獲得任一點上的資訊； 像是正射鑲嵌熱影像圖層中每點的灰階值表示該點的絕對溫度，而 DSM 圖 層中的灰階值表示該點的高程資訊，又兩圖層已經過精密的地理定位，所以 也可以得到該點的絕對位置。 7) 成果評估 本計畫中將以 RTK GPS 實測地面檢核點，由其 RMSE 評估熱像空三平差以 及正射糾正鑲嵌的精度。
三、
結果與討論
3-1 指南溪試驗區實驗 指南溪試驗區如圖 3-1-1 所示。 圖 3-1- 1 指南溪試驗區 用於指南溪實驗區熱像儀為 FLIR TAU 640，由於儀器本身限制航拍取像是 以 H.264 MINI DVR 錄影卡錄製熱影像，錄影卡所儲存之片幅大小為 720 pixels × 480 pixels。此大小和熱像儀 CCD 大小(640 pixels × 480 pixels)不符，加上影 像左下角留有時間標記也會影響後續處理，必須先進行影像前處理後供後續使 用，之後實驗所用之熱像都會先經過此前處理後再進行後續研究。 本實驗採野外率定場，環拍獲取九張相片，如下圖 3-1-2。再進入 iWitness Pro 軟體中以人工點選的方式量測率定標之位置並計算出相機參數(表 3-1-1)，為檢 核其率定成果是否正確，實地觀測 9 段線段之距離並將其中最長且高低差最大之 線段用來作為設定模型比例尺之用(見圖 3-1- 3 )，其餘 8 段作為檢核，表中之檢 核距離是以全測站量測兩測回之距離取平均而得，而由上表可知每段距離較差值 都在 30 公分以內。若以實驗場設計在航高 60 公尺時，GSD 應為 4 公分，其 RMSE 22 公分，約為 5 像元，此乃熱像之影像品質不佳，導致在人工點選率定9 標方面無法十分精確所造成；因本實驗之成果將用於監測領域之地溫研究，而非 測量製圖，因此此率定結果對於後續應用已足以使用。 圖 3-1- 2 野外率定場所使用的 9 張率定場影像 表 3-1- 1 熱像儀野外率定參數 焦距 24.9698mm 像主點偏移量(x0, y0) (0.2849mm, 0.1316mm) 輻射畸變差 K1 -7.1503e-004 輻射畸變差 K2 6.9475e-005 輻射畸變差 K3 -1.2382e-006 離心畸變差 P1 -1.1397e-004 離心畸變差 P2 2.5136e-005 圖 3-1- 3 實地觀測距離示意圖，紅色線段作為設定模型比例尺之用 Canon EOS 550D 相機 28mm 鏡頭的影像寬是 5184 像元、高是 3456 像元， 像元的寬和高均為 4.3um。率定方式也是採野外率定場率定，率定場同樣設於政 治大學體育館旁的攀岩場附近。將 42 個黑白率定標布設之後，依 iWitness Pro 軟 體操作手冊率定時影像取像要點，拍攝取得率定用 9 張相片，以 iWitness Pro 軟 體進 28mm 鏡頭的全自動率定得像機參數。 指南溪試驗區如圖 3-1-1 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
10 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%，共設計兩航帶如圖 3-1-4.。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 150 公尺時，每個像元之地面涵蓋範圍為 10cm × 10cm，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 60cm × 60cm。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 3-1-4。 圖 3-1- 4 控制點(深藍)與檢核點(淡藍)佈設分佈圖 指南溪實驗區錄像時間為 2015 年 6 月，由錄像中取像結果其地面涵蓋範圍 如，共兩條航帶，85 張熱像。 本研究透過動態後處理解算部分成果其平面精準度約為 1 公分，高程精度約 為 3 公分。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，每隔一定之間格，飛行軌跡便會於一位置盤旋 3~5 秒，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 軌跡與此兩秒內之均值 X、Y 差量約為±3cm，而高程則在±350cm 之 間。 將上述所觀察得來的結果以程式擷取出 85 張影像的 GNSS 觀測量，由於觀 測量為一秒十筆，因此本研究將於兩秒集中之區間中再取最集中之一秒的區間取 十筆資料之平均作為對應該透視中心之 GNSS 觀測量，並求出此十筆觀測量之 標準差，而所有 85 筆觀測量在 X、Y、Z 方向標準標均值為 8 公分、6 公分以及 7 公分，其標準差分別為 6 公分、4 公分以及 6 公分。 如前所述本次計畫以 DVR 錄影記錄熱影像，由於所採用之熱影像設備 Tau640 解析度為 640X480，故錄影解析度搭配熱影像解析採用 VGA(720 X480) 模式，對應之錄影每秒像幅數為 30，必須把影片中的每個 frame 擷取出來，選 取重疊率須滿足 80%的熱影像供後續處理。此外，亦須如熱像儀率定時的處理相 同，將左右留空像元和時間軸標誌(進行處理後得到可後續使用之影像，進行後 續研究。 此外，由前一節所描述之處理，取得熱像對應之 GNSS 觀測量供後續輔助空 中三角測量平差使用。UAV 上之 GNSS 天線中心、IMU 中心、和透視中心關係 如圖 3-1- 5 所示。IMU 中心至熱像儀透視中心的距離為 23.5cm，由此可組一距
11 離觀測方程式；平均後之 GNSS 觀測量歸算至 IMU 中心後和透視中心位置組虛 擬觀測方程式供後續 GNSS 輔助空三平差使用。 圖 3-1- 5 UAV 所搭載之衛星接收天線中心(紅色)與 IMU 中心(綠色)及透視中心 之相對關係 欲製作實驗區 DSTM 數值表面溫度模型需先產製實驗區的 DSM，本實驗用最 後由已知方位之熱像產生搭配 DSM 製作正射糾正鑲嵌影像，之後結合製作 DSTM。整個程序需先以 GNSS 輔助可見光和熱影像定位定向、之後以已知方位 之熱像製作 DSM 以及熱正射影像和製作 DSTM，以下分述研究程序： (1).GNSS 輔助影像空中三角測量 觀測量、控制點虛擬觀測量之外，將增加 IMU 至熱像儀透視中心之偏移量 觀測方程式、並將以歸算至 IMU 中心的 GNSS 觀測量與透視中心的數學函數關 係組一虛擬觀測方程式。透過所有觀測方程式，組成間接觀測平差模式，一併求 解 GNSS 天線中心與感測器透視中心之偏移量、影像外方位參數及連結點物空 間坐標，達到 GNSS 觀測量輔助空三平差之作用，完成影像之定位定向。上述的 影像連結點自動量測與控制點像坐標，商用軟體 Pix4Dmapper 所使用的是類 SIFT 特徵點匹配的方式。使用 Pix4Dmapper 所得到的像點資料，以 RANSAC 執行三 焦張量解算，進行誤匹配點剔除。為評估三焦張量之效益，本研究將使用兩筆資 料作比較，一筆為純粹將 Pix4Dmapper 解算之像點，另一筆為經由三焦張量將誤 匹配點剔除後之像點。將此經由三焦張量除錯之原始資料帶入軟體 ORIMA 進行 空三平差，當該資料完成空三平差解算後，即能假設其無誤匹配點的存在，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。 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。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 果加入探討本研究所發展的 GNSS 觀測量輔助空三平差精度，並與純四點地控 天線 俯視圖 X(機頭方向 19.5cm Y IMU 透視中心 23.5cm 7cm 側視圖 天線 IMU
12 以及、UAV 本身之單頻 GNSS 觀測量(稱 FCS 觀測量)輔助之空三平差成果比較。 空三平差時各觀測量精度設定分別是地控點之 X、Y、Z 方向精度都設為 5 公分； FCS 觀測量(X、Y、Z 方向精度都為 5m)、歸算至 IMU 中心後 GNSS 歸測量(GNSS 觀測量 X、Y、Z 方向精度以其 10 筆觀測量所計算之均值標準差做為精度設定) 輔助，三組空三平差之成果如表 3-1-2 所示。 表 3-1- 2 指南溪實驗區三種空三平差成果比較 方法名 RMSE 純地控 FCS 觀測量輔助 GNSS 觀測量輔助 X(m) 0.20 0.37 0.24 Y(m) 0.37 1.25 0.46 Z(m) 7.83 8.64 0.99 平面精度(m) 0.42 1.30 0.52 由上表 3-1-2 可以看出 GNSS 觀測量輔助空三平差平面精度與純地控差不多， 但高程精度則明顯提升。本研究發展 GNSS 觀測量輔助空三平差結果，平面精度 52cm，高程精度則為 99cm。 (2).DSM 製作與正射鑲嵌熱影像
完成空三平差後，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，網格大小皆為 11 公分。接著，本研究以 2014 年 8 月航拍取像之指南溪可見光影像所產製之 DSM 來做為熱影像 DSM 之 檢核，將兩 DSM 相減(可見光產製 DSM 減熱影像產製之 DSM)得高程較差，見 圖 3-1-6，如此便能進一步分析熱影像產製之 DSM 整體高程的精度。既有立體影 像量測五點地物點(圖 3-1-7)作為檢核正射影像精度檢核。由檢核成果可看出除 了較靠近邊緣的 3 號點以外，其餘檢核點位皆在 2m 以內，平面精度約為 1.61m。 圖 3-1- 6 可見光與熱影像 DSM 相減較差顯示
13 圖 3-1-7 指南溪正射影像檢核點分布圖 (3).數值表面溫度模型製作 將上述(2)步驟所產製的 DSM 和正射鑲嵌熱影像同時展示在 Arc GIS 上即會自動套疊，製成數值表面溫度模型。以滑鼠游標在影像上移 動至想要點選之地點(圖 3-1- 8 左下方之紅點)，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 此以原始灰階值(圖中綠色框)作為其展示結果，如圖 3-1- 8 所示。 圖 3-1- 8 指南溪 DTSM 於 ArcGIS 展示 (紅色框：坐標值；綠色框：以灰階值呈現之各影像記錄之溫度資訊) 上圖中溫度灰階值有些為 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顯示是溫度之灰階值；但有幾張之灰階值明顯 與其他張影像有所差異，此可視為錯誤。
14 3-2 小油坑試驗區實驗 由於篇幅限制，以下僅呈現小油坑實驗區部分成果。本研究後期取得 XM6 熱像儀(見圖 3-2-1)，其特色是解析度高且能輸出溫度資訊。但由於取得時間較晚， 無法進行野外率定的實驗，因此將以近景方式執行熱像儀率定。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 3-2-1，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，其餘 5 段作為檢核之用，距離之較差都在 10 公分內，RMSE 為 5 公分。 圖 3-2- 1 巨哥 XM6 熱像儀 表 3-2-1 巨哥 XM6 經近景率定後相機參數成果 焦距 25.2692 mm 像主點偏移量(x0, y0) (-0.5848mm, -0.2574 mm) 輻射畸變差 K1 -3.6822e-004 輻射畸變差 K2 -5.1707e-006 輻射畸變差 K3 2.4583e-008 離心畸變差 P1 2.321e-004 離心畸變差 P2 3.9637e-004 小油坑實驗區航線規劃乃依據小油坑地形設計，但地形呈現西低東高，因此 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；且由於地形限制和特徵位置的易辨識性，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，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。小油坑實驗區拍攝時間為 2016 年 8 月， 共拍攝 248 張影像，其中選取 145 張做後續之應用，圖 3-2-2 為小油坑實驗區使 用之 145 張熱像地面涵蓋圖。
15 圖 3-2-2 小油坑實驗區使用之 145 張熱像地面涵蓋圖 UAV GNSS PPK 軌跡求解，透過動態後處理解算部分成果，其平面精準度約 為 1 公分，高程精準度約為 3 公分。然 PPK 所求得之 GNSS 觀測量成果為每秒 十筆，但礙於 UAV 所記錄取像時間最小單位為整數秒，因此比照指南溪實驗區 將整秒區間內十筆資料取平均，並取 10 筆資料求均值，得到每張熱像拍照瞬間 對應之 GNSS 觀測量坐標。檢查每 10 筆所求得之標準差相較於指南溪大了很多， 每筆 GNSS 觀測量標準差的分布，在 X、Y、Z 方向標準標均值為 19 公分、 14 公分以及 8 公分，其標準差分別為 17 公分、14 公分、12 公分。有不少熱像對 應之 GNSS 觀測量之各方向標準差都在 50 公分以上。而透過記錄於 UAV 上風 速可知，當天平均之陣風都在 10 到 11 級風左右，相比之下指南溪平均僅約 8 級 風。說明陣風確實會影響定位成果。同樣比照指南溪實驗區，小油坑實驗區將取 得之 GNSS 觀測量化算至 IMU 中心供下一步驟使用。 小油坑實驗區同樣使用三焦張量以 RANSAC 進行誤匹配點剔除時，其相關 參數與閥值設定皆與指南溪實驗區相同，評估三焦張量效益的方式也與指南溪相 同，原始連結點總共有 25,982 筆像點觀測量，直接將其匯入軟體 ORIMA 空三平 差後剩下 20508 筆像點觀測量。而剩下經過三焦張量除錯後剩下 15956 筆觀測 量，和未經三焦張量除錯之像點作比較，其中有 10550 筆像點觀測量是相同的， 因此三焦張量在此實驗區之正確性為 66%。此結果與指南溪實驗區相仿，說明三 焦張量的穩定性。 與指南溪實驗區相同，小油坑實驗區也先以 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除錯後的剩餘像點匯入 IMAGINE Photogrammetry 2015 的外掛平差軟體 ORIMA 再空三平差除錯之後的成果做為 基本資料執行空三平差成果分析。雖由於小油坑試驗區 GNSS 觀測量精度不佳， 因此將上述化算至 IMU 中心的 GNSS 觀測量和前述無誤匹配的像點使用本研究 發展之 GNSS 輔助光束法空三方式執行影像定位定位，得到檢核精度 X、Y、Z
16 方向分別為 2.22 m、2.97m、1.46m；然因兩檢核點位於控制外圍，重新計算三點 檢核精度為 X、Y、Z 方向分別為 1.26m、0.86m、1.22m。此外，亦嘗試進一步 依據 IMU 至透視中心的距離 23.5cm，將 GNSS 觀測量歸算至透視中心，並挑選 X、Y、Z 方向中誤差均小於 0.20m 的 87 筆歸算至 IMU 中心的 GNSS 觀測量誤 差(分布見圖 3-2-3)，設定其中誤差即十筆觀測量均值的標準標設定之輔助空三 平差，而由於控制點是由既有可見光影像立體量測得到，因此地控點的誤差則分 別 X、Y 為 20cm、高程 Z 為 30cm。分別以實驗區外側四點純地控、FCS 觀測量 (X、Y、Z 方向精度都設為 5m)輔助、歸算至透視中心 GNSS 觀測量、以及歸算 至 IMU GNSS 觀測量輔助空三，歸算後 GNSS 觀測量 X、Y、Z 方向精度以其 10 筆觀測量所計算之均值標準差做為精度設定，共四組數據來比較空三平差之成果。 由在控制範圍內三點之檢核成果，見表 3-2-2。由表之成果得知純地控因不受 GNSS 觀測量精度之影響，精度最佳；而歸算至 IMUGNSS 觀測量輔助與歸算至 透視中心 GNSS 觀測量輔助空三成果之平面精度雖不如 FCS 觀測量輔助之成果， 但高程精度卻更佳，且兩者精度相近，證實本實驗所發展之模式之正確性。而後 續 DSM、正射熱像以及 DSTM 成果均以歸算至透視中心 GNSS 觀測量輔助空三 成果製作之。 圖 3-2- 3 十筆觀測量之標準差 X、Y、Z 方向低於 20 公分之 GNSS 觀測量分佈 表 3-2-2 小油坑實驗區三種空三平差三點檢核成果比較 方法名 RMSE 純地控 FCS 觀測量輔 助 歸算至透視中 心 GNSS 觀測 量輔助 歸算至 IMUGNSS 觀 測量輔助 X(m) 0.46 0.91 1.14 1.26 Y(m) 0.33 0.99 1.22 0.86 Z(m) 0.60 4.01 2.00 1.22 平面精度(m) 0.57 1.35 1.67
1.55
空三後的成果繼續軟體生成密點雲接著產製 DSM 以及正射鑲嵌熱影像，17 DSM 以及正射影像之網格大小皆為 14 公分。DSM 檢核方面，本研究以 2012 年 5 月所蒐集之空載光達資料所製成之 DSM 作為檢核基準。同指南溪實驗區，也 是使用 ArcGis 中的網格分析工具 Minus，將空載光達 DSM 和熱像產製之 DSM 相減，結果顯示於小油坑核心區域熱像 DSM 較光達 DSM 來的高，較差約在 1m 到負 3m 間；而實驗區外圍則是熱像 DSM 較光達 DSM 低，較差約在 1m 至 5m 以上。而核心區域與外圍之交界淡黃色區域所在之範圍，可看出熱像 DSM 呈現 內高外低的變化，用於檢核之空載光達 DSM 為四年前的資料，且實驗區外圍草 木叢生，或許由此推測四年前的植物長的較 2016 年來的高。而有許多地方呈現 色彩交雜，即高差變化大，推測是熱像 DSM 成果未經過平滑化有關，±1m 佔整 體實驗區的 10.54%，而±3m 間的佔 38.54%。雖然整體實驗區高程較差大；但不 易變動區域的路面，較差則是在±1m 間。 小油坑實驗區正射熱像成果如下圖 3-2-4，其檢核方式利用既有可見光影像 立體觀測量測五點做為檢核點檢核結果顯示位置較差都在 50 至 70 公分左右，正 射熱像平面精度約為 61 公分。 圖 3-2-4 小油坑正射影像檢核點分佈 經由 DSM 所生成之正射熱影像，最後將所有成果皆匯入至 Arc GIS 作套疊 展示，其成果如圖 3-2-5 所示，以滑鼠游標點擊影像上任一處(圖中紅點)，即能 顯示其坐標(圖中紅色框)以及溫度資訊(圖中綠色框)。 圖 3-2-5 小油坑的 DTSM 於 ArcGIS 展示(紅色：三維坐標，綠色：溫度)
18
四、
結論與建議
熱像儀進行環境偵測，能得到一般可見光感測器無法獲取的資料。本計畫目 標將研究以四旋翼 UAS 分別酬載可見光和熱感測器(熱像儀)航拍取得可見光影 像和熱影像之後，並以四旋翼 UAS 上所接收之雙頻 GNSS 觀測量經後處理求高 精度飛行軌跡資料輔助可見光影像和熱像的精確定位定向，之後以可見光影像製 作實驗區的數值表面模型並搭配 GNSS 輔助定位定向之後的熱像製作正射糾正 鑲嵌熱影像，最後將 DSM 和正射鑲嵌之熱像以數值表面溫度模型呈現，提供另 一種空間資料供相關研究之用。本研究先以政治大學指南溪為實驗區證實本研究 所提方法之可行性，並以陽明山大屯火山群的小油坑實驗區驗證，成果可供地質 相關研究之用。本研究以四旋翼 UAS 酬載熱像儀得到局部區域高解析度之地面 熱資訊以作為後續需要地溫研究之背景資料使用。而一般地溫研究區，不易佈設 控制點，因此本研究除於無人機上酬載熱像感測器模組之外，並將同時搭載 Trimble BD970 GNSS OEM 接收模組，嘗試以少量地面控制點、以及 GNSS 動態 後處理的方式取得取像時對應的 GNSS 觀測量輔助熱像定位定向，並製作高地 面解析度的數值溫度表面模型(DTSM)，供後續地溫研究使用。本研究中直接以 熱像製作的 DSM 和正射糾正鑲嵌熱影像，製作高地面解析度的數值溫度表面模 型(DTSM)，並未以可見光影像製作實驗區的數值表面模型、僅於指南溪實驗區 用可見光影像製作實驗區的數值表面模型檢核熱像製作的 DSM，且使用 GNSS 輔助空三平差時並未於航帶首尾加飛一條正交航帶，然透過本研究仍獲得下列結 論與建議。 一般地溫研究區，不易佈設控制點，因此本研究除於無人機上酬載熱像儀之 外，並將搭載 Trimble BD970 GNSS OEM 接收模組，嘗試以少量地面控制點、以 及 GNSS 動態後處理的方式取得取像時對應的 GNSS 觀測量輔助熱像定位定向。 本研究中針對國立政治大學旁的指南溪實驗區與陽明山國家公園的小油坑實驗 區，使用 AI-RIDER YJ-1000-HC 四旋翼 UAS 分別酬載熱像儀 FLIR Tau 640 和巨 哥 XM6，並且同時搭載 Trimble BD970 GNSS OEM 接收模組、以及 GNSS 動態 後處理的方式取得取像時對應的 GNSS 觀測量搭配少量地面控制點輔助熱像定 位定向，過程中透過三焦張量剔除自動匹配之誤匹配連結點。實驗結果顯示，以 本計畫所提之 GNSS 輔助空三模式能達到提升空三精度，指南溪實驗區平面精 度為 52cm，高程精度為 99cm。但小岩坑實驗區因受陣風影響，GNSS 觀測量精 度不佳，取其中較佳的 GNSS 輔助透過 IMU 資料歸算至透視中心後，執行 GNSS 輔助定位定向平面精度為 1.67m，高程精度為 2.00 公分；兩實驗區所產製之 DSM 於不易變動區域精度經現有資料檢核均在±1m，而指南溪實驗區產製出地面解析 度 11 公分的數值表面模型(Digital Surface Model, DSM)與正射熱像，且正射熱像 平面精度約 1.61m；小油坑實驗區產製出地面解析度 14 公分之 DSM 與正射熱 像，正射熱像平面精度則為 67cm，雖然 DSM 和正射熱像精度無法符合一般常規 的 測 量 規 範 ， 推 論 這 是 由 於 本 研 究 所 用 之 生 成 方 式 乃 是 使 用 IMAGINE19
Photogrammetry 的 eATE 模組，其匹配方式為 NCC 匹配，該方法只有兩條光束 交會且兩重疊 80%相鄰影像之交會角約為 3 度，因此交會之高程精度較差。但成 果仍然可以證明熱像直接產製 DSM 以及正射熱像之可行性，兩實驗區最後皆生 成數值溫度表面模型(Digital Surface Temparature Model, DSTM)，顯示本研究所 提方法之可行性，所生成之成果可供後續地溫研究使用。但由本研究之成果足以 證明熱影像直接產製 DSM 以及正射影像之可行性。雖然其精度無法符合一般常 規的測量規範；但若使用在環境監測方面，是可以明顯且合理的表現出一區域的 整體溫度趨勢，這也達到本研究最初所預期的目標。 本研究建議有四點，(一)、三焦張量於兩實驗區正確率約 67%，在本研究顯 示其確實能將大部分之誤匹配點剔除，但由於本研究只考慮連續編號之三張影像 的關係，而相鄰航帶的相鄰影像間與非相鄰但重疊率足夠之影像的關係並未考慮。 後續若能將此因素考慮進來應能更有效提高三焦張量剔除誤匹配點的能力，使其 準確率提升。(二)、由於本實驗取像時間之最小單位僅至整數秒，後續整個實驗 結果皆受到其影響，因此若能配合 GNSS 觀測量的擷取頻率，將取像記錄時間最 小單位也與 GNSS 觀測量記錄的時間最小單位一致，相信能精確取的取像時對 應的 GNSS 觀測量。(三)、本研究所發展之 GNSS 輔助光束法平差模式雖可行， 但模式中虛擬觀測方程式僅用 10 筆 GNSS 觀測量均值的三方向之標準差的平方 和倒數給權，如何適當給權，應當進一步探討。(四)、本研究之溫度資訊僅展示 最原始影像上的灰階值或是有記錄原始溫度資訊的溫度值，並未對其進行校正， 而用 XM6 熱像儀所產製之 DTSM 所表示之溫度值乃熱像儀接收熱輻射後以預 設參數轉換成攝氏溫度表示，該用何種變數以及如何設定變數之數值已超出本研 究之範疇，尚待後續研究。若能更精確地校正至地表真正溫度，其後續應用性將 會大大的提升。
五、
參考文獻
剛鈺，2015，http://www.ai-rider.com/，網頁截取日期 2015 年 2 月 4 日。 許翎依，2014，以 VBS-RTK GPS 輔助單旋翼 UAS 熱影像定位定向之研究，政 治大學地政系碩士論文。 趙弘文，2009，「無人旋翼機自動駕駛系統之研發」，國立成功大學航空太空工 程研究所碩士論文：台南。 黃昭雄、徐逸祥、朱子豪，2005，「無人載具(UAV)應用於海岸濱線追蹤調查 以鹽寮福隆沙灘為例」。論文發表於〈2005 年台灣地理資訊學會年會暨學 術研討會〉，逢甲大學：台中，民國 94 年 10 月 27 日至 94 年 10 月 28 日。 廖家翎，2014，熱影像建製數值地表溫度模型之研究，政治大學地政系碩士論 文。Ambrosia1, V.G., S.S. Wegener, J.A. Brass, E. Hinkley, 2005, Use of Unmanned Aerial Vehicles for Fire Detection, Proceedings of the 5th International
20
Workshop on Remote Sensing and GIS Applications to Forest Fire Management: Fire Effects Assessment: 9-17 Universidad de Zaragoza. ISBN: 84-96214-52-4. Blankenberg, L. E., 1992, “GPS supported aerial triangulation - state of the art”,
Photogrammetry Journal of Finland, 13(1): 4-16.
Fischler, Martin A., Bolles, Robert C., 1981, Random sample consensus: a paradigm for model fitting with applications to image analysis and automated cartography, Communications of the ACM, Volume 24 Issue 6, June 1981 ,pp. 381-395. Hartley, R., Zisserman, A., 2004,“Multiple View Geometry in Computer Vision”, 2nd
edition, the United States of America by Cambridge University Press, New York. Hartmann ,W., Tilch , S., Eisenbeiss H., Schindler K.,2012. Determination of the UAV
position by automatic processing of thermal images, the XXII International Society for Photogrammetry & Remote Sensing , Australia.
Miraliakbari, A., Hahn, M., Arefi, H., Engels, J., 2010, DEVELOPMENT OF A LOW–COST SENSOR SYSTEM FOR USE ON GYROCOPTERS,
International Society of Photogrammetry and Remote Sensing,Commission I, Calgay- Canada 2010.
Ostermann, F., 2007. Anwendungstechnologie Aluminium.Springer, Berlin, chapter Physikalische Eigenschaften, pp. 221–226.
ŘEHÁK, M., PAVELKA ,K., 2012，Using of uav for photogrammetry and thermal imaging, The 33nd Asian Conference on Remote Sensing, ACRS2012, CD-Proceedings, November, 2012, Pattaya, Thailand.
Wolf, P. R., Dewitt B. A. and Wilkinson B.E., 2014: Elements of Photogrammetry with Applications in GIS, Fourth edition, Taipei: The McGraw-Hill.
科技部補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2017/02/19科技部補助計畫
計畫名稱: 以四旋翼UAS酬載可見光和熱感測器取像製作數值表面溫度模型技術研發 計畫主持人: 邱式鴻 計畫編號: 104-2622-E-004-001-CC3 學門領域: 測量製圖無研發成果推廣資料
104年度專題研究計畫成果彙整表
計畫主持人：邱式鴻 計畫編號：104-2622-E-004-001-CC3 計畫名稱：以四旋翼UAS酬載可見光和熱感測器取像製作數值表面溫度模型技術研發 成果項目 量化 單位 質化 （說明：各成果項目請附佐證資料或細 項說明，如期刊名稱、年份、卷期、起 訖頁數、證號...等） 國 內 學術性論文 期刊論文 0 篇 研討會論文 1 第35屆測量及空間資訊研討會暨國土測 繪成果發表會「第三十五屆測量及空間 資訊研討會暨國土測繪成果發表會」 ，105 年8 月25 日至26 日於國立政治 大學。 專書 0 本 專書論文 1 章 以四旋翼UAS酬載熱感測器製作數值表面 溫度模型供地溫研究，國立政治大學地 政學系碩士論文，研究生：謝耀震；指 導教授：邱式鴻；中華民國一百零六年 一月 技術報告 0 篇 其他 0 篇 智慧財產權 及成果 專利權 發明專利 申請中 0 件 已獲得 0 新型/設計專利 0 商標權 0 營業秘密 0 積體電路電路布局權 0 著作權 0 品種權 0 其他 0 技術移轉 件數 0 件 收入 0 千元 國 外 學術性論文 期刊論文 1 篇預計以Preliminary Study of UAS with Thermal Sensor for Volcanic
Geothermal Monitoring in Taiwan，投 稿 “Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences”外文期刊
研討會論文 1 ACRS 2015: The 36th Asian Conference on Remote Sensing
專書 0 本
專書論文 0 章
其他 0 篇 智慧財產權 及成果 專利權 發明專利 申請中 0 件 已獲得 0 新型/設計專利 0 商標權 0 營業秘密 0 積體電路電路布局權 0 著作權 0 品種權 0 其他 0 技術移轉 件數 0 件 收入 0 千元 參 與 計 畫 人 力 本國籍 大專生 1 人次 碩士生 2 博士生 0 博士後研究員 0 專任助理 0 非本國籍 大專生 0 碩士生 0 博士生 0 博士後研究員 0 專任助理 0 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。）
1.To develop UAS to acquire thermal images for volcanic geothermal monitoring.
2.To collect precise flying trajectory for locating the collected thermal images.
3.To produce the thermal orthoimage for volcanic geothermal monitoring more globally in the future
本產學合作計畫研發成果及績效達成情形自評表
成果項目 本產學合作計畫預估研究成果及績效指標 （作為本計畫後續管考之參據） 計畫達成情形 技術移轉 預計技轉授權 1 項 完成技轉授權 1 項 專利 國內 預估 1 件 提出申請 0 件，獲得 0 件 國外 預估 1 件 提出申請 0 件，獲得 0 件 人才培育 博士 1 人，畢業任職於業界 1 人 博士 0 人，畢業任職於業界 0 人 碩士 1 人，畢業任職於業界 1 人 碩士 1 人，畢業任職於業界 0 人 其他 1 人，畢業任職於業界 1 人 其他 1 人，畢業任職於業界 0 人 論文著作 國內 期刊論文 1 件 發表期刊論文 1 件 研討會論文 1 件 發表研討會論文 1 件 SCI論文 1 件 發表SCI論文 0 件 專書 1 件 完成專書 0 件 技術報告 1 件 完成技術報告 1 件 國外 期刊論文 1 件 發表期刊論文 0 件 學術論文 1 件 發表學術論文 0 件 研討會論文 1 件 發表研討會論文 1 件 SCI/SSCI論文 1 件 發表SCI/SSCI論文 0 件 專書 1 件 完成專書 0 件 技術報告 1 件 完成技術報告 0 件 其他協助產業發展 之具體績效 新公司或衍生公司 1 家 設立新公司或衍生公司(名稱)： 計畫產出成果簡述 ：請以文字敘述計 畫非量化產出之技 術應用具體效益。 （限600字以內） 本研究擬以四旋翼UAS酬載熱感測器得到局部區域高解析度之地面熱資訊以便作為 地溫研究之背景資料使用。而一般地溫研究區，不易佈設控制點，因此本研究除 於無人機上酬載熱感測器模組之外，並將搭載Trimble BD970 GNSS OEM接收模組 ，嘗試以少量地面控制點、以及GNSS動態後處理的方式取得取像時對應的GNSS觀 測量輔助熱像定位定向。因此本研究中針對國立政治大學旁的指南溪局部地區與 陽明山國家公園裡的小油坑兩實驗區域，使用AI-RIDER YJ-1000-HC四旋翼UAS分 別酬載熱像感測器模組FLIR Tau 640和巨哥XM6，並且同時搭載Trimble BD970 GNSS OEM接收模組以少量地面控制點、以及GNSS動態後處理的方式取得取像時對 應的GNSS觀測量輔助熱UAV影像定位定向，其中過程中透過三焦張量剔除自動匹配 之誤匹配連結點。實驗結果顯示，指南溪實驗區產製出地面解析度11公分的數值 表面模型(Digital Surface Model, DSM)與正射影熱像解析度皆為11公分，且正 射糾正熱影像平面精度達為47公分。；而小油坑實驗區產製出地面解析度16公分 之DSM與正射熱影像解析度皆為16公分，正射糾正熱影像平面精度則為67公分，兩 實驗區最後皆生成數值溫度表面模型(DTSM)，。結果兩試驗區產製DSM於不易變動 區域均在±1公尺，所產製之正射熱像精度分別是47公分與67公分，雖無法符合一 般常規的測量規範，但成果仍然可以證明熱像直接產製DSM以及正射熱像之可行性，兩實驗區最後皆生成數值溫度表面模型(Digital Surface Temparature Model, DSTM)，顯示本研究所提方法之可行性，所生成之成果可供後續地溫研究使用。
