中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學 碩 士 論 文

空照機場跑道影像辨識系統

The Recognition System for Aerial Images of Runway

系 所 別：機械工程學系碩士班 學號姓名：E09608011 王 明 暉

指導教授：邱 奕 契 博士

中 華 民 國 九十九 年 八 月

摘要

中共不斷提升國防現代化指標，擴張武裝力量，致力對台軍事部署，強調「遠 戰速勝，首戰決勝」，以達成快速奪佔台灣本島之軍事實力，而全台各個軍用機 場，戰時也是共軍為爭奪台海制空權傾力攻擊的戰略目標。我國面對中共強敵，

亦需建構「損小、效高、快打、速決」之非對稱作戰武力，發展戰術導彈等遠程 精確打擊作戰武器，運用「點穴戰」之策略，打擊中共武力核心(機場)，才能創 機造勢，爭取美國馳援時間。

本篇論文旨要搜集中共各軍事機場之空照圖像，運用 Java 軟體開發一簡易 辨識機場跑道中心位置系統，以輔助導彈精準打擊使用。因機場跑道影像辨識技 術涉及軍事用途較為敏感，國內外探討這方面的參考文獻較少，為求實驗辨識之 真實性，蒐集中共各地區軍事機場空照影像 139 幅，經依品質分級並篩選後可進 行辨識實驗計 121 幅，實驗方法選擇 Canny 與 Sobel 進行邊緣偵測比較，經二 值化後選擇 width 與 size 方式進行濾波比較後，運用霍氏轉換偵測出最長直線，

再以平行與顏色方式進行跑道平行線檢測比較，實驗結果顯示選擇 Canny 邊界偵 測法，並配合使用 width 濾波及平行線跑道檢測方式較佳，在 121 幅實驗影像中，

有 108 幅影像可順利偵測到跑道中心，成功率可達 89%，其中未偵測到跑道中心 13 幅影像中，有 6 幅未正確偵測到跑道中心惟仍屬機場內圍，僅 7 幅影像偵測 所得之跑道誤判成在機場外圍，誤失率僅 6%。

本研究所發展之機場跑道偵測系統，在飛彈精準打擊機場的軍事目標上，將 可發揮其極佳的輔助效果。未來發展方向，期能運用本論文之初步研究成果，進 一步發展空照軍港(艦)影像辨識技術，對中共海軍重大武力中心（軍港）或航行 中之軍艦，進行精準打擊，以建立我國不對稱戰爭之有效嚇阻武器。

ABSTRACT

China never gives up on improving their defense capability, expanding their military forces and dedicating the military deployment against Taiwan. China believes that the blitzkrieg strategy will help them to take back Taiwan. All the military airports in Taiwan will be the strategic targets. To rival China, Taiwan has to construct a ”low cost, high efficiency and high speed” asymmetric military force and develop long-range guided missiles and ballistic missiles to apply the acupuncture warfare strategy to attack China’s airports in order to gain more time for the supports of other countries such as United States.

The purpose of this research was to develop a system capable of recognizing and providing the runway position in an aerial image of airports by analyzing the features of military airports in Chain. The java-based runway detection system can be used to assist guided missiles in performing precision attacks. Runway recognition techniques are quite sensitive, because they can be used for military purposes. As a result, there is very little literature can be found. In order to have practical experimental results, we collected 139 aerial images of military airports in Chain. Among them 121 images are suitable for experiments. First, the test image was converted from color to grayscale.

The Canny edge detector was then applied to detect edges. After that, the resulting edge images were binarized. The binary images were subsequently filtered by using width filter. Hough transform technique was then applied to locate the longest straight line in the filtered images. Once the longest line representing one side of the runway was found, the other side of the runway can be located by finding its parallel lines along its normal direction.

Among the 121 images, there are 108 images with their centre of runway being

found successfully. The successful detection rate reaches 89%. Even though the system failed to pinpoint the runway of 13 images, the detected runways in six of the thirteen images are still in the range of the airports. In other words, the missing rate is only about 6%. The runway detection system developed in the present study provides an outstanding assistance for the precision-guided missiles attacking. The proposed system will be further improved to recognize the naval stations or the war crafts, such that it can be used to assist the precision-guided missiles in attacking military harbors in China or any navigating ships. The research can help establish the foundation for building the deterrent asymmetric military force in Taiwan.

Keywords: Aerial Image, Runway Recognition, Runway Detection, Hough Transform, Width Filtering.

誌謝

通過論文口試當下，心裏百感交集，回想過去三年在職進修生活，嚐盡酸甜 苦澀滋味，眼見大部份同學二年如期畢業，而我正面臨更換論文題目重新來過的 窘境，在工作與課業雙重壓力下，曾想放棄求學之路，幸賴學校師長、單位長官 同仁的鼓勵與關心，以及好友、家人的力挺，使我堅持百忍，終於完成論文的重 大考驗，亦感受如釋千斤重擔的歡愉，在此對幫助過我的人獻上最誠摯的感謝。

首先感謝中科院計品會副主任委員鄭明傑博士，於資通所所長任內鼓勵報考 碩士班，沒有您的耳提面命，離校 20 餘年我實在沒有報考進修的勇氣；再者感 謝中科院冷金緒博士及吳傳福博士在求學期間的勉勵，使我打消放棄求學念頭，

並堅持到底，另感謝賴仲振組長及同仁們的鼓勵與關心，使我求學之路不孤獨。

最感謝恩師邱奕契博士悉心教誨、耐心指導與督促，得以順利完成本論文，

使本人在影像處理相關學識上獲益良多；在論文口試期間，幸蒙明新科技大學王 明忠教授及本校羅鵬飛教授，提供寶貴意見與建議，在此由衷感謝。

在論文寫作過程中，感謝交通大學資工所博士侯選人蕭文豪先生給予諸多建 議；在實驗過程中，感謝好友楊志鴻先生協助 java 軟體的開發，有您幫忙事半 功倍。

求學過程，感謝母親與家人的體諒，尤其在我低潮時期，仍忍受我不佳的脾 氣，但願一切都雨過天晴；感謝自動光學檢測實驗室的廖家鉦等學弟們，在口試 期間及平時的幫忙；最後謹將這份成果獻給每一位曾幫助過我的貴人。

目錄

摘要 ... i

ABSTRACT... ii

誌謝 ... iv

目錄 ...v

圖目錄 ... vii

第一章 緒論... 1

1.1 背景說明 ... 1

1.2 研究動機 ... 2

1.3 論文架構 ...17

第二章 理論與文獻回顧 ...19

2.1 機場跑道影像處理方法探討 ...19

2.2 Sobel 邊界偵測 ...20

2.3 Canny 邊界偵測(Edge Detection)...21

2.4 霍氏轉換(Hough transform)原理 ...24

第三章 實驗方法與程序 ...30

3.1 影像處理軟體選擇...30

3.2 實驗流程 ...30

3.3 影像辨識實驗步驟...32

3.3.1 影像品質評鑑...32

3.3.2 影像灰階化...33

3.3.3 邊界偵測(edge detection) ...33

3.3.4 雜訊消除 ...34

第四章 研究成果與討論 ...42

4.1 機場影像跑道偵測系統開發 ...42

4.2 機場影像跑道偵測結果...42

4.3 機場影像跑道偵測結果總評 ...50

4.3.1 Canny 與 Sobel 邊界偵測結果比較 ...50

4.3.2 width 與 size 濾除雜訊結果比較 ...51

4.3.3 平行直線方式與同顏色直線偵測跑道區域比較...51

4.4 機場影像誤判原因分析...51

第五章 結論與建議 ...55

參考文獻 ...56

附錄 A-機場跑道辨識系統操作說明 ...58

附錄 B-中共軍事機場影像投入跑道偵測系統實驗結果 ...64

圖目錄

圖 1.1、本論文研究架構 ...18

圖 2.1、Sobel 運算子...20

圖 2.2、非最大值的抑制示意圖[13] ...23

圖 2.3、遲滯閥值示意圖[13] ...24

圖 2.4、單點的的霍氏轉換示意圖[16] ...27

圖 2.5、共線點的霍氏轉換示意圖[16] ...27

圖 2.6、霍氏轉換示意圖[17]： ...28

圖 2.7、霍氏轉換參數空間影像示意圖[17] ...29

圖 3.1、實驗流程圖 ...31

圖 3.2、原始影像與灰階化影像比較 ...33

圖 3.3、Canny 與 Sobel 邊界偵測結果比較...34

圖 3.4、寬度濾波器消除雜訊之示意圖 ...35

圖 3.5、尺寸濾波消除雜訊之示意圖 ...36

圖 3.6、影像邊界偵測後使用寬度濾波及尺寸濾波消除雜訊結果 ...36

圖 3.7、影像經邊界偵測及消除雜訊後執行霍氏轉換結果 ...37

圖 3.8、平行直線偵測法示意圖 ...38

圖 3.9、同顏色直線偵測法示意圖 ...39

圖 3.10、影像經邊界偵測、雜訊消除、霍氏轉換、及平行直線或同顏色直線偵 測後之結果...40

圖 4.1、機場影像跑道偵測系統 ...42

圖 4.3、影像含霾濃度影響 Canny...53

表目錄

表 1.1、中共二砲部隊地對地導彈種類 ...3

表 1.2、中共空軍各類型飛機 ...5

表 1.3、中共軍用機場位置經緯度資料表 ...12

表 3.1、影像之主觀品質評分等級表 ...32

表 4.1、機場影像跑道偵測結果一覽表 ...43

表 4.2、機場影像跑道偵測結果評估總表 ...50

第一章 緒論

1.1 背景說明

國防部於 2009 年 8 月出版之國防白皮書[1]分析中共軍事發展現況發現，儘 管中共主張「積極防禦」之軍事戰略，不追求霸權、不進行軍備競賽，不會對任 何國家造成軍事威脅，但背地裏卻不斷提升國防現代化指標，擴張武裝力量，致 力對台軍事部署，強調「遠戰速勝，首戰決勝」，以達成快速奪佔台灣本島之軍 事實力，成為亞太地區軍事強權。

中共在「遠戰速勝，首戰決勝」戰略指導下，持續深化聯合作戰能力，期由 地面傳統作戰擴展到水下、海上、空中、太空、電磁和網路等，以爭取六維戰力 優勢。中共現階段對台作戰採用「先懾後戰、逐步升級、封打結合、軟硬並重」

等多元靈活手段，提升大規模聯合作戰火力，建立其對台突防所需制空制海及快 速投射能力，對我政經軍目標遂行精準打擊。掌握制空權即掌握決戰勝負之關 鍵，中共現有空軍部隊總兵力約 39 萬餘人，各地軍用機場約 130 餘座，部份提 供民航機使用，各型戰機約 3,400 餘架，其中第 3 代戰機部署達 500 餘架，多具 遠程精準空對面打擊能力。平時距台 600 浬(約 925 公里)內部署約 700 餘架各型 戰機，且部份戰機已具空中加油能力，可迅速對台遂行作戰任務。另中共第二砲 兵部隊總兵力約 14 萬餘人，目前部署各型短、中、長程及洲際彈道飛彈與巡弋 飛彈，總計 1,500 餘枚，其中對台各型短程戰術彈道飛彈及巡弋飛彈約 1,300 餘 枚，分別部署於南京及廣州軍區，且持續改良並量產中，可迅速對我實施飛彈突 襲及進行多波次火力攻擊，對我防禦上構成極大之威脅。

衛戰力指導。國防部仍積極尋求美國售我防禦性武器，如 F-16 C/D 型戰機、阿 帕契攻擊直升機、潛艦、潛射魚叉飛彈、愛國者飛彈、反戰車坦克飛彈等系統。

然所謂防衛性武器即是境內作戰使用，將戰場開闢在自已家園內。若台海戰端一 啟動，中共二砲部隊先以彈道飛彈進行前週波轟炸，以量消耗我愛國者飛彈，摧 毀我機場跑道等設施，致戰機無法起飛凌空迎敵而喪失制空權。另中共在其已獲 制空權掩護下，制海權亦輕而易取，很快就可遂行登陸作戰，屆時美國想聯合國 際社會發動輿論牽制中共或協助提供先進武器裝備禦敵恐「為時已晚」。為建立

「固若磐石」之國防武力，除購置發展防禦性武器外，建構短、中、長程及洲際 彈道飛彈等境外作戰武器裝備是首要之急，以摧毀中共距我 1,500 公里以內(以 SU-27 戰機作戰半徑範圍假設)各軍事機場跑道為首要目標，尚可拖延中共獲取 制空權之時間，爭取國際社會之關懷與美國介入干預或提供先進武器裝備之時 機，真正建構「防衛固守，有效嚇阻」的國防武力。

1.2 研究動機

現台海兩岸經濟關係往來密切，以往軍事對峙緊張氣氛已不復見，然歷史告 訴我們「忘戰必危」，國不可一日無國防，面對中共日愈強大軍事武力威脅，我 國在有限的國防預算下，如何建構「量少質精」之不對稱作戰武器？應重新思考 全般國防政策，真正將錢花在刀口上，本節研究動機將分「中共武力威脅」、「中 共犯台行動分析」、「我國因應作為探討」、「機場跑道重要性探討」、「我國短、中 程飛彈發展情況」、「彈道導彈攻擊機場的作戰策略」等六部分，詳細分析探討說 明。

(1)中共武力威脅

中共堅持不放棄對台用武，2000 年 2 月國務院公布的對台灣白皮書列出三 項對台動武條件，包括「如果出現台灣被以任何名義從中國分割出去的重大事

變；如果外國侵佔台灣；如果台灣當局無限期地拒絕通過談判和平解決兩岸統一 問題，中國政府只能被迫採取一切可能的斷然措施，包括使用武力，來維護中國 的主權和領土完整，實現其國家的統一大業」[2]。

中共軍科院戰略研究所彭光謙少將曾研析共軍如發動對台戰爭，將付出下列 代價，惟中共都承受得起：

 國外投資會減少，但是暫時的 。

 中共與某些國家的關係可能會倒退。

 東南沿海地區可能受到戰火影響，可能會有人員和財產損失。

 國家經濟發展受到影響，可能會停頓或倒退幾年。

 共軍可能要作出必要的犧牲。

(2)中共犯台行動分析

假設中共真的要啟動武力犯台，得儘速於二週內攻陷台灣，以造成既定事 實，避免美國馳援及引起國際輿論干預，為考量其大規模登陸作戰中，將造成人 員傷亡慘重，共軍會運用中、短程導彈(現有種類請參閱表 1.1，圖片來源為 http://military.china.com)，進行第一波打擊，以總統府、政府重要機構、各作戰 指揮中心、機場、飛彈基地、港口、各重要軍事設施為主要攻擊目標。

表 1.1、中共二砲部隊地對地導彈種類

中國人民解放軍二砲部隊地對地導彈

東 東

東 風 11

東 風 15

東 風 21

東 風 31

東 風 41

東 風 11 15 21

第一波攻擊後，我方西部機場將嚴重受創，跑道、航管、地裝等設施毀 損嚴重，戰機完全無法起飛，共軍緊接著以殲 10、殲 11 等新一代戰機進行 第二波空中打擊，目的係殲滅我在空機以奪取制空權，在完全掌握制空權情 況下，將大批出動轟炸機伴隨強 5、殲轟 7 等地面攻擊機，在殲 7、殲 8 護航 下(現有軍機種類請參閱表 1.2，圖片來源為 http://military.china.com)，進行第 三波攻擊，且多週波對我重要軍事目標(含船艦)掃蕩轟炸，為其後續海戰及 大規模登站陸作戰鋪路，以達其速戰速決之手段。

表 1.2、中共空軍各類型飛機

中國人民解放軍各型飛機

殲 7

殲 8

殲

殲

殲

殲

殲

蘇 凱 30

殲 轟 7

強 5

攻

擊

機

L15

獵 鷹 高 教 機

K8 教 練 機

初 6 教 練 機

轟 5

轟 6

油 轟 6

水 轟 5

運 7

運

運

運

運

安 70 運 輸 機

76 MD 運 輸 機

圖 波 列 夫

154

空 警

2000

空 警

200

直 8

直 9

直 10

直 11

卡 28 反 潛 直 升 機

(3)我國因應作為探討

中，建議軍方不要買Ｆ16 戰機。並主張考量台海現況與國防人力和財力，台灣 並不需要維持一個有四百架戰機的空軍，該重新務實評估「減少戰機及飛行員數 量」。他認為國軍作戰構想中，為避免空軍於作戰初期大量戰損，主力戰機全數 存於地下化，以確保戰機可用於支援海軍作戰，空軍戰機不能離開基地作戰，將 戰機存放於地下化洞庫雖可保安全，但「洞庫安全並不代表基地安全」，戰機起 降需要有足夠長度跑道，中共勢必全力攻擊東部地下化的基地，致該基地重創不 堪使用，如此，存在該洞庫內的千億戰機，可能於作戰全期毫無發揮戰力的機會，

既然如此何必再花千餘億元採購美軍已使用 25 年的 F-16。

李貴發認為現中共Ｍ族飛彈近一千五百枚，如我採購愛國者新型飛彈六百 枚，在一次發射兩枚飛彈接戰情況下，就是全數攔住來襲Ｍ族飛彈，中共還有千 枚可對我攻擊，而美軍售我愛國者飛彈，每枚價格是Ｍ族飛彈的三倍，中共飛彈 不斷增加，我後續是否再續購，形成「不符財力對比的軍備競賽」。建議將採購 經費轉用於研發干擾中共飛彈準確度與發射的技術，以及讓中科院研製各型反制 飛彈之用[3]。

共軍已多次模擬攻擊台灣機場，因為台灣的 400 多架戰機是其攻台的最大阻 力，而全台各個軍用機場，戰時也是共軍為爭奪台海制空權傾力攻擊的戰略目 標，共軍巡弋飛彈和空射精準武器已具實戰能力，可與短程地對地彈道飛彈，形 成高低混合打擊網攻擊台灣機場。面對共軍攻台時，可能以彈道飛彈、巡弋飛彈 或空射精準武器攻擊台灣機場，軍方雖演練戰機以中山高速公路仁德戰備跑道作 為起降，作為戰時反擊備援使用，惟如果全台各軍用機場雖可逃過中共第一波 中、短程導彈攻擊，也難逃第三波多週波的掃蕩轟炸，戰機無跑道起降，存放東 部地下化洞庫的戰機，在中共完全掌握空權情況下，如何拉至西部高速公路戰備 道起降接敵？將考驗軍方高層的智慧，個人認為戰時敵我雙方機場跑道的存活，

即決定空權的歸屬，誰掌握空權就可贏得勝利，所以我國建構短、中程彈道飛彈 等境外作戰武器裝備是首要之急，以摧毀中共距我 1,500 公里以內(以 SU-27 戰 機作戰半徑範圍假設)各軍事機場跑道為首要目標，尚可拖延中共獲取制空權之

時間，爭取國際社會之關懷與美國介入干預或提供先進武器裝備之時機，真正建 構「防衛固守，有效嚇阻」的國防武力。

(4)機場跑道重要性探討

1909 年義大利人杜黑發表第一篇討論空權重要性的文章，改變了傳統地面 及海上戰爭的型態，認為飛機超越一切障礙，在任何方向與高度都可施行攻擊，

掌握「制空權」已成為現代戰爭首要之任務。曾被美國國防部聘為特別戰略顧問 的俄國人塞維斯基，於 1943 年發表『空軍致勝論』，主張唯有空軍才可擊敗空軍，

仍承襲杜黑「空權論」對「天路」的觀點，認為唯有空軍能經由天空攻擊敵人的 任何地區，不用傳統的戰場決戰就可使敵人屈服，因此堅信空軍是現代最重要的 軍事力量，建議美國政府發展戰略空軍，爭取海外各地區籌設更多優良空軍基 地，以使戰機的作戰半徑(續航力)能涵蓋整個戰區。

機場是空軍戰力的泉源，而跑道對機場而言，猶如大動脈，一旦被破壞則整 個機場立刻陷入癱瘓狀態，因此如何防護機場一直是各國空軍的首要課題。目前 軍方防護機場的積極作為不外乎以反飛彈系統攔截來襲共軍彈道飛彈，或以低空 防空系統和戰機攔阻共軍巡弋飛彈和戰機；至於被動防禦作為，因機場是一大面 積的固定設施，要進行有效的偽裝、掩蔽與隱蔽很困難，加上跑道為攻擊機場首 要目標的前提下，因此跑道搶修就成為最主要的被動防禦作為，如何避免機場遭 到攻擊，或減少機場被攻擊的損害，及如何搶修跑道使機場能儘快開放，是目前 我國空軍面對共軍攻擊所採的防禦作為[4]。

事實上最佳的防禦就是攻擊，建構短、中程彈道飛彈確有其必要性，惟國 際公約「飛彈科技管制協定」（MTCR），規範各國應禁止彈頭重量在五百公斤 以上，射程超過三百公里的彈道飛彈相關技術和零件的輸出；各國為與中共保

(5)我國短、中程飛彈發展情況

前國防部長李傑於 2004 年 4 月 26 日在立院國防委員會正式證實，我國正在 發展一千公里射程內的戰術性岸置火力制壓飛彈（TSMFS）；一千公里可涵蓋中 共一、二線機場、雷達站等重要軍事目標。研判上述描述此武器應是可沿地表飛 行的「巡弋飛彈」[5]。由中科院自行研發的「雄二Ｅ」巡弋飛彈，據了解，原 本軍方所提之作戰需求射程為六百公里，但經多次關鍵技術突破，試射後已超越 原定目標達八百公里，並已通過戰術測評，隨時可量產服役。不過高層又進一步 指示，要求「雄二Ｅ」射程必須提升到一千公里，中科院正積極設法克服飛彈渦 輪引擎的耗油技術，預計可達成目標。

馬英九總統於 2009 年 10 月 13 日前往屏東九鵬基地，視察中科院自製的中 程地對地彈道飛彈試射。在大陸剛舉行建國六十周年大閱兵之後，馬英九緊接著 視察這項攻擊性武器的研發成果，意義非比尋常。「中程飛彈」射程約為三千公 里最遠可及甘肅。台灣自製彈道飛彈的射程，約與中共解放軍東風 21 型導彈相 當[6]。

國防部副部長楊念祖於 2010 年 3 月 29 日在立院答詢時證實台灣正在研發中 程地對地飛彈與巡弋飛彈[7]。「雄二Ｅ」巡弋飛彈定位為「戰術反制」武器，而 非「戰略嚇阻」裝備，只能攜帶傳統彈頭，攻擊目標只限定只以軍事設施為主，

因此儘管射程已超越攻擊上海所需的七百公里，但軍方反制計畫並未列入上海等

「戰略目標」，繼續尋求增加射程，目的在於攻擊共軍二、三線機場所需。以「雄 二Ｅ」攜帶的彈頭，要完全破壞一座共軍中型機場，至少需要八枚以上飛彈。再 者共軍在二至四小時內即可能完成跑道的修護，如果要遏止共軍二、三線戰機後 援，恐怕生產上千枚飛彈都不夠。此外，對共軍所造成的實質傷害也極為有限，

因此是否該繼續發展巡弋飛彈，在政治代價和軍事效益間，有必要進一步衡量。

對地面目標之飛彈導航系統通常會結合 GPS 及 INS（慣性導引系統），當 GPS 遭受干擾時，INS 可接續提供導航功能，繼續完成導航任務。採用此類整合

導航方式的缺點在於若 GPS 失效，只靠 INS 導航其定位誤差會隨載具飛行時間 的增長而增大。舉例來說，假若中共由東南沿海發射巡弋飛彈，以 0.8 馬赫的速 度掠海飛行 300 公里，約 20 分鐘即可抵達台灣本島，若 GPS 遭受干擾，僅用 INS 導航，最後所累積的命中誤差，其值接近 2 公里。

同樣的，我國研發之巡弋飛彈或導彈，亦可能因彈內 GPS 受干擾而失效，

造成誤擊民眾事件，引發中國內部之仇台心理與國際輿論之譴責。甚至可能激怒 中共發動核子彈及生化戰等燬滅性武器攻台，造成台灣無辜百姓的嚴重傷亡，故 發展飛彈精準打擊技術至為重要。

(6)彈道導彈攻擊機場的作戰策略

中共已發展成為現代化的軍事強國，印度國防部長安東尼曾公開表示，考慮 到中印兩國軍事差距不斷增大，所以印度需打造“非對稱”作戰能力，以建構”優 勢空中力量”。同樣我國面對中共強敵，亦需建構「損小、效高、快打、速決」

之非對稱作戰武力，發展巡弋飛彈與戰術導彈等遠程精確打擊作戰武器，運用「點 穴戰」之策略，打擊中共武力核心(機場)，才能創機造勢，爭取美國馳援時間。

中共軍事機場普遍均無建造機堡等防禦設施，大批飛機緊密放置停機坪，如導彈 以機場跑道中心為攻擊目標，於高度 3000 公尺散撒子母彈，除可大面積造成機 場跑道及滑行道毀損外，亦可重創地面戰機，癱瘓中共空軍武力。如機場位處都 市或週遭有民宅地區，不宜使用散撒子母彈，僅對機場跑道中心攻擊，亦可收暫 時癱瘓中共軍機起降之效果，避免誤擊平民百姓，而引發其軍民同仇敵慨之心。

本研究旨要運用 Google earth 搜集中共各軍事機場之空照圖像，分析其經緯 位置、距台直線長度、威脅排序及可能部署機型等資料(請參考表 1.3)，利用影 像處理技術，探討可辨識各機場跑道及中心點之理論方法。並運用 JAVA 軟體開

表 1.3、中共軍用機場位置經緯度資料表

中國軍用機場位置經緯度資料表

項

次 機場名稱 北緯 N

度、分、秒

東經 E

度、分、秒

距台 距離 (km)

跑道方向

0~180/

181~360 度

跑道 長度 (m)

部署機型

1 福建龍田機場 25°34'25” 119°27'43” 187.5 48/228 2400M ^{殲 7}

2 福建惠安機場 25°01'44” 118°48'28” 203.5 53/223 2400M ^{殲 7}

3 福建晉江機場 24°47'52” 118°35'18” 215.8 46/226 2600M ^{殲 7}

4 福建福州機場 26°00'20” 119°18'46” 237.6 81/261 2700M ^{殲 8}

5 福建漳州機場 24°33'47” 117°39'09” 304.2 91/271 2800M ^{殲 8}

6 廣東汕頭機場 23°25'38” 116°45'29” 406.0 48/228 2400M ^{殲 7}

7 福建連城機場 25°40'31” 116°44'47” 422.7 30/210 2500M ^{強 5}

8 廣東梅縣機場 24°15'52” 116°05'58” 460.8 50/230 1800M ^{民航(戰備)}

9 福建武夷機場 27°42'18” 118°00'11” 463.0 30/210 2400M ^{殲 7}

10 廣東興寧機場 24°08'48” 115°45'41” 495.3 140/320 2600M ^{殲 7}

11 浙江衢州機場 28°58'02” 118°54'03” 550.2 61/241 3000M ^{殲 7}

12 浙江義烏機場 29°21'03” 120°01'50” 568.4 20/200 2400M ^{殲 8}

13 江西新城機場 25°32'55” 114°37'11” 623.4 75/255 2500M ^{殲 8}

14 廣東惠陽機場 23°03'05” 114°36'02” 629.7 85/265 2500M ^{民航(戰備)}

15 江西泰和機場 26°51'22” 114°44'18” 658.0 10/190 2900M ^{民航、殲 7}

16 江 西 南 昌 向 塘

機場 28°25'27” 115°55'38” 658.7 65/245 2400M ^{殲 11} 17 江西樟樹機場 28°01'08” 115°32'47” 669.0 37/217 4000M ^{殲 7、運 9}

18 江西南昌機場 28°38'11” 115°55'49” 675.1 82/262 2500M ^{殲 7、教練機}

19 浙 江 杭 州 筧 橋

機場 30°20'07” 120°14'19” 675.7 145/325 3750M ^{強 5} 20 廣東韶關機場 24°58'43” 113°25'14” 733.9 50/230 2000M ^{民航(戰備)}

21 浙江嘉興機場 30°42'14” 120°40'54” 715.4 72/252 2600M ^{殲 7}

項

次 機場名稱 北緯 N

度、分、秒

東經 E

度、分、秒

距台 距離 (km)

跑道方向

0~180/

181~360 度

跑道 長度 (m)

部署機型

22 浙江長興機場 30°58'07” 119°43'46” 750.3 177/357 2900M ^{民航(戰備)}

23 江蘇蘇州機場 31°15'57” 120°24'03” 777.7 18/198 2000M ^{強 5}

24 廣州沙堤機場 23°04'56” 113°04'15” 782.1 18/198 2900M ^{殲 7}

25 廣 東 珠 海 三 灶

機場 22°00'16” 113°22'25” 783.6 53/233 4350M 民航(戰備) 26 安徽安慶機場 30°34'56” 117°02'50” 785.9 68/248 3100M ^{轟 6}

27 江蘇無錫機場 31°29'57” 120°25'44” 803.6 23/203 3100M ^{民航(戰備)}

28 湖南來陽機場 26°34'51” 112°53'06” 819.7 45/225 3200M ^{轟 6}

29 安徽蕪湖機場 31°23'36” 118°24'40” 821.6 80/260 3000M ^{殲 11、殲 7}

30 湖南長沙機場 28°04'06” 112°57'33” 875.1 172/352 2400M ^{殲 7}

31 南京機場 32°00'09” 118°49'05” 879.6 65/245 2900M ^{轟 6、運 9}

32 江蘇如臬機場 32°15'28” 120°30'14” 888.1 135/315 2300M ^戰備

33 安徽六安機場 31°37'42” 116°16'23” 923.3 106/286 3000M ^戰備

34 湖北新州機場 30°54'14” 114°30'33” 953.2 14/194 1500M ^{民航(戰備)}

35 湖南邵陽機場 27°13'43” 111°40'24” 956.1 61/241 3400M ^{轟 6}

36 湖北孝感機場 30°57'21” 113°54'49” 995.6 52/232 1800M ^{運 12、初教} 機

37 安徽蚌埠機場 32°50'58” 117°19'13” 1006.8 70/250 3200M ^{教練 15}

38 江蘇鹽城機場 33°25'37” 120°12'05” 1018.8 47/227 2350M ^{殲 7、強 5}

39 廣西蒙山機場 23°28'45” 110°32'06” 1031.0 60/240 2100M ^{民航(戰備)}

40 湖南常德機場 28°55'03” 111°38'22” 1033.0 20/200 3200M ^{民航(戰備)}

41 廣西桂林機場 25°11'33” 110°19'06” 1047.1 8/188 2350M ^{運 7}

42 湖北廣水機場 31°39'48” 113°49'02” 1059.6 15/195 2000M ^{運 8} 轟 6

項

次 機場名稱 北緯 N

度、分、秒

東經 E

度、分、秒

距台 距離 (km)

跑道方向

0~180/

181~360 度

跑道 長度 (m)

部署機型

46 廣西柳州機場 24°12'33” 109°23'33” 1140.3 155/335 2400M ^{殲 7}

47 湖北宜昌機場 30°40'16” 111°26'19” 1152.7 53/233 1800M ^不良

48 江 蘇 徐 州 九 里

山機場 34°13'44” 117°14'44” 1154.8 35/215 2800M ^{殲 8} 49 江 蘇 連 雲 港 機

場 34°34'08” 118°52'23” 1157.9 35/215 3600M ^{民航(戰備)} 50 廣西北海機場 21°32'32” 109°17'36” 1201.0 20/200 3000M ^{民航(戰備)}

51 河南商丘機場 34°26'55” 115°27'32” 1237.2 3/183 2000M ^{民航(戰備)}

52 湖 北 老 河 口 機

場 32°24'02” 111°41'30” 1257.8 165/345 3100M ^{殲 8} 53 河南魯山機場 33°41'04” 112°53'32” 1289.1 102/282 2700M ^{強 5、運 8}

54 山東濟寧機場 35°17'36” 116°20'51” 1293.3 81/261 3350M ^{轟 6、運 9}

55 山東諸城機場 36°01'36” 119°26'26” 1312.0 5/185 2300M ^{殲 8}

56 河南開封機場 34°45'13” 114°20'16” 1314.8 50/230 2800M ^{運 9}

57 海南三亞機場 18°18'19” 109°25'01” 1337.7 87/267 4000M ^民航機

58 山東膠州機場 36°19'50” 120°01'22” 1342.7 154/334 2300M ^{殲 7}

59 山東高密機場 36°23'19” 119°42'46” 1350.4 160/340 2650M ^{殲 8、殲 11}

60 山東濰坊機場 36°38'46” 119°06'54” 1383.5 162/342 2300M ^{殲 8}

61 貴 州 遵 義 新 舟

機場 27°48'46” 107°14'47” 1394.2 16/196 3000M ^{民航(戰備)} 62 山東聊城機場 36°26'56” 116°05'42” 1421.7 32/212 1400M ^{直 8、直 10}

63 山東濟南機場 36°40'45” 116°55'08” 1424.4 177/357 2100M ^{殲 7}

64 山東文登機場 37°11'15” 122°13'56” 1444.2 22/202 2600M ^{殲 8}

65 山東東營機場 37°30'39” 118°47'12” 1482.4 175/355 2300M ^{運 7}

66 重慶機場 29°29'46” 106°21'37” 1529.4 20/200 2350M 殲 11、SU-30

67 河北衡水機場 37°29'33” 116°07'16” 1531.4 42/222 2650M ^{殲 8}

68 山西臨汾機場 36°02'45” 111°29'47” 1575.1 30/210 2500M ^{民航(戰備)} 69 陝 西 西 安 臨 潼

機場 34°22'32” 109°07'12” 1581.8 61/241 3350M ^{轟 6} 70 重慶大足機場 29°37'57” 105°46'21” 1587.9 28/208 2300M ^{殲 7}

項

次 機場名稱 北緯 N

度、分、秒

東經 E

度、分、秒

距台 距離 (km)

跑道方向

0~180/

181~360 度

跑道 長度 (m)

部署機型

71 陝西閻良機場 34°38'22” 109°14'05” 1594.0 68/248 4100M ^{轟 6、運 9、}

直 8 72 陝西武功機場 34°16'27” 108°16'13” 1636.4 92/272 3600M ^轟六

73 陝西漢中機場 33°08'05” 107°12'13” 1637.3 80/260 3050M ^{運 7、運 9}

74 天 津 唐 官 屯 機

場 38°47'06” 117°03'55” 1639.4 150/330 2200M 殲 7 75 遼 寧 大 連 營 城

子機場 39°00'38” 121°23'27” 1640.2 86/276 4000M ^{殲 8、民航機} 76 河 北 石 家 庄 機

場 38°05'18” 114°24'47” 1645.7 153/333 2400M ^{殲 8} 77 遼 寧 滿 族 鎮 機

場 39°17'22” 121°45'54” 1673.2 103/283 2300M ^{民航(戰備)} 78 山西文水機場 37°24'30” 111°58'00” 1677.0 181/331 2350M ^{殲 8}

79 遼 寧 普 藍 店 機

場 39°27'08” 122°01'11” 1694.4 16/196 2300M ^{殲 8} 80 天津楊村機場 39°22'28” 117°05'43” 1698.8 150/330 2300M ^{殲 8}

81 雲南沾益機場 25°35'31” 103°49'44” 1700.7 / 00M ^戰備

82 雲南陸良機場 24°59'09” 103°38'20” 1719.3 46/226 3900M ^{殲 7、殲 8}

83 河北定興機場 39°15'18” 115°49'55” 1726.4 27/207 2500M ^{殲 8}

84 河北唐山機場 39°43'08” 118°00'06” 1735.4 84/264 3300M ^{殲 7}

85 河 北 山 海 關 機

場 39°58'08” 119°43'43” 1747.7 43/223 2600M ^{轟 6、強 5} 86 四川綿陽機場 31°25'51” 104°44'27” 1751.5 140/320 2600M ^{轟 6、運 10}

87 雲南蒙自機場 23°23'55” 103°19'52” 1762.5 122/312 2900M ^{殲 8}

88 北京通縣機場 39°48'50” 116°42'23” 1766.7 172/350 2600M ^{殲 8、運 7、}

直 8 89 北京南苑機場 39°47'03” 116°23'16” 1770.5 164/344 3300M ^{運 9、運 10}

90 遼寧綏中機場 40°18'08” 120°21'25” 1782.9 173/353 2500M ^{殲 8}

91 四川彭山機場 30°15'49” 103°51'05” 1785.5 5/185 2600M ^{運 8}

92 北京西橋機場 39°57'43” 116°15'23” 1792.0 172/352 2300M ^{運 8}

項

次 機場名稱 北緯 N

度、分、秒

東經 E

度、分、秒

距台 距離 (km)

跑道方向

0~180/

181~360 度

跑道 長度 (m)

部署機型

96 遼寧新城機場 40°34'45” 120°41'51” 1813.1 65/245 2750M ^{運 7、轟 5}

97 甘肅天水機場 34°33'34” 105°51'33” 1829.0 100/280 3600M ^{民航(戰備)}

98 四川大邑機場 30°29'01” 103°27'36” 1829.3 25/205 2600M ^{殲 7}

99 山西忻州機場 39°03'25” 111°45'06” 1844.3 148/328 3100M ^戰備

100 河北平泉機場 40°53'56” 118°40'32” 1857.5 65/245 2900M ^{殲 7}

101 遼寧錦州機場 41°06'08” 121°03'48” 1873.7 8/188 2450M ^教練機

102 遼寧鞍山機場 41°06'16” 122°51'22” 1883.1 15/195 2300M ^{殲 11}

103 四 川 西 昌 青 山

機場 27°59'29” 102°11'08” 1886.0 175/355 3900M ^{運 7、民航機} 104 河 北 張 家 口 機

場 40°44'15” 114°55'56” 1906.6 105/285 3000M ^{殲 11} 105 遼寧遼陽機場 41°16'32” 123°04'52” 1912.5 19/199 2000M ^{殲 7、直 7、}

直 8 106 遼寧朝陽機場 41°32'19” 120°26'04” 1920.1 160/340 2000M ^{民航(戰備)}

107 河北興寧機場 41°15'48” 116°37'02” 1925.5 171/351 2200M ^戰備

108 山西大同機場 40°03'25” 113°28'59” 1928.5 125/305 3600M ^{民航(戰備)}

109 瀋陽東塔機場 41°47'16” 123°30'03” 1965.7 50/230 2400M ^{運 10、運 11}

110 瀋陽西屯機場 41°49'30” 123°17'58” 1967.1 22/202 2300M ^{殲 7、運 9}

111 瀋陽北陵機場 41°52'16” 123°26'14” 1974.0 5/185 2500M ^{殲 7}

112 內蒙赤峰機場 42°09'27” 118°50'33” 1995.7 27/207 2450M ^{民航(戰備)}

113 甘肅蘭州機場 36°37'45” 105°00'18” 2026.0 75/255 4900M ^戰備

114 甘肅新集機場 35°18'41” 103°50'19” 2028.4 33/213 3600M ^{殲 7}

115 遼寧開元機場 42°31'36” 123°58'59” 2052.7 22/202 2100M ^戰備

116 吉林柳河機場 42°15'11” 125°42'14” 2053.2 45/225 2400M ^戰備

117 遼寧阜新機場 42°04'46” 121°39'59” 2056.4 70/250 2700M ^戰備

118 寧夏銀川機場 38°28'55” 106°00'30” 2095.2 25/205 3100M ^{直 8、運 9} 119 吉林四平機場 43°09'47” 124°18'13” 2126.9 60/240 3100M ^{殲轟 7、轟 6} 120 吉 林 公 主 岭 機

場 43°31'29” 124°47'42” 2196.3 52/232 2600M ^{強 5、殲 7}

項

次 機場名稱 北緯 N

度、分、秒

東經 E

度、分、秒

距台 距離 (km)

跑道方向

0~180/

181~360 度

跑道 長度 (m)

部署機型

121 吉林延吉機場 42°52'52” 129°27'10” 2221.0 80/260 3150M ^{殲轟 7、殲 11}

122 吉林長春機場 43°54'20” 125°12'01” 2222.3 61/241 3000M ^{殲轟 7}

123 吉 林 二 台 子 機

場 44°00'07” 126°23'46” 2256.7 57/237 2600M 民航(戰備) 124 甘肅武威機場 37°59'35” 102°33'49” 2291.9 172/352 2000M ^戰備

125 青海共和機場 36°20'12” 100°28'45” 2347.2 105/285 8000M ^戰備

126 黑 龍 江 牡 丹 江

機場 44°31'38” 129°34'11” 2392.9 30/210 2600M 殲 7 127 黑 龍 江 臘 磷 機

場 45°15'41” 126°53'37” 2400.6 165/345 2600M 戰備 128 黑 龍 江 哈 爾 濱

機場 45°35'56” 126°39'30” 2431.8 75/255 2500M 運 7、運 11 129 黑 龍 江 齊 齊 哈

爾機場 47°14'51” 123°54'52” 2570.8 160/340 2500M 殲 8、殲 10 130 甘肅鼎新機場 40°22'09” 99°47'12” 2641.2 67/247 5000M ^{民航(戰備)}

131 西 藏 林 芝 米 林

機場 29°18'13” 94°20'09” 2664.2 82/262 5100M 民航(戰備) 132 內 蒙 呼 倫 貝 爾

機場 49°09'52” 119°41'53” 2768.8 140/320 2450M 戰備 133 青 海 格 爾 木 機

場 36°24'03” 94°47'08” 2811.0 107/287 7800M 民航(戰備) 134 西藏當雄機場 30°29'13” 91°04'26” 2990.8 107/287 5400M ^影像不良

135 西藏拉薩機場 29°17'44” 90°55'01” 2994.3 110/290 7000M ^{民航(戰備)}

136 新疆哈密機場 42°50'32” 93°39'55” 3217.1 127/307 2800M ^{殲 7、殲轟 7}

137 新疆且末機場 38°08'57” 85°31'58” 3649.5 48/228 2000M ^戰備

138 新 疆 烏 魯 木 齊

機場 43°27'55” 87°31'57” 3689.2 110/290 3800M 殲 7、殲轟 7 139 新 疆 庫 爾 勒 機

場 41°42'16” 86°08'22” 3719.6 75/255 3800M 戰備

1.3 論文架構

序；第四章研究結果與討論；第五章結論與建議；研究架構請參閱圖 1.1

圖 1.1、本論文研究架構 緒論

問題研究

資料蒐集

文獻回顧

研究方法

實證分析

結論與建議

Hough transform

第二章 理論與文獻回顧

2.1 機場跑道影像處理方法探討

機場跑道影像辨識技術，因涉及軍事用途較為敏感，國內外探討這方面的論 文及期刊參考文獻相對較少，然機場跑道的明顯特徵就是直線，故以蒐集探討地 表影像有關線條處理技術的論文參考。

2005 年洪義凱「合成孔徑雷達影像之地形線形特徵萃取」碩士論文[8]，提 出特徵線追蹤與連接方法，建議要偵測影像中的線形特徵點，首先利用 Canny、

Sobel、或其他邊界偵測子，對影像作邊界偵測(Edge Detection)，將影像中的邊 界點萃取出來，形成由許多邊界點所構成的特徵影像。另針對特徵影像上的線形 萃取出來的方法有二，其一為線追蹤（trace），其二為霍氏轉換法（Hough Transform）。線追蹤是利用點與點之間之相關性，將多點連接成線。霍氏轉換 法是利用空間座標與參數座標之轉換，將特徵影像上通過多點之線萃取出來。

2006 年 6 月張磊等人[9]利用 Sobel、Canny、Laplacian、以及自行改良之邊 界偵測法，配合霍氏轉換，對 23 幅遙測影像進行直線偵測的實驗，辨識正確率 達 73.9%。 2007 年 6 月劉俊怡等人 [10]，分别運用 Canny 運算子、一維梯度運 算子、LoG 運算子等邊界點的偵測方法，對主要是以機場跑道為目標之 SAR 影 像進行邊界點的檢測。2008 年 8 月張紹明等人[11]提出跑道平行線是機場較為明 顯的特徵，遂利用霍氏轉換檢測平行線，判斷機場跑道是否存在。透過霍氏轉換 能得到直線的斜率和截距，由此可檢測圖像中最長的 2 條直線，判斷其是否平 行，並計算直線間距是否接近機場跑道寬度，以確定其是否為機場跑道的邊界

定採用 Sobel 或 Canny 邊界偵測運算子，進行邊界點的偵測，之後再利用霍氏轉 換法檢測出代表跑道的直線。

2.2 Sobel 邊界偵測

邊界是兩個區域之間有相當不同的灰階特徵的邊界。運用梯度的概念，影像 f(x, y)在(x, y)處的梯度為向量













































y f x f Gy

f Gx (2.2-1)

梯度向量的方向是 f 在(x, y)處變化最大的方向，在邊界偵測中一個重要的因子就 是這個向量的強度大小(magnitude)，通常就稱為梯度(gradient)，符號表示為 f







 f mag ( f )

 G

 G



圖 2.1、Sobel 運算子 Z1 Z2 Z3

Z4 Z5 Z6

Z₇ Z₈ Z₉

(b) (c)

(a)

如上圖 2.1，(a)為一個 3 3 的影像區域；(b)為在 3 3 區域中心用來計算 Gx 的遮罩；(c)為在 3 3 區域中心用來計算 Gy 的遮罩，這些遮罩通成稱之為 Sobel 運算子。基於 Sobel 運算子遮罩的導數為

)

* 2 ( )

* 2

(Z₇ Z₈ Z₉ Z₁ Z₂ Z₃

G_x       (2.2-3)

與

)

* 2 ( )

* 2

(Z₃ Z₆ Z₉ Z₁ Z₄ Z₇

G_y       (2.2-4)

Z 是遮罩在一幅影像任一位置所覆蓋住的像素點的灰階值。先計算出遮罩 的中心所處像素點梯度，利用(2-2)式，這樣就可以得到一個梯度值。把遮罩中心 移到下一個像素點，重複上述計算過程，這樣就可以得到第二個點的梯度值。當 對所有可能的位置都執行這個過程後，結果就是一幅和原來影像相同大小的梯度 圖。

2.3 Canny 邊界偵測(Edge Detection)

Canny 邊界檢測運算是 John F. Canny 於 1986 年開發出來的一個多級邊界 檢測演算法。Canny 設計此偵測元的基準，包含以下幾點[12]：

 良好的偵測能力：找出具灰階變化的邊線，要達此目的必須先去除雜訊，使 訊雜比(Signal-to-Noise)增大。

 好的定位能力：希望真正灰階變化的位置和偵測找出的邊界線間距離越近越 好，距離小代表定位準確。

 多重感應：一般邊界線偵測器針對前兩項設計，但 Canny 認為應考慮單一邊 界產生多個感應的問題，這會造成同一個邊界被視為多個邊界的情況，因此 Canny 在此多加一個約制條件，即從單一邊界線產生的多重感應中找出正確

似，這個函數是高斯函數之一階導數，如式 2.3-1 所示：













 ²

2

) 2

( ^

x

e x

G (2.3-1)

上式的一階導數















 



  

 ²

2

2

) 2

( ^



x

x e x

G (2.3-2)

由高斯近似式所得的濾波器函式為一維函數，雖然可以用二維方式直接處 理，但是由於二維的迴旋運算量很大，實用效率差，因此實際運作時將二維的動 作分為 x 與 y 兩個方向分量處理。濾波器 G 分別沿 x 與 y 方向對影像 I 進行迴旋 積，得到像元在(x,y)的梯度分量 Mx(x,y)與 My(x,y)：

^M x









M _y  _y  (2.3-3)

利用上方公式計算，得到梯度大小和方向後，還要依梯度方向對梯度大小作非最 大值刪除(Nonmaximum Suppression)，即在梯度方向上邊界點像素的大小值應該 大於其臨近像素的大小值，所以只取局部(local)最大值做為邊界點。然後再實施 一個遲滯閥值(Hysteresis Thresholding) 的步驟，以刪除不正確的邊界點，採用兩 個臨界值，一個為高臨界值Thigh，另一個為低臨界值Tlow。任何一個像素的大小 值只要大於Thigh則指定其為邊界點，而連接此點的像素，只要其大小值大於Tlow

也會被指定為邊界

Canny 提出兩個方法來滿足邊界偵測器，單一響應及定位正確的要求[13]：

─非最大值的抑制(Non-maxima suppression)

1. 對每一點C(x,y)，選定垂直於其方向，兩個側邊的鄰近點，分別記作 A 和 B。

2. 如果M(A)M(C) 或 M(B)M(C)，則C不為邊界點，並設定 0

)) , (

(C x y 

M ，如圖 2.2 所示。

3. 輸出邊界點的強度影像M_NMS(x,y)。

圖 2.2、非最大值的抑制示意圖[13]

非最大值抑制的輸出仍會帶有一些非邊界點的局部最大值，以及連接性質不明顯 的邊界區域。針對此問題，Canny 的遲滯閥值設定法提供了解決方案。

遲滯閥值(Hysteresis thresholding)

1. 定義閥值 Thigh 及 Tlow，如果像素點(x, y)之 MNMS(x, y)大於 Thigh，該像素點就 稱為強邊界點；如果像素點(x,y) 之 M_NMS(x,y)小於或等於 T_low，該像素點就稱 為弱邊界點；至於所有其他的像素點則稱為候選邊界點。

2. 如果像素點(x,y)是弱邊界點，則略去；如果是強邊界點，則輸出為邊界點像 素。

3. 如果像素點(x,y)是候選邊界點，而且其 M_NMS大於 T_low，則進一步判斷沿著局 部最大值相連的邊界方向是否有穿過像素點(x,y)，若是，則輸出為邊界點。

4. 如果候選邊界點像素(x,y)與一強邊界點像素相連，則輸出該候選邊界點為邊 界點(如圖 2.3)。

圖 2.3、遲滯閥值示意圖[13]

2.4 霍氏轉換(Hough transform)原理

Hough 在 1962 年首先提出識別直線的方法。Barllad 更提出可以用來偵測任 意形狀曲線的一般化霍氏轉換(Generalized Hough Transform)。霍氏轉換是將影像 空間中的每一個點轉換至參數空間 (Parameter Space)內進行處理，利用轉換技術 將直線偵測簡化為在參數空間的一些特徵點的偵測。如此一來問題不僅得以簡 化，處理速度也大為提高。在卡氏直角座標中，直線的表示式有下列數種：

a. 普通式

0





by c

ax (2.4-1) 其中

a

b

b. 兩點

) )(

( ) )(

(y  y₁ x₂  x₁  x  x₁ y₂  y₁ (2.4-2)

其中

( x

, y

)

( x

, y

)

c. 截距式

1 / / a  y b 

x

ab  1

d. 點斜式

)

( ₁

1 m x x

y

y    (2.4-4)

其中直線之斜率為 m ，

( x

, y

)

e. 斜截式

c mx

y   (2.4-5) 其中( r , )為斜率， c 為直線與ｙ軸相交的截距。

霍氏轉換即建立在斜截式之直線方程式之上，將直線斜率與ｙ軸相交的截距 定義為霍氏轉換後之參數，輸入平面影像上直線的每一點(x, y)經霍氏轉換後在參 數平面上變成了一個特徵點( m ,c)霍氏轉換即為輸入平面與參數平面兩個平面之 間的一對應關係，此關係可將斜截式主客易位後寫出:

y mx

c   

現在假設輸入影像平面上的一直線

y  mx  c

j

i y

x m c₁   ₁ 

(2.4-6) 由式(2.4-6)可以明顯得知，這條直線經過霍氏轉換後，在參數空間( m ,c)內會有 很多條直線，且在參數空間內的直線數正比於影像空間直線上取的點數，在此有 一重要的特性，就是影像空間直線上取的點數全部代入參數方程式時，在霍氏轉 換後之參數平面即可得同數量之線條，而這些線條會有一個共同交會點：

舉例來說，假設輸入影像平面上的點為(4,36), (5,42), …, (40,252) 共 37 點。將第 一點(4,36)代入參數方程式時，參數方程式可改寫成 c=36-4 m ，當

……

利用第二點 (5,42) 代入參數方程式時，可得參數方程式變成 c=42-5m，當 m =0, c=42 對應之累積陣列 A(0,42) 即增加 1，即 A(0,36)=0+1

m =3, c=27 對應之累積陣列 A(3,27) 即增加 1，即 A(3,24)=0+1 m =6, b=12 對應之累積陣列 A(6,12) 即增加 1，即 A(6,12)=1+1=2

……

當我們將這 37 點全部代入參數方程式時，在霍氏轉換後之參數平面可得 37 條 線，而這些 37 條線會有一個共同交會點 (6,12)，參數平面上(6,12)對應之累積陣 列 A(6,12)其累計值為 37，至於參數平面上其他點對應之累積陣列其累計值不是 0 就是 1。因此，我們便可以得知通過上述 37 點之直線方程式，其斜率為 6、以 及直線與 y 軸相交的截距為 12，亦即直線方程式為y  6 x 12。

這些在( m ,c)平面上的直線會共同交會於一點上( m1,c1)，如圖所示只要在參數空 間上量取這些直線的共同交點( m₁,c₁)，我們便可以得知輸入直線的斜率m 及與 y 軸交點 c1。

假設輸入的圖形為 f(x,y)，霍氏轉換函數 F( m ,c)可表示為:∞



 f x y y mx c dxdy

c m

F ( , ) ( , ) ( )

(2.4-7) 然而如果使用上述的直線方程式將產生如下的兩個問題：

(一) 輸入影像之垂直直線，斜率趨近於無限大。

(二) 輸入影像之水平直線，截距趨近於無限大。

如此在參數平面上之直線就不會有共同的交點，亦即參數平面上對應之累積 陣列不會大於 1，如此即無法偵測到輸入之影像平面上垂直或水平的直線。霍氏 轉換的方法是將直線以其法線與ｘ軸的夾角 以及直線到原點的最短距離 r 來表 示，其方程式為 :



 sin

cos

i

y

x

r  

(2.4-8) 在上式中所表示的直線上的每一點(x_i, y_j)，對應於參數空間(r , )中之一條正弦曲

線，分別如圖 2.4(a)和圖 2.4(b)。此參數空間中曲線上的任一點對應於影像空間 中的一條直線，且該直線必通過(xi, yj)這個點。由此可以發現，同一線中任意點 P(x, y)會有一個共同的參數值(r , )，因此將原影像中的共線的特徵點轉換至另 一個空間中時，將會形成相交於( r , )的線段。

圖 2.4、單點的的霍氏轉換示意圖[16]；(a)影像空間；(b)參數空間

經過霍氏轉換後，可得( r , )平面之正弦曲線群，我們只要在參數空間( r , ) 內偵測交點的座標值，即可推算影像空間內的直線方程式為何。影像空間中共線 的三個點轉換至參數空間後所對應之三條正弦曲線必交於一點，如圖 2.5(a)和圖 2.5(b)。若影像空間共線之各點轉換至參數空間之正弦曲線皆交於一點，即可判 斷為影像上之直線線段[14-15]。

(a) (b)

(a) (b)

三個線交點的位置上(其他交點都只有兩條線)，那麼便將通過這點的曲線所對應 到 x-y 平面上的點找出，亦即可找出三點，此三點便歸類為同一直線，同時，在 紀錄完此線段的點位後，將參數空間的這三點曲線去除，接著再繼續搜尋下一個 極大值，依此迭代到全部像素都歸類為某一直線為止。

在實作上，利用上述方法所得的同ㄧ直線像素，仍需有底下二個條件限制方 可視為同一直線：

(1) 歸屬於同一條線上的像素，其間距不得超過一個事先設定的門檻。

(2) 歸屬於同一條線上的像素，其像素總數要大於一個事先設定的門檻值方 可視為直線。

台灣大學土木系彭念豪網路上發表「二維直線特徵自動化萃取之研究」乙篇 報告[17]，對 Hough 影像空間(Image space)轉換至參數空間(Parameter space)之觀 念，有較精簡之說明，提出在參數空間中由群集偵測(Cluster detection)的方式找 出特徵的參數值，再反推回影像空間，則可得到此特徵在影像空間的位置。如圖 2.6。

-2 0 2 4 6 8 10 12

-4 -2 0 2 4 6

0 50 100 150 200 250 300 350

-15 -10 -5 0 5 10 15

(a) (b)

圖 2.6、霍氏轉換示意圖[17]：(a)為影像空間；(b)為參數空間

圖 2.6 中，(a)為影像空間，其中有一直線上具有 4 點已知點及未在直線上之 2 點，而其直線方程式為rx_icos y_isin (其中r 及 如圖所示)，圖(b)為參 數空間利用此 6 點之(x,y)作為參數，而利用( r , )繪圖，則可得到圖(b)的結果，4

 r

x y

r



條曲線交於一點，則表示該 4 點落於同一直線，此點之座標即為圖(a)中直線的參 數( r , )。

依照上述邏輯，將某影像上所有之邊界像素座標，於參數空間中繪圖(如圖 2.7(a))，記錄參數空間中每個像素被線條經過之次數，依此作群集偵測，圖中較 白之像素表示被經過的次數多，即該直線參數上具有較多之像素，由此尋找最大 值並在記錄座標( r , )後將該值設為 0(建議應將附近一整塊區域都設為 0，以免 找到相似之直線參數)，重覆進行此動作，直到影像中之最大值小於使用者設定 之門檻，完成後之參數空間影像應如圖 2.7(b)所示。

50 100 150 200 250 300

500

1000 1500

2000 2500

3000 3500

4000

4500 5000

50 100 150 200 250 300

500 1000

1500 2000 2500

3000 3500

4000 4500 5000

(a) (b)

圖 2.7、霍氏轉換參數空間影像示意圖[17]；(a)參數空間影像；(b)萃取直線參數 後。

將所有之邊界像素與所記錄之直線參數計算點到直線距離，若距離小於設定 之門檻值，則認定該像素屬於此條直線，為考量實際影像中直線特徵並不是真的 一條直線，需給予一容許之誤差，但又不希望有太多雜訊，故距離門檻值一般設 於 1 個 pixel 左右；至此，霍氏轉換完成，非直線邊緣像素被剔除。

第三章 實驗方法與程序

3.1 影像處理軟體選擇

本文使用 Java 語言進行影像處理程式的開發，目前比較知名的 Java 開發工 具有 JBuilder，Eclipse 以及 NetBeans。每一種開發工具都很好用而且極具特色，

其中 NetBeans 與 JDK (Java Development ToolKit)結合在一起，網路上又提供免費 軟體下載[18]，使得 NetBeans 成為許多新人使用 Java 的開發環境， 也逐漸成為 最多人使用的 Java 整合式開發工具。本論文亦使用 NetBeans 作為影像辨識的軟 體開發工具，目前最新版本為 NetBeans IDE 6.8 版。

另 Java 的開發工具組 JDK (Java Development ToolKit)可上 Sun Developer Network http：// Java.sun.com 網站下載，這網站也提供 Java 語言相關發展的最新 消息以及龐大的相關知識。

3.2 實驗流程

實驗前自 Google earth 搜尋及擷取中共軍事機場影像，衛星偵照高度統一為 四萬公尺，共計 139 幅，因部分影像不清晰，將嚴重影響判讀，需先經影像品質 評鑑進行篩選作業，以選擇符合實驗資格之影像，實驗影像尺寸設定為 400×300 pixel，接續使用 NetBeans 以 Java 物件導向方式開發之機場跑道偵測系統，將影 像依下列流程投入實驗：載入單張影像→轉換灰階影像→邊緣偵測(選擇 Canny or Sobel 方式) →二值化→消除雜訊(選擇 width or size 方式進行濾波) →霍氏轉換

→跑道偵測(選擇平行 or 顏色方式檢測平行線) →運算跑道中心點→顯示偵測結 果，實驗流程請參考圖 3.1。

空照機場影像

灰階影像

邊緣偵測(Canny)

二值化

消除雜訊(width)

霍氏轉換

邊緣偵測(Sobel)

消除雜訊(size)

跑道偵測(平行)

運算中心點

跑道偵測(顏色)

顯示偵測結果

3.3 影像辨識實驗步驟

本節實驗步驟將依「影像品質評鑑」、「影像灰階化」、「邊緣偵測」、「二值 化」、「消除雜訊」、「霍氏轉換」、「跑道偵測」及「結果比較」等項逐一說明。

3.3.1 影像品質評鑑

因空照機場影像不易取得，本實驗所使用之機場影像係取自 Google earth，

衛照高度統一為四萬公尺，共計 139 幅。因部份影像不清晰，故參照謝嘉聲等人 [19]於 2009 年所發表「遙測影像輻射品質評估指標之研究」論文，其對影像的 主觀品質評分方法，則引用國際無線電諮詢委員會(Consultative Committee on International Radio,CCIR)所推薦的五級影像品質評估標準－主觀品質評分法 (MOS：Mean Opinion Score)，通過對觀察者的評分結果判斷影像品質等級。另 絕對評估是將影像直接按照人眼視覺感受分級評分，包含品質指標和妨礙指標。

通常對一般人是採用品質指標，對專業人員則是採用妨礙指標。主觀評估的絕對 指標請參閱表 3.1。

表 3.1、影像之主觀品質評分等級表

妨 礙 指 標 品質指標 評分等級

完全看不出影像品質變壞 非常好 5分

可看出影像品質變壞但不妨礙觀看 好 4分

清楚看出影像品質變壞，對觀看有妨礙 一般 3分

對觀看有妨礙 差 2分

妨礙觀看情況非常嚴重 非常差 1分

經過濾篩選評分等級達 2 分以上，符合實驗資格影像計 121 幅，為方便後續 影像處理，影像大小統一為 400×300 pixel。

3.3.2 影像灰階化

原始衛照影像為彩色影像，為了方便後續之一序列處理，首先將彩色影像轉 換成灰階影像，公式如下：

) , ( 114 . 0 ) , ( 587 . 0 ) , ( 299 . 0 ) ,

(x y R x y G x y B x y

F    (3-1)

其中(x, y)代表像素點的座標；R、G、B 分別代表紅、藍、綠三原色，F 表灰階 化後的像素值，其值介於 0-255 之間，0 表示全黑，255 表示全白。圖 3.2(a)為原 始影像，圖 3.2(b)為轉換後之灰階影像。

圖 3.2、原始影像與灰階化影像比較：(a)彩色原始影像；(b)彩色影像灰階化的結 果。

3.3.3 邊界偵測(edge detection)

為了取得灰階影像中代表跑道的直線，必需對灰階影像進行邊界偵測。本研 究以實驗的方式比較 Canny 及 Sobel 兩種邊界偵測法，結果顯示 Canny 邊界偵測 法較適合運用在跑道的偵測上，詳述如下：

(a) (b)