107 年度移動載台測量製圖技術 發展工作案
工作計畫書 (修正版)
計畫主持人：江凱偉 教授 協同主持人：曾義星 教授
呂學展 助理教授 張秀雯 助理教授
委託單位：內政部
執行單位：國立成功大學
中 華 民 國 1 0 7 年 0 4 月 2 4 日
I
前言 ... 1
背景分析 ... 11
2.1 車載移動製圖技術回顧與現況 ... 14
2.2 個人攜行製圖技術回顧與現況 ... 16
2.3 穿戴式移動製圖系統回顧與現況 ... 18
2.4 室內製圖系統回顧與現況 ... 23
2.5 無人機應用於災後環境重建之回顧與現況 ... 24
2.6 室內空間資訊的國際標準化之現況(IndoorGML) ... 29
2.7 室內定位技術回顧與現況 ... 38
2.8 路徑規畫與增廣實境 ... 42
2.9 高精度地圖(HD Map)輔助自駕車導航系統 ... 46
工作項目 ... 49
實施方法、規劃及需內政部配合事項 ... 51
4.1 發展移動裝置通用之室內外定位技術 ... 51
4.2 發展地籍測量移動製圖技術 ... 61
4.3 探討高精度地圖及即時動態地圖規格、作業方法及精度評估 ... 73
4.4 協助推動國際測量事務交流合作量事務交流合作 ... 80
4.5 研究成果發表 ... 81
4.6 成果效益評估及擴大科技應用 ... 81
4.7 定期召開工作會議 ... 82
預期成果 ... 83
工作期間及進度 ... 85
繳交成果及繳驗時程 ... 86
單價分析表 ... 88
組織及經歷 ... 90
9.2 研究人員學經歷 ... 93
圖目錄
圖1.1 移動遙測製圖系統可拓展之領域(江凱偉等人，2011) ... ...2圖1.2 Google Project Tango 製圖手機 ... 3
圖1.3 團隊歷年多平台移動製技術案完成之工作項目目的及關係圖 ... 4
圖1.4 本案研擬之執行主軸 ... 7
圖2.1 衛星訊號遮蔽的效應 ... 11
圖2.2 環架式與固裝式 INS ... 12
圖2.3 INS 之誤差行為慣性測量儀之比較 ... 12
圖2.4 直接定位技術之演進 ... 13
圖2.5 成功大學自主研發之影像級車載移動製圖系統-鷹眼平台 ... 16
圖2.6 Trimble 的室內製圖系統(摘自 https://www.trimble.com) ... 17
圖2.7 Trimble V10 Imaging Rover ... 18
圖2.8 頭盔式穿戴裝置(Beauregard, 2006) ... 19
圖2.9 頭戴式的顯示器(Bretschneider et al., 2006)... 19
圖2.10 背包式穿戴儀器(Langer et al., 2012) ... 19
圖2.11 分散式穿戴儀器(El-Mokni and Govaers, 2011; Bernoulli et al., 2011) ... 20
圖2.12 美國的智慧型手機普及率折線圖(Blodget et al., 2012) ... 20
圖2.13 全球智慧型手機普平均價格圖表(Blodget et al., 2012) ... 21
圖2.14 小米穿戴式手環(摘自 http://www.mi.com/tw/miband/) ... 22
圖2.15 穿戴式裝置預測圖(Blodget et al, 2012) ... 22
圖2.16 Apple iWatch (摘自 http://www.apple.com/tw/watch/) ... 22
圖2.17 室內三維點雲圖資(Dryanovski, 2011) ... 25
圖2.18 室內三維網格點圖資(Morris, 2010) ... 25
III
26
圖2.20 光達之 3D SLAM 成果(Neumann, 2014) ... 26
圖2.21 適應下水道環境之移動測繪系統與成果：(a)移動測繪系統酬載(b)3D SLAM (Neumann, 2014) ... 27
圖2.22 航照影像與光達資料整合處理成果(Weng, 2010) ... 27
圖2.23 點雲建模程序(Orthubera,2015) ... 28
圖2.24 Locally Fitted Surfaces(LoFS) (Bizjak, 2015) ... 28
圖2.25 階層式圖形高度分析模型示意圖(Wu, 2017) ... 28
圖2.26 IndoorGML 中的幾何表示(Li, 2013) ... 30
圖2.27 多層表示的概念(Li, 2013) ... 31
圖2.28 結構空間模型(Li, 2013) ... 31
圖2.29 結構空間模型的資料模式(Li, 2013) ... 32
圖2.30 多層空間模型(Li, 2013) ... 33
圖2.31 多層空間模型的 NRG(Li, 2013) ... 34
圖2.32 多層空間模型的資料模式(Li, 2013) ... 35
圖2.33 錨節點(Li, 2013) ... 35
圖2.34 子空間的範例(Li, 2013) ... 36
圖2.35 通過多層空間模型展示的層級結構(Li, 2013) ... 37
圖2.36 IndoorGML 的模組化架構(Li, 2013) ... 38
圖2.37 航位推算的定位技術概念示意圖 ... 40
圖2.38 傳統影像室內定位系統概念示意圖 ... 41
圖2.39 藍牙無線網絡連結星狀架構 ... 42
圖2.40 最短路徑樹 ... 43
圖2.41 最短路徑演算法流程(http://www.csie.ntnu.edu.tw/~u91029/Path.html#4)43 圖2.42 寶可夢(Pokémon GO)遊戲介面 ... 45
圖2.43 AR 汽車導航 App 使用介面 ... 45
圖2.45 自駕車分類系統(© 2017 Vox Media, Inc. All Rights) ... 47
圖4.1 室內移動製圖平台 ... 52
圖4.2 軟體介面(直接地理定位量測及平面圖數化)... 53
圖4.3 台南市海安路地下停車場成果套疊 ... 54
圖4.4 為初估作業程序及所需時間 ... 54
圖4.5 可攜式光達製圖系統架構 ... 55
圖4.6 可攜式光達製圖流程圖 ... 55
圖4.7 Detectron 屬性偵測 ... 57
圖4.8 ORB-SLAM 部分展示 ... 57
圖4.9 低功耗藍牙差分改正程序 ... 58
圖4.10 三邊交會 ... 59
圖4.11 低功耗藍牙差分改正概念圖 ... 60
圖4.12 低功耗藍牙差分改正實驗規劃 ... 60
圖4.13 展覽品擴增實境示意圖 ... 61
圖4.14 地面光達-RIEGL VZ-400 ... 63
圖4.15 新式全站儀- Trimble SX10 ... 64
圖4.16 可攜式環景影像測繪系統的(a)特製平台及(b)外觀 ... 64
圖4.17 應用 PPIMS 進行測繪之整體工作流程圖 ... 65
圖4.18 (a)相機內方位率定之可旋轉且布滿人造標的圓盤 (b) PPIMS 相對方位室 內率定場 ... 66
圖4.19 (a)球形環景影像及其(b)展開之平面影像 ... 66
圖4.20 應用 PPIMS 的相機相對關係形成球形環景影像 ... 67
圖4.21 透過 SPI 的交會關係解算物空間點位坐標 ... 67
圖4.22 MAPS-「拼接」頁籤之操作介面 ... 68
圖4.23 MAPS-「量測」頁籤之操作介面 ... 68
圖4.24 移動製圖技術輔助地籍測量作業之規劃流程 ... 69
V
圖4.26 測試區域地籍圖 ... 70
圖4.27 現地控制點 ... 71
圖4.28 現地界址點 ... 72
圖4.29 高精度地圖(Source: Harsha Vardhan, 2017) ... 74
圖4.30 自駕車上的感測器系統(Source: HERE Map) ... 74
圖4.31 Cascade-AdaBoost classifier 演算法辨識道路車輛 (Broggi, Alberto, et al., 2014) ... 77
圖4.32 利用 SIFT 與 SURF 進行特徵點萃取(Luo and Gwun,2009) ... 77
圖4.33 二值化後的影像 (Harini et al.,2017) ... 78
圖4.34 水湳場域範圍示意圖 ... 80
圖 6.1 工作執行進度管制圖 ... 85
圖 9.1 國立成功大學專業分工圖 ... 91
圖 9.2 國立成功大學組織架構圖 ... 92
表目錄
表1.1 本案初步規劃之中長期研究項目 ... 8表2.1 多平台移動遙測製圖技術之優缺點 ... 14
表2.2 室內定位技術整理表(Rainer, 2012) ... 39
表2.3 Beacon 傳送信息之內容 ... 42
表4.1 作業規劃時程表 ... 70
表4.2 現地控制點平面坐標檢核成果 ... 72
表4.3 特徵辨識演算法統整表 ... 78
表 6.1 繳交成果及繳驗時程 ... 85
表 8.1 本案單價分析表 ... 88
表 9.1 研究人員簡歷表 ... 93
前言
內政部自 105 年起推動「空間測繪應用研究發展計畫」，規劃於既有先進航 遙測技術基礎上，深化我國自主性之測繪科技研究，擴大各項測繪技術本土研 發能量，進而吸引國內投入測繪科技之研發人才與經費，厚植測繪軟硬體實力。
本案為 107 年度移動載台測量製圖技術發展工作案之後續擴充。故本案延續 105 與 106 年度成果，持續發展公尺級量測精度之光達室內移動製圖及多情境應用 場景之移動定位等技術，及研發適用於地籍測量之移動測繪技術，以提升地籍 測量作業流程等項目、多平台製圖系統測試及率定服務，並規劃籌組測量與空 間資訊相關領域(含災害防救)產官學研專家諮詢團隊。此外配合自駕車研究，探 討高精度地圖及即時動態地圖之製圖規格與產製流程。並持續推動國際測量機 關業務交流及產學研發展合作，期能持續帶領國內測繪產業蓬勃發展，與國際 發展趨勢接軌，並培養國內科技專業人力，累積國內移動製圖能量，整體帶動 國內空間資料產業之創新與發展。
現有空間資訊系統之效益建構在系統空間及屬性資料時效性以及正確性，
並藉此發揮它的功能並表示真實世界的現象。傳統測量以及屬性調查作業從開 始收集資料到系統建置完成往往需要半年以上的時間，已不符合科技發展的趨 勢與成本效益。近年來測量與空間資訊技術正在逐漸革新，攝影測量製圖的技 術與精密整合式定位定向系統結合，搭配多種的數位影像感測器來收集空間資 料，逐步實現快速即時移動式測量及空間資料之多平台製圖技術。這類技術整 合衛星、飛機、直升機、船舶、汽機車等不同載具及多種高效率影像感測器，
輔以全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)、慣性導航系統 (Inertial Navigation System, INS)、機電整合及軟體工程模擬器等元件所形成之先 進製圖技術。透過使用多平台製圖技術建置空間資料，可更快速及有效規劃國 土發展，進而推動空間資訊產業之成長。尤其目前移動裝置之發展備受矚目，
隨著硬體元件的逐年發展，移動裝置搭載的感測器越來越多樣化，同時體積越 來越小、成本越來越低而精度卻漸漸提升，這使得移動裝置具有相當大的潛力 成為新一代的移動製圖平台，並具備將移動製圖的應用延伸至室內的可能性。
因此，全球多平台製圖系統相關之空間資訊與非空間資訊產業應用未來還將持 續成長(江凱偉等人，2014)，並繼續提升室外多平台移動製圖的效能，以推廣至 更多的應用領域，像是快速防救災與其他傳統測繪業務等等，同時發展室內移 動製圖技術與開發對應的市場潛力。
在空間資訊相關應用領域方面，多平台製圖系統的機動性以及對數位影像 處理與蒐集的能力，可以顯著節省許多傳統測量所需要的人力及時間。在其他 非傳統測量方面，如建立交通標誌資訊以規劃交通路線，或用來調查都市地區 的基礎公共建設，如人孔、變電箱、電線桿，甚至透過影像處理技術獲取路牌、
招牌上所隱含的屬性資訊，更新導航電子地圖，整合並更進一步加值定位服務
技術。在載具結合上，透過無人控制載具，搭配直接定位技術滿足即時監控及 救災需求，對災害防救的緊急應變措施有極大的效益。若更進一步整合人工智 慧技術，開發無人自動駕駛車更能實質擴展到民生用途及軍事技術上。除傳統 的空間資訊與測繪應用以外，隨著個人移動裝置普及所相應而生的適地性服 務，空間資訊業者下一步目標將從戶外的廣大天地轉進建築物內，身入其境的 室內圖資可對消費者產生視覺性及情緒性的影響，發掘出更大商機。同時物聯 網技術與移動式裝置之發展日漸普及，預期結合現有多平台移動製圖技術、室 內圖資建置技術、物聯網與移動裝置組成綿密的空間資訊應用網格將支撐適地 性服務急速擴張的需求，這對深化空間資訊領域產業的發展有正面的助益；故 發展公尺級室內移動製圖技術(含圖資與興趣點)及結合移動裝置與室內外圖資 的各式適地性應用(含災害防救)有其必要性。關於移動遙測製圖系統更廣泛之應 用請參考圖 1.1，並標示出因移動裝置發展與近年防救災的高度需求所對應的本 年度重點發展領域。
圖1.1 移動遙測製圖系統可拓展之領域(江凱偉等人，2011)
針對近年來逐漸興起室內移動製圖的相關應用，Google 除了發展基於傳統 室外製圖應用的街景車以外，已於2014 年初宣布推出 Project Tango，讓手機具 備掃描與理解 3D 空間與動作的能力，開發了一部 5 吋原型手機，具備客製化 的軟硬體以完整偵測手機的 3D 動作，並同時可以建立使用者周遭環境的地 圖。這部手機具備每秒偵測 25 萬次 3D 測量的能力，可以即時更新手機的位 置和方向，以建立使用者身處環境的 3D 地圖。此原型機具備慣性測量感測器 晶片、GNSS 接收晶片、磁力計、氣壓計、相機與景深相機，圖 1.2 為 Tango 手 機之外觀，由左至右分別是其搭載 120°廣角自拍鏡頭、400 萬像素的 RGB/IR 鏡頭以及 180°廣角的魚眼鏡頭，其中 RGB/IR 鏡頭即用於提供彩色影像與景深 資訊以測繪環境。換言之，新世代基於移動裝置的移動製圖技術有三個重點：
其一為應用 GNSS 與各種感測器，滿足室內與室外兼顧的無縫製圖應用之需求，
其二為使用超低成本且大量生產的感測器，其三則為載具無人化、行動化與個 人化，以進一步降低作業成本，並拓展適定性服務與公眾/專家參與之防救災的 應用市場。
圖 1.2 Google Project Tango 製圖手機
內政部自民國 100 年開始推動自主研發之多平台製圖技術，先期研究計畫 對發展與應用多平台遙測製圖技術進行關鍵技術研發，並於民國 100 至 104 年 年執行平台製圖技術工作案，自主發展各項核心關鍵技術並致力將此類技術推 廣至空間資訊相關領域。本團隊首先於100 年執行內政部辦理「100 年度發展與 應用多平台遙測製圖技術工作案」，並順利完成包含「多平台定位技術資料彙 整」、「規劃整合慣性導航系統」、「評估引進及建立國內慣性測量儀之標準率定 程序」、「設計新解算模式之定位定向演算法」、「評估發展多元空載傾斜攝影定 位系統技術及其應用」等工作項目。
本團隊於 101 年執行內政部辦理「101 年度多平台製圖技術工作案」，並順 利完成包含「建置多平台製圖系統測試及率定實驗室」、「研製抗 GNSS 訊號脫 落及干擾之定位定向系統演算法」、「結合內政部 e-GPS 系統，發展新式定位定 向演算架構於應用領域」、「評估戰術等級定位定向系統之應用」、「多平台製圖 系統聯合作業模式之研究」等工作項目。
本團隊接續於 102 年執行內政部辦理「102 年度多平台製圖技術工作案」，
並順利完成包含「建置多平台製圖系統測試及率定實驗室」、「國內多平台製圖 系統作業能量調查與推展教育」、「評估 GNSS 系統對多平台製圖應用之效益」、
「發展直升機載直接定位之災害資訊蒐集模組」、「發展直接定位高酬載無人機 於大面積製圖與災害影像資訊蒐集平台」、「應用空載攝影系統於災區之偵測與 簡易災損評估」等工作項目。
在 103 年度本團隊更進一步探討包含下列與多平台製圖系統與應用相關之 關鍵技術：「多平台製圖系統測試及率定實驗室應用與推廣」、「利用行動通訊裝 置發展低成本的移動製圖技術」、「持續評估北斗系統對多平台製圖應用之效 益」、「研析無人機製圖資料處理程序」等工作項目。同時藉由積極參與國外專 業領域各學會之研討會、參與論文競賽與發表高品質期刊論文持續加強專業人
才訓練與先進多平台製圖技術之國際競爭力。
本團隊於 104 年度，除維護既有的率定實驗室與相關移動製圖技術以外，
已開始著手評估室內移動製圖系統與穿戴或手持裝置的定位技術，完成之工作 項目如下：「多平台製圖系統測試及率定實驗室之持續辦理事項」、「發展穿戴或 手持裝置室內外通用定位與災情獲取技術」、「發展室內移動製圖技術」、「發展 特殊應用場景之移動測繪技術」等工作項目。同時已發表 3 篇國內研討會文章 與 1 篇 SCI 國際期刊論文。
連續五個年度執行內政部辦理「100 年度發展與應用多平台遙測製圖技術工 作案」、「101 年度多平台製圖技術工作案」、「102 年度多平台製圖技術工作案」
和「103 年度多平台製圖工作案」、「104 年度多平台製圖技術工作案」，並順利 完成所有工作項目。這些工作成果之意義本不在於現有商用系統競爭，而是希 望透過自主研發與設計之關鍵技術以擴大空間資訊專業人才訓練、落實測繪品 質管理、強化年輕學者國際競爭力與提升國內空間資訊工程領域之技術水準，
並符合國際最新的發展趨勢。圖 1.3 說明各年度工作項目之目的及延續關係。
圖 1.3 團隊歷年多平台移動製技術案完成之工作項目目的及關係圖
本團隊於前年 105 年度，辦理內政部「105 年度移動載台測量製圖技術發展
工作案」，基於104 年度工作案中，穿戴式裝置定位技術的基礎下，進一步研發 移動裝置通用之室內外定位技術，同時更評估發展環景與無人機應用於地籍測 量作業上，完成之工作項目如下：「發展移動裝置通用之室內外定位技術」、「發 展地籍測量移動製圖技術」、「發展災後快速製圖技術」、「發展多平台製圖系統 測試及率定服務」等工作項目。同時已發表 3 篇國內研討會文章與 1 篇 SCI 國 際期刊論文，提送國內科普刊物文稿 1 篇、國內外實作或論文競賽 1 件，並技 術轉移 1 件。
本團隊於去年 106 年度，辦理內政部「106 年度移動載台測量製圖技術發展 工作案」，持續發展移動裝置通用之室內外定位技術，同時更評估發展環景影像 應用於地籍測量作業上，完成之工作項目如下：「發展移動裝置通用之室內外定 位技術」、「發展地籍測量移動製圖技術」、「發展多平台製圖系統測試及率定服 務」等工作項目。同時已發表 3 篇國內研討會文章與 1 篇 SCI 國際期刊論文，
提送國內科普刊物文稿 1 篇、國內外實作或論文競賽 1 件，並技術轉移 1 件。
針對室內製圖部分規劃發展具備公尺級量測精度的室內光達移動製圖技 術，配合內政部通用版電子地圖建置公尺級室內外聯合導航圖資(含興趣點)，室 內圖資又被稱作「人的地圖」，為規劃人在室內走動路線故具有高度重要性。根 據室內移動製圖技術發展無建築藍圖的室內圖資建置與高頻率的圖資更新技 術，所得之物空間坐標得以提供室內製圖應用。105 年度中， 11 月 3 日於臺南 市海安路地下停車場進行總長約 400-500 公尺，歷時約 10-15 分鐘資料收集，並 驗證及測試整體室內製圖程序，具備多圖層套套疊功能。並已完成研發具備公 尺級量測精度之室內環景影像移動製圖技術，並可結合內政部臺灣通用電子地 圖建置公尺級室內外聯合導航圖資(含興趣點)，且在室內場景以自製圖資和低功 耗藍芽輔助定位，提升使用者使用移動裝置進行導航服務的精度。本團隊今年 度也將評估發展利用室內圖資(直接地理定位影像)與現有移動裝置進行人員室 內無縫定位與適地性服務試作，同時基於光達與同步定位與製圖演算法，快速 自動化產製公尺級室內平面圖之技術，並引入移動裝置之增廣實境導引。106 年 度中，已在台南市東南地政事務所完成「基於公開資訊發展快速自動化產製公 尺級室內平面圖之技術」、「發展自動化產製路網向量圖應用於導引服務」、「移 動裝置之擴增實境導引功能開發」項目之功能驗證與適地性服務案例試辦。
災害防救應用科技方案中，持續提供都會區車載移動製圖系統結合 Google Earth 展示介面(1050926 梅姬颱風災害）。團隊組成以老師學生為主，基於安全 性考量，故以提供災後即時資料情搜及後處理分析為主(如 1050206 台南地震災 害)。而發展災後快速製圖技術之另一重點為處理災害區域圖資之軟體服務，在 災害處理空間資訊相關應用領域方面，利用現有 UAV 空載、車載，多重載體以 機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低等優點，以及對數位影像處理與 蒐集的能力；在小區域、環境惡劣與困難災害區域快速蒐集獲取高解析度原始 影像或者是三維點雲資料。在緊急災害測繪啟動後，3~12 小時內提供已有測繪
成果資料、24~36 小時內提供災後首批多平台載體原始影像與影像內外方位參 數、36~48 小時內提供災區快速拼接正射影像解譯和災害區域土地/建物/地物測 繪災情分析初步成果以及初步點雲模型、48~72 小時內提供特定災害區域 3D 建 模模型，發佈至前台『緊急災害管理資訊系統』，為應急決策、搶險、救援等災 害應急方面提供政府相關部門即時可靠的資料支援。
地籍測量作業包括地籍圖重測及土地複丈業務，目前多倚賴傳統測繪方 法。目前的移動製圖技術已經可達到與傳統地面測量相當的點位觀測精度，然 而透過影像的方式記錄觀測現場的現況及測量員所觀測的標地點，有助於未來 釐清土地產權的爭議。人員攜帶式 (Portable)的觀測系統較符合現場調查及觀測 的概念，因此本計畫嘗試推動人員攜帶式觀測系統來輔助地籍測量之應用。目 前已發展出一套可攜式環景影像測繪系統，將該系統拍攝之原始多張影像拼接 成一張球形全景影像，可直接於該張球形全景影像進行量測與光束法平差。並 於國立成功大學校區分別設置室內與室外實驗場，驗證應用地面控制點與 e-GPS 測得之測站位置於光束法平差之準確性。針對適地性服務案例試辦土地複丈與 地籍調查，將以臺南市地籍測量案例進行測試。
而本年度新增高精度地圖及即時動態地圖的相關文獻回顧與作業方式探 討。在現今自駕車議題迅速延燒的環境下，為輔助內政部推動相關高精度地圖 及即時動態地圖的製作流程與後續延伸應用，特別探討給如自駕車等電腦操控 的智慧型無人載具所看的新型態地圖，並使用自駕車試驗場進行服務性案例試 辦，確保新訂定之作業流程及規範符合應用需求。同時也規劃相關議題研討會，
邀請產官學界等相關人士參與，希望在高精度地圖及即時動態地圖的製作上建 立起溝通橋樑與相關標準的訂定，提升我國自駕車整體發展實力。而為確保多 平台遙測製圖成果之品質，宜持續推廣適合臺灣環境之多平台製圖系統標準感 測器測試程序與維護相關設施，提供國內多平台系統測試與率定分析之專業服 務，協助確保系統穩定度與測繪成果之精度，持續推廣與滾動修正適用國內環 境之車載製圖系統作業手冊，該項目同時併入高精度地圖規範制定項目中。
我國的經濟發展與區域內許多國家具有高度關聯性，近年來東協國東協及 南亞國家等新興市場國家迅速崛起，我國與東協國家間之雙邊關係益發重要。
為配合政府的新南向政策，本工作案擬邀請數位國內產官學研之專家學者組成 台 灣 空 間 資 訊 產 業 新 南 向 策 略 小 組(Taiwanese Geomatics Industry Advisoy Networks Teaming up for Newsouthbound Strategy, TGIANT)，同時邀請部分東南 亞國家之空間資訊領域專家擔任這個小組的諮詢顧問，共商國內空間資訊產業 的南向發展策略與建構包含多方人員交流、經貿合作與產業交流、資源共享、
並南向關鍵合作議題進行區域鏈結等重大事項。在此架構下，本工作案於去年 暑假召開一個關於建置國家座標系統主題的論壇，除本國相關領域的產官學專 家外，邀請至少包含來自印尼、泰國、越南與馬來西亞等國家中至少三個國家 的專家參與這個論壇。於 106 年 7 月 10 日假行政院人事行政總處公務人力發展
中心福華國際文教會館，召開「2017 新南向測繪及空間資訊國際論壇」(2017 ASEAN - Taiwan Forum on Land Surveying and Geomatics)，為了擴大論壇的參與 力道、官方參與層級以及便於機關各項深化交流，論壇主軸除了原訂的國家坐 標系統外，更延伸至防災與測繪相關議題。論壇中邀請臺灣、泰國、印尼、越 南、菲律賓與馬來西亞的官方代表或專家學者參與發表
故本年度工作案研擬之執行主軸如圖 1.4 所示。
圖1.4 本案研擬之執行主軸
此外，本年度的執行主軸在未來將繼續擴充研究，隨著技術的逐步開發與 研究，進一步加強各項應用的深度與可靠度。尤其針對防救災的相關需求，未 來隨著實際應用的案例增加，預期將可觸發各種新穎的需求，因此應用的廣度 也將隨之提升，並提供本團隊調整未來技術發展之方向與內容。例如在完成多 模式與多情境之室內與室外移動定位技術之後，不同情境間的使用者位置掌握 便可無縫接軌，緊接而來的便是適地性服務與應用的開發。本年度將試做室內 救災人流路線導引應用，作為本團隊第一個瞄準的適地性服務。透過本團隊所 發展的室內移動製圖技術，能夠準確且高效率地將室內空間平面圖與連通路網 向量圖繪製且數化完成，雖然透過人工的方式繪製室內連通路網的向量圖是一 種高精度的製圖方式，但是當室內空間太大時，利用人工的數化紀錄處理路網 向量圖將大幅提升人力成本與製圖的時間，因此自動化的路網向量圖產生技術
便是本團隊的下一個目標，可行的做法包含兩種：第一種是透過影像辨識的技 術，從已知的室內平面圖中，分辨線與平面之間的關係，自動產生節點，並且 根據節點間是否存在線段，決定兩點間是否存在連通關係。這樣的做法優點是 直接快速，無須額外的資訊，直接針對平面影像進行分析，產生對應的路網向 量圖，但是若室內平面圖存在錯誤時，路網向量圖也會產生錯誤的連通關係，
此外，若是室內平面圖的線條符號沒有統一的話，影像分析也會有符號混淆的 問題。第二種作法是透過使用者過去的移動軌跡資料，自動探勘路網向量圖，
使用者能夠產生的軌跡路線，代表兩節點之間存在連通關係，因此先將移動軌 跡紀錄套疊至室內平面圖，接著找出頻率較高的子路線，作為室內路網向量圖 的萃取依據。未來將依循這兩種主要方向尋求快速自動化產製高正確率的路網 向量圖。
當室內路網向量圖完成之後，行動裝置並可根據目前的位置與欲到達的目 的地進行路徑規劃，未來將預計將提升路徑規劃的正確性與運算效率。接著，
如何導引使用者到達目的地也是本團隊的研究重點，擴增實境是近年來廣受矚 目的研究議題，透過行動裝置所拍攝到的畫面，將導引路線以擴增的方式，呈 現在顯示螢幕上，達到更方便的導引效果，並且透過影像中的物件推播相關物 品介紹，這幾項將是本團隊的目標之一，未來除了利用行動裝置外，穿戴裝置 也是可以考慮的硬體平台，如智慧眼鏡、智慧手錶等。本案初步規劃之中長期 研究項目見下表 1.1：
表 1.1 本案初步規劃之中長期研究項目 發展移動裝置通用之室內外定位技術
年度 工作項目
105 年度
1. 研發具備公尺級量測精度之室內環景影像移動製圖技術，並可 結合內政部電子地圖之內外聯合導航圖資。
2. 研發適用車載與行人模式、室內與室外等多情境應用場景之移 動定位技術。
3. 適地性服務案例試辦。
106 年度
1. 基於公開資訊發展快速自動化產製公尺級室內平面圖之技術。
2. 自動化產製路網向量圖應用於導引服務。
3. 優化移動裝置之擴增實境導引效能。
4. 研發移動裝置於製圖區之影像輔助慣性定位，減低環境設施布 建之需求。
5. 配合內政部辦理 106 年度行政院災害防救應用科技方案(第 2 期)，協助災後快速製圖技術研發相關作業。
107 年度
1. 研發公尺級低成本之可攜式光達室內製圖系統。
2. 研發室內定位技術在室內災害的人流導引應用。
3. 深度類神經網路增強室內外定位與製圖之整合方案。
4. 研發藍芽(低功耗)差分演算法，提升交會定位之精準度。
5. 建置移動裝置端之空間資訊系統應用於適地性服務。
6. 配合內政部辦理 107 年度行政院災害防救應用科技方案(第 2 期)，協助災後快速製圖技術研發相關作業。
108 年度
1. 研擬室內製圖標準流程與相關作業手冊。
2. 建構全系統之完整定位導引解決方案，提供慣性、圖資、影像 與低功耗藍芽的多情境整合切換。
3. 發展符合防減災應用的個人適定性服務技術。
發展地籍測量移動製圖技術
105 年度
可攜式平台之建立：
1. 多相機平台率定：包含相機內方位率定及平台系統率定。
2. 撰寫球形環景影像拼接程式：將多相機平台所獲取的多張影像 合併為一幅球形環景影像 SPI。
3. 撰寫球形環景影像光束法平差程式：利用 SPI 的交會關係，以 空中三角平差的概念解算 SPI 的外方位元素，並結合 SPI 幾何 改正之多測站光束法平差。
106 年度
應用移動製圖技術精進地籍測量作業：
1. 撰寫球形環景影像 SPI 瀏覽及觀測介面程式：設計並完成一個 符合此測繪系統需求的 SPI 瀏覽及觀測介面雛形。
2. 球形環景影像測繪系統應用及測試：將系統應用於實際測繪案 例，測試整體操作計算流程之流暢性。
3. 規劃移動製圖技術納入地籍測量作業相關流程及準則 4. 地籍測量案例測試。
107 年度
整合可攜式平台與無人飛行載具(UAV)式觀測系統：
1. UAV 觀測系統：建立適合地籍測量應用之 UAV 觀測系統。
2. 整合可攜式平台與 UAV 之地籍測量案例測試。
3. 適地性服務案例試辦。
108 年度
建立標準工作流程及服務案例：
1. 觀測系統最佳化：調整兩種觀測系統並標準化其軟硬體介面。
2. 應用流程最佳化：針對地籍測量應用，調整應用工作流程及成 果產製以適合實務工作。
3. 擴展適地性服務案例試辦。
發展災後快速製圖技術
105 年度
1. 整合研發快速獲取災害區域圖資之硬體設施。
2. 研發處理災害區域圖資之軟體服務。
3. 配合內政部辦理本年度行政院災害防救應用科技方案(第 2 期) 相關作業依據行政院災害防救應用科技方案(第 2 期)，我國持續 面臨之災害問題包含。
探討高精度地圖及即時動態地圖規格、作業方法及精度評估
107 年度
1. 高精度地圖、即時動態地圖、AI 技術特徵辨識文獻回顧整理。
2. 多平台製圖技術測試與率定設施持續維護與更新。
3. 高精度地圖管理及供應平台先期評估作業。
4. 舉辦高精度地圖研討會 1 場。
5. 高精度地圖於自駕車適地性服務案例試辦。
發展多平台製圖系統測試及率定服務
105 年度
1. 辦理「測試與率定設施之實作教育訓練」與「移動製圖技術於 防救災應用之論壇」。
2. 現有各測試及率定實驗室更新，並針對車載製圖系統的率定場 和檢核場進行更完善的場地規劃。
3. 完成單一相機內方位率定場與多組相機相對方位率定場的維 護。
4. 利用車載及影像感測器之儀器進行測試與率定，分析系統誤差 並針對誤差原因提出改正方式與修正多平台製圖系統誤差之演 算法。
5. 推廣本團隊所提供的儀器率定服務。
106 年度
1. 各測試及率定實驗室之維護。
2. 針對台北環境建置車載製圖系統之率定場和檢核場。
3. 持續推廣本團隊所提供的儀器率定服務。
4. 根據所蒐集到各單位的成果資料，建立車載及影像感測器率定 參考報告標準。
5. 辦理測試與率定設施之實作座談，協助評估前項測試及率定實 驗室加入 TAF 認證之可行性。
背景分析
移動遙測製圖系統的觀念可溯及 20 世紀初航空攝影測量之始，以飛機為平 台搭載相機，利用地面控制點及影像重疊共軛點量測反算影像方位，此種定位 方式稱為間接式定位(Indirect Geo-referencing)，此為移動遙測製圖系統的原始形 式。而自 1980 年代起隨著衛星定位技術之發展，從早期使用美國 GPS (Global Positioning System) 的單一系統，接下來伴隨俄羅斯的 GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System)之發展提供早期多系統衛星定位技術之雛型，加上歐 洲發展中的 Galileo（Galileo Positioning System）與已於 2012 年底正式提供區域 性服務的北斗系統 BDS (BeiDou Navigation Satellite System)，衛星定位之精度與 幾何強度逐年提升。而航空攝影測量即透過結合多系統衛星動態定位技術，使 得求解影像方位的過程僅需少量控制點，如此可大幅節省外業人事成本與提升 作業效率。歐美的空間資訊工程相關研究機構於1980 年代陸續提出來整合衛星 定位技術及數位相機的車載移動遙測技術(El-Sheimy, 1996)，但在此階段車載移 動遙測只侷限於可行性探討、雛型設計與系統整合及原型系統測試。但衛星定 位技術在市區、地下道、隧道、森林等地區仍然會受到訊號遮蔽的效應所影響，
一般來說，第一種狀況為使用者接收儀無法鎖定超過 4 顆衛星，故無法獲得定 位解；而第二種狀況為使用者雖鎖定超過 4 顆衛星，但其觀測量品質不佳，導 致定位精度不佳，如圖2.1 所示。同時在空載系統之應用時亦常因劇烈的姿態變 化而導致衛星失鎖而無法獲得定位解之狀況。
圖 2.1 衛星訊號遮蔽的效應
早期的慣性導航技術皆是為符合軍事平台之需求所建立的，一直被視為敏 感度極高且受相關國家管制的導航系統，同時早期的INS 使用機械環架式設計，
其精度高但體積龐大，因此無法應用於移動遙測製圖中，如圖 2.2 左所示。自
1980 年起，固裝式(Strapdown)慣性測量儀(Inertial Measurements Unit, IMU)之發 展因光學陀螺儀與石英加速度計技術發展普及而逐漸成為主流，這類慣性測量 儀具備精度高與體積小等特性，如圖2.2 右所示，故吸引歐美空間資訊領域研究 學者深入探討將慣性導航技術引入移動遙測製圖技術之可行性。慣性導航技術 需要初始的位置及姿態供加速度的轉換及積分運算，前者可以透過輔助感測器 (如衛星定位技術)給定，但姿態部分則需要一段 10 至 15 分鐘的初始對準 (Alignment)的程序，初始的水平姿態可藉由加速度計在完全靜止的模式下的輸 出來決定，而初始的方位角則要透過陀螺儀偵測地球自轉的速度，或磁力計感 測的地球磁場來計算。因為地球自轉的速度很慢，所以需要較精密的陀螺儀(陀 螺儀之飄移要小於 10 度/小時)才有辦法偵測。這個相對於載體及導航坐標系的 初始姿態矩陣確定之後，整個 INS 可切換至自由導航模式。此時的 INS 不像衛 星接收儀需要接收外來的信號進行導航，裝載有 INS 的載體可以進行自主導航 (Autonomous navigation)(Titterton and Weston, 2004)，慣性導航技術具有高採樣頻 率及短時間內高精度之特性，所以可以被使用來解決衛星定位所遭遇諸如訊號 遮蔽、低採樣頻率、週波脫落、易被干擾等限制。但 INS 在獨自運作的模式下 其定位誤差在五分鐘之內約略與時間的平方成正比，如圖 2.3 所示。
圖2.2 環架式與固裝式 INS
圖 2.3 INS 之誤差行為慣性測量儀之比較
固裝式慣性測量儀 (IMU)
環架式慣性導航 系統(INS) 封裝後直接安裝於
載體
3軸加速度計與3軸 陀螺儀模組
伺服馬達
穩定平台
機械環架 3軸加速度計與3軸
陀螺儀模組
IMU計算 得之位置
實際位置
誤差位置
失去衛星 訊號之始
失去衛星 訊號之末
整合式定位及定向系統能夠克服單一系統之缺點且提供更穩定的定位及定 向成果，故目前不管在軍用或民用的整合系統發展皆趨向於使用慣性導航及衛 星定位技術。主要的動機在於此二系統具有互補之特徵，衛星定位技術在無訊 號遮蔽的環境下可以提供穩定的定位及導航資訊，故它可用來減低慣性導航因 為積分加速度計及角速度之系統誤差所造成隨時間累積的定位誤差，對於高動 態運動的物體而言，衛星定位技術無法提供足夠的採樣頻率來追蹤載體的運 動。另外慣性導航技術可以提供衛星定位技術所無法提供的姿態參數。約於 1995 年前後，整合 INS 及 GNSS 的直接定位系統已經實現，並開始應用於飛機及汽 車移動遙測製圖平台，1996 年加拿大 Applanix 公司所發展的 POS 系列產品是第 一個商用的直接定位系統，圖 2.4 所示為直接定位技術的發展流程。
圖2.4 直接定位技術之演進
如前所述，移動遙測製圖移動平台可以是衛星、飛機、直昇機、船舶、汽 車人或各種新興的智慧移動裝置，所搭載的定位定向感測器可能包括 GNSS 接 收儀、INS、磁力計及里程計數器等，觀測感測器系統則可以是相機、攝影機、
多光譜掃瞄儀或雷射掃瞄儀等。配合不斷進步之電腦運算能力與容量，搭配各 類移動平台之機動性並考量各種需求，便能在相應的領域上發揮相應價值，移 動遙測製圖的應用面也隨之更深更廣。與現有其他空間資訊擷取技術相較之 下，多平台移動遙測製圖技術並不一定可以提供更好之定位精度，但仍持續向 上提升，並具備如下表 2.1 之優點(Ellum, 2001)：
間接定位 Indirect Georeferencing
只能依賴地面控制點提 供地理定位坐標資訊，
透過空中三角測量抑制 誤差量.
1960-1970
GPS輔助空三 GPS-AT
航空攝影測量中可直 求解定外方位參數之濫 觴。
在空中三角測量中使 用GPS資訊求解投影中 心座標
1980 - 1990
直接地位 Direct Georeferening
最早發展(1990初期) 直接定位技術的研究機 構為美國俄亥俄州立大 學與加拿大卡加立大學
最早(1996年)銷售直接 定位產品(軟硬體)之公司 為加拿大ApplAnix Corp.
1990 - date
表2.1 多平台移動遙測製圖技術之優缺點
優點 缺點
(1) 以遙測技術快速獲取空間與屬性資料 (2) 資料可以重複使用與更新
(3) 作業效率高
(4) 提昇製圖技術自動化之程度
(5) 大幅減少作業成本(泛指施測面積之單價) (6) 多平台操作模式
(7) 符合環保意識
(1) 硬體成本高
(2) 需要專業知識，特別是 慣性導航系統與雷射掃 描儀
(3) GNSS 訊號脫落之影響
如前所述，移動製圖技術可搭載於飛機上，但其可涵蓋作業範圍與天氣依 賴性之缺點與傳統航測技術相似。與傳統測量技術相較之下，車載移動製圖技 術具備低侵入性與較佳空間資訊擷取效率，同時因為待測目標與影像系統距離 遠小於空載系統，故車載系統可以提供較完整的涵蓋面，同時車載系統可於較 差天氣條件下運作，然而車載系統之缺點為其定位精度隨待測目標與影像系統 之距離增加而變差，整合式定位定向系統精度受 GNSS 訊號遮蔽狀況遠較空載 系統嚴重而其作業環境亦受既有路網的限制。個人攜行的移動遙測製圖技術機 動性遠較上述二者高，具備更佳的作業彈性，唯因個人負重的限制，所以其可 攜帶的系統精度自然較上述二者為低。因應智慧移動裝置的興起，並隨著硬體 與軟體效能的提升，穿戴或手持式的系統實現不再遙不可及。所以本案之目的 除了移動遙測製圖技術核心技術外，更將著重於探討未來多平台移動遙測製圖 技術之作業模式與其成果之聯合處理架構，近年尤針對室內測繪之應用多加著 墨，對多平台移動製圖技未來的願景，將能夠達成陸海空、室內外與各式載具 的無縫測繪，故本節首先針對多平台製圖技術之沿革歷程擇要提供精簡的回顧。
2.1 車載移動製圖技術回顧與現況
車載移動製圖技術的濫觴可追溯至1980 年代初期部分加拿大的省政府及美 國 州 政 府 提 出 的 移 動 式 高 速 公 路 設 施 維 護 系 統(Mobile Highway Inventory System, MHIS)之需求。從 1980 年代迄今，目前初估至少 1000 台車載移動遙測 製圖系統(含街景車)正遍布世界各地提供快速的空間資訊擷取方案，其中重要的 里程碑可分為三個階段；第一階段為前 INS 時期，約自 1983 年自 1993 年；第 二階段為後 INS 時期，約自 1993 年起至 2000 年；而最後一個階段為車載光達 時期，約自2000 年起至迄今。為因應不同使用者之需求，車載移動遙測製圖技 術在這 30 年來其定位定向系統與觀測系統皆有明顯的變化，以下就分這三個時 期簡單介紹代表性的系統與參考文獻。前 INS 時代的第一個代表性系統為加拿
大亞伯達省政府與卡加利大學(University of Calgary)共同發展 Alberta MHIS。早 期的車載移動製圖技術使用航位推算感測器，如陀螺儀(Gyroscopes)、加速度計 (Accelerometers)及里程計速器 (Odometer) 等，利用相對定位的原理求取定位 解。此時期所用的感測器多為類比式相機，所拍攝的照片詳實記錄公路設施的 狀況，提供維修單位即時的公路資訊。而此時期第二個代表性系統為美國俄亥 俄州立大學(The Ohio State University)製圖中心(Center for Mapping)研發車載移 動製圖系統，稱為 GPSVan。該系統使用 GPS 及里程計數器提供導航參數，該 系統主要感測器為兩部可動態連續拍攝立體像對的相機，透過近景攝影測量的 原 理 可 獲 得 特 徵 物 的 三 維 空 間 坐 標 ， 其 定 位 精 度 界 於 0.3 至 3 公 尺 間 (Grejner-Brzezinska, 2001)。
後 INS 時代的代表系統為加拿大卡加利大學所研發的 VISAT 系列，該校投 入車載移動製圖技術的研發已將近 30 年，首先於 1993 年順利將 INS/GPS 系統 整合至 Alberta MHIS 中並發展出第一代的遙測技術架構，稱為 VISAT Van 第一 代(Shin, 2005)。接下來提出的 VISAT 第二代整合了 INS/GPS、里程計數器、彩 色 CCD 相機、攝影機等完整架構(El-Shiemy, 1996)。這套系統為全球首度引入 使用環型雷射陀螺儀(Ring Laser Gyroscope, RLG)之導航等級 INS(陀螺飄移
<0.01 度/小時)之系統，其定位精度為 0.1 至 1 公尺。該系統具備可調式攝影間 隔與較高的拍攝行車速度(100km/hr)。2003 年該系統亦獲得加拿大研究學會大筆 研究資金，在 VISAT 第二代的基礎上，針對硬體及相關軟體性能進行升級並打 造全新的車輛，稱為 VISAT 第三代。與 VISAT 第二代相較之下，除電力系統大 幅升級之外，控制電腦體積也大幅縮小，CCD 相機之性能大幅提昇並使用更高 等級的 INS/GPS 整合系統。後光達時期約自迄今，與前二個階段的遙測製圖技 術相較之下，其主要差異在影像擷取感測器部分新增的車載光達。
國內關於車載移動製圖系統相關的完整研發工作始於 2008 年，成功大學於 2008 年自主研發影像級車載移動製圖技術(含軟硬體)，稱為鷹眼系統，如圖 2.5 所示。該平台實測成果顯示無控制點直接平面定位精度為 15 公分(均方根誤差)，
三維定位精度為 30 公分(均方根誤差) (Li, 2010)，而部份成果亦於美國導航學會 GNSS2010 年會發表並獲得最佳論文獎。本團隊自行研發了包含多元感測器系統 整合與觀測量同步、機電設計、精密定位定向演算法、感測器率定與直接定位 模組等自主研發的移動製圖關鍵技術，也成功為國家訓練相關的技術人才。其 他國家之空間資訊領域學界與產業界在這段時間亦積極地發展車載影像級與光 達級移動製圖技術，由這些發展趨勢可知，車載移動遙測製圖技術確實是能夠 滿足空間資訊相關領域，日漸迫切需求的快速採集資料解決方案，而近年來國 內外商用車載移動製圖技術之實例可參考江凱偉等人(2012)。國內目前無單位實 際進行具備直接定位能力之車載光達移動測繪系統研製。而商用系統部分，國 內空間資訊領域廠商自2008 年起迄今陸續引進至少二套影像級的車載移動製圖 系統，平均每套售價約在新台幣 1500 萬元左右。同時另有其他廠商引入多達四
套車載光達級移動製圖系統，平均每套售價約在新台幣 3000 萬左右。這些商用 系統已陸續承接不少政府與私人公司委託之中大型計劃。故目前至少有 6 套車 載移動製圖系統可以提供移動製圖服務，同時國內至少有超過 5 家的導航圖資 公司擁有總數超過 20 台的路調車(無近景攝影測量功能)定期走訪全台更新導航 圖資，以提升圖資更新效率。同時在2013 年起國內公路單位在公路設施清查與 水利單位之相關應用諸多大型計畫中亦陸續導入多平台移動製圖技術，如此可 見多平台移動製圖技術已逐漸被不同領域的使用者接受並逐漸深化此類技術在 空間資訊相關領域的應用空間。而內政部國土測繪中心為公務機關之翹楚，率 先於2012 年執行中的通用版電子地圖工作案中以官方身分評估車載移動製圖系 統於通用版電子地圖實作之效益，並於 2015 年著手開發自有的車載移動製圖系 統。
圖2.5 成功大學自主研發之影像級車載移動製圖系統-鷹眼平台 2.2 個人攜行製圖技術回顧與現況
個人攜行移動製圖技術的發展可追溯自 2000 年代初期，加拿大卡加立大學 空間資訊工程系發展出輕量且低成本之個人攜行移動製圖系統之原型，在相機 與待測物距離維持 30 公尺之條件下，該系統無控制點平面直接定位精度為約為 20 公分，高程精度約為 10 公分。系統硬體成本在新台幣 50 萬元以下，本原型 只使用數位磁羅盤而非使用慣性測量系統提供姿態訊息，唯數位磁羅盤在都市 地區易受磁場干擾而呈現不穩狀態，未來宜以慣性測量儀取而代之以提供更穩 定之姿態訊息(Ellum, 2001)。個人攜帶式製圖系統尤其有利於災區之測量，於第 一時間以人員攜帶系統進入災區蒐集空間資訊，以有效達到災損評估及災區域 監控之目的。圖 2.6 所示為 Trimble 所發展的室內移動製圖系統(Trimble Indoor
Ladybug 3 全景相機
GPS / IMU 工業級數位相機
輪速計
Mobile Mapping Solution)，此系統搭載光達、全景相機、慣性測量儀與輪速計；
因本系統強調室內製圖之應用，所以就不搭載 GNSS 接收機。
圖2.6 Trimble 的室內製圖系統(摘自 https://www.trimble.com)
隨著移動測繪系統的發展，相機、GPS 接收儀、INS 等等被整合至各種的 平 台 上 ， 大 部 分 的 移 動 測 繪 系 統 會 選 擇 運 輸 載 具 ， 例 如 車 子 做 為 其 平 台 (El-Sheimy, 1996)，更方便地沿路收集資料，這些所蒐集到的影像序列或是環景 影像可以用來進行移動物體與交通號誌的偵測(Sun et al, 2008;任志恆，2011)，或 是道路邊界線萃取(Li, 2009)等應用。Ellum(2001)發展出可讓行人攜帶的後背式 移動測繪系統(Backpacked Mobile Mapping System, BMMS)，提升移動測繪系統 的可攜性與便利性，使其能應用在崎嶇地形、森林地區、狹窄巷弄等車子無法 進入的地區。
曾義星等人(2014)研發之可攜式移動測繪系統(Portable Panoramic Image Mapping System, PPIMS)配備 8 部高解析度單眼相機，以環狀的排列的方式固定 於平台，平台上設置同時曝光機制，使得 8 幅同時成像的影像可構成環場全景 影像。然而，架設多個測站後會產生大量的影像以供使用者觀看和量測，觀測 者不易於大量影像中找尋目標。因此，本研究將同一測站的多張影像合併為一 球形環景影像(Spherical Panorama Image, SPI)，利用此球形環景影像來進行測繪。
應用 PPIMS 於地物點定位的流程包含了系統率定、環景影像產製、外方位 解算及測繪。經過系統率定後(王彬權，2012)，可利用不同測站間影像的連結點 及平台中心位置觀測量，以相機與平台中心的相對位置及方位關係為約制條 件，進行光束法空中三角平差，得到每張影像的外方位元素(蔡博慶，2012)。接 著可應用多張影像的前方交會獲得物空間點位三維坐標。雖然球形環景影像SPI 不完全符合嚴謹的共線幾何，但仍可應用光束法平差的原理，利用影像中的共 軛點坐標進行修正，迭代計算出測站平台方位與共軛點之物空間坐標(Tseng et al, 2016; 林冠穎，2014) ，應用此方式得到的物點定位精度符合內政部國土測繪中 心訂定之千分之一地形圖測製規範。
目前亦有商業化的環景影像測繪系統如台灣儀器行代理的 Trimble V10 Imaging Rover。此系統配備 12 部相機，頂部可架設 GNSS 天線，如圖 2.7 左，
觀測時可架設在測桿上，配備控制面板方便野外作業(如圖 2.7 右)。整體系統相 當輕巧實用，也有完整的軟體系統支援後續的影像處理瀏覽及量測工作，相關 的精度規格如附件所示，定位精度在水平方向的均方根誤差約為 10mm，垂直方 向約為 7mm。此系統整合了全球定位系統與環景影像攝影裝置，能夠拍攝 360 度環景數位影像，提升周圍環境測量的效率。目前已有案例在紐西蘭 Larnach 城 堡與 美國佛羅 里達州 運河周圍實際進 行量測與精度評 估(Page et al, 2014;
Dahlberg, 2014)，其中也包含了地籍測量界址點的量測。
圖2.7 Trimble V10 Imaging Rover 2.3 穿戴式移動製圖系統回顧與現況
在室內導航技術的蓬勃發展下，穿戴或手持裝置的定位精度有顯著的提 升，並隨著各式各樣的微機電感測器成本與體積逐漸下降，加上一般手持裝置 皆搭載有相機或錄像影機的功能，因此許多室內導航研究中，也開始利用影像 與深度感測器，甚至光達等儀器來輔助導航應用。然而影像成果在室內應用上，
多半為輔助導航，大部份研究皆未探討將定位成果用於災情獲取上。Beauregard (2006)提出以頭盔式的室內導航技術，將慣性感測器與 GPS 天線放置於頭盔上，
利用行人航位推算演算法來達到室外與室內的無縫式定位效果，如圖 2.8 所示。
在以頭盔為平台的研究方面，Bretschneider 等人 (2006)探討頭戴式的顯示器對 於消防員的用途，裝置如圖2.9 所示。在原本頭盔上，加裝攝影機或是相機，甚 至是熱感應儀器來協助救災活動。此擴增實境的顯示應用與導航輔助上，在 Menozzi 等人(2014)的研究中有提出以影像上量測或者偵測到的特徵點來進行定 位與姿態的輔助，將影像點坐標透過載台本身的內外方位參數轉換為大地坐標 系統，並透過影像匹配來輔助定位。
圖2.8 頭盔式穿戴裝置(Beauregard, 2006)
圖2.9 頭戴式的顯示器(Bretschneider et al., 2006)
此外，國外研究也提到以身體不同部位為載台的成果，如 Langer 等人(2012) 中所提出以體軀幹為核心的定位感測系統，如圖 2.10。此套系統同樣搭載有慣 性原件外，更有光達與相機為影像輔助，來開發相關定位演算法。前述提到的 系統中，皆為整合在同一載台上，國外研究中也有提到將各感測器分開放置來 確保成果穩定性，如 El-Mokni 與 Govaers (2011) 與 Bernoulli 等人(2011)兩者的 研究中，將定位演算法著重在足攜式的行人航位推算(Pedestrian Dead Reckoning, PDR)，如圖 2.11 左所示，El-Mokni 與 Govaers 所發表的分散式定位系統，利用 將 IMU 放置於腳上來實現足攜式航位推算演算法外，更將光達與另一 IMU 放置 於頭頂，用於輔助計算更精確的航向。而圖2.11 右所示為 Bernoulli 等人提出的 系統，配戴微型電腦並加裝錄像影機於肩膀上協助定位與收集圖資等資訊。
圖2.10 背包式穿戴儀器(Langer et al., 2012)
圖2.11 分散式穿戴儀器(El-Mokni and Govaers, 2011; Bernoulli et al., 2011) 根據江凱偉等人(2014)之分析與 Blodget 等人(2012)的報告，並結合近來穿 戴與手持裝置的發展，智慧型手機廣大的全球市場開始吸引中國與其他中低階 智慧手機廠商的加入，打破了過去台美韓主導的高階智慧型手機市場，使得智 慧型手機市場正式進入百家爭鳴的時代。如此的競爭可以預期高階智慧手機的 系統規格與硬體性能也將在維持穩定售價的前提下持續地推陳出新，而中低階 價位的智慧型手機其性能也在逐年提升，因此手持裝置搭載的感測器種類將越 來越齊全，且系統精度在排除製造商的成本考量因素後理應逐年提升。如下圖 2.12 所示，美國的智慧型手機普及率在 2014 年 3 月就已達到 72%，同時由於前 述中低階智慧型手機的發展，智慧型手機的平均售價逐年降低(圖 2.13)，這將使 得智慧型手機除了普及於先進國家以外，也將開始在全球的發展中國家開始普 及，尤其是中國與印度等擁有大量人口的國家，這一轉變將開啟智慧型手機市 場的新頁，而全球手持智慧型手機的人口未來仍將持續地快速上升，並且並不 侷限於先進的富裕國家。
圖 2.12 美國的智慧型手機普及率折線圖(Blodget et al., 2012)
圖 2.13 全球智慧型手機普平均價格圖表(Blodget et al., 2012)
而為了滿足製圖與導航等應用，智慧型手機需要配備有全球衛星定位系 統、微機電系統(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS)感測器、高性能的計 算處理器和高畫素的相機等。江凱偉等人(2014)提到 2012 年的統計數據已表明 約 有 75 %的智慧型手 機配備有慣性感 測器；而法國市 場研究機 構 Yole Development 公司也統計出約有 49700 支的智慧型手機單位配有加速度計和陀螺 儀。全球衛星定位系統是為了應用於 Apple 或 Google 本身的地圖導航應用，而 慣性感測器更是遊戲或健康導向的應用軟體所必須具備的基礎核心，相機更是 不可或缺的日常生活感測器。因此可以預期未來不論是高階或中低階智慧型手 機，搭載前述感測器的機型勢必成為主流，且精度規格也將隨手機的推陳出新 而逐漸提升。
此外，2014 下半年開始，可以感受到由小米手機推出的穿戴式手環掀起的 風潮，如圖 2.14 所示，目前搭載有運動感應器與藍芽晶片，主要是搭配運動相 關的應用軟體。然而運動感應器即是前文所述的慣性感測器，而將慣性感測器 固裝於人體其他部位，以輔助行人導航之技術由來已久，其穩定性與精度都比 使用手持裝置進行導航的效能更優。而造成此一現象的主要原因有二:一為固裝 於人體其他的部位，人體行進時感測器會受到的雜訊干擾會比手持裝置來的 低；二則為穿戴裝置能夠跳脫智慧手機的硬體與售價限制，成為獨立產品以後，
能夠使用精度規格較佳的感測晶片。此外，藍芽傳輸功能未來也將能與蘋果的 iBeacon 技術結合，用於輔助行人室內定位。圖 2.15 為 Business Insider 預估未來 幾年穿戴式裝置的銷量成長，其中尤其看好蘋果今年將推出的 Apple iWatch(圖 2.16)，將佔據穿戴式市場的主導地位。因此總結小米智慧手環與蘋果智慧手表 的現況與未來，可以預期未來人們將越來越習慣穿戴式裝置，使得過去因為種 種原因而無法普及的穿戴式行人室內定位技術將有可能重新成為技術重點。
圖 2.14 小米穿戴式手環(摘自 http://www.mi.com/tw/miband/)
圖2.15 穿戴式裝置預測圖(Blodget et al, 2012)
圖2.16 Apple iWatch (摘自 http://www.apple.com/tw/watch/)
小米手環內部有慣性導航感測器，即加速度計與陀螺儀，小米公司將其用 於運動行為的偵測，而其偵測的原理與後面提及之行人航位推算演算法中，計 步演算法的概念相去不遠，同時如前所述，因為配戴位置的差異，使得手環一 般狀況下能夠偵測到較手持裝置更明顯的運動訊號。因此未來小米手環若能具 備開發環境，將能採集感測器資訊用於輔助行人導航定位中計步的精確度，透 過藍芽等無線通訊技術，將資料傳送至手持裝置與手持裝置的感測器資訊整 合，從而獲得更優的定位推估。另外，iWatch 已能夠提供使用者自行開發相關 軟體並安裝使用，感測器和配戴位置則與手環的特性相當，但其具備有處理器 能夠提供進一步的演算，甚至能夠安裝手持裝置的定位與災情獲取軟體。因此 這兩種穿戴式裝置未來將有很大的可能，能夠與手持裝置一起建構一套整合式 的行人定位與災情獲取系統，其搭載的感測器與配戴的位置，能夠輔助手持裝 置的演算法，提升定位的精度。本團隊目前也持續關注這類產品的發展，諸如 搭載的感測器種類與市場接受程度等。
2.4 室內製圖系統回顧與現況
對於室內製圖系統技術，其相繼應用在於機器人視覺技術(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)，機器人視覺技術大部分採用的感測器為慣性 量測儀及三維雷射測距儀或光達，利用慣性量測儀加輔助資訊完成導航，並利 用三維雷射測距儀或光達建立周遭環境，其目的為機器人導航及避障，故其成 果通常自成一坐標系統。John 和 Hugh (1991)首先提出 SLAM 技術文章，文中 說明定位定向之狀態項，利用卡曼濾波器完成定位及定向，並在卡曼濾波器更 新部分，利用地圖作為更新資訊進行約制，完成 SLAM 技術演算法。Oliver 等 人(2004)利用慣性量測儀、輪速計及三維雷射測距儀，以 SLAM 技術在多障礙 空間中，利用三維資料建立二維虛擬平面圖，在偵測平面圖中的特徵點進行，
建立更新觀測量，修正卡曼濾波器。而近年來，除定位定向沿用慣性量測儀外，
所搭配製圖感測器逐漸被 Kinect 取代，Bas-des(2011)和 Kourosh 與 Sander(2012) 皆利用 Kinect 研究室內製圖技術。
Sabry 和 Pierre(1999)提出室內移動製圖技術相關專利，其搭載慣性量測儀、
雷射掃描儀和 CCD 相機，建立室內三維模型，並在測試區內設立多個標示，利 用標示約制整體精度。Erike(2009)也提出相關專利設計平台，可裝置於推車上或 個人背袋，其搭載 GPS、導航等級慣性量測儀、相機和雷射掃描儀，利用 GPS 提供初始位置進行定位，而室內製圖部分則依賴導航等級之慣性量測儀精度維 持，最終提出室內三維製圖資料。Aaron 等人(2012) 提出入口時轉換模式，在室 外時使用 GPS 導航，而室內時使用 SLAM 導航。Abhijit 等人(2014) 提出可攜式 電子裝置，如手機和 PDA，其中包含加速度計、無線接收機、震動馬達、展示 與記憶體，透過網路與主伺服器連線，使用端收集 GNSS、無線訊號強度與影像，
依特定路線或指示運動，利用伺服器計算導航或製圖和儲存導航資料及平面圖。
如 2.3 節所指出，基於智慧手機之普及度以及市場之潛力，手機開發室內製 圖與定位是過去幾年熱門議題，Mur-Artal 等人(2015)使用了相機進行製圖與定 位，該方法雖然精度無法勝過光達技術，但製圖屬性的自動化卻是不可或缺。
值得一提的是，近幾年國外大量視覺技術開始使用人工類神經網路，這使得以 相機為基礎之機器人視覺技術在影像處理方面得到大幅度速度與自動化之提 升。有鑿於卷積深度網路(Convolution Neural Network)的提出與應用，大量文獻 不管是雙相機或單相機技術之 CNN 影像特徵自動計算法已浮上檯面，其中 Kishore 和 Roland(2015)使用標誌性 KITTI 資料庫進行了學習與測試，展示了類 神經網路在未來取代傳統視覺里程演算法的可能性，另外，Tinghui 等人在 2017 年進一步讓類神經網路進入非監督式學習，這是在類神經網路領域上之一大重 要里程碑，該法可預測影像深度與相機六自由度(位置與姿態)，還具有相對移動 物體之屏障計算能力，大大增加了 CNN 應用之可看性。
雖然 3D 光達點雲可以有效重現空間，但唯獨影像整合光達才能有效建檔室 內或室外特徵物之幾何形狀與屬性(表面、座標等等)。感謝大數據與類神經網路 的跳躍式發展，CNN 如 Detectron(臉書公司發表)，目前不僅可以自動偵測影像 中之物體名稱，更可提供為物體之輪廓線，其成果可望配合光達點雲資料進行 影像三維化或光達製圖屬性之自動標籤化，進而免去人工數化之成本與時間。
2.5 無人機應用於災後環境重建之回顧與現況
依據國外光達製圖的先行研究，利用無人機定位與製圖技術除了可快速進 行環境重建外，透過定位技術更可快速地重建災後環境的樣貌。在光達製圖應 用中，傳統二維資訊並無法完全滿足無人機進行製圖的需求，除了傳統的二維 平面圖資外，為了配合多旋翼無人機靈活機動性，許多無人機研究也投入在三 維環境的重建上，多旋翼無人機搭載三維或者兩個以上的光達便可以滿足此類 需求，透過不同方向上的掃描，此類三維點雲更可以精確的建構出真實環境 (Dryanovski, 2011)。除了三維點雲外，另一種表示三維環境的方式為將現實世界 網格化，透過具有三維體積的網格點來描述環境(Morris, 2010)，這種方式雖然會 因為網格點大小影響圖資精確程度，但是卻可以大幅提高地圖即時展示與計算 上效能。圖 2.17 為三維點雲圖資，圖 2.18 為三維網格點雲圖資。
圖2.17 室內三維點雲圖資(Dryanovski, 2011)
圖2.18 室內三維網格點圖資(Morris, 2010)
光達製圖技術，國外也有研究將光達應用在地下洞穴中進行環境探勘。地 形崎嶇不平使得移動測繪系統難以移動，因此需要設計避免晃動過大之載具。
利用光達裝載於適應於崎嶇地形的路基式機器人載具，避免光線不足及地形方 面之問題。然而，結合輪速計之資訊達成更佳的 SLAM 成果(Hähnel, 2002)。圖 2.19(a)利用光達分別平行和垂直裝置機器人之平台上，並將機器人調整至適應礦 坑地形的型態。圖 2.19 (b)提供 2D SLAM 之成果，建置礦坑之平面圖。再者，
僅用二維的平面圖無法明確表示崎嶇不平的礦坑環境，因此需要進行 3D SLAM 提供完整的圖資，如圖 2.19 (c)所示。
(a) (b)
(c)
圖2.19 光達 SLAM 成果(Hähnel, 2002)：(a)路基式平台(b)2D SLAM (c)3D SLAM 除了利用光達在礦坑環境中進行 2D SLAM 和 3D SLAM，利用一個光達裝 載傾斜移動之平台亦可以達成良好之成果(Neumann, 2014)。該酬載不僅適應礦 坑地形的移動測繪系統，也設計自動改變光達軸向的平台。該平台可沿著垂直 角 0 度至 90 度進行傾斜，能獲取更多方向之資訊，如圖 2.20 為此酬載進行 3D SLAM 之成果，獲取的三維空間資訊能進行實際用途。
圖 2.20 光達之 3D SLAM 成果(Neumann, 2014)
另一方面，有將製圖技術應用於下水道環境中，除了遭受前述在礦坑環境 中會發生的狀況，還會受到水或是水氣影響，使得移動測繪系統的酬載設計需 要避免水影響儀器運作。圖 2.21(a)為適應下水道環境的移動測繪系統酬載，該 系統不但使用光達和輪速計，也利用慣性感測元件和相機提升 SLAM 之精度。
慣性感測元件可以換算得到載體的位置和姿態，而相機藉由輔助光源拍攝照片 提升製圖的精度。該酬載為了在下水道環境中施測，可被拆解成數個直徑小於 60 公分之零件，並能夠於下水道環境進行組裝。圖 2.21(b)為此移動測繪系統製 圖之成果，建置三維的下水道圖資能對於環境內破損的管線進行監測。
(a) (b)
圖2.21 適應下水道環境之移動測繪系統與成果：(a)移動測繪系統酬載(b)3D SLAM (Neumann, 2014)
災後環境重建中，以航空影像與光達資料的配合最為普遍，透過航照影像，
來擷取的地物的特徵線，如房屋等等。再透過點雲資料進一步提供高程資訊，
可以在短時間之內建構出房屋模型與點雲資料(Weng, 2010)。如圖 2.22 所示，影 像中的紋理，透過從光達與影像上的邊界萃取，進一步得出較真實的房屋模型，
將紋理貼在模型上，產製視覺化成果較佳的模型資料。其他專家學者也同樣的 使用影像與光達資料的配合，提出 Split-Merge-Shape(SMS)，重新建構模型資料 (Chen, 2005)。
圖2.22 航照影像與光達資料整合處理成果(Weng, 2010)
若是單純依靠點雲資料，來進行環境重建，沒有影像的輔助下，對於地形 地物的特徵線，在取得資料的當下，並無法得到如影像這樣直觀的判斷與分析。
而為了處理這些龐大與複雜的點雲資料，專家學者提出了整合各項技術如，三 角網等等技術來設計建模程序，如圖 2.23(Orthubera, 2015)。此外點雲資料的處 理，也有專家學者將點雲切分成各個區塊，提出 Locally Fitted Surfaces(LoFS)，
透過各個區塊之間的相對關係，進一步重建模型(Bizjak, 2015)，如圖 2.24。Wu 更提出了透過階層式的圖形高度分析，如圖 2.25，進一步重建房屋模型(Wu, 2017)。
圖2.23 點雲建模程序(Orthubera,2015)
圖2.24 Locally Fitted Surfaces(LoFS) (Bizjak, 2015)
圖2.25 階層式圖形高度分析模型示意圖(Wu, 2017)
2.6 室內空間資訊的國際標準化之現況(IndoorGML)
本 節 資 料 的 參 考 來 源 皆 為 OGC Candidate Standard for Indoor Spatial Information 網站所提供的資料。IndoorGML (Indoor Geographic Markup Language) 是 OGC (Open Geospatial Consortium)針對室內空間資訊的開放資料格式與 XML(Extensible Markup Language)架構制訂的一個候補標準，目的是提供一個通 用的框架表達或交換室內空間資訊。最初的動機是因為室內空間與室外空間有 許多的不同，因此在空間資訊的基礎概念、資料模型與標準也應該更進一部被 區分，才能符合室內空間資訊應用的需求。目前室內空間資訊應用的需求一般 可以分為兩類：(1)建物組成與室內設施的資產管理，例如牆壁與屋頂；(2)室內 空間的使用，例如將房間、樓梯與門等室內空間資訊定位並表示出來，進行後 續的應用，例如 LBS (Location-Based Services)、室內路網分析與室內地理標記 服務。換言之，IndoorGML 的目標就是定義室內空間資訊的標準框架，定位室 內的靜態或移動特徵物件，以提供基於室內空間位置的空間資訊服務，除了表 示室內空間的性質之外，也提供室內空間中特徵物件的空間參考。目前的 IndoorGML 版本是基於第二類的需求，主要是因為室內導航應用在 LBS、路徑 規劃與緊急救援上，對室內空間資訊有強烈標準化的需求。
室內空間相較於室外空間的一項重要區別在於，室內空間是由許多複雜的 約束條件組成，如走廊、門、樓梯、電梯等，就像一個路網空間是由許多道路 約束組成。這說明如何適當地表示室內約束物件是室內空間資訊模型化和標準 化的關鍵問題。其延伸概念相當廣泛，以下皆以細胞表示室內最小空間單元：
細胞空間 (Cellular Space)：假設室內空間為一群細胞的集合，就可以定義 室內空間的最小結構單元。細胞空間具有以下重要的特性：(1)每一個細胞 都有一個識別碼(Identifier, ID)，像是房號；(2)每個細胞可能具有共同邊界，
但不與其它細胞重疊。(3)在細胞空間中的位置可由識別碼定義，也可以使 用(x, y, z)坐標指定更精確的位置。
語 義 表 示 (Semantic Representation) ： 語 義 是 細 胞 的 一 個 重 要 特 徵 。 在 IndoorGML 中語義表示有兩個目的，對細胞進行辨識並分類，以及定義細 胞彼此間的連結關係。尤其對於導航應用來說，細胞的語義表示相當重要，
例如拓樸空間中細胞普遍可以分類為可導航之細胞(如房間、走廊、門)和不 可導航之細胞(如牆壁、障礙物)。
幾何表示(Geometric Representation)：室內空間的二維或三維幾何表示並不 是 IndoorGML 的主要焦點，因為它們已經在 ISO19107 和 CityGML 中被明 確定義。然而，基於資料自我完整性的因素，二維或三維物件的幾何可根 據 ISO19107 中定義的數據模型，在 IndoorGML 中選擇性的去定義。目前 有三個方案在 IndoorGML 中表示細胞的幾何，如圖 2.26。
外部參考：捨棄在 IndoorGML 中去表示複雜的幾何，當針對某個特定 物件時，以一份只包含外部鏈接的 IndoorGML 文件去紀錄幾何的資訊，
而 鏈 接 的 訊 息 可 以 用 CityGML 等 標 準 去 定義 。 因此 室 內 物件 與
