Transcript 航測標 - 國立中興大學

無人載具系統
(UAS)航拍應於高精度
製圖的可行性研究
A feasibility study on unmanned aircraft
systems (UAS) for high accuracy mapping
報告人：蘇柏軒
指導教授：蕭宇伸 老師
授課教授：林俐玲 老師
學號：7101042023
報告大綱
一、
前言
二、
前人文獻
三、
研究方法
四、
研究材料
五、
預期成果
2
前言
文獻
方法
研究動機及目的
材料
成果
• 航空攝影測量(Aerial photogrammetry)利用
探測工具從空中量度或感應地面上被測量物
的特質和位置。
• 無人載具系統(UAS)之非常規攝影測量技術近
年來由於UAS、相機、GPS、攝影測量軟體
技術不斷改良的進步，測量精度越來越高，
以達到工程測繪精度要求。
• 研究目的：UAS不同航拍任務設計之正射影
像精度分析。
3
前言
文獻
方法
材料
成果
UAS非常規
攝影測量
前人文獻
航測標
Pix4UAV
4
前言
文獻
航空攝影測量
方法
材料
成果
• 航空攝影測量，簡稱航測，乃一門應用航空像片測繪
地圖的研究及應用領域，換句話說，航測之主要目的
在於從航攝影像中萃取幾何及地類資訊。(曾義星，
1997)
• 航空攝影測量之相關書籍
何維信，航空攝影測量學(1995)
Wolf 和Dewitt，Elements of photogrammetry: with
applications in GIS,Vol. 3 (2000)
• 近幾年來，國際社會專注於研究“非常規攝影測量”方
法和過程，如何應用於緊急救援（柯濤，2010）
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前言
文獻
方法
非常規攝影測量
材料
成果
• 多數 UAS的飛行高度較飛機為低，除了可獲取地面解
析度高的影像，也不易因雲層遮蔽而降低影像品質，
也可獲取一般航測作業中難以拍攝的建物側面影像，
對特定區域內的監測、調查、記錄而言，有相當高的
應用價值(謝幸宜,2009)。
• 執行UAS航測任務不需使用航空攝影測量專用相機，
只需使用一般相機，主因在於目前數位相機與數位攝
影機在解析度與取樣頻率等規格大幅提升，且各種量
測理論日趨成熟(蕭鎮洋,2011)。
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前言
文獻
方法
非常規攝影測量
材料
成果
• 和量測型相機相比，
非量測型相機有以下
優點(龔健彬與史天元,
2000)：體積較小、重
量輕、取得容易、價
格低廉、影像獲取方
便、記憶卡可重複記
錄使用且輸出為數值
影像可直接在電腦上
修改。
7
前言
文獻
方法
非常規攝影測量
材料
成果
• 孫等人(2006)和周等人(2004)使用數位相機，通過計
算機視覺中的多視圖幾何取得工程精度等級之三維地
形重建
• 2010年海峽兩岸非常規攝影研討會中，武漢大學研究
小組分享非常規攝影用於汶川地震，包含資料存取、
處理、呈現之完整過程(柯濤，2000)
• 台灣方面，國道3號邊坡塌方後，蕭鎮洋等人(2011)使
用此技術，研究塌陷區地形高程變化，與現地高精度
GPS實地測量結果之誤差，高程誤差不超過16公分。
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前言
文獻
航測標
方法
材料
成果
• 蔡政修(2002)在筏子溪執行非常規攝影測量，使用的無
人載具為直升機，進行空拍影像進行校正及分類之研
究。
9
前言
文獻
航測標
方法
材料
成果
• 測量成果：平面座標誤差值約
在1.5m 以內
• 航測標地點選擇
1. 優先選擇圖面上易於辨識分辨
之位置點，如橋頭邊、空曠地、
道路交接處… 等。
2. 為避免進行控制點測量時無謂
的困擾，空標點周遭以車流量
少為佳。
3. 空標控制點附近應避免具有高
電壓物品在旁，以免對GPS 造
成訊號上干擾，造成座標精度
上的誤差。
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前言
文獻
航測標
方法
材料
成果
• Chien-Ting Wu等人(2013)使用UAV重建莫拉克颱風樂
野崩塌區之三維資料，比較災區之災前災後之環境高
程3D重建數據，可計算土砂流失或增加量。
• 自製航測標
• 水平誤差6.7cm~46.3cm
• 垂直誤差0.15m~1.09m
11
前言
文獻
航測標
方法
材料
成果
• 陳智揚等人(2013)在交大土木系主辦的測量及空間資訊
研討會上，展示於屏東縣高樹鄉執行兩次不同行高之
精度比較。
• 使用地面控制點，則其高程絕對精度可達50-60公分
• 若未使用地面控制點，絕對精度也會下降到1.3-5.4公尺
• 航高600公尺比1200
公尺精度高
• 航高1200公尺
其平面誤差1公尺
• 災情調查足夠
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前言
文獻
方法
航測軟體Pix4UAV
材料
成果
• 此套軟體發展自瑞士洛桑聯邦理工大學( EPFL )團隊
(C.Strecha等人，2012)。
• 利用自行研發的運算方法，能夠在短時間內對空拍圖
進行接圖，並且會根據內建之演算法將這些空拍平面
圖轉換成 3D 模型及貼圖材質，最終可產出Google
Earth 的 KML 圖檔，而結算出來的鑲嵌正攝影像以及
DSM，也有利於在圖像上量測座標、距離及面積。
• 此軟體適合搭配UAS攝影測量類之非常規攝影測量，
可快速產出鑲嵌影像、數值地形模型、外方位參數，
與傳統的攝影測量方法相比大幅降低了作業時間與成
本。
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前言
文獻
方法
航測軟體Pix4UAV
材料
成果
• 陳智揚等人(2013)大略介紹Pix4UAV的運作
全自動
特徵匹
配
大量影
像之空
三平差
密集匹
配得共
軛點影
像坐標
前方交
會產生
點雲
內插成
DSM
製作真
實正射
影像
• 控制點誤差計算成果非常精準，但使用者無法調整參
數，如觀測量之權重等。
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前言
文獻
方法
航測軟體Pix4UAV
材料
成果
• 李硯婷、蔡展榮(2013)比較SMM、
Photosynth、Pix4UAV等演算法。
• SMM 匹配點83%為2~3 重點，
Pix4UAV 的匹配點77%為6~17 重
點，Pix4UAV 可靠度優於SMM。
• 比較 SMM、Photosynth、
Pix4UAV 匹配密度，
• Pix4UAV 每公尺有1 匹配點
SMM 的1/17.4(點/公尺)
Photosynth 的1/7.8(點/公尺)，
• 使用相同的 17 張空照影像測試匹
配效率，SMM 需44 分鐘，
Photosynth約1 分鐘，Pix4UAV
17分鐘得到最終的密匹配點雲。
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前言
文獻
研究方法
方法
材料
成果
• 本研究為使用UAS執行非常規攝影測量之後
續研究。
航拍任務
影像處理
正射鑲嵌
• 為了研究航線及航測標對精度的影響，執行
了三次比較其結果，編號為一、二、三
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前言
文獻
研究方法
方法
材料
成果
三次航拍任務
不同航線
航測標有無
用全測站進行地面測量
特徵點座標
航測標座標
利用航測軟體Pix4UAV處理影像
特徵控制點
航測標控制點
水平高程誤差比較
地表特徵點
樓頂特徵點
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前言
文獻
研究樣區
方法
材料
成果
• 本研究的區域為國立中興大學校區
• 選擇原因：
1. 此區域具有多樣建物，且外觀高矮多變，又
因本研究欲知UAS航拍製圖的精度，可知建
物高矮及外觀形狀對平面圖精度之影響。
2. 此區域地表特徵點相對於一般野外之研究較
為清楚，如斑馬線、停車格等，人工判釋較
為容易，可降低人工判釋會造成的誤差。
3. 第三個此區域具有中興大學土木工程學系所
設置的控制點，利於增加執行地面測量之成
果的可信度，讓地面測量結果更加適合作為
精度比較的依據。
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前言
文獻
研究材料
方法
材料
成果
三次航拍任務
不同航線
航測標有無
用全測站進行地面測量
特徵點座標
航測標座標
利用航測軟體Pix4UAV處理影像
特徵控制點
航測標控制點
水平高程誤差比較
地表特徵點
樓頂特徵點
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前言
文獻
三次任務資訊
任務
UAS型號
翼展
相機型號
像素
快門時間
焦距
光圈
航線設計
拍攝時間
相片數量
拍攝日期
航測標
﹝一﹞
Avian UAS
1.6 m
Panasonic DMCFT2
14,000,000
1/250秒
28mm
f/3.3
單S型
5分鐘
59張
2011年11月
無
方法
材料
﹝二﹞
SV-1000
1m
Canon
PowerShot S100
12,000,000
1/2000秒
24mm
f/2
單S型
12分鐘
53張
2013年3月
無
成果
﹝三﹞
Avian UAS
1.6 m
Samsung NX200
20,000,000
1/640秒
24mm
f/2.5~f/9
雙S型
21分鐘
162張
2013年6月
有
20
前言
文獻
航拍任務航線
方法
材料
成果
• 航線設計示意圖，左圖為任務﹝一﹞﹝二﹞
之航線，右圖為任務﹝三﹞之航線。
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前言
文獻
研究材料
方法
材料
成果
三次航拍任務
不同航線
航測標有無
用全測站進行地面測量
特徵點座標
航測標座標
利用航測軟體Pix4UAV處理影像
特徵控制點
航測標控制點
水平高程誤差比較
地表特徵點
樓頂特徵點
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前言
文獻
方法
影像特徵控制點
材料
成果
• 從中興土木控制樁及
控制點中篩選得到十
五個均勻分佈控制點。
• 但在執行完航測任務
後，發現控制樁及控
制點無法使用
• 原因：1.顏色多與道
路相近2.尺寸太小3.
高樓及大樹遮蔽4.陰
影所覆蓋
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前言
文獻
方法
影像特徵控制點
•
1.
2.
3.
4.
5.
6.
材料
成果
特徵點位取代控制點的方式，選擇原則如下：
顏色分明之交界處的直角
不被障礙物遮蔽
不可太接近大樓
不被陰影覆蓋
不易移動之地物
地勢平坦
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前言
文獻
特徵檢測點
•
•
•
•
•
方法
材料
成果
從航空照片上特徵點做為檢測點
地表上12點(紅)
頂樓上11點(黃)
共23個檢測點
地面測量得座標
25
前言
文獻
方法
地面測量特徵點
材料
成果
• 主要儀器有稜鏡及全測站DTM-332
• 特徵點有座標，作為特徵控制點。
• 檢測點座標，作為UAS攝影測量的誤差大小
的依據。
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前言
文獻
研究材料
方法
材料
成果
三次航拍任務
不同航線
航測標有無
用全測站進行地面測量
特徵點座標
航測標座標
利用航測軟體Pix4UAV處理影像
特徵控制點
航測標控制點
水平高程誤差比較
地表特徵點
樓頂特徵點
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前言
文獻
內頁作業
方法
材料
成果
• 使用航測軟體Pix4UAV進行結算
• 產品有鑲嵌正攝影像以及DSM
• 在Pix4UAV軟體中以人工判釋方式搜尋檢測
點，量測其座標與地面測量比較，計算平面
與高程之誤差。
• 拿到所獲得的DSM
與原有的DSM做比較。
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前言
文獻
預期成果
方法
材料
成果
• 航測標是否可增加精度
• 航線對精度的影響
• 在此類樣區使用UAV攝影是否比農林航空測
量所之行航空測量的精度25公分還高
• 是否可將此方法用於高精度製圖
• 希望這次的研究結果，可作為設計航測任務
時，地面控制點分布、拍攝時間、航測標運
用、航線規劃以及UAS航拍製圖上就成本與
精度之間的權衡之依據
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THANK YOU FOR YOUR
LISTENING
30