應用多旋翼無人飛機影像繪製地形圖之精度探討應用多旋翼無人飛機影像繪製地形圖之精度探討 Accuracy of the Topographic via the photographic by Unmanned Aerial Vehicle 紀雲曜1 蔡尚恩2 吳佳憓3 黃羽舟4 Yun-Yao Chi Shang-En Tsai Chia-Hui Wu Yu-chou Huang 摘要摘要 智慧型多旋翼無人飛機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 係整合高解析攝影機、 全球定位系統(GPS)及地理資訊系統(GIS)，具備低空飛行、停滯的能力，以及超高 地面解析度及低成本等優勢。應用 UAV 空中影像於土地利用調查及地形繪圖領域 的潛力，亦為目前土地管理與開發實務重要的研究課題之一。本文以台南市二仁溪 流域為研究對象，首先利用 UAV 進行空中攝影取得高解析度位影像，再利用全站 儀，進行閉合導線測量，計算地面導線點的 TWD97 二度分帶座標，將導線點與 UAV 擷取的正射影像進行定點疊合，最後以 UAV 正射影像繪製地形圖，並以建築 物角隅點作為地面點，透過由全站儀測得地面點的座標值，與由 UAV 地形圖中地面 點的圖面座標值進行比較，探討 UAV 地形圖的精度。經由本文研究結果，顯示地面 點的地面測量座標值與 UAV 地形圖座標值最大誤差值為 0.5%mm，兩者幾乎完全相同，顯示 UAV 地形圖的精度與閉合導線測量精度相同，其閉合差比值小於 1/2000， 驗證 UAV 地形圖的地面點座標精度可達公分等級，符合精密地形圖的製圖規範。本 文研究結果可供未來應用 UAV 影像繪製高精度地形圖實務之參考。 關鍵詞：無人飛機、測量、地形圖、座標、精度 Abstract Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is the integration of high-resolution camera, a global positioning system (GPS) and geographic information systems (GIS), with low-flying ability stagnant, as well as ultra-high resolution and low cost advantages of the ground. Application of UAV aerial images to investigate the potential use of land and terrain mapping fields is also one of the important research and development of current land management practices. In this study, Tainan Erren River basin for the study, the UAV aerial photography is used to obtain high-resolution digital images. Use the electronic tachometer to processed 1長榮大學土地管理與開發學系 副教授 2長榮大學資訊工程學系 助理教授 3長榮大學土地管理與開發學系 學士 4鼎信開發工程顧問有限公司 總經理 closed traverse survey and calculated TWD97_TM2 terrestrial polygonometry points coordinates. Then the traverse points with UAV-absed orthophoto by captured to fixed point laminated. Finally, the building corner points are used as a ground points for the UAV-based orthophoto topographic mapping. Measured by the electronic tachometer get the ground points coordinates, and by comparing the coordinate values of the drawing topographic maps UAV-based ground points to explore the accuracy of UAV-based topographic maps. Through the results of this study, the coordinate values of ground-based measurements show topographic map coordinate values and UAV-based ground point maximum error is 0.5% mm, the two are almost identical. The precision UAV topographic map with the same closed traverse accuracy, the ratio of the difference between its closure less than 1/2000, verify UAV-based topographic map coordinates of ground point accuracy up to centimeter level in accordance with cartographic precision specifications topographic maps. Results of this study show applications of UAV-based image drawn with reference to the practice of high-precision topographic map in the future. Keyword: Unmanned Aerial Vehicle, Survey, Topographic Photographic, Coordinate, Accuracy 一、一、 前言前言 近來測量與空間資訊技術之發展日新月，新的即時性高精度地形資，包 括地貌與地物，經常應用於國土保安、環境變遷監控、防救災應變、資源探測保護等 工作，因此，發展快速且低成本的資擷取平台，乃成為國內外遙感探測技術與地形 測繪製圖發展的重要課題之一。智慧型多旋翼無人飛機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)係整合高解析攝影機、全球定位系統(GPS)及地理資訊系統(GIS)，具備低空飛 行、停滯的能力，以及超高地面解析度及低成本等優勢。應用 UAV 空中影像於土地 利用調查及地形繪圖領域的潛力，亦為目前土地管理與開發實務重要的研究課題之 一。 本文以台南市二仁溪流域為研究對象，首先利用 UAV 進行空中攝影取得高解析度位影像，再利用全站儀，進行閉合導線測量，計算地面導線點的 TWD97 二度分 帶座標，將導線點與 UAV 擷取的正射影像進行定點疊合，最後以 UAV 正射影像繪 製地形圖，並以建築物角隅點作為地面點，透過由全站儀測得地面點的座標值，與由 UAV 地形圖中地面點的圖面座標值進行比較，探討 UAV 地形圖的精度。 二、二、 文獻回顧文獻回顧 美國聯邦地理資委員會（Federal Geographic Data Committee, FGDC）已成立一 個資工作小組（Framework Working Group） ，負責處理全國一般使用者最常共同需 要的空間資，其定義為空間資者包括七項大地控制、高程、正射影像、交通運輸、水文、行政界線、與地籍資等；其中大地控制、高程、正射影像三項，美國國 家科學委員會認定為基座資（Foundation data） ，是國家空間資訊基礎建設核心中 的核心（黃旭初，2002） 。近來，智慧型 UAV，乃結合自動控制系統、全球定位系 統(GPS)和慣性導航系統(INS)的直接地理定位(Direct Georeferencing, DG)，已成為可 提供即時的外方位元素之系統。對於航空測量資應用而言，整合 INS/GPS 系統提 出一個新的策，減少過去傳統測量受到的限制，並搭載資記和據處理裝置， 此系統將開啟多感測器系統的時代(Wu et al, 2013)。 多 UAS 的飛行高度較傳統有人飛機為低，除可獲取地面解析度高的影像， 也因雲層遮蔽而低影像品質，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、記而言，有相當高的應用價值(謝幸宜，2009)。執行 UAS 航測任務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 目前位相機與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(Wu et al, 2013；蕭鎮洋等，2011)。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、價格低廉、影像獲取 方便、記憶卡可重複記使用且輸出為值影像可直接在電腦上修改。 三、三、 研究方法研究方法 本文研究方法包括地面控制測量及多旋翼 UAV 系統。執行地面測量時所用的主要儀器為全測站，全測站的機種為 TOPCON 光波測距經緯儀 OS 系列的 OS-101。本 研究擬利用全測站執行全站儀導線測量後，再利用計算導線，求算出地面控制點之 3D 座標，可作為評估及校正 UAV 空載測量的誤差大小的依據。本文之全站儀導線測 量，其邊長在 100 至 500 公尺為原則，利用全站儀測量水平角與垂直角，利用光波電 子測量距離，導線附合在已知的水準點上，導線之閉合比小於 1/2000，研究結果可供 未來應用 UAV 影像繪製高精度地形圖實務之參考。 四、四、 結果與討論結果與討論 4.1 研究區研究區環境概環境概況況 二仁溪流域環境現地資訊如圖 1 所示。二仁溪主流源於今高雄市內門區山豬湖附 近，至高雄市茄萣白砂崙、台南市灣裡以西出海，主流長度約 65.18 公里，流域之 餘逕流量為 53,00 萬立方公尺，幾乎全集中在 49 月之豐水期，流域洪水量為 3,240 秒立方公尺。水系範圍涵蓋今高雄市內門、田寮、阿蓮、湖內、路竹、茄萣，以及台 南市龍崎、仁德、歸仁、關廟、永康、南區等各區，流域面積約 350.04 平方公里， 為台南市最南邊的河川，也是今台南市與高雄市的界河。二仁溪的幾條重要支流，除 至下游才匯入本流的三爺宮溪外，皆源於關廟、龍崎及田寮之丘陵地，大致呈由東 北向西南流向。 (a) 二仁溪流域範圍 (b) 二仁溪流域的村里位置 (c) 二仁溪流域土地利用圖 (d) 二仁溪流域淹水災害潛勢圖 圖 1 研究區環境資訊圖 4.2 既有水準點調查既有水準點調查 本文經由內政部地政司衛星測量中心提供的資，整理出二仁溪流域的點位種類 及坐標，再輸入 QGIS 坐標系統定位，並從已知的地圖位置與坐標，做現地勘查水準 點是否符合地圖位置與坐標，和確認水準點點位是否保存完善，本研究測量使用的座 標系統均為 TWD97-121 分帶坐標系統。目前已確認仁德休息站二等衛星控制點和嘉 南藥理大學一等水準點兩個點位，都位於地圖上的位置，並保存完善。如圖 2 所示。 本文經由地政事務所提供的長榮大學附近已知點的坐標資和利用國土測繪中 心網路地圖服務提供的正射影像圖，輸入 QGIS 進行坐標定位和地圖的