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1 發展無人飛行載具系統測繪作業 Development of UAS mapping technology 主管單位 : 內政部國土測繪中心 執行單位 : 經緯航太科技股份有限公司 摘要 傳統上, 基本圖資之測製方式多以載人飛機搭載量測型相機為航空攝影測量 取像來源, 惟傳統載人飛機航拍較易受天候條件限制, 影響影像獲取時效及後續 作業進度 隨著無人飛行載具系統 (Unmanned Aircraft System, UAS) 技術發展的 成熟及逐漸開放推廣到民生運用, 藉由具備視距外自主飛行能力之無人飛行載具 系統搭載數位相機與整合式 GNSS/ IMU 酬載, 使得空間資料的蒐集更有效率, 成為快速擷取國土空間資訊之重要科技方法 內政部國土測繪中心 ( 以下簡稱國 土測繪中心 ) 於 100 年已完成臺灣地區 ( 含金門 馬祖 ) 通用版電子地圖之建置, 並自 103 年起, 以 2 年更新頻率辦理圖資更新 此外, 也針對局部重大變動地 區, 規劃採用 UAS 辦理圖資更新作業, 以 UAS 快速取得該地區影像, 更新該局 部地區通用版電子地圖正射影像或向量圖 另一方面, 因應三維 GIS 發展趨勢, 且近年 SfM(Structure-from-Motion) 尺 度不變特徵轉換 (Scale-invariant feature transform,sift) 及密集匹配 (Dense Matching) 等技術成熟, 因此以空中垂直及傾斜航拍影像資料, 利用軟體全自動方 式建構三維城市模型正快速發展中 利用低成本無人飛行載具系統搭載多相機組 合雲臺進行航拍, 透過垂直與傾斜攝影多視角及高重疊影像的整合, 產製地物表 面三維點雲, 進而重建三維模型, 使無人飛行載具系統也成為三維建模資料來源 獲取的工具之ㄧ 本文主要在介紹國土測繪中心無人飛行載具系統應用於局部圖資更新作業 及 104 年實際航拍應用成果 因應未來三維 GIS 發展, 利用無人飛行載具系統 拍攝選定之區域進行三維建模之測試, 未來預期可應用在提供緊急災害應變三維 空間資訊以輔助決策或環境與景觀模擬 工程規劃與評估等目的使用 關鍵字 : 無人飛行載具 局部圖資更新 三維建物模型 Abstracts This paper describes the Unmanned Aircraft System (UAS) used in the local map data update. In response to the future development of 3D GIS, the UAS was also tested on a selected area for 3D modeling. In the future, the UAS is potentially applicable in providing 3D emergency disaster response information to assist in decision-making, the environment and landscape simulation or engineering planning and evaluation purposes use. Keywords : Unmanned Aircraft System, Structure-from-Motion, Dense Matching 1

2 一 前言航空攝影測量具有可大面積施測 成圖速度快 精度高等優點, 內政部國土測繪中心 ( 以下簡稱國土測繪中心 ) 辦理國土利用調查 通用版電子地圖與基本地形圖修測等業務, 皆以飛機實施航空攝影獲取影像進行圖資測製, 惟傳統載人飛機航拍較易受天候條件限制, 影響影像獲取時效及後續作業進度 近年來, 無人飛行載具系統 (Unmanned Aircraft System, 以下簡稱 UAS) 在民用領域發展快速, 應用領域廣及空間資訊 海岸防衛 環境監測 科學 農漁業 交通控制 危險任務等,UAS 除具有機動性高 操作與維護較載人航空器成本相對低廉等特性, 且可在低空雲下作業, 相較傳統航遙測載具所受天候及雲層影響程度小, 可輔助傳統航拍與衛星遙測快速取得特定區域影像 國土測繪中心於 100 年已完成臺灣地區 ( 含金門 馬祖 ) 通用版電子地圖之建置, 並開發通用版電子地圖查詢系統提供線上瀏覽地圖及相關定位查詢等功能 由於臺灣地區經濟發展快速, 土地高度開發, 已測製之空間圖資若無持續更新, 將與現地不符影響後續規劃分析使用, 因此, 自 103 年起, 以 2 年更新頻率辦理圖資更新, 並針對局部重大變動地區, 並規劃採用 UAS 辦理圖資更新作業, 以 UAS 快速取得該地區影像, 更新該局部地區通用版電子地圖正射影像或向量圖, 目前已建立圖資更新相關機制, 也將相關航拍成果提供各界依 國土測繪成果資料收費標準 規定申請使用, 未來更將持續推動 UAS 輔助辦理局部圖資更新 因應三維 GIS 發展趨勢, 且近年 SfM(Structure-from-Motion) 尺度不變特徵轉換 (Scale-invariant feature transform,sift) 以及密集匹配 (Dense Matching) 等技術成熟, 因此以空中垂直及傾斜航拍影像資料, 利用軟體全自動方式建構三維城市模型正快速發展中 常見三維城市建模成果應用領域包含虛擬城市導覽 都市規劃 環境與景觀模擬 工程規劃與評估 運輸規劃及管理 三維導航 災害防救模擬與應變 數位典藏 建築與遺址或特定場景重建 娛樂及遊戲產業 本文主要在介紹國土測繪中心無人飛行載具系統應用於局部圖資更新作業及 104 年實際航拍應用成果 ; 另一方面, 因應未來三維 GIS 發展, 利用無人飛行載具系統拍攝選定之區域進行三維建模之測試, 未來預期可應用在提供緊急災害應變三維空間資訊以輔助決策或環境與景觀模擬 工程規劃與評估等目的使用 二 無人飛行載具系統無人飛行載具系統是指無人飛行載具 (Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 及其地面相關控制組件, 早期研製無人飛行載具的目的是在軍事用途,20 世紀 80 年代以來, 隨著資訊科技的迅速發展及各種新型感測元件的不斷問世, 無人飛行載具系統的性能不斷提高, 發展趨勢為低價化 微型化 自動化操作, 由於其具有輕便 隱蔽性好 機動靈活 使用成本低等特點, 應用領域也越來越廣泛, 從早期軍事運用擴展至海岸防衛 環境監測 交通控制 危險任務監控 災後影像獲取及球賽轉播 電影製作 極限運動拍攝等娛樂方面應用 另一方面, 無人飛行載 2

3 具可酬載包含數位相機 雷射掃描 多光譜 高光譜 熱感應及微波等日趨小型化設備, 能進行洪水及土壤水分 植被 濕地 土地覆蓋及目標檢測等環境監測應用 國土測繪中心採用的無人飛行載具可分為定翼型 ( 以下簡稱定翼機 ) 及旋翼型 ( 以下簡稱旋翼機 ) 無人飛行載具系統 定翼機的優勢在於航程長 抗風能力強 酬載能力高, 因此適合用於長距離 大範圍拍攝, 惟定翼機需要跑道進行起降, 若無適當的跑道則需自較遠的地方飛進目標區進行航拍任務, 致油耗 拍攝時間及飛行風險相對增加 國土測繪中心於 100 年完成建置國內測繪機關第 1 套應用於測繪領域之無人飛行載具系統 ( 國土測繪 1 號 ), 其主要組成架構包括定翼機及地面控制系統, 架構如圖 1; 該定翼機規格如表 1 另搭配使用之旋翼機則具有垂直起降的功能, 不需起降跑道, 且具備滯空停懸能力, 適合較小範圍特定地區航拍任務, 旋翼機規格如表 2, 定翼機及旋翼機照片如圖 2 3 圖 1 國土測繪 1 號無人飛行載具系統架構 圖 2 定翼型無人飛行載具圖 3 旋翼型無人飛行載具 3

4 表 1 定翼機規格 翼 展 3.3 公尺 長 度 2.0 公尺 載具重量 25 公斤 滯空時間 約 2.5 小時 酬載重量 約 5 公斤 最大航程 可達約 250 公里 速度 100 km/hr 飛行高度上限 3600 公尺 表 2 旋翼機規格 載具寬度 120 公分 最大航高 約 500 公尺 載具重量 5.0 公斤 載具操作距離 約 1000 公尺 滯空時間 約 20 分鐘 四 局部區域圖資更新應用 ( 一 ) 酬載設備 數位單眼相機局部圖資更新應用使用之酬載為數位單眼相機 Cannon 5D MarkⅡ( 如圖 4) 搭配 20mm 定焦鏡頭, 感光元件 CMOS 大小為 36x24mm 像素約 2200 萬 像元大小為 6.40µm 無人飛行載具上另搭載衛星定位系統 (Global Positioning System,GPS) 與慣性導航儀 ( Inertial Measurement Unit,IMU), 以紀錄無人飛行載具空間位置與姿態相關資訊, 可用於後續影像處理輔助空中三角測量之解算 另外, 因使用非量測型相機, 須先辦理相機率定作業, 求得相機焦距 像主點偏移及透鏡畸變差等內方位參數, 以利於後續影像處理作業中修正系統誤差 圖 4 UAS 酬載設備 ( 二 ) 航拍及影像處理作業流程國土測繪中心無人飛行載具系統應用於局部區域圖資更新, 主要以定翼機辦理航拍, 部分小區域面積 ( 如面積小於 1 平方公里之航拍區域 ) 以旋翼機航拍, 影像解析度 ( 地元尺寸 ) 在 25 公分以內, 航拍影像前後重疊率要求為 75%, 側向重疊率 35% 無人飛行載具搭載數位相機並依不同區域或地形需求搭配 20mm 或 24mm 或 35mm 焦距之定焦鏡頭辦理航拍作業, 並依解析度及重疊率需求在航拍前規劃無人飛行載具飛行航高及航線, 於空域及天候許可條件下, 執行航拍任務取得目標區域影像, 航拍作業流程如圖 5 4

5 圖 5 UAS 航拍作業流程圖 UAS 航拍影像依航測處理方式辦理, 使用數值航測影像工作站進行空中三角測量計算及製作正射影像 控制點部分主要為引用向量圖資或影像資料之特徵點為主 每一航拍區原則上挑選至少 5 點控制點, 控制點選擇向量圖資或影像資料上比較明顯 不會變動的固定地物 易辨認之特徵點位 ( 斑馬線 道路標線等 ) 且於 UAS 影像上可辨識之共同點 ; 其分布以可包圍測區且減少影像校正之外插情形為原則 另挑選至少 3 點檢核點, 均勻分布於測區範圍內 控制點選定後於向量圖資或影像資料之特徵點上量測坐標資訊, 以作為後續空中三角測量解算使用 另一方面, 利用數值航測影像工作站將 UAS 航拍影像與初始外方位參數及相機率定後內方位參數資訊輸入後, 並量測控制點及連結點進行空中三角測量解算, 主要使用控制點及影像間的匹配點位資訊, 以後方交會法計算出每張影像外方位參數, 並以前方交會法求得影像中點位之空間位置 最後將中心投影之相片, 糾正成正射投影, 並進一步鑲嵌製作成 1 張全區無接縫的正射影像 ( 作業流程如圖 6) 5

6 圖 6 正射影像製作流程圖 ( 二 ) 作業成果與圖資更新透過上述航拍及影像處理方法, 國土測繪中心 104 年完成 10 個區域合計 6,350 公頃 ( 如表 3) 無人飛行載具系統航拍及影像處理作業, 並製作正射影像成果 正射影像檢查採重複量測平面無高差之地物點, 每區抽查至少 5 點, 抽查點位量測之平面位置 ( 正射影像坐標 ) 與原平面位置 ( 上機坐標 ) 較差之均方根值不大於 1.25 公尺 在完成製作正射影像後, 除與原有圖資進行比對確認外, 針對局部更新區域採重新製作 Map Cache, 並發布至國土測繪圖資網路地圖服務圖臺上, 完成更新通用版電子地圖正射影像圖資 ( 圖資更新示意如圖 7) 另一方面, 為擴大無人飛行載具系統航拍影像成果使用效益, 國土測繪中心已將 102 至 104 年無人飛行載具系統航拍正射影像成果提供各界依 國土測繪成果資料收費標準 規定申請使用, 無人飛行載具系統相關資訊及成果可至國土測繪中心無人飛行載具系統專區網頁 ( 進行瀏覽查詢 圖 7 苗栗縣獅潭鄉 ( 汶水橋 ) 更新前及更新後正射影像 6

7 表 年度 UAS 航拍區域彙整表 編號 航拍區域 用途 面積 ( 公頃 ) 製作成果 使用機型 1. 屏東縣里港鄉圖資更新 1250 正射影像定翼型 2. 高雄市前鎮區圖資更新 230 正射影像旋翼型 3. 苗栗縣獅潭鄉 圖資更新 300 正射影像 定翼型 4. 彰化縣芳苑鄉 圖資更新 1750 正射影像 定翼型 5. 臺南市新化區 圖資更新 380 正射影像 定翼型 6. 臺南市新市區 圖資更新 80 正射影像 定翼型 7. 苗栗縣造橋鄉 圖資更新 1130 正射影像 定翼型 8. 高雄市仁武區 圖資更新 20 正射影像 旋翼型 9. 雲林縣虎尾鎮 圖資更新 1060 正射影像 定翼型 10. 臺南市安南區 圖資更新 150 正射影像 旋翼型 合計 6,350 五 三維建模測試 ( 一 ) 酬載設備 多相機組合雲臺 三維建模使用之酬載為多相機雲臺, 因多旋翼無人飛行載具酬載重量限制, 測試之酬載由 5 臺 Sony DSC-QX10 數位相機組合而成, 每臺約 105 公克重, 鏡 頭焦距為 4.45mm, 感光元件 CMOS 像素約 1890 萬 像元大小為 1.25 µm 相機 鏡頭方向為四邊各向下傾斜 45 度, 以有效且完整的獲取建物側面之牆面影像, 經過規劃規則的航線及拍攝後, 同一建物至少會有從 5 個不同位置及方位拍攝的 空拍照片 多像機組合雲臺規劃設計如圖 8, 實際酬載方式如圖 9 圖 8 多相機組合雲臺設計圖 7

8 圖 9 多旋翼無人飛行載具搭載多相機組合雲臺設備 ( 二 ) 航拍及影像處理作業流程三維建模選定臺中國家歌劇院周圍作為實驗測試區 ( 如圖 10), 測試區範圍面積約為 1.16 平方公里, 紫色為實驗範圍, 紅色為預計拍攝路徑, 採用多旋翼機搭載多相機組合雲台進行拍攝, 規劃以井字型拍攝, 東西南北航向計拍攝各 4 條航線 圖 10 規劃拍攝航線影像處理軟體部分採用 AgiSoft 公司所開發之 PhotoScan 攝影測量軟體, 軟 體匹配原理是 SfM(Structure from Motion, SfM),SfM 演算法主要利用影像中物 體的移動量 相機運動及物體在三維空間中動作等物理關係決定點位在三維空間 中的坐標 執行運算電腦硬體環境使用叢集 (clustering computing) 架構進行分散 式運算, 共計採用 3 臺工作站進行計算 三維建模流程為利用多視立體視覺三維重建技術依序完成稠密點雲匹配 點 雲疏化 三維表面建構, 最後完成模型表面紋理貼附 ( 如圖 11) 相關作業流程說 明如下 : 8

9 圖 11 三維建模作業流程 1. 稠密點雲匹配利用傾斜攝影與 SfM 技術透過初步影像密匹配後先快速取得稀疏點雲資訊, 可先檢視影像匹配結果優劣及是否有錯誤, 如匹配結果優良, 為使圖面完整性更好需進一步計算出稠密點雲 ㄧ般而言, 取得稠密點雲方法有兩種, 一種是從物體的剪影 (Silhouette) 重建物體的大致輪廓 (Shape From Silhouette) 另一種是從目標所在區域的成像屬性出發, 利用光度一致性約束 (Photometric Consistency Constraint, PMCC) 曲面重建, 採用的方法為基於面片多視圖重建 (Patched-Based Multi-View Stereo, PMVS), 該演算法準確 簡單 高效, 能夠自動檢測和忽略外部點和障礙點, 輸出具有方向的小矩形面片密集集合 這些面片獲得於像素級別的對應, 並且緊緊的覆蓋被觀察物體的表面且該方法對紋理覆蓋不足 凹陷和高曲率的區域也有較好的重建效果 2. 點雲疏化透過計算稠密點雲產製非常高密度之點雲資訊, 但透過如此高稠密點雲資訊進行三維重建, 可能導致表面估算效率過低, 或產生三維重建後須更強大硬體設備才能進行瀏覽等問題 因此取得稠密點雲資料後, 需再進行點雲疏化作業, 透過保留點雲邊緣方法進行點雲疏化, 能在保留足夠特徵點且確保在特徵訊息不失真的情況下剔除過於龐大的點雲資料 9

10 3. 三維表面建構在點雲疏化步驟之後, 須先進行三維表面建構後才能進行紋理貼圖, 由於點雲資料無法直接進行表面建構, 所以這裡需先使用八叉樹進行空間點分類 八叉樹利用 8 個節點創建三維網格, 將查詢到的鄰近點包含在網格中, 使用深度分層的概念, 對空間進行細度劃分, 當深度的提高, 分辨率也隨之提高, 在空間點劃分後, 於空間點位中尋找連接點串聯成新三角面直到完成所有面片重建, 產出三角網格化模型如圖 12 圖 12 三角網格化示意圖 4. 紋理貼附完成產製三角網格化模型後即進行紋理貼附, 利用拍攝所取得的二維影像, 透過投影方法映射於網格化後的模型上 ( 如圖 13), 如此能夠使模型更貼近真實, 同時也提高視覺效果, 並且還原場景樣貌以供參考 紋理貼附乃透過傾斜攝影的原理, 藉以取得豐富的側面資訊, 於視覺化來說可以增加模型的細緻度及美觀, 而於資訊傳達方面來說, 使用模型加上空間三維資料能夠量測出距離 面積以利使用者後續各項應用參考 圖 13 三維紋理貼圖 ( 二 ) 測試區作業成果分析多旋翼機拍攝高度約為 230 公尺, 拍攝獲取相片共計 474 張 ( 東西航向 235 張 ; 南北航向 239 張 ), 影像地面解析度約為 6 公分 影像處理作業先使用單一航向 ( 東西 南北向 ) 影像進行三維建模 ( 如圖 14) 單一航向( 東西向或南北向 ) 傾斜攝影建模成果效果差異不大, 但少部分建物可能因拍攝角度關係致覆蓋率不足所以表面模型有空洞的現象發生 ( 如圖 15 圖 16) 10

11 圖 14 單一航向稀疏點雲匹配 圖 15 單一航向表面重建 ( 有空洞現象 ) 圖 16 單一航向表面重建 ( 有空洞現象 ) 因單一航向建模成果有空洞現象, 所以使用井字型航向影像再進行三維建模作業, 以分析不同拍攝方式建模之效果, 並找出最具效率 效果最佳的建模方式 利用井字型航向影像進行三維建模過程如圖 17 圖 18 圖 19 圖 20, 由圖中可看出模型已無空洞現象, 建模效果與品質明顯提升 ( 如圖 21) 圖 17 井字型航線稀疏點雲匹配 11

12 圖 18 井字型航線稠密點雲 圖 19 井字型航線表面建模 圖 20 井字型航線表面模型紋理貼附 圖 21 井字型航線臺中國家歌劇院建模成果六 結論與建議國土測繪中心目前定期以 2 年週期辦理通用版電子地圖圖資更新, 並規劃以無人飛行載具系統針對重要地物變異地區航拍取得影像, 快速辦理局部區域圖資更新, 縮短圖資更新時間, 提升圖資正確性 而國土測繪中心無人飛行載具系統於局部區域圖資更新應用, 已建立更新模式流程機制並於通用版電子地圖局部區 12

13 域圖資更新中實際採用 國土測繪中心已將 102 至 104 年無人飛行載具系統航拍正射影像成果提供各界依 國土測繪成果資料收費標準 規定申請使用 無人飛行載具系統未來仍將依實際航拍區域需求搭載多元化酬載設備獲取相關空間資訊, 作為輔助圖資更新或其他應用之強有力工具 在三維建模測試方面, 本文採用多旋翼機搭載 5 顆相機, 航拍臺中市國家歌劇院 ( 面積約 116 公頃 ), 獲取垂直與傾斜影像計 474 張相片, 所需航拍時間約 2 小時, 影像處理採用 3 台工作站電腦及 Phtoscan 軟體進行自動化影像處理, 處理時間約 48 小時 三維建模測試結果, 若僅飛行單一航向 ( 東西或南北向 ), 雖然相片拍攝數量可降低一半, 影像處理計算時間也可降低, 但可能因為區域範圍內有較高樓層建物與拍攝角度關係致無法順利取得該建築物側面資料, 影響三維建模效果, 使建物模型出現空洞現象, 經使用井字型拍攝之影像進行建模, 品質明顯提升且無空洞現象 未來可研究整合地面測繪車影像進行建模, 進一步提升建物模型側面紋理細緻程度 13

14 七 參考文獻 1. 內政部國土測繪中心,2015, 內政部國土測繪中心 104 年發展無人飛行載具系統測繪作業工作總報告 2. Börner, A. et al., Test results obtained with the LH Systems ADS40 Airborne Digital Sensor. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 33, Part B4, Amsterdam, Netherlands, 2000, pp McClone, J.C.e., Mikhail, E.M.e., Bethel, J.S.e. (Editors), Manual of photogrammetry. American Society for Photogrammetry and Remote Sensing (ASPRS), Bethesda, 2004, 1151 pp. 4. Höhle, J., Photogrammetric Measurements in Oblique Aerial Images. Photogrammetric Fernekundung Geoinformation 2008 (1), Marr D., A Computational Investigation into The human Representation and Processing of Visual information, San Francisco, USA: W. H. Freeman, 1982, pp Martinec D., Pajdla T., Robust Rotation and Translation Estimation in Multiview Reconstruction, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, Minneapolis, USA, 2007, pp Brown M., Lowe D. G., Unsupervised 3D Object Recognition and Reconstruction in Unordered Datasets, Proceedings of the International Conference on 3-D Digital Imaging and Modeling, Ottawa, Canada, 2005, pp Schaffalitzky F., Zisserman A., Multi-View Matching for Unordered Image Sets, or How do I Organize my Holiday Snaps?, Proceedings of the 7th European Conference on Computer Vision, Copenhagen, Denmark, 2002, pp Vergauwen M., Van Gool L., Web-Based 3D Reconstruction Service, Machine Vision and Applications, 2006, 17(6), pp Snavely N., Seitz S. M., Szeliski R., Modeling the World from Internet Photo Collections, International Journal of Computer Vision, 2008, 80(2), pp Delaunay B., Sur la sphère vide, Izvestia Akademii Nauk SSSR, Otdelenie Matematicheskikh i Estestvennykh Nauk, 1934, (7), pp

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