TWI655409B - Route planning method for aerial photography using multi-axis unmanned aerial vehicles - Google Patents
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Abstract
本創作係一種利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法，其包含：判斷一航拍區之地形為平地或山坡地；若該航拍區為山坡地，則執行一山坡地航線規劃模式，在山坡地航線規劃模式下包含有：判斷一第一山坡航線為一直線或一等高線；計算該等山坡航線的數目；計算初始高程值；及判斷兩條相鄰之山坡航線有無符合預設之基準側向重疊率。若該航拍區為平地，則執行一平地航線規劃模式，以產生一平地航線路徑。本創作在符合標準之側向重疊率及前後重疊率之下，同時能依據地形起伏調整航拍高度，不但能適用於高度複雜的山坡地或平地，同時提高圖片的解析度。
Description
一種航空拍攝的路線規劃方法，尤其是指一種利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法。
近年來，隨著航拍機的便利性及普及性，航空攝影測量已經成為一熱門產業。航空攝影測量的應用極為廣泛，從地震、火山爆發、水災等環境災害監測，到植披林木的覆蓋、河川流向的變化等環境監測，以及在都市中交通路線的繪圖製作及規劃、道路檢測，都能利用航拍機的航空攝影技術獲取大範圍的俯視圖，更容易看出該範圍的趨勢變化，進一步研擬出適當的政策。
一般而言，在進行航空攝影測量時，無論欲拍攝的航拍區地形如何變化，航拍機皆會保持固定航高，但航空攝影測量會面臨以下問題：
一、前後重疊率不一致：請參見圖7，假定航拍機71沿著地形升高的方向飛行，每間隔固定距離拍攝一張對地照片，編號1~8代表每張對地照片所涵蓋的前後範圍，標號a、b、c則表示相鄰兩張對地照片的前後重疊區域，將每張對地照片疊合拼接後可得到該航拍區其中一條航線之對地照片。惟該航拍區的地形在升高的過程中，該航拍機71的對地高度保持不變，使得相鄰兩張對地照片的重疊區域隨著地形升高而縮減，如圖所示，照片編號4跟5之間重疊的區域b小於照片編號1跟2之間重疊的區域a，而照片編號7跟8之間重疊的區域c小於重疊區域b，整體而言，c<b<a，造成照片在拼接疊合時，會有前後重疊率不一致的問題。
二、側向重疊率不一致：請參見圖8，該航拍機71沿著地形升高的垂直方向來回飛行，例如照片編號1是該航拍機71往圖片上方的方向飛行時所拍攝，照片編號2是該航拍機71往圖片下方的方向飛行時所拍攝，編號1~8代表每張對地照片所涵蓋的範圍，path1為第一路徑，代表該航拍機71拍攝照片編號1時的路徑，path2為第二路徑，代表該航拍機71拍攝照片編號2時的路徑，以此類推，圖面僅以第一路徑path1至第五路徑path5為例說明，標號d、e、f表示相鄰兩張照片的側向重疊區域。同樣地，由於地勢越來越高，但該航拍機71的飛行高度保持不變，使得在飛行拍攝的過程中，拍攝的地形海拔越高，所拍攝到的對地照片範圍就會縮減，如圖8所示，照片編號1的範圍大於照片編號2，而照片編號2的範圍大於照片編號3，依序遞減，使得在地形升高的過程中，對地照片所獲取的範圍越來越小，造成照片間的重疊範圍縮小，如圖所示，隨著地形升高，照片編號4跟5之間的側向重疊區域e小於照片編號1跟2的側向重疊區d，而照片編號7跟8之間的側向重疊區域f小於側向重疊區e，整體而言，f<e<d，造成照片在拼接疊合時，會有側向重疊率不一致的問題。
三、解析度不一致：請參見圖9，標號g代表該航拍機71所拍攝一地點之高度差，標號i代表該航拍機71拍攝另一地點之高度差。如圖所示，高度差g大於高度差i，且該航拍機71之航拍高度皆保持固定的水平面高度，惟該航拍機71所使用的相機焦距為固定數值，使得在標號g所拍攝到的解析度與在標號i所拍攝到的解析度並非一致，造成在同一張對地照片中，部分區域可清楚成像，部分區域可能模糊不清，甚至無法判讀該區域之地勢情形。
在原先的航拍路線規劃中，由於地勢的變化過大，但在航拍高度不變的條件下，有可能會造成照片間的前後重疊率及側向重疊率無法符合標準，或是拍攝照片的解析度不夠高，不足以清楚顯示地貌的起伏，產生照片的比例不均、失真的問題。
有鑑於先前的航拍技術中，每張航拍照片的前後重疊率、側向重疊率不一致，以及每張航拍照片的解析度不同，造成製作出來的地圖模型有失真、破圖及比例不一的問題，本創作係提出一種利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法，先設定好前後重疊率及側向重疊率的數值規劃出適當的航拍路徑，以及可隨著地形起伏的不同，調整航拍機拍攝的航拍高度，能有效解決前後重疊率、側向重疊率及解析度不一致的問題，提供更精確、細緻度更高的航拍照片。
為達成上述目的，本創作利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法包含：(a)判斷一航拍區之地形為平地或山坡地，根據該航拍區範圍內的一最高海拔值及一最低海拔值之間的一第一高差值，判斷該航拍區之地形為平地或山坡地；當判斷該航拍區為山坡地，係執行一山坡地航線規劃模式以產生該航拍區之一山坡航線路徑，該山坡航線路徑包含複數條山坡航線，其中，該山坡地航線規劃模式係行下列步驟：(b1)判斷一第一山坡航線為一直線或一等高線；其中在步驟(b1)中更進一步包含：定義該航拍區之一邊界的地表為一地表剖面線，以及定義對應該地表剖面線的航線路徑為第一山坡航線，其中該邊界為該航拍區內之最低海拔值所鄰近的邊界；假定該第一山坡航線為直線，計算該第一山坡航線之一第二高差值，並將該第二高差值與一航線門檻值比較，其中該第二高差值為該地表剖面線中最高海拔值及最低海拔值的差，該航線門檻值由一深度軸精度公式計算得到；若該第二高差值小於該航線門檻值，則該第一山坡航線為直線；若該第二高差值大於該航線門檻值，則該第一山坡航線為等高線；
(b2)計算該等山坡航線的數目，其中各航線間距為兩相鄰山坡航線之間的距離；其中在步驟(b2)中包含有：(b21)該航拍區投影成平面後，將該航拍區的一航線方向的距離除以該航線間距再加1，計算出該等山坡航線的數目，其中該航線方向平行於地形走向；(b22)將該第一高差值除以該等山坡航線的數目，得到兩相鄰航線路徑之間的對應等高線初始高程值，將該第一山坡航線的航拍高度依序加上該初始高程值，分別逐一得到該等山坡航線的航拍高度；(b23)判斷相鄰的前後兩條山坡航線之側向重疊率是否符合預設之基準側向重疊率，若兩條相鄰的山坡航線之實際距離大於計算出來的航線間距，則降低後條山坡航線之航拍高度，使該兩條相鄰的山坡航線之實際距離不大於該航線間距，並重新進行步驟(b21)；當判斷該航拍區為平地，係執行一平地航線規劃模式以產生該航拍區之一平地航線路徑，該平地航線路徑包含複數條平地航線，其中該平地航線規劃模式係執行有下列步驟：(c1)計算航線間距，藉由預設的側向重疊率計算平地航線與平地航線之間的間隔距離；(c2)計算基線長度，藉由預設的前後重疊率計算每條基線的長度，其中該等基線長度為每一照片影像中心之間的長度。
利用預先設定好的前後重疊率及側向重疊率，搭配數值高程模型，無論航拍區的地形屬於平地或是山坡地，皆能判斷以及依據地勢起伏規劃出最適合的航拍路徑，同時可根據地勢的高低變化，調整航拍高度，讓每張照片的解析度保持在一定的範圍內，提供更完整且解析度更高得航拍照片。
10‧‧‧航拍區
11‧‧‧山坡地航線路徑
111‧‧‧山坡航線
12‧‧‧航拍機
20‧‧‧航拍區
21‧‧‧第一山坡航線
22‧‧‧第二山坡航線
23‧‧‧第二山坡修正航線
30‧‧‧航拍區
31‧‧‧平地航線路徑
311‧‧‧平地航線
32‧‧‧航拍機
71‧‧‧航拍機
a,b,c‧‧‧前後重疊區域
d,e,f‧‧‧側向重疊區域
path1‧‧‧第一路徑
path2‧‧‧第二路徑
path3‧‧‧第二路徑
path4‧‧‧第二路徑
path5‧‧‧第二路徑
Di‧‧‧航線間距
g,i‧‧‧高度差
圖1：本創作利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法之步驟流程圖。
圖2：本創作山坡地航線路徑示意圖。
圖3：本創作等高線航線路徑示意圖。
圖4：本創作航線間距修正前示意圖。
圖5：本創作航線間距修正後示意圖。
圖6：本創作平地航線路徑示意圖。
圖7：先前技術導致前後重疊率不一致示意圖。
圖8：先前技術導致側向重疊率不一致示意圖。
圖9：先前技術導致解析度不一致示意圖。
請參見圖1，為本創作之步驟流程圖，本創作係提出一種利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法，其中利用旋翼型的無人飛行載具能達到較佳的航拍效果。本創作可在航拍機上由使用者先進行前置設定作業，包含自由設定相機參數、製圖參數及一航拍區之範圍座標，其中相機參數包含焦距、感光元件尺寸及影像解析度，該製圖參數包含對地解析度(GSD)、前後重疊率A%、側向重疊率B%及影像測量精度，該航拍區之範圍座標係由一數值高程模型所提供，本實施例係採用ASTER 30m數值高程模式。而由以上數據經過計算可得到航拍高度、基線長度b及航線間距Di等數值。
舉例而言，先設定相機參數中的相機焦距22mm、感光元件尺寸22.3*14.9mm(w*h)、影像解析度5184*3456(w*h)，製圖參數中的對地解析度1cm/Pixel、前後重疊率70%、側向重疊率50%，影像測量精度為10mm，航拍區範圍為400*300m2。該航拍高度的計算方式為：
由以上數據可得到該航拍高度為60m。航拍高度是指航拍機在進行拍攝作業時相對於對應地表的所在高度。
該基線長度b的計算方式為：
由以上數據可得到該基線長度b為12m。其中該基線長度b為兩相鄰對地照片的影像中心之間的距離。
該航線間距Di的計算方式為：
請同時參見圖2，由以上數據可得到該航線間距Di為30m，其中該航線間距Di為兩相鄰山坡航線111之間的距離。在步驟S101中，首先先判斷一航拍區10之地形為山坡地或是平地，其中，已知該航拍區10內所涵蓋的地形具有一最高海拔值及一最低海拔值，在判斷該航拍區10的地形為山坡地或是平地時，係先計算該最高海拔值及該最低海拔值之差為一第一高差值△h1，將該第一高差值△h1係除以一設定值而得到一計算值，在一較佳實施例中，該設定值為640；該計算值再與一預設的對地解析度值(GSD)進行比較，若該計算值大於該對地解析度值，則判斷該航拍區10為山坡地，若該計算值小於該對地解析度，則判斷該航拍區10為平地；該最高海拔值及該最低海拔值可由該數值高程模型所得到。承上述舉例，在該航拍區10中，該最高海拔值490m，該最低海拔
值330m，可得到該第一高差值△h1為160m，將160除以640可得到該計算值等於25cm。由於該計算值(25cm)大於該對地解析度值(1cm)，可判斷該航拍區10為山坡地。
當該航拍區10之地形被判斷為山坡地，則執行一山坡地航線規劃模式，該山坡地規劃模式用以產生一山坡地航線路徑11，其中該山坡地航線路徑11包含複數條山坡航線111；該山坡地航線路徑11如圖2所示，係代表一航拍機12朝著一航線方向(如圖2所標示的Y方向)往前飛行並沿著一拍攝方向(如圖2所標示的X方向)前後來回移動，且每飛行一個基線長度b拍攝一張對地照片，該基線長度b為兩相鄰對地照片的影像中心之間的距離；該拍攝方向垂直地形走向，該航線方向平行於地形走向，由地勢較低處往地勢較高處飛行；該山坡地航線規劃模式係執行以下步驟：
S102：判斷一第一山坡航線21為一直線或一等高線。請進一步參見圖3，首先選定一航拍區20之其中一邊界的地形為一地表剖面線，並定義該地表剖面線對應的航線為該第一山坡航線21，該邊界為該航拍區20內之最低海拔值所鄰近的邊界。接著假設該第一山坡航線21為直線，並計算出該第一山坡航線21之一第二高差值△h2，該第二高差值△h2為該地表剖面線中最高點海拔值及最低點海拔值的差，該第二高差值△h2可用地表高層數值模型取得；接著將該第二高差值△h2與一航線門檻值D進行比較，該航線門檻值D由一深度軸精度公式計算得到，該深度軸精度公式為：
σz為對地解析度值，D為該航線門檻值，b為基線長度，d為相機焦距，σi為影像量測精度，其中對地解析度值σz、基線長度b、相機焦距d及影像量測精度σi為預設好的已知參數。當該第二高差值△h2小於該航線門檻值D時，則判斷
該第一山坡航線21為直線；當該第二高差值△h2大於該航線門檻值D時，則判斷該第一山坡航線21為等高線。
承上述舉例，對地解析度值為1cm/Pixel，預設的基線長度b為12m，相機焦距為22mm，影像測量精度為10mm，由該深度軸公式計算可得到該航線門檻值D=0.51m，而由數值高程模型可得知該地表剖面線的最高海拔值為342m，最低海拔值為330m，以此得到該第二高差值△h2等於12m。由於該第二高差值△h2(12m)大於該航線門檻值D(0.51m)，因此判斷該第一山坡航線21為等高線。
S103：利用所計算出來的該航線間距Di，計算該等山坡航線111的數目。利用以下步驟得到該等山坡航線111的數目：將該航拍區10投影成一平面，並將該航拍區的該航線方向的距離除以該航線間距再加1，計算出該等山坡航線111的數目。
承上述舉例，由於該航線方向為400m，且該航線間距為30m，400m/30m+1=14，得到該等山坡航線111的數目為14條。
接著進行航線間距Di的修正，修正步驟如下：
S104：將該第一高差值△h1除以該等山坡航線111的數目，得到兩相鄰航線路徑之間的對應等高線初始高程值，該初始高程值為兩相鄰等高線的高差值；將首條等高線的高度依序加上該初始高程值，可得到第二、第三條......等高線的高度，同時，由於該航拍機12所飛行的高度與對應之地面保持相同，使該第一山坡航線21依序加上該初始高程值，可得到各山坡航線111的航拍高度。舉例來說，第一高差值△h1為160m，航拍區10內之山坡航線111的總數為14，則初始高程值為160/14=11.4m，而第一條山坡航線111的航拍高度為330m，則第二條山坡航線21的航拍高度為330+11.4=341.4m，第三條山坡航線的航拍高度為352.8m，依此類推即能得到每條山坡航線111的航拍高度；
S105：判斷相鄰兩山坡航線111之側向重疊率是否符合預設之該基準側向重疊率B%；如圖4所示，兩條相鄰山坡航線111之間的距離可能遠近不一，兩相鄰山坡航線111部分線段之間的最大距離可能小於該航線間距Di，也有可能大於該航線間距Di。利用最鄰近距離檢測法，若兩相鄰山坡航線111部分線段之間的最大距離大於所計算出來的航線間距Di，則進行步驟S106，將下一條該山坡航線111之航拍高度降低一高程計算值，使得兩條相鄰的山坡航線111之實際距離不大於該航線間距Di；在一較佳實施例中，該高程計算值可由疊代的方式得到，經由重複疊代，每次降低1公尺，依次降低該高程計算值，使得兩條相鄰的山坡航線111中所有線段之間的實際距離不大於該航線間距Di。
承上述舉例，如圖5所示，航線間距Di為30m，該第一山坡航線21的高度為330m，假設原始高程計算值為50m，並將330m加上該原始高程計算值50m，會得到一第二山坡航線22的高度為380m，但原始的高程計算值為50m，大於航線間距Di，則將原始的高程計算值降低為49m，再與該航線間距Di做比較，若還是大於該航線間距Di，則再將高程計算值降低為48m，依次降低1m並與該航線間距Di進行比較；當該高程計算值小於等於30m時，將該第一山坡航線21加上該修正過後的高程計算值30m，得到一第二山坡修正航線23，該第二山坡修正航線23與該第一山坡航線21之間的所有間距皆不大於該航線間距Di，並重新計算該等山坡航線111的數目，並重複檢驗兩相鄰山坡航線的最大距離是否超過該航線間距Di，如此能確保疊合後的照片能符合該基準側向重疊率，進而得到一張該航拍區10的完整空拍照片。
如圖6所示，該航拍區30之地形被判斷為平地，則執行一平地航線規劃模式，該平地航線規劃模式用以產生一平地航線路徑31，其中該平地航
線路徑31包含複數條平地航線311，該等平地航線311的數目由以下方式計算得到：(S201)利用預設的該基準側向重疊率B%計算航線間距，其中該航線間距為航線與航線之間的間隔距離，該側向重疊率B%為預設之值，在一較佳實施例中，該側向重疊率B%預設為50%；(S202)：利用預設的一前後重疊率A%計算基線長度，在一較佳實施例中，該前後重疊率A%預設為70%；根據計算出來的航線間距及基線長度，可得到該等平地航線311的數目，並規劃出該平地航線路徑31的飛行路徑，其中一航拍機32係沿著該平地航線路徑31飛行，該平地航線路徑31係朝著一拍攝方向及一航線方向飛行，該航拍機32係朝該拍攝方向每飛行一個基線長度拍攝一張照片，當拍攝完一平地航線31的長度時，會折返沿著下一條平地航線311反向拍攝，朝著該航線方向依序沿著各平地航線311拍攝，以得到該航拍區30的範圍照片。
本創作係預設最佳化的前後重疊率及側向重疊率，並利用數值高程模型取得航拍區之最大高低落差，可計算出航線數目，且搭配數值高程模型的等高線數據，可規劃出搭配不同等高線高度的航拍高度，在航拍機調整航拍高度的同時，即能讓所拍攝出來的所有對地照片解析度保持相同，提高整體製圖的清晰度及精確度。同時利用預設的各重疊率，無論是平地地形還是複雜的山坡地地形，都能規劃出適當的航拍路徑，讓航拍機不但能省時省電，亦能提供符合各重疊率標準的照片，讓疊合後的照片能保持高品質且解析度相同。
Claims (3)
- 一種利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法，其包含：(a)判斷一航拍區之地形為平地或山坡地，根據該航拍區範圍內的一最高海拔值及一最低海拔值之間的一第一高差值，判斷該航拍區之地形為平地或山坡地；當判斷該航拍區為山坡地，係執行一山坡地航線規劃模式以產生該航拍區之一山坡航線路徑，該山坡航線路徑包含複數條山坡航線，其中，該山坡地航線規劃模式係行下列步驟：(b1)判斷一第一山坡航線為一直線或一等高線；其中在步驟(b1)中更進一步包含：定義該航拍區之一邊界的地表為一地表剖面線，以及定義對應該地表剖面線的航線路徑為第一山坡航線，其中該邊界為該航拍區內之最低海拔值所鄰近的邊界；假定該第一山坡航線為直線，計算該第一山坡航線之一第二高差值，並將該第二高差值與一航線門檻值比較，其中該第二高差值為該地表剖面線中最高海拔值及最低海拔值的差，該航線門檻值由一深度軸精度公式計算得到；若該第二高差值小於該航線門檻值，則該第一山坡航線為直線；若該第二高差值大於該航線門檻值，則該第一山坡航線為等高線；(b2)計算該等山坡航線的數目，其中各航線間距為兩相鄰山坡航線之間的距離；其中在步驟(b2)中包含有：(b21)該航拍區投影成平面後，將該航拍區的一航線方向的距離除以該航線間距再加1，計算出該等山坡航線的數目，其中該航線方向平行於地形走向； (b22)將該第一高差值除以該等山坡航線的數目，得到兩相鄰航線路徑之間的對應等高線初始高程值，將該第一山坡航線的航拍高度依序加上該初始高程值，分別逐一得到該等山坡航線的航拍高度；(b23)判斷相鄰的前後兩條山坡航線之側向重疊率是否符合預設之基準側向重疊率，若兩條相鄰的山坡航線之實際距離大於計算出來的航線間距，則降低後條山坡航線之航拍高度，使該兩條相鄰的山坡航線之實際距離不大於該航線間距，並重新進行步驟(b21)；當判斷該航拍區為平地，係執行一平地航線規劃模式以產生該航拍區之一平地航線路徑，該平地航線路徑包含複數條平地航線，其中該平地航線規劃模式係執行有下列步驟：(c1)計算航線間距，藉由預設的側向重疊率計算平地航線與平地航線之間的間隔距離；(c2)計算基線長度，藉由預設的前後重疊率計算每條基線的長度，其中該等基線長度為每一照片影像中心之間的長度。
- 如請求項1所述之利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法，其中，在步驟(a)，該第一高差值係除以一設定值而得到一計算值，該計算值再與一預設的對地解析度值(GSD)比較，若該計算值大於該對地解析度值則判斷為山坡地；若該計算值小於該對地解析度值則判斷為平地。
- 如請求項2所述之利用多軸無人飛行載具進行航空拍攝的路線規劃方法，其中該深度軸精度公式為：
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