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AMPIPS

無人載具飛航任務自動規劃與影像處理系統 (AMPIPS)  

 

  無人飛行載具具有高機動性、快速拆裝與搬運的特性,可在雲層下方飛行,於光學衛星無法取像的天候,仍可獲得地表影像,且運作成本低於航空照片,維修容易,搭載相機後即可對各種災害進行取像監測,對於時效性高、需要緊急應變的事件極具應用價值,因此逐漸成為緊急災害應變系統中一項不可或缺的利器。先進的定翼無人載具系統可於惡劣的地形環境中起降,機上並搭載了全球定位系統(GPS)與慣性導航單元(INS),所取得的位置與姿態參數,可供後續影像修正與地理定位解算,因此使用一般非量測用之消費型相機,其空間精度便可達到數公尺等級,並不亞於目前的高解析度衛星影像,而空間解析度更可達數十公分等級,與一般航空照片相匹敵。再加上定翼無人載具飛行相對穩定,可進行飛行取像最有效率的航線規劃,因此每次起降所能拍攝的空間範圍較廣,可以真正發揮無人載具快速與全面取像的優勢。
  本團隊使用的無人載具為自動導航型式定翼滑翔機,翼展2.4m,淨重2.7kg,以四顆鋰聚電池驅動可滯空20~25分鐘,巡航速度約50-80km/hr,視風速風向而定,透過機上1Hz GPS接收器每秒接收衛星定位訊號,並以三軸陀螺儀獲取飛機姿態參數,紅外線遙控器觸發相機快門等裝置,可進行視距外長距離的取像工作。使用手擲起飛,攔網降落的方式,不需跑道,且組裝與全程操作可由三人完成等高機動性優勢,更能夠深入災區並依照當地之狀況進行災害資訊蒐集。由於使用電力推動而非木精或汽油引擎,且機翼長受風影響大,故目前設定地面風速5級風(8.0-10.7 m/s)為操作上限,以確保飛行安全及取像品質。
  本團隊自行開發一套無人載具影像處理系統(AMPIPS),可以支援由航線規劃至影像各級應用的需要,以下介紹各處理模組:


 

1. 自動產製飛航航點

  透過具地理座標的基底影像(衛星正射影像或航空正射照片),即可在實際飛行前根據拍攝目標區域範圍、當時風向、飛航高度與影像重疊率完成航點規劃,並輸出飛行路徑檔案,交由地面站飛控軟體完成自動飛行前模擬。飛行前模擬可計算飛行所需時程,判斷是否超出電池所能負荷時間,以及飛行航線是否流暢,有無不合理之轉彎現象須修正等。由於本系統可依據現地風向隨時改變航線設定,因此能將飛行時的側風現象減到最小,載具取像時將以順逆風方向飛行為主。

 

2. 應用相機鏡頭率定參數校正透鏡畸變

  受到無人飛行載具酬載與電壓供應之限制,無法搭載一般標準空拍作業所使用測量等級之專業相機。所幸近年來消費型數位相機技術進步快速,商用市場上已可獲取1200萬像素之輕量化數位相機,再配合具有與RC接收機規格相符之遙控快門觸發感應器,便可以提供為無人飛行載具空拍作業之相機,每具相機配備的透鏡在使用時所造成的畸變,必須詳細加以率定,並在後續影像處理時定量地加以補償,方能提高幾何糾正處理上的精度。在完成飛行任務並回收載具與相機之後,可以將記憶卡中所拍攝的jpeg格式檔案傳送至電腦中,AMPIPS便可以根據所使用的相機,將鏡頭率定參數修正影像因為透鏡所造成的畸變。此項處理過程完全自動,無需人工操作,15幅照片僅需5分鐘便可以處理完成。

 

3. 使用無人飛行載具飛航資訊對影像進行地理定位

  無人飛行載具飛行期間,機上的資料紀錄系統會以4Hz的頻率紀錄包含GPS定位狀況、GPS目前位置、三軸加速度、三軸偏轉角、目前高度、目前空速、各伺服器作動量、目前指令、預定高度、預定速度、目前航向等資訊至一文字檔中。由於無人載具上的相機快門是透過RC伺服器所送出的紅外線訊號觸發,因此監看該伺服器送出脈波時的時間,便能對應到當時的GPS座標及飛機三軸姿態;考慮飛機座標與相機CCD座標間的轉換關係後,可將每一張影像以姿態參數旋轉修正,並依GPS之定位重新投影指北。此一程序同樣無需人工操作。15幅照片僅需3分鐘便可以處理完成。

 

4. 運用少數控制點估算影像旋轉縮放平移量

  經過前一步驟的處理,影像已經大致轉向正北,與基底影像一致,因此能夠很容易地從基底影像中辨識出可供匹配的控制點。為求快速提供災害應變與災損評估所需之即時資訊,在進行較複雜,費時的正射糾正處理之前,每幅影像可以先藉由三組選配的控制點資訊,快速估算出這幅影像所需之旋轉縮放平移量,將影像做更準確之地理定位,並進一步賦予地圖資訊。點配控制點之步驟需人工操作,但因為轉向正北後的影像與基底影像相當一致,每幅影像又僅需三組控制點,因此15幅照片僅需20分鐘便可以處理完畢。
  完成地理定位之15幅空拍照片無縫鑲嵌與色調平衡處理,可以應用一般接圖軟體加以完成,接著再使用影像超級套疊模組,總計約20分鐘便可以準備上傳至網路之雲端空間資訊平台進行發佈。雖然整個處理過程中並沒有考慮高差位移來解算載具取像時精確的姿態參數,但透過每幅照片三組控制點所提供的地理定位資訊,再根據隨機選取20處檢核點推算所得的誤差向量來計算,此等級之產品已可達到水平方向的空間定位誤差均方根低於9公尺的精度。

 

5. 結合數值高程模型解算姿態參數以進行嚴密之正射糾正

  考量控制點座標與研究區域數值高程模型空間分辨率的限制,採用分段解算方式,依序求算三個角度的姿態參數,再求算相機x, y座標的兩個位置姿態參數,最後再求算相機z座標的位置姿態參數。這種作法對於控制點座標與研究區域數值高程模型的誤差容忍度較高,在反算的過程中不會出現不合理的數值。無人飛行載具的原始飛航資訊與經過解算後,以這組姿態參數結合數值高程模型,將原影像逐點地重新投影,便可得到正射影像。

 

6. 無人載具航拍成果發佈於Google Earth平台之實例

2015_台中市和平區松鶴部落

 

2015_新北市三峽區竹崙里

 

2015_新北市烏來區忠治里

 

2015_新北市新店區屈尺里

 

7. 無人載具佈署組裝、任務規劃、起飛降落、影像處理、發佈應用示範影片