4工程實務

ENGINEERING PRACTICE

SUMMARY摘 要

│中│華│技│術│

102 │No.70│ April, 2006

　　航空攝影測量中需要地面控制點來建立航照影像和三維空間的轉

換關係，以供後續地形圖測製、數值地形模型或正射影像生產等之相

關應用，而地面控制點的佈設和量測往往需要耗費相當多的人力和成

本花費。

　　本司地理資訊部多年來承辦航測工作已經累積甚多完成空三計算

的航照影像資料，若能以數值化的方式從中選取不易變遷之地形地物

影像和相關的空間訊息來建立航空攝影測量所需的地面控制點資料，

作為未來新拍攝航照影像控制點之用，將可大大減少地面控制點的佈

設和數量，節省以傳統方式所進行的地面控制測量外業人力、成本及

提升空三作業執行效率。

　　本文將說明本司所開發之影像控制實體建置系統，及如何利用已

完成空三計算之航照影像和相關空間資訊來建置控制實體資料，並以

辦理內政部「高精度及高解析度數值地形模型測製工作案」所取得之

影像及空三資料進行系統測試。

航照影像控制實體資料建置系統開發

中華顧問工程司

地理資訊部

遙測影像組長／林耀宗

中華顧問工程司

地理資訊部

工程師／李莉華

關鍵字：影像控制實體、空中三角測量、內方位、外方位

1

2

1 2

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No.70│ April, 2006 │103

壹、前言

　　近年來由於科技進步快速，電腦計算能力

大幅提升，致使航測作業隨著儀器設備功能已

跨躍到數值化作業時代，目前作業中所使用的

航測數值影像工作站即是數位科技革命下的產

品，雖然航測部份作業已走向數值化，但執行

空中三角所需的控制資料仍需以傳統的方式實

施，不但須投入相當多的外業測量人力，且所

需的業務費用亦不少。

　　多年來本司地理資訊部配合國家重大工程

建設已承辦不少的航測業務，且拍攝相當多的

航照影像及生產數值地形模型、正射影像等相

關成果資訊，如果能從這些已拍攝之航照影像

資料選取合適的比例尺及不易變遷的地形地物

影像並記錄相關的點位三維坐標訊息，建構影

像控制實體作為新拍影像控制之用，並以數值

化及標準化的程序發展人工與自動建置方式，

進而逐步發展成控制實體資料庫。

　　本系統係採用C++Builder5.0程式語言及配合

OpenGL影像顯示功能進行影像控制實體建置系

統開發，並以視窗式的操作介面呈現，供操作

者有效的控制建置流程。

貳、影像控制實體建置說明

一、影像控制實體定義

　　航照影像中所有地物或地貌皆可以用點(如

球場界線交點或道路標線交點)、線(如屋脊線或

道路標線)、或面(如球場或屋頂面)資料型態加

以分類，空中三角測量所用之航測佈標點在相

當比例尺上即是以點資料(十字標之交點)之型態

顯示在影像中，如圖1所示。

　　而本系統所建置的控制資料內容包含了各

種型態特徵之影像，如圖2所示，因不單單是只

有一種特徵，故統稱此影像區塊為影像控制實

體。進行控制實體建置時，儘量要以不易變遷

之地物且具備足夠輻射與反差訊息作為選取的

依據，並記錄含有顯著變化的輻射資訊與影像

中心點之地面三維坐標幾何資訊及其它屬性訊

息。由於控制實體建置是架構在已完成的空三

成果上，亦指航照影像在空間坐標系內之位置

與方位、及像點與透視中心之關係均已知，本

系統之開發即利用這些航照影像及內、外方位

資料來建置影像控制實體。

圖1 航測空中三角測量程序中所用之地面佈標點

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　　影像控制實體依屬性不同共分為三類，第

一類為航標點，控制實體影像中心就是航測標

之中心。航標點之影像控制實體建置時需先進

行現地佈標及量測，才可在影像上進行擷取；

第二類為連接點，影像資訊為自然地物或人工

地物，連接點選點的方式是在進行空中三角測

量計算時由影像工作站自動匹配或由人工量測

所建立的；第三類為自然點，影像資訊為明顯

且易於辨識之自然地物或人工地物，自然點選

點的方式需在本系統上進行，並以最小二乘前

方交會方法求出對應之中心點坐標，各類影像

控制實體之說明可參考表1內容。

二、影像坐標和像片坐標之轉換參數建置

　　為完成數值化方式建置影像控制實體，需

先建立影像和像片坐標之間的轉換關係，表2為

空三平差成果中進行內方位量測所得之影像及

像片坐標觀測值，兩者轉換關係之建立是利用

此資料進行六參數(二維仿射轉換)之計算以求得

各參數值，其式為(何維信，1996)：

+

=

2

1

22

11

c

c

y

x

ba

ba

y

x (1)

式中x、y為影像坐標， x 、 y 為像片坐標； 1a

， 2a ， 1b ， 2b ， 1c 、 2c 為欲求之參數，求解

圖2 包含各種型態特徵之控制實體影像

表1 影像控制實體種類及相關資訊說明

種類 航標點 連接點 自然點

精度等級 １ ２ ３

影像資訊

選點方式 需先實地佈標及量測影像工作站自動批配或人工

量測選取不易變遷之地形

地物

坐標建立 光束法求解 最小二乘前方交會

影像建立 位置及坐標均已知可批次建置 在開發之系統上選點

使用時機 除無法判識之點外均可使用 控制加密或臨時需求

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時以最小二乘法原理解算。由於本系統所採用

的影像坐標原點是以影像的左上角為起始點，

與影像工作站之空三系統以影像中心為原點不

同，為求得正確的轉換參數，需再加入坐標平

移轉換。

三、幾何資訊建置

　　幾何資訊的建置就是確定所對應的地面坐

標，建置方式依影像控制實體的屬性不同而

異。對自然點影像控制實體而言，是人工選取

特徵點位並在本開發系統之幾何資訊建置界面

進行，操作者透過這個界面可瀏覽影像上之地

物，完成點選後系統會計算及自動顯示所有相

關之影像，經人為辨識可作為控制實體影像區

塊之後，再逐點確定影像區塊中心位置及量

測，同時以最小二乘前方交會自動求解出該影

像控制實體中心所對應之三維坐標，再檢核前

方交會成果即完成幾何資訊建置。最小二乘前

方交會的間接觀測矩陣形態公式如下(Wolf and Dewitt, 2000)：

(2)

　　其中：n表像片編號；dX、dY、dZ：控制實

體影像中心坐標近似值之改正數，nn bb 2614 ~ ：

控制實體影像中心坐標近似值和各像片外方位

元素所組成之未知數近似值改正數之係數項：

nn KJ ~ 控制實體影像中心坐標近似值和各像

片外方位元素所組成之常數項ny

nx vv ~ ：第n張

航照影像上之x,y像坐標的改正數。而佈標點及

連接點則是以空三平差成果得之地面坐標為該

點幾何資訊。

ny

nx

y

x

x

n

n

nnn

nnn

v

v

vv

v

v

K

J

KJ

K

J

dZ

dY

dX

bbb

bbb

bbb

bbb

bbb

bbb

y

........

.

.........

2

2

1

1

2

2

1

1

262524

161514

226

225

2

216

215

2

126

125

1

116

115

1

24

14

24

14

1

表2 內方位參數資料

框標點 影像坐標(像元) 像片坐標(mm)

1 -28.826527 -4491.946777 -112.007004 0.004000

2 4370.777832 -4421.069824 -110.002998 -109.995003

3 4460.254883 -21.062996 0.000000 -112.002998

4 4391.430176 4379.808594 110.001999 -110.001999

5 -7.922786 4470.142090 112.004997 -0.004000

6 -4407.194336 4398.745605 110.001999 109.996002

7 -4495.812012 -2.006577 0.000000 112.005997

8 -4427.405762 -4402.694824 -109.999001 110.005997

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四、輻射資訊建置

　　在本系統中輻射資訊之建置是以保持原始

影像的方式構建而成，並無考慮航照影像攝影

當時的位置、太陽照射角度、大氣輻射、鄰近

地物所產生之陰影和遮蔽、以及建置地物本身

之材質或雜訊等等所產生之影響。操作者依影

像控制實體的屬性不同，可採人工或自動的方

式輸出輻射資訊。

參、系統功能說明

一、建立專案計劃

　　專案計劃建立就是輸入基本資料，包括空

中三角測量計算平差成果及影像，其系統操作

面如圖3所示。空三平差資料格式可為PATB或

LHSystem Socket Set系統；影像格式為tif型態，

空三平差資料主要是記錄各張影像投影中心的

位置與在拍攝影時各軸姿態角(稱為外方位參

數)，此外輸入相關的輔助資訊如像比例尺、攝

影日期、掃瞄解析度等可供後續應用時參考。

　　在進行瀏覽及選點作業時，影像檔案大小

會影響操作效率，當掃瞄解析度值越小檔案越

大，以掃瞄解析度20um為例，每張像片影像檔

案約近400MB，為使有效控制建置流程，以建

置影像金字塔方式處理，暨將影像每4個像素取

平均值換算成一個像素進行約化，共分成六層

建置，因此在空間的使用上需考慮影像金字塔

儲存空間。

二、資料計算處理

　　資料計算處理包括內方位資料建置及建立

控制實體。在前文中有提到控制實體的種類，

一般傳統航照影像(如圖4)在影像的四周或中心

連線之端點都有紅色標記，稱之為框標，內方

位資料的建置就是對框標進行量測，以建立影

像及相片坐標之間的轉換關係，轉換關係建立

圖3 建立專案計劃之操作介面

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完成，方可進行控制實體建置。

　　完成內方位轉換關係基本資料建置並配合

本系統所開發之控制實體建置功能，操作者可

在影像上瀏覽進行建置，當操作者完成點選作

業，系統自動顯示相關影像區塊，接著在每張

影像上之特徵位置逐一進行量測，圖5所示即為

本系統所開發的操作介面和所選取到操場標線

控制實體之相關影像區塊，同時並顯示所量測

之影像中心點位置及要擷取影像輻射資訊的範

圍（方框所示），完成量測操作後，系統以多

張影像之最小二乘前方交會自動求解出控制實

體之影像中心所對應的幾何坐標，選取作為影

像控制實體的原則可參考表3之內容，最後再檢

核量測精度即完成控制實體建置。

三、控制點展點與自動化擷取

　　控制點展點目的主要展示投影中心及控制

實體的位置，供操作者更於了解建置的進度狀

況，以避免重複在同一位置上建置，同時讓

點位的幾何能有較佳的分佈，如圖6所示，圖

中右側為影像及點位幾何展示，左側為展示投

影中心及點選右側點位所顯示的控制實體影像

圖5 人工選點後系統自動選取到相關影像區塊及量測圖示

圖4 傳統航照影像

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資訊。而自動化擷取功能則是針對航標點及連

接點之影像控制實體建置進行批次化處理，由

於航標點及連接點之影像位置及地面坐標均已

知，因此操作者在執行圖6之建置功能時，輸入

影像座標及空三成果資訊，系統將自動擷取影

像及相關幾何資訊。

肆、實驗區測試資料建置及展示

一、測試資料來源說明

　　本系統操作之測試資料是使用內政部「高

精度及高解析度數值地形模型測製工作案」之

表3 影像控制實體選點原則

區域類別 選取自然點之處

都市區、郊區 道路上明確標線之交點、停車格之標線交點、建物屋脊與屋簷或屋簷與屋簷之明確屋角點、建物之女兒牆之交點、球場上標線之明確交點、水塔頂、人孔蓋中心、……等

農田區農舍之屋角點、田埂交界、農路上明確之地物點、水溝與路面之交界……等

丘陵區 路上明確之地物點、明顯或易分辨之植物特徵點……等

山區 明顯或易分辨之植物植物特徵點(如筆筒樹或樹枝)、石頭、山區建物屋脊或屋簷之角點、墓園上之構造物……等

河川區 河床中的石塊……等。

圖6 建置控制實體幾何分佈及自動化擷取影像操作介面圖

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檢驗場測區之影像及空三成果，有關實驗區相

關資料描述及位置如表4及圖7～圖9所示：

二、成果說明及展示

　　本系統所建置的影像控制實體輸出的成果

包含影像及坐標資料，也就是輻射資訊及幾何

資訊，同時建立索引資料以供後續查詢使用，

有關控制實體輸出之相關資訊內容如表5所示。

在實驗測區中共建置145個自然點、265佈標點

及連接點(如表4所述)，自然點建置時間為12小

時，是由人工方式進行選點及建置，佈標點及

連接點建置時間為4分鐘，採系統程式自動化

方式產生。圖10～圖16為測試資料建置成控制

實體之成果，各圖中分別表示不同類別之影像

表4 實驗區測試資料表

資料來源 內政部[高精度及高解析度數值地形模型測製工作案 ]

控制系統 平面為TWD97坐標系，高程為一等水準系統

像比例尺 1/5000

影像型式 傳統航照

掃瞄解析度 20um

測區 南區(高雄半屏山)、東區(台東鹿野 )

相片數 36

建置自然點數 145

建置佈標點及連接點數 265

圖7 檢驗場測區示意圖 圖8 南區放大圖示 圖9 東區放大圖示

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表五 控制實體輸出之相關資訊

項目 內容 備註

輻射資訊(*.raw) 格式為raw image。

檔頭資訊(*.hdr) 實體路徑、實體長度、實體寬度、影像來源張數、在原始影像之影像坐標、原始影像之路徑、新拍影像之航線方位角。

自然點

幾何資訊(*.ifo) 影像來源張數、中誤差值、X、Y、Z、dx、dy、dz、波段、像比例尺、攝影日期、掃瞄解析度。

自然點

幾何資訊(*.ifo) 實體路徑、X、Y、Z、影像來源張數(共軛點數)、實體長度、實體寬度、波段、在原始影像之影像坐標、原始影像之路徑。

航 標 點 及 連接點

總索引(Control_index.txt)

實體路徑、影像來源張數(共軛點數)、原始影像之路徑、X、Y、Z、像比例尺、攝影日期、掃瞄解析度。

自然點

總索引(TIE_point_index.txt)

實體路徑、影像來源張數(共軛點數)、原始影像之路徑、X、Y、Z、像比例尺、攝影日期、掃瞄解析度。

航 標 點 及 連接點

圖11 現地實測佈標點影像控制實體

圖10 自動匹配特徵之連接點影像控制實體

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控制實體所選取的影像特

徵。圖10為原空三成果自

動匹配之點位，該點位之

影像特徵須為可辨識，才

可做為控制實體以減少認

點誤差。圖11為現地實測

之佈標點，是經測量人員

現地施實測量作業，因此

最適於作控制之用，但點

數受限於成本費用無法大

量建置。圖12～圖16為

利用本系統以人工方式建

置，點位均位於易於辨識

且不易變動之影像特徵。

由於航照影像前後及側向

均有60%及30%影像重疊

度，因此同一點會在相鄰

的影像出現係為共軛點

數，即為多張影像表示同

一點之故，並以點號最後

一碼流水號表示。

伍、結論與建議

　　本系統利用已完成的

空三成果及影像，進行控

制實體資料建置已開發完

成，系統之操作可採人工

或自動方式處理並依控制

實體的屬性而定，往後可

對過去所承辦的或未來要

承接的航測工作案以標準

程序建構控制實體資料，

進而逐步發展成控制實體

圖12 人工選取墓園構造物牆之交點特徵之自然點影像控制實體

圖13 人工選取屋脊特徵之自然點影像控制實體

圖14 人工選取山區建物特徵之自然點影像控制實體

圖15 人工選取水溝與路面交界特徵之自然點影像控制實體

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112 │No.70│ April, 2006

資料庫，作為未來新拍攝航照或衛照影像進行

空中三角測量解算時所需的控制資料，減少外

業地面控制點測量所需的人力及物力花費，以

降低作業成本。

　　目前本司地理資訊部正在執行內政部「高

精度及高解析度數值地形模型測製工作案」，

所取得影像及空三資料是相當難得的資料，該

計畫為內政部所推動重大測量業務之一，所引

用像片為農航所提供涵蓋全台之影像資料，若

將該資料建置成影像控制實體，在建置精度層

面是有一致性的意義，可利用本系統進行建置

作業，供往後對控制資料有需求時使用。

◎參考文獻

1.邱式鴻，航照影像作為SPOT影像控制用之

研究，成功大學航空測量研究所碩士論文，

1991。

2.邱式鴻、李莉華、趙鍵哲，航照影像控

制實體建置與自動量測之可行性探討，第

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pp.53-61，2002。

3.何維信，航空攝影測量學，大中圖圖書公

司，台北，1996。

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Co.

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訊股份有限公司，台北，2001。

6.Mary Treseler，Open GL Programming for

Windows95 and Windows NT，1996。

圖16 人工選取球場標線特徵之自然點影像控制實體

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