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

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數位影像，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、 前言

近年來測量與空間資訊技術之發展日新月異，更新的即時性高精度地形資料，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料擷取平台，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

度數位影像，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、 文獻回顧

美國聯邦地理資料委員會（Federal Geographic Data Committee, FGDC）已成立一

個資料工作小組（Framework Working Group），負責處理全國一般使用者最常共同需

要的空間資料，其定義為空間資料者包括七項︰大地控制、高程、正射影像、交通運

輸、水文、行政界線、與地籍資料等；其中大地控制、高程、正射影像三項，美國國

家科學委員會更認定為基座資料（Foundation data），是國家空間資訊基礎建設核心中

的核心（黃旭初，2002）。近年來，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。對於航空測量資料應用而言，整合 INS/GPS 系統提

出一個新的策略，減少過去傳統測量受到的限制，並搭載資料記錄和數據處理裝置，

此系統將開啟多感測器系統的時代(Wu et al, 2013)。

多數 UAS 的飛行高度較傳統有人飛機為低，除了可獲取地面解析度高的影像，

也不易因雲層遮蔽而降低影像品質，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、記錄而言，有相當高的應用價值(謝幸宜，2009)。

執行 UAS 航測任務不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

目前數位相機與數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、取得容易、價格低廉、影像獲取

方便、記憶卡可重複記錄使用且輸出為數值影像可直接在電腦上修改。

三、 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、 結果與討論

4.1 研究區環境概況

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，流域之年

餘逕流量為 53,00 萬立方公尺，幾乎全集中在 4～9 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

了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

本文經由內政部地政司衛星測量中心提供的資料，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料和利用國土測繪中

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套疊，並從已

知的地圖位置與坐標，做現地勘查已知點是否符合地圖位置與坐標，和確認已知點點

位是否保存完善。經由現地調查的結果，圖 3 為現地調查中有的已知點，然而有些點

位與坐標位置有誤差，所以需要經由導線測量來確認長榮大學附近已知點的坐標與精

度，並改正偏差較大的已知點坐標。

圖4顯示本研究經由地政事務所收集的台南市歸仁區和仁德區已知點點位坐標，

利用國土測繪中心網路地圖服務提供的電子地圖輸入 QGIS 坐標系統定位，並從已知

的地圖位置與坐標，做現地勘查已知點是否符合地圖位置與坐標，和確認已知點點位

是否保存完善。

圖 2 二仁溪流域水準點位置圖

圖 3 長榮大學附近已知點位置圖

圖 4 台南市歸仁區和仁德區已知測量點位圖

4.3 地面控制測量

本文利用閉合導線做為控制點之測量。導線自一點出發作環狀推展，其終點回到

原起點，形成一閉合多邊形，導線之角度閉合差的大小，可由多邊形幾何條件檢核，

其閉合差值小於誤差界線時，則分配於各測角，以符合幾何條件。

圖 5(a)為閉合導線(一)確認 RQ843、RQ844、RQ846 原座標與已知座標誤差小，

沒有位移情形，並設立 C1、D1、F1、G1、H1 五個新點位以利於已知點間的點位通

視和可以使導線能夠閉合。閉合導線起點為已知值，依導線起點(RQ844)為已知坐標

值推算各導線點坐標，各導線坐標可自起點坐標值加以改正後的橫距、縱距，逐點推

算而得。閉合比係用以表示導線測量之精度，閉合比值愈小，其精度愈高，反之，閉

合比之值愈大，其精度愈低，故本文以閉合比為精度之表示值。表 1 為本文閉合導線

(一)計算整理出的各個點位坐標，以 RQ843、RQ844、RQ846 原座標所做閉合導線測

量，結果顯示每個點位的精度高。

圖 5(b)為 RQ837、RQ839、RQ841、RQ843 之閉合導線(二)，原座標與已知座標

誤差小，沒有位移情形。本文並設立 D2、F2 兩個新點位以利於已知點間的點位通視

和可以使導線能夠閉合。表 2 為閉合導線(二)計算整理出的各個點位坐標，為確認

RQ837、RQ839、RQ841、RQ843 原座標所做閉合導線測量的結果。

圖 5(c)利用已知控制點實施交會測量，以測定新設控制點位置的作業方法。在於

加密閉合導線(二)區域之控制點，以利於進行建築物角點的測量，並以前方交會測量

法設立新點，前方交會法，由二已知點觀測某目標點水平角以推算該目標之位置之方

法，經由導線測量確認的已知點 A 點和 D2 點的坐標，再利用前方交會法去求得未知

點 A3 的坐標，A3 坐標為(175443.0419, 2533822.126)。經由導線測量確認為的已知點

C2 點和 F2 點的坐標，再利用前方交會法去求得未知點 B3 坐標，B3 坐標為

(175593.6274, 2533798.281)。

圖 5(d)為 RQ878、RQ879 當作已知點閉合導線(昭德宮)，設立 C、D、E、F 四個

新點位使導線能夠閉合。閉合導線起點為已知值，依導線起點(RQ878)為已知坐標值

推算各導線點坐標。表 3 為昭德宮閉合導線計算整理出的各個點位坐標，為確認

RQ878、RQ879 所做閉合導線測量的結果。

(a)長榮大學校內閉合導線(一)位置圖 (b)長榮大學校內閉合導線(二)位置圖

(c)前方交會法的點位置圖 (d)昭德宮閉合導線位置圖

圖 5 地面控制測量成果

表 1 閉合導線(一)X、Y 坐標(TWD97_121 分帶坐標系統)

點號 X 原坐標 Y 原坐標 點位 X 坐標 Y 坐標 誤差 X 誤差 Y

175262.5562 2533897.176 C1 175262.5562 2533897.176 0 0

RQ846 175245.196 2534058.099 E1 175244.9293 2534058.122 -0.266738 0.0231456

175252.0815 2533976.455 D1 175252.0815 2533976.455 0 0

175253.3854 2534038.673 F1 175253.3854 2534038.673 0 0

175425.1473 2534058.185 G1 175425.1473 2534058.185 0 0

RQ843 175429.835 2533914.356 A 175429.8118 2533914.478 -0.0232270 0.1218626

175427.0458 2533900.341 H1 175427.0458 2533900.341 0 0

RQ844 175278.866 2533880.319 B1 175278.866 2533880.319 0 0

合計 -0.2899659 0.1450082

導線各邊長之總和 L= 687.192

閉合差 WL= 0.3242031

閉合比 P= 0.0004718

表 2 閉合導線(二)X、Y 坐標(TWD97_121 分帶坐標系統)

點號 X 原坐標 Y 原坐標 點位 X 坐標 Y 坐標 誤差 X 誤差 Y

RQ841 175567.718 2533938.918 B2 175567.718 2533938.918 0 0

RQ839 175589.968 2533834.13 C2 175589.9592 2533834.085 -0.00884 -0.04453

175527.8801 2533705.834 D2 175527.8801 2533705.834 0 0

RQ837 175466.823 2533637.211 E2 175466.77 2533637.164 -0.05302 -0.04693

175460.9881 2533746.878 F2 175460.9881 2533746.878 0 0

RQ843 175429.835 2533914.356 A 175429.8239 2533914.345 -0.01111 -0.01149

合計 -0.00884 -0.04453

導線各邊長之總和 L= 761.85

閉合差 WL= 0.045403

閉合比 P= 0.000059

表 3 昭德宮閉合導線 X、Y 坐標(TWD97_121 分帶坐標系統)

點號 X 原座標 Y 原座標 點位 X 座標 Y 座標 誤差 X 誤差 Y

RQ879 175199.773 2534449.348 A 175199.7929 2534449.32 0.019935655 -0.028490427

RQ878 175144.613 2534504.76 B 175144.613 2534504.76 0 0

175159.4151 2534526.361 C 175159.4151 2534526.361 0 0

175175.4394 2534511.967 D 175175.4394 2534511.967 0 0

175258.9746 2534493.108 E 175258.9746 2534493.108 0 0

175233.6042 2534467.318 F 175233.6042 2534467.318 0 0

合計 0.019935655 -0.028490427

導線各邊長之總和 L= 286.064

閉合差 WL= 0.009414508

閉合比 P= 0.00003291

4.4 UAV 數位影像與地面測量點之疊合比較

本文利用多旋翼 UAV，獲得長榮大學校園建築物的高解析度相片，再與地面測

量點加以疊合，並評估兩者座標之誤差量。UAV 正射空拍影像，包括長榮大學圖書

館、長榮大學第二教學大樓、長榮大學第三教學大樓和昭德宮 4 個地方。建築物角點

的地面座標值，是使用上述測量方法，因控制區域較小，各點間之距離較近，各點所

連成之三角測量為一般性控制之控制網測量，聯繫於基本控制網之各點間。利用國土

測繪提供的正射影像和電子的地圖與測量出的地物點位和建築物角點疊合結果如圖

6 所示。茲將本文結果依序如下。

1、第二教學大樓

經由閉合導線(二)得知的已知點 A、B2、C2、D2、E2、F2 點和前方交會測量法

設立的新點 A3 和 B3 點為控制點，再由三角測量去施測出長榮大學第二教學大樓建

築物各個角點坐標。

2、第三教學大樓

經由閉合導線(二)得知的已知點 A、B2、C2、D2、E2、F2 點和前方交會測量法

設立的新點 A3 和 B3 點為控制點，再由三角測量去施測出長榮大學第三教學大樓建

築物各個角點坐標。

3、第一教學大樓、圖書館、行政大樓建築物角點

經由閉合導線(一)得知的已知點 A、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1 點為控制點，

再由三角測量去施測出長榮大學第一教學大樓、圖書館、行政大樓建築物各個角點坐

標。

4、昭德宮附近地物的點位

經由昭德宮閉合導線得知的已知點 A、B、C、D、E、F 點為控制點，再由三角

測量去施測出昭德宮附近地物的點位坐標。

圖 7 為建築物角點座標和 UAV 正射空拍影像結合結果，乃利用 QGIS 系統中的

影像定位，將無坐標的正射空拍影像，與測量得到的建築物角點座標或周圍明顯地物

的點位做套合，使空拍的正射影像賦予坐標，讓建築物角點或地物的點位能和 UAV

正射空拍影像能做結合使用，以繪製出地形圖，經由疊合後的影像，可以清楚的辨認

出地面的地形和地物。針對上述對比結果，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。

五、 結論

本文將發展智慧型 UAV 載具所獲得研究區之數位影像，應用全站儀對地面測站

的測量結果，探討空載技術及地面控制資料之整合分析能力。本文主要進行研究區域

的地面測量資料蒐集，並以 UAV 數位影像，與地面測量點進行疊合。顯示地面點的

地面測量座標值與UAV地形圖座標值兩者幾乎完全相同，顯示UAV地形圖的閉合差

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。

(a) 第二教學大樓建築物角點位置圖(正射影

像圖) (b)第二教學大樓建築物角點位置圖(DTM)

(c) 第三教學大樓建築物角點位置圖(正射影

像圖) (d) 第三教學大樓建築物角點位置圖(DTM)

(e) 第一教學大樓、圖書館、行政大樓建築物

角點位置圖(正射影像圖)

(f) 第一教學大樓、圖書館、行政大樓建築物

角點位置圖(DTM)

(g) 昭德宮附近的物的點位位置圖(正射影像

圖) (h) 昭德宮附近的物的點位位置圖(DTM)

圖 6 長榮大學建築物 UAV 影像疊合數位地形圖

(a) 長榮大學圖書館建築物角點和正射空拍影像

結合圖 (b) 長榮大學圖書館地形圖

(c) 昭德宮周圍地物點位和正射空拍影像結合圖 (d) 昭德宮周邊地形圖

(e) 長榮大學第二教學大樓建築物角點和正射空

拍影像結合圖 (f) 長榮大學第二教學大樓建築物地形圖

(g) 長榮大學第三教學大樓建築物角點和正射空

拍影像結合圖 (h) 長榮大學第三教學大樓建築物地形圖

圖 7 建築物角點座標和 UAV 空拍正射影像疊合結果

六、 致謝

本文承蒙科技部計畫(編號 MOST 104-2632-E-309-001-)之研究經費補助，作者在

此表示謝忱。

七、 參考文獻

李僊錦、洪郁程、洪傳凱、周茂欽、許耿肇、林佳蕙，2013 年 3 月，大台南的河川，

台南市政府文化局出版。

黃旭初，2002，美國國家空間資料基礎建設 NSDI 介紹，國土資訊系統通訊第四十二

期，1-3 頁。

蕭震洋、謝寶珊、冀樹勇，2011，應用非常規攝影量測評估國道 3 號 3.1 公里崩塌事

件之土方量，中華水土保持學報，第 42 卷，第 2 期，120-130 頁。

謝幸宜，2009，以自率光束法提升四旋翼 UAV 航拍影像之定位精度，國立政治大學

地政學系碩士論文。

龔健彬、史天元，2000，Kodak DCS210 數位相機量測特性之探討，航測及遙測學刊，

第 5 卷，第 4 期，39-54 頁。

Wu, C. T., Hsiao, C. Y., and Hsieh, P. S. ,2013,Using UAV and VBS-RTK for Rapid

Reconstruction of Environmental 3D Elevation Data of the Typhoon Morakot Disaster

Area and Disaster Scale Assessment ,Journal of Chinese Soil and Water Conservation,

44(1):23-33.