運用無人機獲取地理空間資訊之精度初探與應用

蔡宗翰／經濟部水利署水利規劃分署

前言

        因應無人機軟硬體發展與提升，各行業也開始應用無人機改變了工作型態，以測繪工作為例，其高效率、自動化、低成本及高精度的優勢，漸與傳統地面測繪方法競爭，對於地理空間資訊的取得，運用在規劃調查尺度上為一項重要的利器工具，同時亦可也可廣泛應用於其他領域。本文以臺中霧峰區乾溪的峰谷橋場域為案例，以不同優化無人機精度的輔助方法(如GCP、RTK、PPK)進行驗證測試，初探其可靠度與應用情形，以掌握精度，期作為未來業務運用可行性之參考。

一、案例測試

(一)使用機型及規格
        本次測試無人機以Autel Robotics公司產製且易取得之2公斤以下市售無人機(型號EVO II PRO RTK)為例，如照片1，具有1" CMOS影像感光元件、2000萬畫素且可外掛RTK模組，依其性能計算約40m高可達1公分的地面解析度(Ground sample distance, GSD)，詳細規格如表1。

照片1　Autel EVO II PRO RTK無人機設備
表1　Autel EVO II PRO RTK規格表
        衛星定位接收儀採用GMS X9全功能GNSS接收儀，如照片1，X9機型為Linux操作系統，支援傾斜測量並集成高精度定位模組，支援BDS、GPS、Galileo、GLONASS、SBAS、QZSS全星座系統頻點信號的接收與解算，靜態測量(RMS)之平面精度為2.5mm+1*10-6*D、高程精度為5mm+1*10-6*D。

照片2 GMS X9衛星定位接收儀設備

(二)測試案場說明及航線規劃
        本次選定測試場域為臺中霧峰區乾溪中上游的峰谷橋，長約500m、寬約100m，範圍涵蓋河谷內固床工及右岸淺邊坡，空域為綠區，現況有一處台電跨河道電線需避開。為使各精度提升方法有較一致性比較基準，降低環境變數，於同時段完成各方法測試並使用相同參數設定及航線路徑，如圖1及表2。

圖1 航線規劃路徑

(三)地面控制點佈標
        本次沿測設範圍邊緣共佈設6個對空標(含幾何特徵作為航標)，以透空度佳、地勢平坦並控制合宜數量為原則佈測，如照片3，分佈如圖2，其中若探討地面控制點方案精度時，將P2、P3、P4、P5納入校正GCP使用，P1、P6則作為檢核點(Check Point)驗證；若採其他方案(無GCP情形)，則P1、P2、P3、P4、P5、P6皆用於作為檢核點驗證。

圖2　各地面控制點分佈位置圖
(四)無人機精度提升方法
        無人機通常內建使用單頻天線為主的GNSS (Global Navigation Satellite System)技術定位系統進行導航，包含美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐洲GALILEO及中國北斗衛星，但會因現場環境產生公尺級的定位誤差(如時間偏差、測距誤差)。因此除上述透過GCP佈標校正精度外，亦衍生出以下常見的RTK或PPK定位技術，各優缺點如表3：
        1.基準站RTK：利用一台基準站同時接收衛星資料並實時傳送至無人機進行聯合差分解算，進而達到精準定位，以提供高精準定位需求應用。
        2.網路RTK：係採用多個衛星定位基準站所組成的 GNSS 網絡來評估基準站涵蓋地區之定位誤差，再配合最鄰近的實體基準站觀測資料，產製一個虛擬的基準站做為 RTK 主站，所以移動站並不是接收某個實體基準站之實際觀測資料，而是經過誤差修正後的虛擬觀測數據，也就是 RTK 主站是經過人為產製的虛擬化基準站VBS-RTK(Virtual Base Station)，其意義如同在移動站附近架設實體的基準站一樣，虛擬觀測數據回傳至移動站衛星定位接收儀，進行”超短基線”RTK定位解算，一般需要另外向訊號商(如國土測繪中心e-GNSS即時動態定位系統)購買差分訊號使用，透過手機網路接收購買的差分訊號解算出定位。
        3.PPK：有時候於山區因避免受基準站和移動站(無人機)通訊訊號的影響，會使用動態後處理解算坐標，其原理，同樣利用基準站和移動站同步接收 GNSS 載波相位觀測量，但兩者間並無無線電通訊連結。在完成測量任務後，再利用軟體將基準站和移動站所收到之資料進行差分解算，進而得到移動站之三維坐標(Zhang, 2019)。
表3　RTK與PPK優缺點
(五)距地等高仿地飛行
        因本次測試案例於河道右岸存在一處邊坡，為一併探討不同飛行高度之差異性，增加仿地飛行任務，查Autel Explorer v2.0 APP目前尚無仿地飛行功能，故採用第三方APP(如UgCS或QGroundControl)規劃其距地等高任務設定，如圖3，其原理係預先載入內建的DEM圖資與設定之航高進行換算實際航高，而達成隨地形飛行方式，增加影像匹配度。

圖3　距地等高航線任務(QGroundControl)
(六)正射影像及DSM產置
        依據各個測試方案，透過空中三角測量解算軟體，循程序進行初始化處理、點雲與網格模型、數值地表模型與正射影像鑲嵌，如圖4、圖5。其中初始化處理過程所產出之精度報告(Quality Report)帶有三維精度誤差值，可作為後續精度探討。

二、成果探討

        本次依據不同使用精度提升方式，共有7種情境，如表4，包含有無GCP、基站RTK、網路RTK、PPK等；距地等高仿地飛行差異如表5。
表4　不同輔助方式之飛行精度差異表

表5　距地等高仿地之飛行精度差異表
        受限環境因素每次測試條件難以完全一致化，但依照現有成果大致以下幾項建議：
        1.僅以無人機內建GNSS系統，其高程誤差會有達公尺級差異性存在。
        2.採地控點(GCP)進行，平面誤差或高程誤差可達到10公分內精度，大大提升測量準確性，若有高精度需求，建議GCP佈標仍不可忽略。
        3.基站RTK或網路RTK兩者差異性不大，且於平面誤差或高程誤差皆可收斂至高精度公分等級，若有已知點引測或考量網路RTK收費問題，亦可選擇基站RTK為替代方案。
        4.PPK雖也有不錯效果(公分級)，惟需另外針對衛星觀測數據及星歷數據進行內業繁瑣處理程序，適合山區通訊連結較差的狀況下使用。
        5.距地等高仿地飛行，依照成像原理預期會有較佳匹配與精度提升效果，惟檢查點呈現效果有限，可能為本次檢核點皆位於平地(非邊坡上)且因Autel無內建仿地飛行功能，而使用第三方軟體致航線略有些微差異，故差異性不大，但後續運用如遇邊坡或兩岸上坡，仍建議採用距地等高仿地飛行為宜。

參考文獻

1.Zhang, H. (2019) ,“Evaluating the performance of UAV photogrammetry with PPK posi-tioning in topographic reconstruction and change-detection GPS”, The EGU General As-sembly 2019.
2.https://shop.autelrobotics.com
3.https://www.youtube.com/watch?v=csoxJ7p375I
4.https://www.youtube.com/watch?v=1allNivwgHI