第 40 屆海洋工程研討會論文集 國立高雄科技大學 2018 年 11 月

Proceedings of the 40th Ocean Engineering Conference in Taiwan National Kaohsiung University of Science and Technology, November 2018

無人飛行載具於海岸地形測繪之應用

林敬樺 1江文山 2蕭冠宇 3韓佳安 3 1國立成功大學水工試驗所助理研究員

2國立成功大學水工試驗所研究員兼副所長

3國立成功大學水工試驗所研究助理

摘要

本文主要探討無人飛行載具應用於海岸地形測繪之成果，並與傳統高空航空攝影所得之數

值地形資料進行比較，以驗證無人機在小區域海岸地形測繪之精度及應用；測繪地點為台東縣

綠島鄉西南側之大白砂砂灘。作業流程為先在欲施測之範圍內佈設控制點及平面/高程控制測

量，次利用 App 根據所需解析度、現場地貌及測區範圍設定重疊率及航線；無人飛行載具會根

據飛行計畫自動執行飛行任務拍攝所需影像；最後利用軟體進行三維影像重建，產出正攝影像

及數值地表資料(DSM)。測試結果顯示，利用無人飛行載具執行區域性海岸地形地貌測繪有效

提升作業效率及作業成果；在成果驗證上，與傳統高空航空攝影測量雖有些許差異但符合程度

甚佳，差異之原因推測可能數值高程演算法有關。

關鍵詞:無人飛行載具、海岸地形測繪、綠島鄉。

Application of Unmanned Aerial Vehicle on Mapping

Coastal Topography

Jing-Hua Lin1

1Assistant Researcher, Tainan Hydraulics Laboratory/National Cheng Kong Unversity

ABSTRACT

This article is to study the application of drone on mapping the coastal topography, compare

with the digital terrain data measured by the traditional aerial photogrammetry and verify the their

accuracy and differences. The testing location is the Daibaisa beach on the southwestern of Green’s

Island, Taitung Country. The operating process is first to layout numerous control points and carry

out the plane and elevation control measurement on the testing area. Second step is to set up the

superposition rate and flight path based on required resolution, field landform and testing size. The

drone can automaticly run the flight mission and take photos according to the existing flight plan. At

last, the 3D model is rebluit by using the software. The 2D orthophoto and the digital surface model

are also produced. The testing results shows that the mapping the small-region coastal topography by

using the drone can upgrade the survey efficiency and the quality. On compraing with the digital

terrian model obtained by two methods, even if there are differences on two results, however, overall

results are satisfied. One of the possible reason for making the differences is surmised to relate to the

numerical elevation algorithm. Hence, it is the high necessity on carring out more detail sensitivity

tesing for this issue.

Keywords : Unmanned Aerial Vehicle(UAV)；Mapping Coastal Morphology；Green’s Island

一、前言

無人飛行載具(UAV；Unmanned Aerial Vehicle)

由於成本低、環境適應性強、操作便利、作業效率

高及低空域等特點。近年來各項應用蓬勃發展，舉

凡小規模之地形測量、農業應用及防救災踏勘等皆

引入該項技術提升作業效率；對於海岸管理及海岸

環境之調查作業上，由於酬載高像素之攝影機，所

以可快速以攝錄影之方式記錄當時之海岸環境現

況，利用定期之影像紀錄有助於基本資料蒐集及現

況環境之研判。

在進行海岸變遷分析時常面臨之問題即是資料

量之不足或是難以取得；因為其作業成本較高，人

力作業耗時等主客觀因素，故地形資料測繪頻率大

多是半年一次或是一年一次；若能利用無人飛行載

具之機動特性，只要天候許可即可進行地形測繪，

提供局部或是定期(每月)之地形資料，有助於特定

區域之海岸變遷分析及數值模式所需之近岸地形資

料之用。

本研究利用無人飛行載具於綠島鄉之大白砂進

行數次不同時段之地形測繪，得出漲退潮之三維實

景模型、正攝影像及等高線圖；並與傳統高空航空

攝影測量所得之結果進行驗證及比較，以了解無人

飛行載具於海岸環境變遷及地形測繪之可行性。

本文研究範圍為台東縣綠島鄉西南側之大白砂

灘；該區域為綠島鄉境內第二大砂灘，全長約 400

餘公尺，主要成份為貝殼砂，外有數十公尺之珊瑚

礁岩，如圖 1 所示。

圖 1 台東縣綠島鄉西南側之大白砂砂灘

二、研究方法

2.1 UAV測繪前置作業 本文研究之區域位於綠島鄉西南側之大白砂砂

灘，是綠島鄉唯二較大之砂灘；砂質成分為珊瑚及

生物死亡後所生成之貝殼砂，中值粒徑約介於

0.913~2.174mm。高潮位與低潮位間之潮間帶為天

然珊瑚礁岩及潮池，在低潮位時方始露於水面。

空拍作業採用大疆公司(DJI)之 Phantom4 四旋

翼無人機進行海岸環境調查；Phantom4 是由飛行

器、遙控器、雲台相機及 DJI GO app(如圖 2)；

Phantom4 相機採用 SONY Exmor R CMOS 影像傳

感器，尺寸約為 1/2.3 英吋，1200 萬像素；配備

20mm(35mm 等效格式)低畦變廣角鏡頭；可支援 30

幅/秒之 4K 錄影畫面及 1200 萬像素靜態攝影拍攝，

並提供單拍、連續拍攝及定時拍攝等多種拍攝模

式；每次單次錄影可達 30 分鐘以內(不大於 64GB)；

透過 DJI GO App 可即時預覽影像及飛行器目前之

位置與飛行狀態。

空拍之前依照傳統航空攝影測量進行佈標及控

制 測 量 。 在 試 驗 區 附 近 佈 設 六 個 控 制 點

(IG01~IG06)(如圖 3)，並進行控制測量得其平面及

高程座標值，其分佈圖如圖 4 所示。飛行任務之規

劃與設定則是採用 Pix4DCapture，照片前後重疊率

為 80%，側向重疊率為 75%，飛行平均高度為 70

公尺(相對於起降點)，單趟飛行任務所需時間約為

10 分鐘；作業期間則是盡可能選定每月大潮低潮位

及高潮位進行退潮及漲潮時或是可行期間進行拍攝

(因離島天候及海象因素)。

拍 攝 完 成 後 即 進 行 空 中 三 角 平 差

(Aerotriangulation Adjustment)及三維實景建模作

業 。 空 中 三 角 平 差 是 採 用 光 束 法 (Bundle

Adjustment)；三維實景建模作業則是利用商業套裝

軟體進行；爾後視需要輸出正攝影像及 DSM 資料，

上述作業之流程圖如圖 5 所示。

2.2高空航空攝影測量 本文研究目的之一即是驗證同一試驗區分別採

用低空無人機以及高空航空攝影測量所得之數值地

形資料之差異。因此，另外委請詮華國土測繪有限

公司利用定翼機搭配航測專用數位攝影機

DMCII230 以航高 1,650 公尺及地表解析度 10 公

分，重疊率 80%進行高空航空攝影測量，並進行立

體製圖測繪作業得出數值高程資料。

圖 2 大疆公司(DJI)之 Phantom4 空拍機

圖 3 試驗區控制點之佈設

圖 4 試驗區控制點之分佈情形

2.3 作業時間及潮位條件

不論是低空域 UAV 作業及高空域定翼機航空

攝影皆受限於天候及雲覆蓋率；而本試驗區又位於

綠島航空站之禁航區，UAV 作業時間皆須與當地航

管單位進行協調；綜合以上實務面之因素，作業時

間之重要性大於潮位條件，故很難每次拍攝接剛好

在最高及最低潮位拍攝。

拍攝當日之潮位條件可事前參考中央氣象局之

潮位預報，本研究 UAV 及定翼機拍攝時間如表 1

所列。

圖 5 無人飛行載具地形測繪作業流程

表 1 本研究飛行任務作業時間

作業項目 作業時間 潮汐時間 潮汐 潮高

UAS 06/11 農曆

04/28 17:01

中潮/

滿潮 43

UAS 06/12 農曆

04/29 11:17

中潮/

乾潮 -57

UAS 07/23 農曆

06/11 15:50

小潮/

滿潮 44

UAS 07/24 農曆

06/11 10:11

小潮/

乾潮 -27

定翼機 08/04 09:08 中潮/

滿潮 62

UAS 09/18 農曆

08/09 07:05

小潮/

乾潮 -20

UAS 09/18 農曆

08/09 13:38

小潮/

滿潮 25

三、結果與討論

3.1 空中三角平差及控制點精度

在一飛行任務完成後，將所得之影像進行影像

匹配作業可觀察基本之成品；若要得出更為準確之

地形資料則必須結合所設之控制點進行空中三角平

差作業(簡稱空三平差)。

解析空中三角測量是採用嚴密的數學公式，按

最小二乘法原理，用計算機進行的空中三角測量，

是 目 前 主 流 的 方 法

(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A9%BA%E4%B

8%AD%E4%B8%89%E8%A7%92%E6%B5%8B%E

9%87%8F)。而其中又以光束法(Bundle Adjustment)

為現今最常用之方法，以攝影時目標點、相應像點

和攝站點三點共線條件所建立的每條空間光線作為

整體平差運算中的基本單元的空中三角測量。這種

方法理論最嚴密，精度最高，計算量較大。

以表 1 中之 06/12 飛行任務為例，各控制點經

過空三解算後可得到各點之估算平面座標

(Estimated X, Y)及估算高程(Estimated heights)，並

計算 3 維總誤差(3D error,m)、3 維水平誤差(3D

horizontal error, m)以及 3 維垂直誤差(3D vertical

error, m)，如表 2 所示。

表 2 經空三解算後各控制點之誤差(06/12)

點位 3D error,m 3D horizontal error, m

3D vertical error, m

IG01 0.006 0.006 -0.000

IG02 0.001 0.001 -0.000

IG03 0.006 0.006 0.002

IG04 0.004 0.003 0.003

IG05 0.007 0.000 -0.007

IG06 0.005 0.003 0.004

3.2 UAS與高空航空攝影比較 完成空三解算意即各影像所具備之數值資料以

統一在同一個座標系統下，故經由影像匹配可以將

該次飛行任務所有照片進行鑲箝作業，如圖 6 所

示；完成 3 維實景重建後，可進一步獲得正攝影像

(如圖 7)以及 DSM 資料。

以圖 6 之案例而言，所使用之座標系是 TWD97 /

TM2 zone 121，實際上共使用 141 張有效照片進行

3 維實景製作，共有 29362 個影像匹配點，解析度

為 0.028m~0.035m/pixel( 相對於平均飛行高度

70m)，影像尺寸(對應試驗區)為 442m×567m×39m；

影像區域為 E=300441~300883 ；

N=2503975~2504542。飛行航線為不規則形並平行

於海岸線拍攝，感應器角度為垂直 90 度，平均飛行

高度為 70m，飛行範圍為 398m×548m，總飛行路徑

長為 4180m，前後重疊率為 80%，側向重疊率為

74%，總飛行時間為 13 分 8 秒。

所得之正攝影像經後製處理後，可套疊在

Google Earth 上，藉以觀察正攝影像平面座標及地

物地貌是否差異過大，做為成果初步校核之用，如

圖 8。

圖 6 經由控制點校正後所得之三維實景(黃色為控

制點)

圖 7 經由圖 6 所得之正攝影像(取樣距離為 0.5m)

而利用高空定翼機航空攝影所得之影像資料透

過立體製圖方式也可以得到全區域之正攝影像及數

值高程資料；由於高空航空攝影資料是在 8/4 進行

拍攝作業，並未與 UAS 同步作業，且八月份天候及

海象條件不佳，無法進行 UAS 作業，故選擇 7/24

退潮時段 UAS 作業所得之影像及 DSM 資料進行驗

證作業。

7/24 於早上 9:59~10:11 進行 UAS 作業，為當

日退潮時段，飛行高度相對於起降點為 70m，共採

用 151 張有效照片進行三維實景重建作業，解析度

為 0.03-0.037m 之間；因為 IG02 點位於大白砂灘南

側因故遭到掩埋；並利用五個控制點進行空三平差

解 算 ， 解 算 結 果 顯 示 最 大 三 維 誤 差 為

0.013m(IG04)，最大水平誤差為 0.013m(IG04) ，最

大垂直誤差為-0.006m(IG05)；圖 9 為利用 3 維實景

建模後所得之正攝影像及等高線分佈。而高空航空

攝影測量經由人工立體製圖所得之等高線圖則如圖

10 所示。

圖 8 所得之正攝影像套疊於 Google Earth 上

圖 9 UAS 作業所得之 DSM 及等高線(0724 退潮)

由於將兩種方法所得之等高線同繪在一張圖上不容

易比較其差異，故以 0-5m 各等高線個別呈現，如

圖 11。

圖 10 高空航空攝影作業所得之等高線(0804 漲潮)

(a)0 米線 (b)1 米線

(c)2 米線 (d)3 米線

(e)4 米線 (f)5 米線

圖 11 大白砂砂灘 0-5m 等高線之比較

總體而言，經由影像方式所得到之等高線基本上都

符合現場地勢；而 UAS 作業所得之影像解析度足以

辨識當地之地貌地物分佈。而等高線分佈兩者在潮

間帶及砂灘南側有顯著差異。初步歸納可能有以下

原因：

1).拍攝時間不同及海氣象差異：這項因素主要

是考慮拍攝時間不同以及期間海氣象差異造成砂灘

變化；但查詢中央氣象局綠島氣象站 0724-0804 期

間之風向、風速及雨量屬於可作業範圍並無異常，

無降雨紀錄亦無颱風過境紀錄，即是初步排除風吹

砂、大浪或是暴潮侵襲以及強降雨等自然因素造成

變異。

2).控制點數量不足及點位分佈需調整：回顧圖

4 控制點之分佈位置，IG01 及 IG02 是位於砂灘上

固著的石材上，因此隨著週期性潮汐或是大浪作用

下，有可能被砂所掩蓋；0724 飛行任務是利用五個

控制點進行空三解算，即是因為 IG02 點被砂所掩

蓋；此項因素是否會影響砂灘南側之高程解算仍有

待進一步探討。

3).後製程序及演算法不同：回顧圖 5 之作業程

序，實際上 UAS 及高空航空攝影測量作業程序並無

顯著之差異，所採用之攝影機也都屬於高解析度之

CCD 感測器；兩者在過程中最顯著之差異是在轉為

數值高程之方式。前者是利用影像密匹配及三維建

模轉出平面及高程座標，其過程全由電腦自動作業

並未利用人工校正；而高空航空攝影測量是取得航

拍影像後以立體製圖儀配合人工檢修程序而得出數

值高程資料。

4).水域編修：使用 UAS 海岸環境測繪作業不

可避免會拍攝到水域環境；使用 CCD 感測器並無

法穿透水域環境，在三維建模作業時會在水域環境

造成變異。此項因素是否會影響整體試驗區之高程

解算仍有待進一步探討。

5).UAV 飛行及拍攝方式：在 0724 飛行任務

中，航線規劃是沿海岸線方向 S 型飛行且感測器拍

攝角度為 90 度，並未重複飛行向離岸方向之航線。

另一方面，由於採取正攝攝影，因此側面之影像資

訊理論上會較少，改採傾斜攝影較正攝攝影可獲得

更多之側面資訊，有助於提高三維建模之解析度。

此項因素是否會影響整體試驗區之高程解算仍有待

進一步探討。

四、結論與未來研究方向

4.1結論

綜合以上試驗及分析結果可歸納數項結論。

1.由於 UAV 作業成本較低，機動性強且結合智慧飛

行功能，對於小區域之海岸動力行為、海岸環境及

海岸地形調查之資料蒐集可大幅提升作業效率及資

料品質；對於較長距離之調查範圍，可在飛行器作

業效能範圍之內進行多架次之飛行任務。

2.高空域航空攝影測量與低空域 UAV 測繪都屬於

廣義之航空攝影測量；但實務上兩者仍有不同之作

業條件、需求及配套程序，有顯著之差異及區隔。

簡言之，前者可應用全域之地形測繪，而後者可應

用於小區域之地形調查作業。

3.唯使用 UAV 進行海岸地形測繪由於涉及水域環

境、控制點佈設不易及特徵點匹配等問題，雖初步

結論具有可行性，但仍需進一步探討其細節。

4.2未來研究方向

1.在多次飛行任務影像資料中，可以大致了解

當地海岸動力行為與天候及海象等水文事件有關，

經由量化可以了解定量之海岸變遷狀態。但也可以

觀察到在颱洪事件後，海岸之粒徑也隨之改變，海

岸也殘留許多之殘留物(如汙染物及漂流木)。因

此，未來可根據實務需求設計製造客製化多用途酬

載之無人機搭配適當之儀器進行現場調查。

2.在海岸地形測繪中較困難之案例為潮間帶及

離岸砂洲，未來可進一步將本研究之程序應用在上

述環境中。

3.無人機對於現場調查人員提供相當大之助

益，故本所未來將著力於海岸地形地貌之影像辨

識、水樣採集及海洋汙染物之監測等作業程序及系

統精進。

參考文獻 1. 國立成功大學(2018)「綠島及蘭嶼海岸基本資料

補充調查(1/2)」，經濟部水利署第八河川局。

2. 潘洁晨、王冬梅及李愛霞(2016)「攝影測量學」，

西南交通大學出版社。