高解析度衛星影像製作正射影像
—以 QuickBird 捷鳥衛星影像為例
|
航測部 工程師 |
闕文鏈 |
銳 俤 公司 高級工程師 |
陳微鈞 |
一、前言
在1999年9月24日美國Space Imaging公司成功發射了全世界第一顆商業影像衛星「IKONOS」，此顆解析力達一公尺的影像衛星在傳統製圖產業引起了廣泛的注目與討論。而2001年10月18日美國DigitalGlobe公司發射的QuickBird捷鳥衛星解析力則可達61公分(全色態)，為現今商業資源衛星中解析力最高之衛星影像。
高解析衛星影像之優點在於取像彈性大、單張影像拍攝範圍大、軌道重覆率高等優點，於天候良好的狀況下可快速獲取大區域之影像，適合用於需定期更新的製圖應用。如近兩年來台北市政府已開始使用高解析衛星影像進行製圖，搜集台北市每年影像資料。
二、QuickBird捷鳥衛星影像簡介
QuickBird捷鳥衛星影像，在垂直地面拍攝時，地面解析力可達0.61m，為現今解析力最高之高解析度商用資源衛星影像。捷鳥衛星可同時提供全色態影像(Panchromatic)及多光譜影像(MultiSpectral)兩種影像資料。運用全色態影像擁有的高解析力，進行控制點的選取，再加上具有色彩資訊的多光譜影像，透過影像融合的方式，將單色的0.61m全色態影像與彩色的2.44m多光譜影像融合為0.7m的兼具高解析力與色彩的彩色衛星影像。(QuickBird捷鳥衛星影像基本資料與產品說明見表1與表2)。
三、研究作業基本資料
QuickBird捷鳥衛星影像基本資料說明如下：
使用QuickBird捷鳥衛星影像拍攝日期為2002年12月15日，拍攝角度20度，覆雲量1 %。使用影像規格為全色態（Panchromatic）影像，地面解析力67公分，影像處理等級為基本影像(Basic Imagery)等級。
影像涵蓋範圍包括台北縣汐止市、深坑鄉、石碇鄉、永和市、中和市、三重市，與台北市士林區、內湖區、南港區、松山區、中山區、大同區、中正區、大安區、信義區、文山區等地區，如圖一所示。
四、控制點資料
使用控制點資料主要為沿用台北市都市發展局既有IKONOS衛星影像控制點資料(見圖二)。既有衛星控制點分為兩種，其一為工研院能資所於民國90與91年所佈設測量之對空標誌，點位精度均優於15公分(能資所，2003)；另一則為地面自然明顯地物點，是由台北市1/1000地形圖中所選取，此項亦由能資所完成檢測。
既有衛星影像控制點若有所不足，則另使用台北市正射航空照片，由其中選取具大地座標之地物點資料作為補充控制點之用。控制點位置須均勻分布於欲進行正射處理之捷鳥衛星影像，並且擁有良好之幾何條件。
五、數值高程模形資料
數值高程模型資料來源是使用由本工程司航測部在民國91年執行台北市都發局委託之『台北市數值地形模型補建案』，由91年8月至10月所拍攝之航空像片中所錄製之高精度數值高程模型資料，原始成果資料為10公尺網格資料，數值高程模型資料經檢核驗收，其高程資料檢核誤差約在20公分(航測部，2002)。在本次作業中，將原始資料再內插為5公尺網格之數值高程模型。其高程資料以灰階顏色顯示如圖三。
六、工作流程與方法
使用之軟體為PCI Geomatica OrthoEngine系列產品線中的High-res Satellite Model高解析度衛星影像正射處理模組，處理流程如圖四。
(一)在衛星影像上選取控制點資料
在作業中，一共選用13個控制點，在衛星影像範圍中可清楚辨識確定控制點位置或標誌者，依控制點之記錄內容進行控制點選取，並均勻分佈於影像之上，其分佈如圖五所示。其中有七個為佈標控制點(sh xx)，五個為地面自然地物點(gp xx)，一個由台北市正射航空照片所選取控制點(G0003)。(13個控制點分布情形見圖五)
(二)衛星影像正射化作業
完成控制點選取後，即進行區域光束法平差，得到衛星影像姿態參數與控制點改正量，再加入數值高程模型資料，在不考慮人工建築物所造成的高差位移、陰影與遮蔽為前提下，採用立方迴旋法內插取樣(Cubic resampling)，進行衛星影像的正射糾正，圖六為套疊行政區界之正射成果影像圖，正射面積約225平方公里。
七、成果展示與分析
(一)控制點改正量與均方根（RMS）值
進行區域平差法後，可以得到各個控制點資料的改正值，並可由改正值的資料中判斷控制點數目是否足夠且均勻分布。
從表3的改正值報告中，可以看出13個控制點中最大的改正量是位置在內湖區的控制點sh11，改正量為1.295公尺；最小的改正量為台北縣的G0003，改正值為0.002公尺，平均改正量為0.558公尺，X方向的均方根為0.48公尺，Y方向均方根為0.49公尺。
由於捷鳥衛星影像一個像元為0.67公尺，而平均改正量小於1個像元，最大的改正值也小於2個像元，X方向與Y方向的均方根值也小於0.5公尺，此成果符合五千分之一相片基本圖製圖精度要求的控制平差結果(1/5000相片基本圖控制點誤差規範為1公尺)(內政部，2000)。
(二)正射影像套疊地形圖資料比對
圖七是捷鳥衛星正射影像所涵蓋之台北市12個行政區界範圍套疊1/1000地形圖比對資料說明，其中除北投、士林、文山區未有全部範圍影像之外，其他行政區皆有正射影像資料。故將在12個行政區中，每個行政區域挑選1到2張之1/1000地形圖資料，與台北市正射影像圖做誤差比較與分析。
由於正射影像並非「真」正射影像(true ortho image)，故在房屋等人工建物地區會有高差位移存在，所以在比較線畫圖與正射影像時，以可以清楚辨識的地面資料為準，如道路邊界、中央分隔島、操場邊界、明確地類界等資料。
1. 文山區（1/1000地形圖圖號：4535、4536）
文山區共選取16個明顯地物或邊界點，包含可在正射影像中明顯分辨的操場邊界、河濱公園中體育場、公園設施與地形圖的線畫資料比對，比對成果分析如圖八。
2. 萬華區 （1/1000地形圖圖號：3642）
在萬華區部份一共量測10個明顯的地物與邊界資料，包含學校的操場邊界、體育場範圍和道路中央的分隔島，比對成果分析如圖九。
3. 中正區 （1/1000地形圖圖號：3844、3845）
在中正區共量測13個位置，包含下圖左上方的總統府前凱達格蘭大道前停車場、中山北路汽車分隔島與北一女中學校內操場，比對成果分析如圖十。
4. 大安區 （1/1000地形圖圖號：4144）
大安區共量測12個明顯地物資料，包含大安高工和建國高架橋下兩邊地物，比對成果分析如圖十一。
5. 信義區（1/1000地形圖圖號：4444、4445）
在信義區則選擇13個明確地物點，包含國父紀念館及台北市政府周邊地區，比對成果分析如圖十二。
6. 南港區 （1/1000地形圖圖號：5046）
南港區則是選擇一處較為能夠清楚辨識地面地物之空曠丘陵地，量測12個明顯資料，比對成果分析如圖十三。
7. 大同區 （1/1000地形圖圖號：3848、3849）
大同區一共量測了13筆資料，因該區多為密集建築區，故多選在大馬路口(重慶北路)或挑選學校(太平、雙連、大橋國小)等明確地物，比對成果分析如圖十四。
8. 中山區 （1/1000地形圖圖號：4152、4252）
中山區則是選擇基隆河北邊的大直地區，一共量測14筆明確地物，比對成果分析如圖十五。
9. 松山區 （1/1000地形圖圖號：4450）
松山區是以松山機場東側資料為主，一共量測13筆資料，比對成果分析如圖十六。
10. 內湖區 （1/1000地形圖圖號：4850 4851）
內湖區選擇三軍總醫院周邊資料，一共量測了13筆資料，比對成果分析如圖十七。
11. 士林區 （1/1000地形圖圖號：4255）
士林區則選擇中影文化城週邊資料，共量測11筆明確地物，比對成果分析如圖十八。
12. 北投區 （1/1000地形圖圖號：3563、3663）
北投區共量測14筆地物，選取分佈於政戰學校一帶明確的操場邊界及地面地類界等地物，比對成果分析如圖十九。
13. 全台北市12個行政區綜合統計分析
台北市12個行政區所量測的154筆資料，包含平地與丘陵地或是綜合所有量測資料，統計比對分析後平均位移為1.118公尺(約1.6 pixel)，標準差則為1.466公尺(約2.1 pixel)，與常用之台灣地區1/5000相片基本圖相比，精度可達到1/5000相片基本圖所要求規範(1/5000基本圖規範碎部地物誤差2.5公尺以下)(內政部，2000)，說明如圖二十。
由此可知使用QuickBird捷鳥衛星影像進行正射影像製作，在各種地形均能夠達到相當高的精度。若在急需影像資料供作各種使用時，可使用QuickBird捷鳥衛星影像既有歷史資料快速完成正射影像處理。對於航空攝影有一定的互補作用。
八、結論
1. 正射影像處理時間短：以本次研究為例，當控制點資料與數值地型模型資料均已準備妥當後，大約僅需要2.5小時的時間即完成整幅QuickBird捷鳥衛星影像的正射作業(225平方公里，包括大部分台北市資料)。在基本資料(衛星影像資料、控制點和數值高程模型)準備妥當時，僅需一到兩天即可完成大範圍的正射作業，對於緊急需要的狀況下，可以達到極高的效率。
2. 精度足夠：在本次的研究中可以發現，使用QuickBird捷鳥衛星影像正射資料量測比對明確地物或地類界的偏差，96%以上的量測資料(154筆資料僅5筆有2公尺以上偏差)可達到2公尺以下，已可達到1/5000像片基本圖的規範。
3. 影像色彩均勻一致： 衛星影像拍攝面積廣大，以QuickBird捷鳥衛星影像為例，在垂直地面拍攝時，像幅為272平方公里，若是在拍攝角度25度時，相幅更達到432平方公里，相較於航空像片，可以減少大量的影像鑲嵌(mosaic)、調色(color balance)及接邊修整的工作，同時也無航空像片常有的聚光燈效應(spotlight effect)(林明旻等，2002)。
同一區域QuickBird捷鳥衛星影像與航空照片正射糾正處理比較，說明如圖二十一。
附註：
衛星影像版權：DigitalGlobe 公司所有
影像提供單位：銳鏓科技股份有限公司
衛星影像名稱：QuickBird捷鳥衛星影像
影像處理軟體：PCI Geomatica OrthoEngine影像正射糾正處理軟體
參考文獻
(1)「九十二年度建構台北市高解析度衛星影像及應用模組工程案」服務建議書，p.5，能源與資源
研究所，2003。
(2)「台北市數值地形圖修測、圖檔編修及屬性資料建製(第一期)暨數值地形模型(DTM)補建工作」
成果檢測報告，中華顧問工程司航空測量部，2002。
(3) 高分辨率衛星影像五千分之一基本圖之製作，林明旻、呂秀慧、余翠紋，2002。
(4) 台灣地區基本圖測製管理規則，內政部，2000。
< < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < < 回目錄< < < < < < < < < < < < < < < < < < < < <