探讨航高与空照时间对航空摄影

探討航高與空照時間對航空攝影暨航線規劃之影響Conferringontheinfluenceonphotogrammetryandflightmissionplanningoftheflyingheightandthetiming土木所測量組一年級黃國彥R92521109一﹒前言以航空載具進行地面影像拍攝時會受許多變因的影響，舉凡航高、天候、拍攝時間、地點、比例尺的選擇都是需要考量的部份，其中天候屬於較不可事先精準預測的變因；地點與比例尺的選擇則是視不同的目的決定之；航高與拍攝時間取決於現地的狀況，故若能在事前事先規劃並針對這些這些因子加以控制，對於人力、成本與工時來說，皆能獲得較有效率之成果。臺灣多山地形海拔高低起伏很大，高山地區同幅基本圖內高低差1000m以上者有一千餘幅，同幅內起伏最大者達2000m，航空攝影影像常因地形高低懸殊產生山峰陰影問題，而導致重拍。以何種方式來選擇較適當的攝影時機，是本研究探討重點之一(黃，2002)。臺灣全島面積有60%以上為山區，由於這種獨特的地形關係之故，若要以同樣的航高進行航線設計是很不合理的。在航線設計上若是分段過細，不但成本與時間上會大為增加，同時也會增添了不必要的工作量；若是分段粗率，像比例尺的差異將會是主要的問題，是故一個適當且合宜的航線設計檔案是很重要的。即使是針對同樣的地形拍攝，但假若時間不一，仍會因為日照的角度與強度而有不同的結果，這樣所造成的陰影遮蔽可能會使像片可用資訊減少，或是地面特徵物的辨識度下降，如果能將此因素事前控制住，且納入設計的考量中，將有助於選擇適當的空照時機，並取得最佳的地形資訊。制式航空攝影航線檔案的建置不僅能減少航線重覆設計困擾與失誤，對於同一地區不同時期之航攝，亦能控制使獲取近乎同一位置、同一比例尺、同一像幅涵蓋之影像資料，不但所建置之基本圖控制點(controlpoint)及模型連結點(tiepoint)等基礎資料可長久應用，對於後續各種農林、礦物、地質、土地利用、水利資源等應用調查，將有莫大助益(黃，2002)。此篇論文所探討的主題即是以現有的臺灣地區1/5000像片基本圖圖幅進行各圖幅的高程基準面分析，並提供1/17000航線設計規劃之用，同時在得知各圖幅間各時刻之太陽方位角與高度角資訊後，使用Surfer7.0模擬光照的效果以推估出最理想的拍攝時刻。二﹒原理航高與地形起伏有著密不可分的關係，此兩者會使像比例尺改變，進而使得重疊率(Overlap)的不足，如圖2.1所示，由於地形高凸遮蔽另一方向的資訊，讓重疊率降低。如圖2.2所示，若是航高以及攝影時間的間隔固定，地表高度卻延著航線增加，會使像片間的重疊以及涵蓋面積減少。主要的解決方式為知道地面起伏的狀況以及其高度後調整航高，將一段航線分為數段不同的航高進行攝影工作。航高可在像比例尺決定後，依使用的相機焦距求出，由焦距的公式：相對於焦距與像距來說，物距之值極大，是故一般焦距即等於像距，而物距與焦距又有如圖2.3所表示的相似三角形的幾何觀念：iof111物距o像距i焦距f:::圖2.2地表高度對重疊率與尺度的影響(黃，2002)圖2.1地形起伏對重疊率的影響(黃，2002)12fo圖2.3焦距與物距間之幾何關係因此可知焦距與物距，即航高，之間有一定的比例存在，此比例因子就是比例尺，故可知：若再考量到攝影地區的平均海拔高度，即航測的基準面h，則可知飛行高度H：為了像比例尺的相等，若是拍攝區域地形變化極大，須針對不同的高度範圍規劃其航高，以維持相同的絕對航高'H，使各像片間有著相同的尺度，不致引起如圖2.1與2.2的情況，使得資訊減少甚或需要重測。航線的設計除了上述所說之外，拍攝的時間亦為一重要因素，不可輕忽之。若是航照時間不適當，將會面臨伴隨陰影而來的遮蔽問題使像片資訊減少，且因為臺灣本身的地形關係，在山區進行拍攝時若不考慮此問題，其影響會更為明顯。陰影在航空照片上為色調灰暗，遮蔽許多影子裡面的詳細物體像，減少照片的情報價值，尤其紅外光照片上影子為漆黑的，在臺灣高山地區，山的影子往往使背後的影像看不清楚而失去其價值(廖，1980)。通常在拍攝平地時的太陽角高度(Sun’saltitude)為仰角30以上；山區則為35以上，照相時間則以中午前後的兩小時內為原則。然當地之地形、坡度與坡向、季節、太陽傾角、山嶺線的走向等……因素仍會使像片有陰影部份，甚或全季皆無恰當的拍攝時機。比例尺s焦距f絕對航高HsfH:::''hsfhHH'2232圖2.4太陽高度與方位關係圖(黃，2002)陰影是隨太陽、時間、地形三者變化而產生，在拍攝時間、日期為已知的情況下可由該地之經緯度估算出太陽運為至該地之資料，圖2.4為本地位置、北極以及太陽之方位置關係圖，由式42–天文定位測量球面三角正弦及餘弦定理：餘弦定理正弦定理其中已知的為t：地方時間角、：攝影地區緯度z：太陽天頂距、：太陽赤緯求得太陽高度角h(Verticalangel)以及太陽方位角a(Horizontalangle)，之後以Surfer7.0進行模擬，即可得到該地於該時間、日期下，具有地形陰影之立體影像。三﹒實例大甲溪德基地區高度範圍在1216~3591m之間，地形起伏極大，為臺灣高山地形代表，故以此區36幅基本圖為主，分別計算其基準面。其中相機焦距f為15.24cm、比例尺為1/17000、航線間隔2518~2582m、基線長為1384m。基準面區分的目的是依單幅像片基本圖之圖幅範圍內地形高度狀況，取一代表的高程值，在航攝區域內依高度劃分適當分區，利用此基準高來規劃航線2002)黃，()1(42tztPPzcoscoscossinsincoscossinsincoscoscosztPasinsinsin)360sin(2002)黃，()2(42圖3.1三種基準面之分佈(黃，2002)。在航線的考量上，若以單張航照圖為對象去設計，可得到36條航線，不但在進行拍攝工作時會增加工作量，亦會消耗人力、物力，此為不必要之舉。在此將36張影像一併列入計算，首先由單張影像最高高程MaxH與最低高程MinH求得其平均高程AveH：找出全部影像之AveH中的最大與最小值，後可知AveH中最高高度為2976m，最低高度為1681m，相差了1295m。其後依使用者本身判斷進行基準分類，於此將其分三級，每級為432m。由式32：hsfH，可以得到三種航攝高度，分別為4712m、5144m、5576m，其基準面分佈如圖3.1。在得知各圖幅間的基準面後，進而求得各圖幅對應此基準面之比例尺與重疊率：2MinMaxAveHHH0.152m170000.152m平均高程基準面　　　　f平均高程基準面　像比例尺f　　　　f平均高程航高比例尺計算完畢後即可進行重疊率是否合於標準的檢察工作，一般左右重疊為30%，前後重疊為60%，若不符合則將航高調整至更高一階之基準面，使像片的涵蓋區域增加，再度進行重疊率的查核。而地形立體陰影模擬方法則是依中央氣象局網站查出太陽經過臺灣地區東經120度子午線時刻之時間及空照地區之經緯度，再由空照日期與時間去推算出太陽赤緯，經由式42運算後即可求出太陽高度角及方位角。當知道以上資料後，再由Surffer7.0模擬該地具有地形陰影之影像。以圖3.2–陳有蘭溪為例，在秋分9月23日時，可看出早上九點與下午三點的陰影因為方位角的不同而恰好分別落在山的兩側，有著向陽與背陽之現象，正午十二點的陰影最短。若在此段期間進行航照工作時，則以正午十二點為最佳攝影時刻，且需盡量避免在早上九點與下午三點這兩段時間內進行拍攝，否則恐有陰影過長進而減少資訊的問題所產生。100)2550(100)((%)100)1384(100)((%)像片長寬比例尺像片長寬比例尺　　　　　　　　地面覆蓋率航線間隔地面覆蓋率前後重疊率像片長寬比例尺像片長寬比例尺　　　　　　　　地面覆蓋率基線長地面覆蓋率前後重疊率圖3.2陳有蘭溪地區陰影模擬圖(黃，2002)陳有蘭溪地區2000年9月23日陰影模擬圖時間：9:0012:0015:00HorizontalAngle：115.8°191.3°250.7°VerticalAngle：44°65.5°36.1°若是能在規劃航線時一併將當地之位置、地形、拍攝時間納入考量並由軟體模擬進而得知遮蔽對像片的影響，將可掌握最佳時機的選擇，且對於減少人力、物力與時間上的花費較有助益。四﹒結果討論雖然在此次實驗中，將大甲溪地區的基準面分為三個級別，但是其分類的依據是可以隨使用者更改的，若將其級別減少，在規劃上可以減少航高的變化，不過需要注意比例尺、重疊率與製圖精度上是否符合要求，會否因為如此而有問題發生。此外，由於科技的發展，地貌的情況取得亦不僅只侷限在攝影一法，假若今使用LIDAR，而非藉由相機取得地面點的資訊，在不需在意重疊率、陰影遮蔽以及單張照片的涵蓋面積，且各地物點的高程值可在掃瞄同時一併得知的作業環境下，以上的主題應用在LIDAR上的可行性以及實用性仍是個需要探討的問題。參考文獻1.黃震靜2002數值地形模型與地理資訊系統在基本圖航空攝影規劃上之應用臺灣大學森林學研究所碩士論文p.3、p.12、p.33、p.53、p.55、p.60、p.64~66、p.682.廖大牛1980森林資源攝影測量臺灣省林務局p.186-212