無人飛行載具簡介及其於測繪領域之應用

一般人聽到無人飛機或無人飛行載具（Unmanned Aerial Vehicles, UAV），可能馬上會聯想到電影情節中，美軍用來深入敵營監測敵軍的一舉一動，或是用來打擊恐怖份子的超級武器。UAV的發展最初確實是以軍事用途為主，其概念可追溯自第一次世界大戰，但受限於當時的科技，其運用效果相當有限。直到1970年代，軍用UAV才在美國國防部的主導之下開始進入發展階段；另一方面，美國航空暨太空總署（NASA）則針對非軍事用途之UAV（non-DoD UAV）展開一系列的研究與發展。自2004年開始，NASA所屬的Dryden 飛行研究中心DRFC開始進行民用UAV（Civil UAV）之相關研究，包括發展相關核心技術、降低UAV製作成本、提昇UAV安全性等，以提昇UAVS在各種民間用途之發展及效能。NASA並將民用UAVS的相關應用簡單區分為地球科學（earth science）、土地管理（land management）及國土安全（homeland security）等三大任務，如今UAV正逐漸的擴展到不同的應用領域中，如災害及環境監測、森林資源及海洋環境探索、土地利用調查及地形測繪等。

無人飛行載具可簡單定義為沒有搭載飛行員，且可重複使用的航空器。早期UAV的操作方式大都由人員於地面手動遙控，但隨著微電腦及自動導航技術的進步，UAV可搭載微型的飛行控制電腦、搭配全球定位系統（GPS）、慣性導航系統（IMU）等，進行半自動或全自動導航飛行。進行全自動飛行時，除了空中的無人飛行器之外，尚可搭配固定的地面控制站、移動式的地面控制車或攜帶式的控制器，利用高頻無線通訊系統即時地監控UAV的飛行狀態，如圖1所示，因此美國海軍稱這整個系統為Unmanned Aerial System（UAS，無人航空系統），目前美國聯邦航空總署（FAA）已使用UAS取代俗稱的UAV，然而大部分的研究或發展仍習慣沿用舊名詞。

近年來使用於非軍事用途的無人飛行載具可分為定翼機、單旋翼機與多旋翼機等。大型定翼型UAV的優勢在於航程長、抗風能力強、酬載能力高，因此適合用於長距離越野拍攝，但其通常需要跑道進行起降，如圖2(a)為國內智飛科技所自行研發的DoDo Pro UAV。此外也有小型的定翼機種，雖然續航力、穩定性及酬載能力比不上大型定翼機，但可採人工彈射或投擲方式起飛，使用上較具彈性。單旋翼機則採垂直起降的方式，可直接人為操控自主飛行，使用上較為靈活，如圖2(b)為日本山葉公司所生產的R-MAX。多旋翼機則是由多個旋翼動力所組成的飛行器，與直升機一樣，具有垂直起降的功能，並與單旋翼機具有同樣的優勢，但操作上更為容易，國內目前已有多家公司引進並進行實際的航拍作業，如圖2(c)為德國的MD4-1000多旋翼機。

圖1  無人航空系統（UAS）的基本組成

(a) DoDo Pro UAV (b) Yamaha R-Max (c) MD4-1000

圖2  不同形式的無人飛行載具

若將UAV應用於地物或地形測繪，一般稱之為UAV攝影測量技術（UAV photogrammetry），顧名思義就是結合UAV系統與攝影測量技術以進行製圖或其他地理空間資訊之擷取。其所採用的無人飛行載具可以包含熱氣球、風箏、飛船、旋翼或定翼飛行器等，此外其必須酬載具有攝影測量功能之儀器，如攝影機、相機、熱紅外或近紅外相機、雷射掃描儀（或稱光達，LiDAR）等儀器，由於現代UAV上皆具備GPS及IMU等導航儀器，可以取得影像拍攝時之載具位置及姿態等方位資訊，因此UAV已被當做是一個新穎的攝影測量工具。UAV攝影測量的執行程序基本上與一般的航空攝影測量類似。首先根據目標區域進行航拍規劃，如圖3所示，根據應用目的決定影像地面解析度及重疊率，選擇適當的相機鏡頭焦距，同時確定UAV的飛行高度、速度、航線等飛行參數，輸入飛行控制電腦後即可讓UAV自主飛行並進行空中拍攝。取得UAV航拍影像後，則依照航空攝影測量資料流程，先利用空中三角測量（aerial triangulation）計算出每張影像的方位參數，接著於影像的重疊區域，利用共軛像點的前方交會即可計算出地面點的三維坐標，進一步可獲取數值地形模型（Digital Elevation Model, DEM），接著進行高差移位糾正及影像鑲嵌之後，可獲得如圖4(a)之正射影像。亦可利用立體製圖儀，以人工方式進行詳細的地形圖繪製，如圖4(b)所示。

圖3  UAV攝影測量之航拍規劃

(a) UAV影像產製之正射糾正鑲嵌圖 (b) UAV航拍影像立體測圖成果

圖4  UAV攝影測量之地形測繪成果

除了地形測繪的應用之外，UAV因可在雲層下方進行低空航拍作業，且可到達人跡無法深入的區域，對於天候不佳的災害監測或變異分析亦具有相當的優勢。如圖5為利用多旋翼機於疑似堰塞湖區域的上空進行UAV環景拍攝之套疊成果，雖然當天氣候不佳，雲層深厚，但仍可即時取得災害現場的影像，提供救災人員進行災害資訊的研判及後續應變時的參考資訊。

圖5  堰塞湖區域空中之UAV環景拍攝套疊成果

UAV的機動性及影像處理技術的成熟，使其成為地形測繪或環境監測的新型工具，但其取像區域範圍較小，目前僅適合於較小區域範圍的應用，但其可彌補遙感探測或航空攝影測量的不足，若互相搭配使用，將可提供國土監測更即時及更有利於判釋的影像資料，進一步提昇國土規劃、經營與管理的整體效益。