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遙測大地:臥遊大地–數值航測

我們每次打開電視看氣象預報,播報員後面幾乎都是一幅彩色立體的臺灣,這個臺灣模型是來自一張張的照片,透過一種類似看立體電影的原理,讓立體的地形可以在室內重現。
 
 
 
科技世代的生活,強調的是具象化、眼見為憑。電玩2D的聲光效果不夠過癮,還得3D立體化,才能讓玩家有身歷其境的快感。電影不能只有假假的攝影棚背景,求票房就一定要來個電腦特效,而如果可以進一步變為「立體電影」,那就更讓人大呼過癮了!

不只是休閒娛樂,我們每次打開電視看氣象預報,播報員後面幾乎都是一幅彩色立體的臺灣,讓你除了知道晴時多雲偶陣雨之外,還可以像搭乘飛機一般,從臺灣尾到臺灣頭瀏覽一番!其實,這個花花綠綠的臺灣模型,裡頭可是大有文章,它是來自一張張的照片,透過一種類似看立體電影的原理,讓立體的地形可以在室內重現。這種技術,稱作數值航測(digital photogrammetry)。

立體視覺與視差

去過臺中自然科學博物館的人,一定會對其立體劇場印象深刻。進到劇場裡頭,會被要求戴上一副暗灰色的紙眼鏡,用這副眼鏡看身旁景物時與一般無異,但當劇場畫面播出時,卻可以看到火車朝你直奔而來、氣球離你遠去,或是水底的游魚彷彿就浮在劇場半空中觸手可及。這種特效,就是利用人類視覺的特殊原理設計而成的。

大家或許有過這樣的經驗,若是單眼受傷,而嘗試去接球或任何移動的物品,都會較不準確且危險。為什麼會這樣呢?這是因為「立體感」的消失。

人視物時所以會有立體感或距離感,是因兩眼與物體連線間有一個微小的夾角,我們稱它為視差角。這一夾角使兩眼觀察到的物品有些微差異,而呈現空間中的遠近層次,也就是所謂的「立體視覺」或「雙眼視覺」。在這種「立體視覺」的啟發下,不但促成了諸如立體電影等休閒娛樂的出現,科學家更發明了數值航測的技術,開啟人們探索大地變化之門。

什麼是航測

航測是指利用航空載具,一般是小型飛機,載有長焦距的特殊航測用鏡頭,在規劃好任務目標後,依照特定的航線拍下一連串的照片。依目的不同,這些照片有特定的拍攝高度與快門間隔。

製圖用的照片拍攝時的飛航高度較低,航線較規律,大多是正南北或東西方向,且拍攝時間間隔短,前後兩影像的覆蓋率在60%以上,目的在取得較佳的解析度及立體像對。救災用的照片拍攝時的飛航高度則較高,拍攝間隔長,前後影像的覆蓋率較低,偶有不規則的斜向航線,目的是針對例如颱風或地震後的受災區進行大區域普查。

照片取得後,由於前後照片在飛行中不同位置所攝,有如人的雙眼自不同位置看同一物體,必然有一視差角,如果能透過如反射鏡式立體鏡等器械,便可在紙面上重現有如從空中俯瞰大地般的壯闊景象!

航測技術發展史

初期的航測技術,稱作「類比航測」。當時電腦軟、硬體都不如現在發達,航測作業完全透過光學機械操作。這種操作,以現今的眼光來看相當簡陋,它使用一種像車床大小、操作複雜的類比製圖儀,操作時須手腳並用,是種需要高度協調性的工作,要有長期的訓練與經驗才能勝任;稍後,是一個機械與電腦並存的過渡期,稱作「解析航測」,這一時期所使用的儀器是解析製圖儀,它與類比製圖儀一樣須倚賴雙手雙腳的協調,進行實際的航照測量,並結合工作站電腦做後續處理。

電腦科技發展成熟後,便跨入所謂的「數值航測」時代,掃描的影像檔甚或數位相片取代了傳統照片,成為舞臺上的主角,在大型製圖儀不斷配合電腦的發展進行改良的同時,個人電腦上的數值航測技術也演進到幾乎可與匹敵的地步。

在臺灣,最早一批有系統的航測照片(以下簡稱航照)是美軍於1940年代末到1950年代初所攝的,這批照片幾乎涵括全島,可說是臺灣最早也最完整的一批影像紀錄。稍後,此一業務於1954年由「農村復興聯合委員會」成立「森林資源及土地利用航測調查隊」接手,再逐步演進到今日的「農業委員會林務局農林航空測量所」。該所有多架航測飛機與航測相機等設備,以及專業的解析製圖儀,能製作高精度的1/5,000像片基本圖,並且同步發展數值航測的技術。

數值航測技術

航高的影響 航測幾何的第一步,便是了解航高的影響。當我們想要拍攝一幢房屋的正視影像時,可以選擇站得很近,用廣角鏡來拍攝,或是站得較遠,用一般的鏡頭來達成同一目的。不過,這兩者會得到相同的結果嗎?

底下說明兩者之間的差異在於:相機與物件的距離越短,所用鏡頭角度越廣,則由中心點向外的變形程度越高,陰影部分也較大,因此,相片中房屋面積會顯得較大;相反地,相機與物件的距離越長,所用鏡頭角度越窄,則由中心點向外的變形程度越低,陰影部分較小,因此,相片中房屋面積會顯得較小。

因此,如果相機從無限遠處來拍攝這房屋,則鏡頭角度可達到無限小,相機與物件間的所有光線可說是近乎平行,而變形近於零,是一個完全正視、無陰影影響的影像,但其面積會相對地縮小。

從這個簡單的幾何原理,可知如果想從單張航照來製作地圖,最理想的狀況是盡可能從高的地方拍攝,以得到最小的變形,這便是衛星影像製圖被廣為應用的原因。不過,受到航空照片成像方式的限制,當飛航高度越高,則「空間解析度」會變差,因此如何取捨須視任務與目標而定。

影像方位 當飛機在飛行時,由於機身傾斜或偏離航線等因素,會造成航照拍攝時並非完全平行於地平面或預定航線。在這種狀況下,影像便會在鏡頭變形外再加一層方位變化所造成的變形,這就是「外方位差」。外方位差的修正,在目前的技術中,是透過「地面控制點」來進行。

座標系統的轉換 接下來要做的是處理三個座標系統間的轉換。首先,是相機本身的二維相片座標系,這是以相片正中心點「相主點」為原點,再切割出四個象限。當相片掃描為影像後,我們需要讓影像上的座標與原本的相片座標連結,這時利用的是相片四邊上的「框標」。在影像上點明框標,並賦予其在相片上的座標,電腦便可以把這二座標系相連,而能直接計算內方位差,並進行透鏡修正。

最後,還要再修正因飛行偏斜所產生的外方位差。我們需選一些點,把影像上的座標與實際地表上的大地座標結合,這些點稱作「地面控制點」。「地面控制點」的選定很重要,多半會在屋角或路轉角等明顯不變的位置,這些點提供實際的三維空間資訊,而能讓電腦計算出影像本身是不是有偏斜,並予以校正。

空中三角測量

在臺灣,很多人應該對三角點不陌生,不論登小山或大山,都有機會在山丘上看到一個水泥基樁,上面註明是幾等三角點等字樣。不過,究竟什麼是「空中」三角點呢?

在製作大範圍地圖時,必然需要使用多張航照,甚至可能會跨過「條帶」,條帶是指沿同一航線上所拍攝的航照系列。然而,不同條帶間要如何結合在一起呢?由於前後上下航照間都會有一定程度的覆蓋,你可想像拿一個大頭針,把前後左右數張照片中相同的地物釘在一起,只要多釘幾個點,各張照片之間的連結就會相當固定了!這樣的點,我們稱作「影像連結點」,它並不提供實際地表座標,而只負責把前後照片以及不同條帶的照片相連在一起。

另外,我們還要量測幾個「地面控制點」,地面控制點提供實際的地面座標,做為影像二維相素座標與三維空間座標轉換的依據。一如地面上的三角點是實施三角測量時的基準,這兩種點位是實施航測時的重要基準,稱作空中三角點。當它們對整個模型做出良好控制之後,便可進行各種產品的產出。

數值航測的產品

前述工作,聽來簡單,做起來卻相當費時。雖然在數值航測時代,大部分工作已經由巨型測繪儀轉移到電腦上,但是在連結點與地面控制點的挑選上,一樣需要大量的經驗與時間,才能得到最佳的結果。最後所得到的產品,便是「數值地形模型」(digital terrain model, DTM)以及「正射影像」(orthoimage)。

何謂數值地形模型?我們先回想國中或高中時代,在學習地理時必然會學到的等高線。每一條等高線連接的是在空間中具有相同高度的位置,代表Z軸上的座標,而地圖圖框本身,還會有X及Y座標。而數值高程模型,則是以點或網格的方式,取代傳統的等高線表達方式。地貌是由彼此相連且間隔固定的點或網格組成,每一點或網格都含有X、Y、Z資訊,也就是說,原本「圖形」格式的地圖圖框(X、Y)與等高線(Z),被轉化成「數值」格式的資料,如此一來,具有很多的優點。

首先是可以取代過去的紙本地圖,節省收藏空間;其次是結合地理資訊系統,可搭配地形圖、地質圖、衛星影像檔,或是各種特殊圖層進行綜合解釋;而數值格式還可直接進行各種空間分析與計算,如坡度、坡向、集水區畫分、主流長度計算等等;此外,搭配不同的商用套裝軟體,DTM的數值格式能以不同的色階、暈染、打光、透明度、垂直放大、圖層套疊、放大縮小等方式呈現,因而能針對需求以最佳的方式表現。

另外一個數值航測的產品是「正射影像」。「正射」的意思是,已把所有影像中因內方位差、外方位差與地表起伏所造成的變形大致去除,因此影像上每一點都如同由其垂直正上方向下看,或類似由無限遠處看到的影像,同時,影像上也加入了X及Y方向的座標。

正射影像與DTM最大的差異,在於後者提供的是地表起伏變化的資訊,而前者是藉由影像上的顏色、組織、大小、形狀、排列與空間關係等要素,讓使用者可以清楚判斷出道路、建物、水田、林地等土地使用差異;不過,我們常合併使用正射影像與DTM。在地理資訊系統中,把正射影像套入立體顯示的DTM之上,如此結合影像資訊與高程資訊,不但可以更精確快速地判斷地貌及地物,更可以像搭乘飛機一樣進行觀察,感受「秀才不出門,能觀天下物」的樂趣!

不過,在電腦上看立體的DTM,嚴格來說只能稱作2.5D。想觀賞真正的3D影像,也就是所有地形高處向螢幕外凸出、低處向螢幕內凹進去,還得要有特殊的工具才行!

觀賞真正3D的影像,最簡單的方式便是先前提過的,用欣賞立體電影時配戴的淺灰色紙眼鏡。這副眼鏡稱作「偏光眼鏡」,它的鏡片密封有萬條平行柵狀結構的偏光薄膜,這些柵狀結構只容許光波振動方向與柵格平行的光線穿透。

在拍攝立體電影時,是使用左右兩臺不同的攝影機同步拍攝,有如人用雙眼視物時,兩眼間有一視差角。放映時,為使觀者左右眼能各自看到左右攝影機所攝影像,便使一影像以垂直方向偏振,另一以水平方向偏振,則經過偏光眼鏡過濾之後,左右兩眼便可重現拍攝當時的視差影像,而產生立體感。

偏光眼鏡應用在電腦螢幕上,首先要解決的是如何使一個正常的螢幕,產生偏振的效果。目前最常用的兩種設備,一種是在螢幕上安裝發射器,透過軟體的控制,使畫面中具視差的影像以不同偏振方式顯現,再配戴偏光眼鏡以達到立體效果;另一種則是在螢幕前方直接外加螢幕,使其持續對左右眼影像進行偏振,也同樣要配合偏光眼鏡的使用。

這兩類設備僅限於用在傳統映像管顯示器上,不能用在液晶顯示器上,因為液晶螢幕本身已使用了偏光板的原理,所以當發射器或偏振螢幕發揮作用時,顯現的影像會是多重偏振後的結果,而無法正常顯現3D立體影像。

很可惜的是,一般使用在電腦上的這些偏振器材價格都不便宜。另外一個陽春卻具類似效果的便是紅藍眼鏡,或是紅綠眼鏡。一般航測軟體都有支援在輸出立體像對時,左邊那張只保留紅光,而右邊那張保留藍與綠光,再把兩張合為一張略為模糊且帶有視差的影像,觀看時配戴紅藍(或紅綠)眼鏡,使左右眼各自只看到紅與藍(或綠)光的左右影像,便可達到在電腦上欣賞3D影像的目的。不過,由於紅藍眼鏡是擷取部分色彩進行模擬,因此透過鏡片看到的顏色會失真,使用偏光眼鏡則會保留其原始色彩。

數值航測的應用

目前在國內,數值航測除了以製作像片基本圖為其主要的應用外,在地球科學上的應用則有活動斷層調查及山崩災害監測等。就活動斷層調查而言,研究者把數值航測產出的高解析度DTM置入地理資訊系統中,藉由暈染、打光、等高線生產等方式,探索地形起伏上的異狀。這類活斷層調查常需借助立體鏡以及航照的直接觀測,目的在於透過一個直接而快速的操作,針對地形上有異狀的區域進行調查,如此便可得到對該區通盤的概念,並且縮小、鎖定野外調查的範圍。

就山崩災害監測而言,利用已具有座標的正射影像,可直接判釋出山崩、土石流的發生地、發生面積、與周圍其他災區的相關程度等。倘若能收集到多年的航空照片,還可以對該區山崩、土石流災害史進行完整的調查,以做為土地利用決策時的重要考量。此外,還可以透過DTM上的坡度、坡向、地形變化等資訊,預估山崩土石流災害的發生潛勢。由此看來,數值航測真可說是災害研究的必備工具。

衛星時代的來臨

航測技術發展至今,可說是一種相當成熟的技術,其相關的軟硬體、計算模組與應用已達巔峰狀態。換句話說,未來的發展會有一定的限度。目前在遙測發展上,正逐步朝衛星之路邁進,最近升空的福衛二號,也可以用來生產DTM,更不用說歐美多枚運行已久的商用衛星,其空間解析度甚至可達70~80公分!

衛星影像的優點,如前所述,是因為拍攝距離遠,受飛航高度、鏡頭角度造成的變形相對較小,許多影像在簡單校正下,就可以得到相當好的正射結果。在波段上,航空照片所能拍下的,只有可見光的紅綠藍三波段,而許多商用衛星都有特殊設計的感應器,有的可感應50個波段以上!因此,就影像的空間解析度與光譜解析度來說,衛星影像似乎都直追航測影像,甚至有後來居上的趨勢。這是否意味著航測在不久的將來就要被淘汰了呢?

當然,一些任務透過衛星可能會更簡單、快速地完成,但航測還是有其不可取代的優點。首先,在空間解析度上,以一張解析度1,200 dpi,也就是每像素約21微米的標準航照掃描檔,如果航高是8,000英尺,則其空間解析度可達30公分,這樣的解析度,目前衛星影像仍無法與它比擬;其次,航測較具機動性,在任務擬定後,只要天候許可,隨時都可以外出拍攝,相對而言,衛星拍攝多半需要在1~2個月前進行預約,而且可能還要擔心拍攝當天因雲量太多,導致影像品質不佳的問題。

最後,當然還是價格問題。航測成本較低,以小區域的研究為佳;衛星影像成本較高,尤其要取得衛星影像立體對更是所費不貲,但它適合研究大區域或是飛機無法抵達的區域。

因此,認清目標,慎選工具才是一個聰明的使用者。總而言之,遙感探測技術一日千里,讓我們既可以綜觀也可以細察大地的變化,對地球與環境的了解是一大神兵利器!

附錄

雙眼視差 左右眼同視一物時,「右眼—物件—左眼」間所夾的角即「視差角」。看遠處景物時視差角較小,看近處景物時則較大,由於視差角的存在,使物體看起來具有遠近的立體層次感。應用前述視差角的原理,倘若有左右分別拍攝的兩幅影像,影像彼此間有所覆蓋但不完全相同,則同時看這兩影像時,立體影像就會自然浮現。

偏光眼鏡 觀賞立體電影時,使用者須配戴偏光眼鏡,其左右兩鏡片分別對水平與垂直偏振的光線進行過濾。拍攝電影時就使用兩臺攝影機,以固定的視角差異進行拍攝,再於放映時使用兩臺不同的投影機,一臺的影像進行水平偏振處理,另一臺則處理垂直偏振,透過使用者的偏光眼鏡,便會因兩影像間有視差角而產生立體感。
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