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空間資訊:新世代的測量車

測量車整合了精密導航與定位定向系統、地理資訊系統、遙測影像處理系統等空間資訊技術,應用範圍非常廣泛,可說是空間資訊技術中最富未來性且最值得開發的領域。
 
 
 
測量車的發展

隨著科技的進步,地理資訊系統(geographic information system, GIS)的應用越來越廣泛。當空間和屬性資料的時效性及正確性都足夠時,地理資訊系統和資料庫就可發揮它的效用。然而在各式的應用中,空間資訊與地理資料的採集與管理,仍然有很多技術上的瓶頸。

以傳統的測量技術來採集空間資訊無法滿足成本上的考量,因為傳統測量及屬性調查作業所需的時間較長,從資料蒐集到系統建置完成往往需時半年以上,不符合科技發展的趨勢與成本效益。不過近年來由於測量與空間資訊技術逐漸改善,結合了測量製圖的技術與整合式導航定位定向系統,並搭配多種影像感測器來蒐集空間資料,而逐步實現了即時性的移動式測量及空間資料蒐集平臺-測量車。

測量車的發展使得空間資料的蒐集更有效率,能滿足GIS系統中迫切需求的空間資料完整性與時效性。測量車上裝載了各種感測儀器,主要元件可以分為兩個部分,即整合式定位定向系統及負責空間資料蒐集的遙測感測器。前者的核心架構是慣性導航系統(inertial navigation system, INS)及全球衛星定位系統(global positioning system, GPS),後者則包含數位攝影機或相機、多光譜感測器、雷射掃描儀等影像感測器。兩者的結合可以加速空間資料的獲取及分析,並提供空間資料庫系統最新的資訊。

歷史上的第一部測量車是由美國俄亥俄州立大學的製圖中心所研發的GPSVan,它包含一個GPS接收儀、航位推算系統、兩臺數位相機及兩臺彩色攝影機。

GPS接收儀接收衛星傳送的電碼訊號來計算相機所在的位置。航位推算系統包含陀螺儀及里程計數器,主要提供GPS訊號中斷時相機及攝影機的位置,另外也提供每次拍攝時相機的方位資訊,來計算相片中物體的空間位置。攝影機的功用則是用來獲取空間的屬性資料及物體的辨識。藉由GPS訊號的計算,拍攝物體的精度只能達3公尺左右,距離製圖要求的公分等級尚有一段距離。此外,使用航位推算系統來取代衛星定位的效果也未盡理想,因此後續發展的各種測量車便以定位定向精度的提升為首要任務。

有多部測量車及移動測圖系統,例如GPS/Inertial Mapping與GPSVision,使用某些更高精度的導航定位系統。例如它們接收GPS載波相位訊號後,用差分法計算相片位置,並使用慣性測量元件(inertial measurement unit, IMU)來獲得導航資訊。差分法提升了絕對精度,而IMU不但可以在GPS訊號中斷時提供精確位置,所提供的方位資訊也較航位推算系統來得精確。這種系統確實改善了GPSVan在定位定向上精度不足的問題。

近幾年最受矚目的測量車,是加拿大卡加立大學空間資訊工程學系發展的VISAT系統。VISAT包含8臺數位攝影機,拍攝測量車外各個角度的影像,也配備更高等級的IMU來提供更好的影像方位參數,輔以接收雙頻訊號的GPS接收儀以提供更精確的定位。這些最先進的感測器及導航定位系統所提供的空間資料,將可滿足GIS資料採集精度及測量製圖的精度要求。

全球衛星定位系統

全球衛星定位系統(GPS)是美國國防部於1973年發展的導航衛星定位系統,原本是提供美軍全天候使用的導航系統。使用者利用天線及訊號接收儀,透過觀測與超過4顆已知座標的衛星的距離,便可以提供使用者定位的資訊。目前GPS的定位技術已經廣泛地應用於測繪製圖、工程測量、地球地殼變形監測、汽車與飛機導航等方面。

GPS目前有28顆衛星運行於地球表面約2萬公里的軌道上。由於設計至今已約30年,它的定位精度逐漸無法滿足日益升高的使用需求,因此美國已經著手進行GPS系統的現代化,增加新的、品質改善的電碼觀測量,以及更重要的,把原有的雙頻觀測系統提升為三頻觀測系統。

GPS系統的現代化已於2005年展開,同年9月發射的GPS衛星已經開始傳送雙頻的電碼觀測量,可以幫助地面接收儀對於載波觀測量的連續接收,並提供強度較原電碼觀測量更強、品質更好的訊號。第二步的重大改變是在2007年發射更新一代的GPS衛星,該系列總共包含9顆衛星。這些衛星將傳送第3個頻率的觀測量,屆時GPS也會由雙頻觀測躍升為三頻觀測系統。

除了美國的GPS定位系統之外,俄羅斯也有自己的衛星定位系統,稱為GLONASS。俄羅斯發展的GLONASS導航衛星系統曾於1995年完成部署,隨後由於衛星生命期只有3年及俄羅斯政府財力不足,衛星數目由1995年的26顆降至2001年的7顆,終於導致系統無法順利運行。然而基於國家安全及導航系統自主性等考量,俄羅斯政府決定繼續維持GLONASS的運作並提出現代化計畫,預計在2010年把衛星數量提高為24顆,以提供全球覆蓋的高精度導航服務。

至於歐盟,早在1990年初期就針對歐洲北部發展較佳定位精度的民用衛星導航系統。歐洲太空總署並於1998年開啟一個名為 Galileo的導航系統,它獨立於GPS 及 GLONASS之外,且主要是民用系統,經過一系列的研究,在3年後進入緊鑼密鼓的發展階段。目前第1顆Galileo衛星已在去年底升空,而其餘30顆衛星也預計於2012年發射完畢,並提供完整的導航服務。

因此未來的衛星定位系統,將不是只有美國的GPS,俄國的GLONASS和歐盟的Galileo也會成為全球衛星導航系統(global navigation satellite systems, GNSS)的重要成員。根據各系統發展的規劃,一般的使用者在未來10年內可以使用多達80顆以上的衛星,和多個民用頻率的多頻率GNSS。然而未來的GNSS在市區、地下道、隧道、森林等地區,仍會受到訊號遮蔽或干擾的影響,因此GNSS勢必要與其他系統結合,構成新一代的整合式導航及定位定向系統。

慣性導航系統

慣性導航系統(INS)由慣性測量元件(IMU)及導航電腦所組成,它的原理是牛頓三大運動定律的具體實現。以一度空間的運動為例,高中物理課本已說明若載體初始速度及位置已知,利用加速度計觀測載體的加速度,並透過一次積分獲取速度,再次對速度積分則可獲取載體的位移。而慣性導航原理就是把上述理論應用到三度空間,當然,整個系統也會變得更複雜。

一個IMU包含了3個單軸的加速度計及3個單軸的陀螺。加速度計監測物體在載體座標系統中獨立三軸的加速度訊號,而陀螺監測載體相對於導航座標系的角速度訊號。這些訊號傳輸至導航電腦進行系統誤差補償之後,再經過相關姿態計算、重力改正、加速度積分、速度積分等數學運算,最後輸出載體在導航座標系統中包含3個位置、3個速度及3個姿態的定位及導航資訊。

換言之,透過姿態矩陣即時地把載體的加速度訊號轉換成在導航座標系統中的加速度,再把轉換後的加速度加上重力改正後進行積分,來獲得載體的定位及導航資訊。慣性導航的優勢在於它本身不需依賴外來訊號就可完成定位計算,可以在GPS無法接收到足夠訊號時仍能運作,並且更進一步提供方位的資訊,這個資訊在獨立的GPS架構中是無法直接得到的。

早期的INS都由軍事平臺所建立,因此INS一直被視為敏感度極高且受美國管制的導航系統。但是近年來由於固裝式慣性導航系統技術的急速發展,市場上也漸漸有民用的慣性導航系統可供選擇。不過目前該等級的系統單價尚高,暫不適合使用在車用及個人導航系統上。

目前在慣性導航及定位系統方面發展的新趨勢,是應用微機電技術製造的微型慣性導航裝置,這種系統具有單價低廉、體積小、耗電量低及適合大量生產的特性。不過目前微型慣性測量元件的精度及穩定度仍有待提升,預計在未來5至8年內才會量產符合一般車用及個人導航定位精度需求的微型慣性測量元件。

慣性導航系統的定位原理是相對定位,與前述GPS採行的絕對定位方式大不相同。慣性導航系統需要初始的位置及姿態,供加速度的轉換及積分運算。此外,由於陀螺及加速計的品質不同,使得所提供的位置、速度、姿態等資訊都無可避免地會隨時間而累積誤差。這是目前慣性導航系統的主要瓶頸,也因此使得目前許多領域在使用慣性導航系統時,會把它和GPS或是其他感測器(例如里程計數器)進行整合,來減少定位誤差的累積。

INS/GPS的整合架構

整合式定位及導航系統能夠克服單一系統的缺點,且提供更穩定的導航及定位成果,因此目前不管在軍用或民用,即時導航或後處理的空間資訊擷取的整合系統發展,都趨向於使用INS及GPS的整合式定位及定向系統。其主要的動機在於這二系統具有互補的特徵,例如INS具有高採樣頻率及短時間內高精度的特性,因此可以用來解決GPS所遭遇諸如訊號遮蔽、低採樣頻率、周波脫落、易被干擾等限制。而GPS在無訊號遮蔽的環境下,可以提供穩定的定位及導航資訊,因此可用來改善INS隨時間累積的定位誤差。

因為空間資訊工程領域所發展的遙測製圖及測量系統,對於定位及姿態的精度要求較導航嚴格,整合INS及GPS的系統已逐漸成為新一代空間資訊擷取系統的核心元件。這趨勢正逐漸改變相關整合式定位科技發展的概念,除了穩定及不間斷的需求外,符合遙測製圖及測量系統高精度需求的定位及定向系統,正是目前國內外學術界及業界努力發展的方向。

數位影像多感測器

傳統的攝影測量使用的是光學相機所拍攝的照片,近年的發展趨勢是以數位相機來取代。雖然在航空攝影測量上,數位相機的解析度並未達到相當於光學相片的水準,但若是用在車載的攝影量測系統時,由於相機與物體的距離比航測時短了許多,因此很容易滿足解析度上的要求。加上數位相機與其他儀器的整合能力相當強,使用數位相機時,透過時間同步的處理,每張影像對應的時間及方位資訊都可以由INS/GPS整合系統提供,更加速測圖及資料處理的速度。

另外一個重要的進展便是數位的多光譜影像,例如透過載體上的感測器系統,自一段距離外感測物體在不同光譜波段的反射現象,來蒐集地球表面的資料和接近地表的環境資料。利用數位的多光譜影像所分析的資料,對於探測自然資源、植物物種分類、健康研究及土地管理的應用上都有很大的幫助。

除了利用數位影像及多光譜影像等方式蒐集地面資料外,使用雷射光束的掃描式測距系統-光達或稱雷射掃描儀,也是蒐集資料的有效工具。光達技術的發展,源自1970至1980年代美國太空總署的研發,之後因應全球定位系統及慣性導航系統的發展,使得精確的即時定位定姿態方法得以實現。

德國Stuttgart大學於1988至1993年間把雷射掃描技術與即時定位定姿態系統加以結合,產生初始的空載雷射掃描儀。把雷射掃描儀固定在飛行載臺上,由空中向地面以高頻率發射雷射光束,並由感測器接收反射訊號後,記錄發射脈衝到接收反射訊號之間的時間差,並且以差分GPS完成精密的動態定位,同時利用INS獲取慣性姿態角度。每一次掃描都建立從雷射載臺到地面反射點間的空間向量,進而可推導出地面投影的三維座標,這種計算步驟稱為直接地理參考。

直接地理參考在移動式的測圖系統上也是可行的,而且是讓定位定向資訊與影像資料可以整合在一起的關鍵技術。由於光達在量測時的速度非常快,每秒約數十萬個點,因此可以測到很小的範圍,一般在1千公尺的高度可以測到地面上10公分見方的點。這特性可用以直接測量高度,建置高精度的數值地形及都市中的建物模型。

未來的應用與發展

綜上所述,測量車的整合式導航系統可以在採集空間資料的過程中提供精確的位置資訊,多種的感測器可以讓測量車有能力去獲取各種應用領域的屬性資料,加上電腦運算能力與容量一直在增加,整個移動式測圖系統處理空間資料的能力越來越強,也因此測量車可以應用的領域也就更深且更廣。

未來測量車與多感測器測圖系統將可以運用在許多領域中,自動化的地形測繪與影像製圖是整個系統最基本的能力,測量車的機動性以及對數位影像處理與採集的能力,可以節省許多傳統平面測量所需要的人力及時間。在都市規劃與設計方面,測量車透過雷射掃描及影像處理,可以建立一個3D的都市模型,做為都市設計與規劃的依據。

此外,把建立都市模型的相關屬性做進一步的擴充,並與空間資訊系統結合,便可以建立一個虛擬的都市用來模擬各種狀況。其中一個很重要的應用就是模擬天然災害造成的損害,來建立都市對於天災的預防及應變措施。其他還可應用在例如建立交通標誌的資訊來規劃都市道路交通,或用來調查都市地區的基礎公共建設,如人孔、變電箱、電線桿等。

自2004年以來美國國防部還有一個測量車相關應用的競賽,即DARPA Grand Challenge,目的就是在發展無人操控的自動車。這種自動車的核心元件與測量車相同,整合了INS與GPS的精密定位及定向元件,以及若干遙測感測器。參賽車輛必須在無人控制的情況下,獨自行駛所規劃的數百公里路程,而且沿途要能閃避障礙物。

近兩年已經有若干團隊可以完成全程,不過前幾年的賽場都是在人煙稀少的郊區,相對於都市區而言,所遇到的狀況比較單純。今年開始的比賽場地將移至都市區進行,預期所遭遇的問題及挑戰都會比以往困難許多,這也是移動測圖技術在未來可以延伸發展的方向。
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