臺灣博碩士論文加值系統

近年來光達 (Light Detecting And Ranging, LiDAR)系統已成為快速收集地表資訊的有效工具之一。由於光達點雲資料的離散特性，其對於地、物邊緣線描述之精度遠不如展現面狀特徵的優勢；而對於航攝影像而言，影像地面解析度高且具備豐富的輻射資訊故有利於邊緣之偵測。本研究嘗試結合這兩種資料來源進行三維建物屋頂面重建，研擬之演算法包括以下資料及步驟：(1)由光達資料提供近似三維房屋邊線，(2)建立光達三維房屋邊線之間的拓樸關係，(3)將光達房屋線條倒投影回對應的立體影像中，(4)利用二維以及三維幾何推論法篩選由影像萃取之邊緣線，(5)進行整體平差計算以合併房屋邊線完成屋頂面重建。實驗結果顯示，融合光達點雲資料萃取的房屋邊緣線條與影像邊緣線確能助益於建物屋頂面重建的作業。

The advent of LiDAR technique has opened up many possibilities for the purpose of object/surface reconstruction. The direct geo-referencing of 3-D laser point towards surface or terrain apparently outperforms photogrammetric method by employing at least two overlapping images in the data acquisition favor. It is, however, still inevitable to see some weaker characteristics of LiDAR system as compared to photogrammetric relatively high ground resolution and richer radiometric content revealed from the images. Therefore, fusion of above two data sets by utilizing mutual strengths for the purpose of reconstructing spatial information can be certainly optimistic and foreseen. The designed steps of building roof reconstruction are carried out by: (1). Hypothesizing 3-D building boundaries from LiDAR data set by edge detection; (2). Constructing the topological relationship of 3-D building boundaries; (3). Back-projecting hypothesized 3-D building boundaries onto the associated photos; (4). Validation of building boundaries by imposing 3-D geometric inference among intersected conjugate lines of candidates found in the images; (5). Merging and adjusting building boundaries. The results show that the proposed system offers more robust and satisfactory building reconstruction result as compared to the situation when only single data set is attempted.

致謝 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥一
中文摘要 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥二
Abstract ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥三
目錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥四
表目錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥八
圖目錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥十一

第一章 緒論 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1
1-1 研究動機與目的‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･1
1-2 三維建物重建理論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･‥‥‥‥2
1-2-1建物模型之定義與建置‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･3
1-2-2攝影測量法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･4
1-2-3雷射掃描法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･‥‥‥‥5
1-2-4資料融合法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･‥‥‥6
1-3 三維建物模型重建之相關研究成果分析與比較‥‥‥‥7
1-3-1攝影測量法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･7
1-3-2雷射掃描法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･‥‥‥‥10
1-3-3資料融合法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･‥‥11
1-3-4分析與比較‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥･‥14
1-4 研究方法與流程‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15
1-5 論文架構‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥16

第二章　攝影測量點、線特徵物空間重建原理與定位精度分析
2-1 以點特徵為主的物像對應‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥17
2-2 以線特徵為主的物像對應‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥23
2-2-1 共面直線於物空間的幾何關係‥‥‥‥‥‥‥23
2-2-2 求解三維座標的計算方法‥‥‥‥‥‥‥‥‥24
2-2-3 無法求解的物像幾何‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥27
2-3 比較點特徵與線特徵之物空間交會定位精度‥‥‥‥27
2-3-1 模擬資料的實驗配置‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥28
2-3-2 傳統以點特徵為基礎的交會精度成果‥‥‥‥32
2-3-3 線特徵為基礎的交會精度成果‥‥‥‥‥‥‥34
2-3-4 綜合比較‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥37

第三章　屋頂面重建、幾何推論與資料融合之演算法設計‥‥‥‥38
3-1 光達與影像直線特徵萃取‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥38
3-2 建立光達直線間拓樸關係之演算法‥‥‥‥‥‥‥‥‥39
3-3 屋頂面型態分類演算策略‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥45
3-3-1 光達直線分類 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥46
3-3-2 平屋頂面分類 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ ‥‥47
3-3-3 山型屋頂面分類 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥47
3-4 平屋頂建物之幾何推論演算策略‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥48
3-4-1 光達直線之倒投影‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥49
3-4-2 影像幾何篩選‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥52
3-4-3 空間幾何篩選‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥54
3-4-4 緩衝區內候選線條之處理策略‥‥‥‥‥‥‥55
3-4-5 幾何推論之後處理程序‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥57
3-5 山型屋頂建物之幾何推論演算策略‥‥‥‥‥‥‥‥‥61
3-5-1 輸入外部資訊‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥64
3-5-2 屋脊線上之直線段處理‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥64
3-5-3 垂直屋脊線方向之直線段處理‥‥‥‥‥‥‥69
3-5-4 屋脊線端點之確立‥‥‥‥･‥‥‥‥‥‥‥71
3-5-5 平行屋脊線方向與內部其他屋脊線之處理‥‥72
3-6 其他類型屋頂之幾何推論演算策略‥‥‥‥‥‥‥‥‥72
3-7 屋頂面重建與資料融合演算策略‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥72

第四章 模擬資料實驗成果與分析‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥77
4-1 實驗一‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥77
4-1-1建物多樣性測試‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥77
4-1-2資料輸入順序之彈性測試‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥83
4-1-3分析與討論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥84
4-2 實驗二‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥84
4-2-1 模擬資料誤差配置‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥85
4-2-2 第一組測試‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥85
4-2-3 第二組測試‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥87
4-2-4 第三組測試‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥88
4-2-5 分析與討論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥90
4-3 實驗三‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥91
4-3-1 影像上兩直線位置與交會精度探討‥‥‥‥‥91
4-3-2屋頂面空間幾何姿態對重建精度的影響‥‥‥92
4-3-3光達所得到之屋頂面重建精度‥‥‥‥‥‥‥93
4-3-4 航測所得到之屋頂面重建精度‥‥‥‥‥‥‥95
4-3-5 融合兩系統所得到之屋頂面重建精度‥‥‥‥96
4-3-6 分析與討論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥100

第五章 實際資料實驗成果分析與討論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥101
5-1 實驗資料‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥101
5-2光達與影像系統一致性檢驗‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥102
5-2-1 第一棟建物檢驗成果‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥103
5-2-2 第二棟建物檢驗成果‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥104
5-2-3 第三棟建物檢驗成果‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥105
5-2-4成果分析與討論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥106

5-3 平屋頂重建、直線幾何推論與資料融合成果‥‥‥‥‥‥106
5-3-1 第一棟房屋測試實例‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥107
5-3-2 第二棟房屋測試實例‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥110
5-3-3 第三棟房屋測試實例‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥113
5-3-4 分析與討論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥116
5-4 山型屋頂重建、直線幾何推論與資料融合成果‥‥‥‥‥117
5-4-1第一棟房屋之篩選與重建實例‥‥‥‥‥‥‥117
5-4-2第二棟房屋之篩選與重建實例‥‥‥‥‥‥‥121
5-5 綜合分析‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥126

第六章 結論與建議‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥127
6-1結論‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥127
6-2建議與後續研究‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥128

參考文獻 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥130
附錄 空間幾何計算之誤差公式推導‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥136

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