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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:簡伯叡
研究生(外文):CHIEN, PO-JUI
論文名稱:無人機光達系統特性及精度之比較
論文名稱(外文):UAS LiDAR Data Characteristic and Quality Assessment
指導教授:張國楨張國楨引用關係
指導教授(外文):CHANG, KUO-JEN
口試委員:張國楨王泰典葉恩肇
口試委員(外文):CHANG, KUO-JENWANG, TAI-TIENYEH, EN-CHAO
口試日期:2022-07-26
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:土木工程系土木與防災碩士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2022
畢業學年度:110
語文別:中文
論文頁數:172
中文關鍵詞:無人機光達基站頻率航帶解算點雲差異精度分析特性比較
外文關鍵詞:UAS LiDARbase station radio frequencytrajectory calculationdifference of point cloud datadata quality assessmentcharacteristics comparison
相關次數:
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隨著科技的進步,近年來無論是無人飛行載具乃至於光達系統等新型技術都逐漸發展成熟,並廣泛應用於土木工程。傳統之測量方法如全測站,以及其他遙測技術,常需耗費之大量時間與人力成本,甚至於受限於測繪面積。無人機光達設備的出現,可使測量所需時間更短、資料更加精準,大幅改善以往之缺點。
本研究位置位於花蓮縣瑞穗鄉吉蒸牧場和高雄市六龜區寶來里,無人機載具使用多旋翼無人直升機DJI M600 PRO及DJI M300 RTK並分別搭載光達儀器RIEGL miniVUX-2及DJI Zenmuse L1來進行光達掃瞄作業,並與單旋翼無人直升機VAPOR55搭載光達儀器RIEGL VUX-1之前期資料進行比對分析。針對其不同之無人機光達系統所掃瞄出的點雲資料進行精度評估及性能分析,並建製數值地形模型,探討不同系統之間的差異及優劣。
原始資料在完成掃瞄作業後經過航帶解算、點雲平差等步驟使資料更加完整,而本研究亦透過調整基站頻率與航帶搭配來探討其對原始資料與後續平差之影響,且使用不同的平差方法及控制點數量來優化成效及誤差程度,使點雲資料能夠提高精度並近乎真實之狀態。
透過本研究可得知影響無人機光達掃瞄資料的變因,如搭配相互垂直的航帶獲取最佳的立面表現、透過挑選最佳的儀器與基站報告以利後續點雲資料的平差,以及了解VUX-1的高性能表現、miniVUX-2相對優於L1的穿透率與點雲精度、L1的特殊掃瞄方式與高密度高抗風特性,比對其點雲資料、地形模型,分析其優缺,進而適用於空間測量、防災監測、文資維護、土地管理等實際應用上,使之效益最大化。

With the advancement of science and technology, new technologies such as unmanned aircraft systems (UAS) and even the light detection and ranging (LiDAR) systems have gradually developed and matured in recent years, and are widely used in civil engineering. Telemetry technologies such as traditional total station surveying often require a lot of time and labor costs, and are even limited by the measurement area. The emergence of UAV lidar equipment can make the measurement time shorter and the data more accurate, greatly improving the shortcomings of the past.
There are two study areas situated in Jizheng Ranch which in Ruisui Township, Hualien County, and in Baolai village, Liugui District, Kaohsiung City. There are three kinds of UAS LiDAR systems, the RIEGL miniVUX-2 mounted on DJI M600 PRO, DJI Zenmuse L1 mounted on DJI M300 RTK, and the VUX-1 mounted on VAPOR55. We compare the features and scan results of the three systems. Perform accuracy evaluation and performance analysis on its scanned point cloud data, build digital terrain models (DTMs), and discuss their differences and advantages.
After the data acquision from the drone missions, the original data is been processed by several steps, such as trajectory calculation, flyline adjustment, point cloud adjustment, etc., to ensure the quality of the datasets. Several parameters and factors are analysis in this study, including, adjustment methods, numbers and the distribution of the control points, etc.
Through this study, we can not only assess the factors that affect the quality of the UAS LiDAR scan data. E.g., the performance of the vertical façade can be improved from multiple directions of the fly mission. Subsequent adjustment of the point cloud can be facilitated from instrument and suitable basestaions. Also evaluate the performance of the RIEGL VUX-1, the RIEGL miniVUX-2 and the DJI L1 systems, including the penetration rate, the point density and the accuracy of the datasets. The results of this study are worth applying for many purposes, e.g. instrument comparision, surveying applications, hazard monitoring, etc.

目錄

摘要 i
ABSTRACT iii
誌謝 v
目錄 vi
表目錄 x
圖目錄 xiii
第一章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2研究區域 2
1.2.1花蓮縣瑞穗鄉吉蒸牧場 2
1.2.2高雄市六龜區寶來里 3
1.3論文架構 4
第二章 文獻回顧 5
2.1無人飛行載具 5
2.2光達技術 7
2.3無人機光達系統 8
2.3.1雷射測距原理 9
2.3.2多重回波性 11
2.3.3無人機飛行姿態 12
2.3.4率定矩陣 13
2.3.5無人機與光達之定位方式 15
2.3.6點雲資料 17
2.4數值地形模型 20
2.5 衛星定位測量 21
2.5.1即時動態測量 21
2.5.2虛擬基站即時動態測量 22
2.5.3靜態測量 23
2.6精度評估 25
第三章 研究方法 26
3.1研究流程 26
3.2研究設計 27
3.3無人飛行載具介紹 28
3.3.1 DJI Matrice 600 PRO 29
3.3.2 DJI Matrice 300 RTK 30
3.3.3 VAPOR 55 Helicopter UAV 31
3.4光學雷達儀器介紹 32
3.4.1 RIEGL miniVUX-2 UAV 33
3.4.2 DJI Zenmuse L1 34
3.4.3 RIEGL VUX-1 UAV 35
3.5無人機光達掃瞄作業 36
3.5.1航線搭配規劃 36
3.5.2基站頻率調整 41
3.5.3點雲資料獲取 42
3.6現地測量作業 43
3.6.1測量點位規劃 43
3.6.2測量方法 45
3.6.3測量設備 47
3.7無人機光達資料處理 48
3.7.1航帶解算 48
3.7.2點雲資料平差 49
3.7.3控制點點選 52
3.8點雲資料分類 53
3.9建置數值地形模型 54
第四章 研究成果 55
4.1測量成果 55
4.1.1吉蒸牧場測量成果 55
4.1.2寶來村庄測量成果 59
4.2航帶組合搭配成果 61
4.3基站頻率調整成果 65
4.4點雲平差成果 67
4.5控制點點選成果 71
4.6點雲模型的空間資訊成果 72
4.6.1點雲厚度成果 72
4.6.2平面的點雲成果 76
4.6.3立面的點雲成果 80
4.7 數值地形模型成果 83
4.7.1 DSM建製成果 83
4.7.2 DEM建製成果 91
第五章 結果與討論 99
5.1測量結果精度評估與討論 99
5.1.1吉蒸牧場測量結論 99
5.1.2寶來村庄測量結論 101
5.2航帶組合搭配結論 106
5.3基站頻率調整結論 107
5.3.1後臺數據與點雲厚度 113
5.3.2後臺數據與點雲精度 114
5.3.3後臺數據與點雲密度 116
5.4控制點點選結論 119
5.5點雲的空間資訊比對結果 121
5.5.1點雲密度比較 121
5.5.2穿透率比較 124
5.5.3多重回波率比較 130
5.5.4地面最終回波率比較 138
5.6點雲模型精度評估 145
5.7數值地形模型差異比較 153
5.7.1 DSM差異比較 153
5.7.2 DEM差異比較 159
第六章 結論與建議 165
6.1結論 165
6.2建議 166
參考資料 167
附錄一:碩士學位口試委員提問與回覆對照表 169

參考資料
【1】RIEGL, miniVUX-2 UAV DATA SHEET, 2021.
【2】DJI,Zenmuse L1技術參數,2021.
【3】RIEGL, VUX-1 UAV DATA SHEET, 2016.
【4】DJI,Matrice 600 PRO技術參數,2021.
【5】DJI,Matrice 300 RTK技術參數,2021.
【6】AeroViroment, VAPOR 55 DATA SHEET, 2021.
【7】蔡杰凱,多時期光達資料精度分析及應用-以寶來地區為例,2020
【8】陳奕霖,無人機光達點雲資料評估及差異分析,2021
【9】陳冠榕,基於後處理動態定位技術之無人機影像地形建模精度評估,2021
【10】王星為,無人機光達系統整合與精度評估,2017。
【11】黃美甄,地面控制點對無人飛行載具數值地形模型精度影響之評估,2014。
【12】張國楨,無人載具多時序高解析空間資訊擷取技術整合、精度評估及應用,行政院農業委員會水土保持局成果報告,2020。
【13】內政部國土測繪中心,e-GNSS即時動態定位系統座標轉換最佳化研究,2013
【14】臺北市政府地政局,GPS 靜態測量與即時動態測量之差異,2015。
【15】陳威誠,由光達覆蓋模型萃取數值高程模型之研究,國立交通大學土木工程學系,2004。
【16】何心瑜,空載作業流程及品質管理之研究,國立交通大學土木工程學系,2006。
【17】謝有忠,地質百科-光達,http://goo.gl/awYX4H。
【18】Martin Štroner , Rudolf Urban and Lenka Línková, "A New Method for UAV Lidar Precision Testing Used for the Evaluation of an Affordable DJI ZENMUSE L1 Scanner ", Remote Sens,2021.
【19】Adam Salach, Krzysztof Bakuła , Magdalena Pilarska, Wojciech Ostrowski, Konrad Górski and Zdzisław Kurczy´nski, "Accuracy Assessment of Point Clouds from LiDAR and Dense Image Matching Acquired Using the UAV Platform for DTM Creation ",Department of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Systems, Faculty of Geodesy and Cartography, Warsaw University of Technology,2018.

電子全文 電子全文(網際網路公開日期:20240831)
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