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衛星定位測量應用於航測製圖的發展

林務局農林航空測量所 劉致岡

一 . 前言

  航遙測影像地圖資料係政府各項農林業務、水土保持及自然保育政策的施政基礎,必須具有高度精確性與公信力才可供國家各項施政計畫(如農業生產控管、森林經營管理、國土規劃、農林資源開發利用等)所使用,或提供機關民眾申請應用於多方面的用途。 農林航空測量所(以下簡稱本所)自民國 43 年成立以來,運用航空遙測技術,致力為我國建構空間資料庫,持續提供各領域航攝圖資,在臺灣現代化的腳步上,扮演舉足輕重的角色,服務迄今共拍攝 80 萬張以上的航空照片。這些數量龐大的製圖成果,係以精確的地面測量為基準,地面控制測量可說是航測製圖的依據,無論是要精確決定每張像片相對於地面的位置及方向,或是要以像片來編纂基本圖、正射影像圖以及林區圖等,均需有足夠的地面控制,確保航測成圖的精確度,因此航測地面控制更應謹慎規劃與實施。

  航測地面控制測量早期係 以經緯儀實施三角測量,之後隨著光波測距儀的發展,三角三邊測量於是廣泛的受到應用。惟此類傳統地面測量方式,點位間必須有良好的通視方能觀測,因此三角點之位置必須選在高海拔之山頂,甚至要架設高覘標以方便觀測;測量人員則必須背負沉重儀器跋山涉水攀登三角點以進行施測,又常受到風雨、濛氣、豔陽照射等天候影響無法施測,不但需耗費大量人力、經費及時間,且往往受限於幾何強度之影響而無法提高精度。民國 80 年以後,衛星定位測量技術逐漸普及,此類不需通視、不論晴雨、精簡人 力、高精確度的施測方式,也讓航測製圖成為廣大受益族群中的一員,大幅提升地面控制測量的效率及品質。

二 . 衛星定位測量簡介

(一)全球定位系統

  全球定位系統( Global Positioning System, GPS )是一套以衛星訊號為基礎的導航系統,具有全球性、全天候的精密三維導航與定位能力,是由美國國防部為了軍事上的需求,滿足海上、陸地和空中軍事應用進行高精度定位和導航所建立的系統。其組成包含下列三個部分:

1. 太空衛星部分:由 24 顆衛星所組成,分成 6 個軌道,每個軌道上有 4 顆衛星,軌道平均呈 55 度傾斜,運行於約 20,200 公里的高空,繞行地球一周約 12 小時。每個衛星持續發射衛星軌道資料及時間的載波訊號,提供地球上的各種接收儀來應用。

2. 地面管制部分:為追蹤及控制衛星運轉,所設置的地面監控站,主要工作負責修正與維護每個衛星能保持正常運轉的各項參數資料,以確保每個衛星都能提供正確的訊息。

3. 使用者接收部分:追蹤所有衛星,並即時計算出接收儀所在位置的坐標、移動速度及時間。

全球定位系統定位的過程,基本上是距離的量測,藉由接收 GPS 衛星所發射的電磁波訊號,量測地面接收儀與衛星之間的瞬時距離,利用觀測至少 4 顆衛星所得到的瞬時距離,再配合幾何原理求解地面接收儀的三維坐標。

(二)衛星定位的測量方式

  隨著 GPS 的發展, 計算求解理論不斷推陳出新 ,目前已經研發的定位方式有絕對定位及相對定位。衛星提供電碼及載波相位兩種觀測量,以電碼距離為觀測量的方式,主要應用於導航定位,係以單一測站接收衛星訊號獲得定位成果,稱為絕對定位、單點定位或導航定位;以載波相位為觀測量者,稱為相對定位或差分定位。

  以測量作業等級為目的相對定位,基本原理為使用兩部以上的接收儀進行同步觀測,並將其中一部以上接收儀設置於已知坐標點(主站或基準站)上,其餘儀器設置於待測點(移動站),計算待測點與主站之間的基線向量,可推算待測點坐標,定位之精度可到達公分級。依據作業時間、方式及可到達精度之不同,又可分為靜態測量、快速靜態測量、虛擬動態測量、半動態測量、即時動態測量等作業方式,分述如下:

1. 靜態測量

( 1 )靜態測量

單站觀測時間: 30 分鐘至 240 分鐘。

測量精度等級: 0.1 至 5ppm 。

適用場合:適用於大面積的坐標控制網、長距離基線( 20 公里以上)之觀測。

( 2 )快速靜態測量

單站觀測時間: 5 分鐘至 30 分鐘。

測量精度等級: 1 至 10ppm 。

適用場合:適用於小面積控制測量、加密測量、導線測量。

2. 動態測量

( 1 )虛擬動態測量

單站觀測時間: 3 分鐘至 5 分鐘。

測量精度等級: 2 至 20ppm 。

適用場合:與快速靜態測量類似。

( 2 )半動態測量

單站觀測時間: 3 秒鐘至 20 秒鐘。

測量精度等級: 2 至 10ppm 。

適用場合:適合於空曠地區,點與點間距相距在數 10 公尺以內,且點位密集之小區域測量,如地形測量。

( 3 )純動態測量

單站觀測時間: 1 秒鐘至 10 秒鐘。

測量精度等級: 2 至 20ppm 。

適用場合:適用於移動物體之軌跡定位、資源範圍定位、道路中心線測量、水道測量、地形測量。

(三) GPS 原係軍事目的考量,在衛星發射訊號中加入了 SA 效應( Selective Availability ),隨著現代化的演進,該效應已於 89 年 5 月永久關閉,大大提升了單點定位精度。早期的動態測量( Kinematic ),結合無線電通訊設備,發展出了即時動態測量( Real-Time Kinematic, RTK )。近年來配合網際網路及無線數據通訊傳輸技術蓬勃發展,虛擬參考站技術( Virtual Reference Station, VRS )迅速發展普及。無論是在技術與設備,無時無刻不在創新發展,作業效率與測量精度均不斷提升。

三 . 航測製圖的應用-地面控制測量

(一)本所歷來儀器設備及作業方式

1. 民國 80 年以前,以經緯儀搭配光波測距儀實施三角三邊測量為主,受限於早期測量技術及可用點位密度,常需翻山越嶺、深入高海拔之山頂,單一點位上山、聯繫、施測、下山動輒數日,除須背負沉重儀器跋山涉水攀登,又常受到風雨、濛氣、豔陽照射等天候影響,不但需耗費大量人力、經費及時間,且往往受限於幾何強度之影響而無法提高精度,測量人員的作業安全也是一大隱憂。

2. 民國 80 年以後至民國 85 年間,陸續採購 Trimble 4000 型衛星定位接收儀( 圖 1 ),施測方式以靜態測量為主。此時係新式測量技術之起步階段,儀器設備昂貴,惟靜態基線測量需同一時間由多部儀器同步聯合觀測,故與當時的中央研究院地球科學研究所互惠合作,在儀器數量的調度及後處理定位解算方面,本所均獲益良多。

3. 民國 88 年間,陸續採購 3 部 Trimble 4700 型衛星定位接收儀,含即時動態定位組件,可進行單主站、無線電傳輸模式之傳統 RTK 測量作業。

4. 民國 91 年至 95 年間,陸續採購 3 部 Trimble 5700 型衛星定位接收儀( 圖 2 ),新型儀器於本體體積重量、操作介面、施測時間等使用功能上,均更加提升。此階段地面控制測量施測方式仍以靜態測量為主。

5. 民國 96 年至 97 年間,陸續採購 3 部 Leica ATX1230 型衛星定位接收儀( 圖 3 ),此時係虛擬參考站技術發展階段,內政部國土測繪中心建置之「全國性 e-GPS 衛星定位基準站即時動態定位系統」正式營運之前,參與該系統的試辦作業並提供實務施測資料予該中心參考。此階段測量作業方式為靜態測量及前揭系統之網路型即時動態定位測量並行。民國 98 年度該系統正式營運,成為本所地面控制測量作業的主要方式。

(二)現行作業方式

1. e-GPS 系統

  傳統 GPS 即時動態定位技術因受限於定位系統誤差及無線電通訊距離與干擾的影響,使得移動站與基準站間之距離,僅限於數公里範圍,方能獲得公分級精度。而內政部國土測繪中心已規劃完成透過網際網路高速、寬頻之數據傳輸技術,建置全國性 e-GPS 衛星定位基準站即時動態定位系統,透過全國各地所建置之衛星定位基準站構成之基準網,每天 24 小時每 1 秒鐘連續接收 GPS 衛星資料,即時傳回控制及計算中心,進行資料自動化處理後,目前在臺、澎、金、馬任何地點只要可以衛星接收儀同時接收 5 顆以上 GPS 衛星訊號,都可以全天候經由無線網路,在極短的時間內,獲得公分級精度的即時動態定位服務。

2. e-GPS 作業方式的優點

  e-GPS 系統採用行動式通訊技術取代傳統無線電數據機,並建構控制及計算中心處理區域性定位誤差改正資料,作業方式具有下列優點:

( 1 )可擴大有效作業範圍,提高定位精度及可靠度。

( 2 )測量誤差及初始化時間不因距離增長而增加。

( 3 )使用者無須架設區域性主站。

( 4 )單人單機即可作業。

( 5 )可縮短作業時間,增加產能,降低作業成本。

( 6 )所有使用者皆在同一框架下進行即時定位。

( 7 )可提供全面性的定位成果品質監控。

3. 系統使用實務

  依 建置單位訂有 之 「 內政 部國土測繪中心電子化全球衛星即時動態定位系統服務供應要點 」,本所加入會員並申請服務項目帳號後,再以分區按日計費方式,使用該系統定位服務。

四 . 其他應用及展望

  在 衛星定位測量技術應用於航測製圖的範疇中,除了地面控制測量外,空中的動態測量技術近年來亦廣受應用,利用架設在地面已知點和飛機上的衛星定位接收儀,可測定航線中攝影站的位置, 搭配於飛機上安裝慣性 導航裝置( Initial Measurement Unit, IMU),可獲取 飛行姿態參數,進而推算出攝影站的六個定位定向參數,將有利於 空中三角測量的區域平差作業,並減緩地面控制測量作業負擔。

在衛星定位的領域中,除了最廣為知曉及應用的美國GPS全球定位系統,較具規模的尚包含前蘇聯所發展的GLONASS(Global Navigation Satellite System),及歐盟GALILEO計畫的人造衛星,目前實務上已有許多儀器均可接收三者的衛星訊號,惟對於訊號後處理的系統發展尚未成熟普及,但可預見的,將來於同一時間仰望空中,會有數量更多、更為密集的可視及可用衛星數目,衛星定位測量將往更高精度 、更有效率、更低成本的方向發展。

參考資料

1. 楊名 , 1997, GPS 靜態及動態測量, GPS 衛星定位測量實務 , 國立成功大學衛星資訊研究中心。

2. 曾清涼,儲慶美 , 1999, GPS 衛星測量原理與應用 , 國立成功大學衛星資訊研究中心。

3. 林老生 , 2001, e 世代 GPS 在定位技術的發展趨勢。

4. 邱元宏,葉昭宏 , 2005, 各種 GPS 定位方法應用於地籍測量實務及成果之研究 , 臺中市政府 94 年度自行研究發展報告。

5. 楊名 , 2009, 衛星定位的過去、現在與未來。

6. 內政部國土測繪中心全球資訊網。

7. 內政部國土測繪中心 e-GPS 即時動態定位入口網站。

圖1 Trimble 4000型衛星定位接收儀

圖 1 Trimble 4000 型衛星定位接收儀

圖 2 Trimble 5700 型衛星定位接收儀

圖 2 Trimble 5700 型衛星定位接收儀

圖 3 Leica ATX1230 型衛星定位接收儀

圖 3 Leica ATX1230 型衛星定位接收儀

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