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研究生: 趙家芸
Chao, Chia-Yun
論文名稱: 無人機影像建模模擬日照陰影之研究
Shadow Simulation with Building Models Reconstructed from UAV Images
指導教授: 王聖鐸
Wang, Sendo
口試委員: 王聖鐸
Wang, Sendo
陳哲銘
Chen, Che-Ming
朱健銘
Chu, Chien-Min
口試日期: 2022/07/25
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 地理學系
Department of Geography
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 59
中文關鍵詞: 陰影分析三維建物模型影像密匹配點雲過濾無人飛行載具
英文關鍵詞: Shadow Analysis, Building Model, Image Dense Matching, Point Cloud Filtering, Unmanned Aerial Vehicle (UAV)
研究方法: 實驗設計法
DOI URL: http://doi.org/10.6345/NTNU202201786
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:111下載:13
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  • 本研究以無人機作為地面資訊收集工具,透過自行航拍興趣區域之影像,提出一套可行的資料處理及轉換程序,以產出該區任意時段之陰影模擬成果。從UAV影像處理到產出陰影模擬成果包括以下5項主要流程:1.影像匹配、2.點雲過濾分類處理、3.點雲建模、4.模型格式轉換、5.陰影範圍推算等流程。在影像匹配階段,以航空攝影測量原理為基礎,對不同電腦視覺軟體進行驗證,比較其點雲分類成果在陰影模擬上之優缺點後,建議以Agisoft Metashape軟體進行影像匹配。由於影像匹配產生之點雲仍帶有部分雜訊需剔除,因此以影像內真實陰影資訊作為參考資料,推估地物高度,手動進行點雲過濾。過濾後屬於建物的點雲可產製三角形網格模型(Mesh Model),但要能進行陰影分析還必須轉換為面格式模型(Multi-patch Model),才能以ESRI ArcGIS Pro軟體進行陰影模擬,產出陰影分佈區域。
    陰影模擬流程之實驗以國立臺灣師範大學和平校區校園為實驗區,以無人機航拍高重疊影像,並透過VBS-RTK GNSS測量控制點及檢核點三維座標,以驗證本文提出之陰影模擬流程。成果展示以兩種呈現方式模擬真實環境下對於掌握陰影範圍之需求,分別為:1. 產出校園單棟建物在一日之內對周遭地面造成的陰影範圍與累計遮蔽時長,以此模擬在真實環境下單一建物在長時段下對周遭地區產生之遮蔽時間與範圍,進一步作為後續日照權等社會環境影響議題之參考資料;2. 推估校園內一塊地面廣場一日之中受陰影覆蓋的起迄時間,展示對於特定感興趣之空間,探討此空間任意時段下受陽光陰影覆蓋之時間區間,以規劃該區之時間與空間應用。

    A practical procedures to simulate shadow coverage at the interested area at specific time is proposed in this research, based on the DEM and 3D building models generated by aerial photographs taken by an unmanned aerial vehicle (UAV). The proposed procedures includes 5 major steps: (1)image matching, (2)point cloud filtering and classification, (3)triangulation for mesh model, (4)3D building models transformation, (5)shadow coverage simulation. At the first step, two computer-vision-based software, Agisoft Metashape and Pix4D Mapper, are compared based on the computed interior and exterior orientation. The results shows that Agisoft Metashape has better performance, and therefore, it is chosen for image matching and point cloud generation. Since noise points are inevitable, it is necessary to filter point cloud before triangulation for mesh models. The real shadow appears on the specific image is manually measured as the reference to estimate the height of the building. Those points are higher than the building’s height are considered as noise will be filtered out. After filtering, the points classified as buildings are triangulated as mesh models. These mesh models have to be transformed to multi-patch model and imported into ArcGIS Pro for generating shadow coverage.
    The HePing campus of the National Taiwan Normal University is chosen as the study area in this research. The high-percentage-endlap aerial images are taken by a UAV. The 3D coordinates of ground control points and check points are measured by a VBS-RTK GNSS receiver. The Agisoft Metashape is chosen for image matching, point cloud classification, and mesh model generation. The shadow coverage is simulated for two scenarios: (1)For a specific building, simulating it’s shadow coverage during the whole day to analyze the impact to it’s surroundings. (2)For a ground area, calculating the time under the shadow to analyze it’s application.

    致謝 i 摘要 ii Abstract iii 表目錄 vi 圖目錄 vii 第1章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究議題 3 1.3.1 影像匹配 3 1.3.2 點雲分類過濾 4 1.3.3 陰影模型 5 1.3.4 流程提出與討論 5 1.4 文獻回顧 6 第2章 陰影範圍計算的技術理論 9 2.1 電腦視覺影像密匹配 9 2.2 航空攝影測量影像匹配 9 2.2.1 共線式 10 2.2.2 空間後方交會 11 2.2.3 空間前方交會 11 2.2.4 鏡頭形變率定 12 2.3 影像匹配點雲與點雲處理 13 2.4 日照與陰影模擬 14 第3章 研究方法 16 3.1 陰影模擬產製流程與流程圖 17 3.1.1 軟體操作比較 17 3.1.2 鏡頭率定參數結果比較 18 3.1.3 還原地面座標驗證 21 3.1.4 點雲成果比較選擇 23 3.2 點雲手動處理 24 3.2.1 地面點雲處理 25 3.2.2 建物點雲處理 26 3.2.3 建物高度代表選擇 27 3.2.4 修正前後點雲比較 28 3.3 模型格式轉換 29 3.4 陰影模擬 30 3.4.1 陰影模擬範圍與建物高度關聯驗證 31 3.4.2 點雲修正前後陰影範圍比較 32 第4章 實驗成果 34 4.1 實驗區航拍影像與資料收集 34 4.2 影像密匹配與輸出 36 4.3 點雲的分類與修正 37 4.4 三維建模 41 4.5 植物建模限制 43 4.6 陰影模擬成果 44 4.6.1 建物全日陰影影響範圍 45 4.6.2 興趣利用區域陰影覆蓋時間 47 4.6.3 全校區陰影模擬 50 第5章 結論與建議 56 5.1 陰影範圍之後續應用 56 5.2 陰影模擬建立流程 57 參考文獻 58

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