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地特三等申論題 111年 [測量製圖] 航空測量學

第 一 題

📖 題組:
請回答下列各題,計算題需列出計算程序:(每小題 6 分,共 60 分)
📝 此題為申論題,共 10 小題

小題 (一)

有一顆飛行高度為 600 km 之遙測衛星垂直掃描地表,若其觀測角之偏差為10'',則造成地面點位的偏差為若干?

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看到衛星垂直掃描及角度偏差,應立即聯想「空間光束幾何關係」中的狹長直角三角形。解題核心在於將極小角度(秒)轉換為弧度(Radian),再利用微小角近似原理直接乘上飛行高度(公尺)求得地面偏差。務必嚴格執行 km 轉 m 以及角度單位的換算。

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【解題關鍵】利用垂直攝影成像之空間幾何關係與微小角正切近似原理($\Delta X = H \cdot \Delta\theta$)進行計算,並注意角度(秒)與弧度的單位轉換。 【解答】 已知條件整理:

小題 (二)

一部空照相機之像幅為 100 mm×57 mm,焦距為 92 mm,若就像幅之長邊與短邊分別進行 60%重疊之垂直攝影,則其基線航高比(Base to Height Ratio)各為若干?

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考生應先回想透視投影中基線(B)、航高(H)、焦距(f)與像幅大小(d)之間的相似三角形幾何關係,接著導入重疊率(p)對前進基線長度的影響概念:B = W × (1-p)。最後推導出基線航高比通用公式 B/H = (d/f) × (1-p),將長邊與短邊的數值分別代入即可求解。

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【解題關鍵】利用中心投影幾何關係(相似三角形)推導基線航高比公式:$B/H = \frac{d}{f} \times (1 - p)$。 【解答】 已知參數:

小題 (三)

一部焦距為 100 mm 的空照相機於高程為 1,000 m 處,以垂直地平面方式攝影,若地表上兩點的高程分別為 10 m 及 100 m,則該兩點之像比例尺分別為若干?

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本題測驗單點像比例尺的基礎計算。看到「垂直攝影」、「相機焦距」、「航高」與「地面點高程」,應立即聯想到比例尺公式 S = f / (H - h)。解題時務必注意單位統一,先將焦距由 mm 轉換為 m,再代入高程求算,最後結果習慣以最簡分數(1/X)形式表示。

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【解題關鍵】垂直攝影單點像比例尺公式:$S = \frac{f}{H - h}$。 【解答】 已知條件整理:

小題 (四)

一部空照相機於高程 1,000 m 處以垂直地平面進行攝影,若在影像上距像底點(與像主點重合)30 mm 處有一高程為 60 m 之目標物,則該目標物之高差移位為若干?

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看到「垂直攝影」與求解「高差移位」,應立即聯想到解析攝影測量中經典的高差移位公式 d = (r × h) / H。解題時只需確認各變數對應數值,並確保等式中目標物高程 (h) 與航高 (H) 的單位一致,即可直接代入求得影像上的移位量 (d)。

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【解題關鍵】垂直攝影幾何下,目標物因高程所產生之高差移位(Relief Displacement)公式:$d = \frac{r \cdot h}{H}$。 【解答】 已知條件整理:

小題 (五)

由 6 張空照影像所構成重疊區之方位參數已知,現擬計算前方交會,若無遮蔽,則其自由度(多餘觀測數)為若干?

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遇到前方交會的自由度計算,首先確認『未知數』:因方位參數已知,未知數僅為地面物點的三維坐標 (X,Y,Z),共 3 個。接著計算『觀測量』:每張影像量測一對像坐標 (x,y),可列出 2 條共線方程式,6 張影像即有 12 個觀測方程式,最後代入多餘觀測數公式 r = n - u 即可求得。

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【解題思路】利用平差計算中的自由度(多餘觀測數)公式:自由度($r$) = 獨立觀測量總數($n$) - 獨立未知數總數($u$) 進行推導。 【詳解】 已知:

小題 (六)

使用中心投影的影像進行空間後方交會計算,至少需要幾個地面控制點?

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考生看到此題應立刻聯想「空間後方交會的未知數數量」與「共線條件方程式提供的觀測量數量」。空間後方交會旨在求解6個外部方位元素,而每個地面控制點可提供2個觀測方程式,藉由自由度計算即可得出所需的最少控制點數,並須注意其空間幾何分布條件的限制。

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【解題思路】利用共線條件方程式計算未知數自由度,並考量幾何約束條件。 【詳解】 已知:空間後方交會(Space Resection)之目的,在於利用已知地面控制點,反求相機曝光瞬間之 6 個外部方位元素(投影中心空間坐標 $X_L, Y_L, Z_L$ 及三個攝影機姿態角 $\omega, \phi, \kappa$)。

小題 (七)

使用 2 維投影轉換(2D Projective Transformation)以校正空照影像的傾斜移位,至少需要幾個地面控制點?

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看到「2維投影轉換」,首先需聯想到其數學方程式(共線條件式在平面的特例),並盤點其獨立之未知參數個數(8個)。接著,思考每個地面控制點(提供一組 X, Y 坐標)能建立多少條方程式(2條),兩者相除即可得解,並務必補充控制點的空間幾何分佈限制以展現大地工程之嚴謹專業度。

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【解題思路】利用2維投影轉換的數學模型,分析未知參數數量與單一控制點可提供的方程式數量進行推導。 【詳解】 已知:2維投影轉換(2D Projective Transformation,又稱八參數轉換)之數學模型如下:

小題 (八)

使用有理函數模型(Rational Function Model)進行衛星影像幾何計算,在有理多項式係數(Rational Polynomial Coefficients)已知之條件下,至少需要幾個地面控制點?

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看到 RFM/RPC 題目,首先要區分「理論無控制定位」與「實務 RPC 誤差補償」兩個層次。理論上已知 RPC 即可直接解算不需控制點;實務上為了消除衛星星曆與姿態帶來的系統性誤差,必須思考誤差補償多項式(平移或仿射模型)所需的最少控制點數量。

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【破題】在有理多項式係數(RPC)已知之條件下,進行衛星影像幾何計算,理論上「不需要(0 個)」地面控制點;實務上為消除系統誤差,至少需「1 個」地面控制點。 【論述】 一、理論層面:無控制點定位(0 個 GCP)

小題 (九)

2 張相片所組成立體模型之相對方位參數求解,至少需要幾對共軛點?

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看到此題,應立即聯想「相對方位」的幾何意義與未知參數數量。相對方位共有 5 個未知參數,根據「共面條件」,每對共軛點可提供 1 個方程式,藉此推導出最少的點數需求。

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求解 2 張相片組成立體模型之相對方位參數,至少需要 5 對共軛點。 詳細原理解析如下:

  1. 未知參數數量:相對方位的目的在於重建兩張相片拍攝時的相對空間幾何關係(即消除立體模型中的 y 視差)。一個立體像對的獨立相對方位參數共有 5 個(例如連續法中的 $by, bz, \Delta\omega, \Delta\phi, \Delta\kappa$)。

小題 (十)

說明空中三角測量之目的。

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看到「空中三角測量之目的」,應立即聯想到「空間幾何解算」與「成本效益」。作答時請從減少外業控制點數量、解算影像外部方位參數(位置與姿態)、以及提供後續立體測繪與正射影像產製的幾何基礎這三個層面進行三段式論述。

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【破題】 空中三角測量(Aerial Triangulation, AT)之核心目的在於利用少量之地面控制點及重疊影像間的幾何投影關係,進行空間網形平差解算,以獲取所有影像之外部方位參數及未知點之物方三維坐標。 【論述】

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