微弱回波萃取

3.3 波形堆疊

3.3.2 微弱回波萃取

此研究目的為偵測微弱地面回波，故當波形成功平移、堆疊後，利用高斯分解法進行堆疊波形資訊萃取，僅保留最後回波資訊，如圖 3.21所示。然而，為避免重複萃取地面點或波形堆疊時增強雜訊，故設定兩門檻值(

、

)以避免上述情況。門檻如圖 3.22設定若堆疊波形與原始中央波形之最後回波距離小於給定門檻值，則視為重複萃取，此門檻值考慮對位平移及光達定位誤差。門檻如圖 3.23所示，假設中間波形與連線之交點與堆疊波形最後回波距離大於給定門檻值，則視為錯誤萃取。此原因為考慮空間關聯性，中間波形與連線之交點應接近地面微弱回波位置，若相差太遠可能為因波形堆疊，雜訊值增強所萃取之錯誤點。

圖 3.21、高斯分解萃取堆疊波形最後回波

圖 3.22、重複萃取示意圖

圖 3.23、錯誤萃取示意圖

第4章研究資料

本研究分別使用Leica ALS60、Riegl LMS-Q680i及Optech Pegasus掃描而得之資料進行測試，地點為台灣南部，如圖 4.1標示處。測試資料位於同個區域，每組測試資料依植物覆蓋濃密度區切割為三個小區域，分別為Case 1: 稀疏、Case 2:

濃密、Case 3: 濃密且複雜，測區大小約為 20m*60m，表 4.1為測區範圍。

表 4.1、三測區之區域

座

ULX RY

標(m)

LRX ULY L

Case 1

218125 218145 2571715 2571655

Case 2

218170 218190 2571645 257

257

1585

Case 3

218030 218050 2571700 1640

4.1 測試資料一

三種，分別為Case 1: 稀疏、Case 2: 濃密、Case 3: 濃密且複雜，如下圖 4.2。

圖、測試資料一

測試資料一由Leica ALS60 空載光達系統掃描而得，掃描時間為 2011 年 10 月。其雷射脈衝頻率為 55 kHz、掃描頻率為 61 Hz、飛行方向為東西向、掃描航高為 2900m AGL、取樣時間間隔為每 1 ns，共有 256 個取樣數(slant range=38.4m)，

紀錄格式為LAS 1.3。由此測試資料中，依照植物覆蓋濃密度區將資料切割為

4.2 (Elevation)

試區域之側視圖，Case 1：植物高度較矮且較單純；Case 2：

植物覆蓋度高、植物高度較高穿透率佳；Case 3：植物覆蓋複雜、穿透率較Case 2 差。其中，測區點密度分別為每平方公尺 3 5 個點，樹高範圍約分別為，

Case 1 Case 2：3.5~22 Case 3：4~23

圖 4.3、測試資料一之側視圖(Intensity) 圖 4.3為三個測

、

、9、

：3.5~15 公尺、公尺、公尺。

4.2

測試資料二由空載光達系統掃描而得，掃描時間為

月。其雷射脈衝頻率為、掃描速度為每秒條掃描線、掃描航高為

，取樣數 (slant range=15m)，紀錄格式為LAS 1.3。此資料僅切割同測試資料一Case 1 之區域範圍，用以比較不同取樣數資料進行波形堆疊法成果之差別。此資料點密度較低，

為每平方公尺 2 個點，圖 4.4為測試資料二之側視圖。

圖 4.4、測試資料二之側視圖(elevation) 測試資料二

Riegl LMS-Q680i 2012 年

01 220 kHz 119

2600m AGL 、飛行方向為南北向、取樣時間間隔為每 1 ns

4.3 測試資料三

測試資料三由Optech Pegasus空載光達系統掃描而得，掃描時間為 2011 年 10 月。其雷射脈衝頻率為 100 kHz、掃描速度為每秒 35 Hz、掃描航高為 1109m AGL、

飛行方向為南北向、取樣時間間隔為每 1 ns，取樣數介於 56 個至 216 個不等 (slant range=8.4- 32.4m) ，點密度為每平方公尺 3.47 個點，紀錄格式為LAS 1.3。此資料僅切割同測試資料一Case 1 之區域範圍，用以比較不同取樣數資料進行波形堆疊法成果之差別，圖 4.5為測試資料三之側視圖。

圖 4.5、測試資料三之側視圖(elevation)

第5章成果分析

表 5.2為門檻值別設定為 4.5 公尺、3 公

表 5.3、門檻值探討

3 公尺 2.25 公尺 1.5 公尺正確點正確率正確點正確率正確點正確率

Case 1 39 76% 48 79% 48 71%

Case 2 177 80% 197 80% 197 76%

Case 3 84 71% 101 75% 102 64%

圖 5.1為單一萃取成果，波形堆疊法的處理過程首先進行波形對位，爾後為波形平移，將鄰近回波之地面位置相對應，接著進行波形堆疊並使用高斯分解法萃取地面點。萃取成果中紅點為波形堆疊法萃取之地面點，成果顯示波形堆疊法

可成功增強地面微弱回波訊號 5.2為萃取失敗之案例，成

果指出當鄰近回波均無穿透至地面時，研究

資料之地面穿響。

圖 5.1、波形堆疊法堆疊過程與成果

，並萃取出地面點。圖

則波形堆疊法將萃取失敗。由此可知透率將影萃取成效

(a)錯誤波形堆疊

(b)錯誤波形萃取成果

圖 5.2、萃取錯誤案例

5.2 整體萃取成果分析

整體萃取成果分析部分使用Leica ALS60 之資料進行分析，分為兩部分探討：

(1)微弱回波訊號值分析；(2)三測區之地面點增加率及正確率分析。圖 5.3為偵測

(b)

(c)後鄰近回波訊號統計中間回波訊號統計

圖 5.3、回波訊號值統計直方圖 (d)背景雜訊統計

表 5.4為整體萃取成果之統計表格，由表中得知三個測區之原始點總數分別為 3309、10610 和 5902 個，其中第二測區之點密度最高。經過人工編修後得知，

三個測區之原始地面點總數為 1810、2135 和 508 個，其中亦為第二測區平均地面點密度最高。透過波形堆疊法萃取後，三測區萃取正確地面點數分別為 48、

197、101 個，正確率分別為 79%、80%、75%。圖 5.4為地面點個數變化圖，圖中顯示第二測區增加點數最為明顯，第三測區其次，最後為第一測區。由成果分

圖為萃取地面點之視覺化成果剖面位置標示圖，由左至右分別為、

圖 5.5

、

成果展示剖面位置標示圖

圖 5.6、測區一成果視覺展示

Before

After

圖 5.7、測區二成果視覺展示

Before

After

Before

After

圖 5.8、測區三成果視覺展示

5.3 不同取樣距離成果分析

不同取樣距離分析實驗目的為探討波形間空間關聯性與萃取正確率之影響，

故操作方法為分析三種空間關係之波形堆疊法萃取成效，分別為選取最鄰近波形堆疊、選取第二鄰近波形堆疊與選取第三鄰近波形堆疊，此部分使用Leica ALS60 掃描而得之資料。如圖 5.9，各測區之資料密度不同，故各空間關係波形與波形間距離亦不盡相同，統計而得空間關係 1 距離約為 0.4~0.7 公尺、空間關係 2 約為 0.8~1.4 公尺、空間關係 3 約為 1.3~2 公尺之間。

(a) (b)

(c)

圖 5.9、空間關係示意圖

表 5.5為空間關係與萃取正確率之關係，圖 5.10為空間關係與萃取正確率之

因空間關係 1 及空間關係 2 成果之正確率皆高於 65%，故結合兩成果之增加

圖 5.11為三測區最後成果剖面圖，紅線代表剖面位置。圖 5.12至圖 5.14為結合兩空間關係萃取成果之視覺化展示，白色為原始點、綠色為空間關係 1 萃取成果、紅色為空間關係 2 萃取成果。圖中顯示空間關係 2 因取樣距離較大，雖空間關聯性較弱，但可彌補地面資訊較空洞之區域，結合兩萃取成果可使地面資訊豐富度提高。由圖 5.14中觀察得到因此測區原始的地面資訊較破碎且植物覆蓋較複雜，故錯誤點數量較多，但波形堆疊法可適量的補償地面資訊缺失，增強地面判釋。

圖 5.11、最後成果剖面標示圖

圖 5.12、測區一最後成果

圖 5.13、測區二最後成果

圖 5.14、測區三最後成果

5.4 不同取樣數成果分析

此分析項目為比較Leica、Riegl和Optech資料萃取成果，首先比較Leica和 Riegl資料，兩資料取樣間隔為 1 ns，取樣數固定，分別為 256 及 100 個，Leica 資料波形記錄長度為 38.4 公尺，Riegl資料波形記錄長度為 15 公尺。圖 5.15和圖 5.16分別為Leica及Riegl波形資料展示，Leica波形第一回波與最後回波時間差約為 115 ns，相當於 17.25 公尺；而Riegl資料第一回波與最後回波時間差約為 30 ns，

相當於 4.5 公尺，Leica波形第一回波和最後回波時間差超越Riegl資料可記錄之最大長度。由此得知，Leica資料記錄波形取樣數為 256 個，約為Riegl資料的 2.5 倍，因此Riegl資料紀錄樹頂至地面長度最多僅至 15 公尺，在波形堆疊法萃取時將受測區樹高限制。

圖 5.15、Leica 資料波形展示

圖 5.16、Riegl 資料波形展示

相較於Leica及Riegl紀錄形式，Optech資料取樣間隔為 1 ns，根據掃描之地物不同，其各波形取樣數不一，由 56 個至 216 個不等，波形記錄長度由 8.4 公尺至 32.4 公尺，此記錄方式可節省記憶體空間。本研究中為方便波形堆疊，將 Optech資料延伸為同一取樣數，如圖 5.17，其原始資料取樣數為 64 個，將其延伸為該測區波形最大取樣數 216 個。此外，Optech資料於一維波形分析之困難處在於，原始資料於 55 ns處(圖 5.17橘圈處)有一波峰，但本研究之方法無法成功偵測此波峰，故於以下實驗成果中，Optech資料原始波形與經高斯分解後之總點數比較，經本研究之一維波形分析後，總點數減少，但主要減少之點資訊為非地面點。如圖 5.18，觀察Optech原始資料，其於非地面點有過度萃取之情形，但因此研究為萃取地面點資訊，故對其成果影響不大。

圖 5.17、Optech 資料波形展示

圖 5.18、Optech 原始資料點雲展示側視圖

由於測區二及測區三平均樹高較高，且最高樹高超過 15 公尺，Riegl資料單 5.8 Riegl Optech 資料萃取成果，表中顯示Riegl

地面點僅增加 59

Optech原始資料因有過度萃取情形

法進行波形分析後其點數量減少 5.8統計利用波形堆疊法進行空間關係 1 2 3 取樣距離萃取成果，由表中得知Riegl Optech

Leica Riegl (+59 )

1(+33 ) 2(+41 ) 133 ，較使用Leica

表比較及原始地面點數量較多，圖 5.21為Optech資料萃取成果視覺化展示。

5.9 Leica、Riegl Optech資料萃取成果差異，表中顯示因Leica

2135 Riegl 1349

地面點密度較Leica Optech

1 2 3 Riegl

(1)Riegl原始資料點密度較小，波若有較多的地面資訊

Riegl (2)

Riegl

5.20

表 5.9、不同取樣數成果比較 不同取樣數綜合比較成果

Leica ALS60 Riegl LMS-Q680i Optech Pegasus

原始地面點 1810 1290 1970

高斯分解地面點 2135 1349 1920

空間關係 增加點 正確率增加點正確率 增加點 正確率

1

61 79% 33 76% 158 78%

2

124 74% 41 73% 142 74%

3

99 65% 39 64% 94 64%

圖 5.19、Riegl 及 Optech 資料萃取成果剖面位置標示圖

圖 5.20、Riegl 萃取成果視覺化展示

圖 5.21、Optech 萃取成果視覺化展示

5.5 入射角分析

入射角分析使用資料為Leica ALS60 掃描而得，共使用三個不同航帶之資料，

如圖 5.22、選取兩平行航帶與一交叉航帶資料，以提取不同入射角、同區域之資料，分析不同入射角度對於波形堆疊法成果之影響。圖中藍、橘黃、紅框分別代表上、中、下航帶，綠色代表選取區域。掃描資訊如表 5.10，因掃描參數的不同，其資料點密度不同，上、中、下航帶點密度分別為每平方公尺 5.6、1.4 和 6.1 個點。

圖 5.22、入射角資料選取示意圖

表 5.10、掃描參數表 各航帶掃描參數表

上中下

航高(m) 2900 2600 2900

航向西東南北東西

Scan rate(Hz)

61 39 61

Pulse rate(kHz)

55 60 55

表 5.11為入射角分析成果，因三筆資料之點密度不同，由成果中分析得到，

上、中航帶入射角接近，角度較下航帶小，其利用波形堆疊法萃取之正確率較高、

萃取之數量點亦較多。相較之下，下航帶之入射角度較大，其經高斯分解後總點

在文檔中以波形堆疊法進行空載波形光達資料之地面微弱回波訊號萃取 (頁 50-0)

3.3 波形堆疊

3.3.2 微弱回波萃取

、

第4章 研究資料

ULX RY

LRX ULY L

Case 1

Case 2

Case 3

4.1 測試資料一

4.2

4.3 測試資料三

第5章 成果分析

5.2 整體萃取成果分析

、

Before

After

Before

After

Before

After

5.3 不同取樣距離成果分析

5.4 不同取樣數成果分析

Leica ALS60 Riegl LMS-Q680i Optech Pegasus

1

2

3

5.5 入射角分析

Scan rate(Hz)

Pulse rate(kHz)

第4章研究資料

第5章成果分析