高程比對的部分，以新竹地區不同時期獲得之空載光達雷射掃瞄資料 (2002LiDAR、2005LiDAR)、地面檢核點資料(2004GCPs、2005GCPs)、以及使用 2004GCPs 進行高程改正後的 c2002LiDAR 和經無地面點控制之航帶平差後的 c2005LiDAR，比對方式分為內部精度與外部精度之比對，比對流程如圖1-1。
§3-1 研究資料說明
本研究用以比對之數據依類型分為「空載光達地面點成果」及「地面檢核點」
兩種。空載光達成果點雲依時期分為2002 年、2005 年，各時期光達點雲資料皆 經TerraScan 完成地面點自動分類；地面檢核點則分為 2004 年、2005 年的 RTK 量測成果，以下分別介紹各時期數據。
§3-1-1 空載光達地面點成果
2002 年點雲數據為農委會在新竹地區以 Leica ALS40 系統掃瞄獲取，航高約 800m，共完成 19 個東西向的航帶資料，涵蓋面積約 58km2(11.7km×5km)。其中 編號1~9 的航帶為 4 月 14 日所獲取，10~19 的航帶則為 4 月 16 日掃瞄獲得，涵 蓋範圍如圖3-1所示。各航帶帶寬平均約680m，雷射點密度 0.71pts/m2，因此，
相對之平均點距約 1.19m。航帶重疊帶寬平均約 433m，重疊百分比為 63.7%，
包含重疊區點雲之整體密度為1.745 pts/m2，相對之平均點距約0.76m。
圖3-1 2002 年新竹地區光達點雲數據涵蓋範圍
對於 2002 年之光達點雲數據，史與彭(2003)使用「航帶配對測點之高程比 較法」的統計分析結果指出，2002 年新竹地區空載光達數據中航帶 9 與 10 之間 的高程偏移量約1.683m。另外，史與劉(2004)使用 2004 年於新竹地區規劃量測 的地面檢核點進行比對檢核，計算結果得到，第 1~9 航帶之橢球高平均誤差 0.156m，均方根誤差 0.317m，標準偏差 0.277m；第 10~19 航帶之橢球高平均誤 差為1.685m，均方根誤差 1.762m，標準偏差 0.518m，結果顯示 2002 年之光達 點雲數據有明顯之系統誤差，圖3-2為剖面檢視2002 年光達點雲資料航帶 9、10 重疊區之高程偏移情形。
圖3-2 2002 年光達點雲資料航帶 9、10 重疊區之高程偏移情形
光達點雲之座標因為由直接大地對位(Direct Georeferencing)所產生，所以基 本上是WGS84 地心座標系統(WGS84 Geocentric Coordinate System)，通常解算 成果會經地圖投影轉換至TWD97 座標系統。一般空載光達系統之子系統均需經
2002 年數據之高程改正處理是使用 TerraScan 中 Adjust to Geoid 工具，以 2004 年量測的地面檢核點將原始掃瞄數據的點雲資料進行高程改正。一般而 言，因為大地水準面(Geoid)非單純之數學面，所以光達高程改正無法以一個數 學式定義之。因此，光達高程改正均以實地測量的點位所產生之模型來定義。
TerraScan 高程改正模式之輸入檔為一 X Y dZ 格式的文書檔。dZ 為對應於 每一個實測點之實測高程與光達高程之差值，此差值可由 TerraScan Output Control Report 工具計算而得。其改正模式如圖3-3，粗實線的黃色區域內為光達 點雲之分布範圍，六個紅色點為輸入的X Y dZ，若有光達點雲在實測範圍之外，
則 TerraScan 將在點雲測區外圍處直接取用最近點之 dZ 值(Nearest Assignement Method)外插四個綠色角點，以便 dZ-TIN 模型涵蓋整個點雲測區。光達點雲中的 每一個點再以線性內插方式調整其高程。
圖3-3 TerraScan 高程改正模式(Terrasolid, 2004a)
史與劉(2004)直接利用橫切航帶之地面實測橢球高座標模型，與光達高程模 型兩者進行套合改正。改正後計算結果得到，第 1~9 航帶之橢球高平均誤差 0.000m，均方根誤差 0.006m，標準偏差 0.006m；第 10~19 航帶之橢球高平均誤 差-0.001m，均方根誤差 0.052m，標準偏差 0.052m。圖3-4顯示經高程改正後，
航帶9、10 重疊區之高程間的落差已經消除。
圖3-4 經高程改正後 2002 年光達點雲航帶 9、10 重疊區之高程落差已經消除
2005 年之光達點雲數據為工研院執行內政部委辦計劃之部分成果，由 Leica ALS50 系統於新竹地區掃瞄獲取 24 個南北向航帶(ty021~ty044)，表 3-1 為各航 帶飛航掃瞄參數，涵蓋範圍如圖3-5所示。各航帶帶寬平均約1100m，雷射點密 度 0.867pts/m2，因此，相對之平均點距約 1.07m。航帶重疊帶寬平均約 450m，
重疊百分比為 40.9%，包含重疊區點雲之整體密度為 1.503 pts/m2，相對之平均 點距約0.82m。
表3-1 2005 年光達點雲數據飛航掃瞄參數
航線編號 航高(m) 航速(節) FOV 掃瞄速度 掃瞄頻率 掃瞄日期 ty021~ty029 1485 127 43 24 59500 2005.06.06Ａ ty030~ty031 1480 130 43 24 59500 2005.06.05Ｐ ty032~ty038 1500 129 43 24 59500 2005.06.02Ａ ty039~ty044 1477 125 43 24 59500 2005.06.05Ａ
圖3-5 2005 年新竹地區光達點雲數據涵蓋範圍
2005 年數據之平差處理是使用 TerraMatch 進行無地面控制點的航帶平差改 正。TerraMatch 採用的演算法為 Burman (2002)提出，主要的未知參數有三個方 向的平移量(offsetx, offsety, offsetz)與漂移量(driftx, drifty, driftz)，三個軸角的偏移 量(dr, dp, dh)與漂移量(driftr, driftp, drifth)，透過重疊區之分類地面點及地面檢核
點組成觀測矩陣，以最小二乘法進行求解計算，處理流程如圖 3-6(陳大科等，
2005)。
圖3-6 2005 年光達數據之平差處理流程
§3-1-2 地面檢核點
2004 年新竹地區地面檢核點為新竹地區於民國 93 年 9 月 21 日、9 月 24 日 及10 月 4 日進行 RTK 量測而得，共測得 273 點。所有量測地面檢核點依量測日 期及參考主站點號的不同，顯示如圖3-7。圖中各顏色之對照如圖例所示，背景
影像是以 2005 年光達點雲的強度影像進行展示，而檢核點的分布範圍則涵蓋 2002 年光達點雲成果 19 個航帶的區域。
圖3-7 2004 年新竹地區地面檢核點之分布範圍
2004 年地面檢核點的量測成果並未依土地覆蓋分成 5 大類，其選點方式亦 未考量光達點雲之特殊狀況，因此使用地面檢核點與分類地面點進行高程比對 時，需剔除不適合比對的地面檢核點以減少比對上的影響，例如：地測點位於屋 頂上或橋上邊緣，但地面分類點中的對應點分布在河床、河邊(或地表面上)，如 圖3-8。
圖3-8 位於橋上或屋頂上的檢核點
2005 年新竹地區地面檢核點共分為三個時期量測而得，分別為 8 月份桃竹 苗地區、10 月份工研院中興院區及 11 月份於新竹地區東西向快速道路所量測之 地面檢核點成果。8 月份及 10 月份的量測成果依土地覆蓋分 5 種類別(1.裸露地、
2.矮植被、3.疏遮蔽樹林、4.森林密遮蔽區域、5.都會區) ，如圖 3-9，每種地形 約測量30 個點，本研究只取裸露地類別之地面檢核點進行比對。
圖3-9 五種土地覆蓋類別(圖片來源：工研院中興院區實測作業)
8 月份於桃竹苗一共量測 4 個地區(編號：B, C, D, L)，本研究區域之光達點 雲只包含C、D、L 三區，共 120 個裸露地類別的地面檢核點。10 月份工研院中 興院區量測成果共270 個地面檢核點，屬於裸露地類別的地面檢核點共 62 點。
11 月份東西向快速道路上之量測成果則有 27 個地面檢核點。因此 2005 年總共 有209 個地面檢核點可供比對使用，各期地面檢核點分布狀況如圖3-10所示。
圖3-10 2005 年新竹地區地面檢核點分布情形
上列各時期數據比對時的表示代碼整理如表3-2。
表3-2 各時期數據比對代碼
數據資料描述 表示代碼
2002 年農委會原始光達數據經自動分類後的地面點 2002LiDAR 2005 年工研院原始光達數據經自動分類後的地面點 2005LiDAR 2002LiDAR 經 2004GCPs 改正後的點雲 c2002LiDAR 2005LiDAR 經 TerraMatch 航帶平差改正後的點雲 c2005LiDAR 2004 年量測之地面檢核點 2004GCPs
圖3-11 2002LiDAR、c2002LiDAR 前(1)、中(2)、後(3)分區選取範圍
圖3-12 2005LiDAR、c2005LiDAR 前(1)、中(2)、後(3)分區選取範圍
圖3-13 內部精度評定航帶重疊區選取範圍示意
二時期各區比對成果如表 3-3、表3-4 所示，由於進行數據掃瞄時航高皆在 1500 公尺以下，高程精度應可達 15 公分(劉進金，2005；Leica, 2003b)，於表中
將改正前後數據之內部精度依此評斷標準以顏色區分；紅色表誤差量過大，藍色 表符合精度範圍。由表 3-3 看出，2002 年航帶數據以地面檢核點進行高程改正 後，整體上只有航帶(9-10)的內部精度有改善，其餘航帶的內部精度則無明顯改 善。航帶(11-12、14-15、17-18、18-19)改正前後的內部精度誤差量則皆保持過大 的情形。由表3-4看出，經TerraMatch 進行航帶平差的 2005 年航帶數據則是每 個航帶間都明顯的調整，整體上的調整皆使內部精度達到改善，除了航帶(33-34) 的內部精度在經過航帶平差後是變差的。航帶(26-27、29-30、38-39)在平差前為 誤差量明顯過大的區域，經航帶平差後，整體的內部較差均小於 25cm。另外，
航帶(39-40、40-41、43-44)在第 3 區與第 1、2 區的比對成果不一致，經檢視各 航帶重疊區於該3 區所選取的比對範圍與高程圖的關係，如表3-5所示，可看出 航帶(39-40、40-41)在第 1、2 區為較平坦的地形，而第 3 區則為山區地形，因此 該比對成果可能因為山區地形影響地面點分類而造成比對成果誤差量較大。航帶 (43-44)在第 1、2 區則為變化較大的山區地形，而第 3 區為平坦地形，因此第 3 區之比對成果之可信度應較高。將表3-3、表3-4之成果繪製成圖3-14、圖3-15，
可看出各時期前(1)、中(2)、後(3)三區個別的內部精度計算成果皆相似。(附錄 A) 為各時期平差前後航帶重疊區剖面檢視圖。
表3-3 2002LiDAR、c2002LiDAR 內部精度分析 (m)
表3-4 2005LiDAR、c2005LiDAR 內部精度分析 (m)
表3-5 航帶(39-40; 40-41; 43-44)於前(1)、中(2)、後(3)三區選取範圍與高程關係
1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19
1區
1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19
2區
1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19
3區
圖3-15 2005 年內部精度分析成果
§3-3 外部精度分析與探討
外部精度分析是將各時期光達點雲成果經由地面點自動分類後與地面檢核 點 進 行 高 程 比 對 。 本 單 元 以 2004GCPs 與 2002LiDAR、c2005LiDAR 以及 2005GCPs 與 2005LiDAR、c2005LiDAR 進行比對。
§3-3-1 2004GCPs 與 2002LiDAR、c2005LiDAR 比對
2004 年新竹地區量測的地面檢核點共 273 點，經剔除不適合比對之地面檢 核點後，共餘237 個地面檢核點。本節以 2002 年空載光達各航帶編號作為基準，
將c2005LiDAR 數據依 2002 年航帶 1~19 各區域範圍切割出，再進行比對，切割 示意如圖3-16。以此方式進行切割，除了讓c2005LiDAR 和 2002LiDAR 之間有 一個相同的比對基準外。另外，由於 c2005LiDAR 航帶為南北向飛行掃瞄之成
21-22 23-24 25-26 27-28 29-30 31-32 33-34 35-36 37-38 39-40 41-42 43-44
1區
21-22 23-24 25-26 27-28 29-30 31-32 33-34 35-36 37-38 39-40 41-42 43-44
2區
21-22 23-24 25-26 27-28 29-30 31-32 33-34 35-36 37-38 39-40 41-42 43-44
3區
圖3-16 c2005LiDAR 切割示意圖
比對結果如表 3-6，成果顯示 2002 年第 1~9 航帶之橢球高平均誤差為 0.160m，均方根誤差 0.315m，標準偏差 0.270m，第 10~19 航帶之橢球高平均誤 差為1.733m，均方根誤差 1.780m，標準偏差 0.410m，與史與劉(2004)研究報告 成果相近。2005 年第 1~9 擬航帶之橢球高平均誤差則為 0.104m，均方根誤差 0.230m，標準偏差 0.205m，第 10~19 擬航帶之橢球高平均誤差為-0.019m，均方 根誤差0.382m，標準偏差 0.354m，整體平均高程誤差量為 0.039m。
表3-6 2004GCPs 與 2002LiDAR、c2005LiDAR 高差比對成果 (m)
2004GCPs 比對 2002LiDAR 2004GCPs 比對 c2005LiDAR
編號 檢核點數 Mean dz RMS Stdev Mean dz 擬編號 檢核點數 Mean dz RMS Stdev Mean dz
將上列二年度各航帶點雲與 2004GCPs 之橢球高平均誤差(Mean dz)比對結 果繪製如圖3-17。
圖3-17 二時期點雲成果與 2004GCPs 比對之平均高程偏移量
圖 3-17 中顯示 2002LiDAR 航帶 10~19 存在高達 1.7m 的系統誤差量。而 c2005LiDAR 的比對成果顯示，除了擬航帶 13、18 及 19 之誤差量偏高外，其餘
圖 3-17 中顯示 2002LiDAR 航帶 10~19 存在高達 1.7m 的系統誤差量。而 c2005LiDAR 的比對成果顯示，除了擬航帶 13、18 及 19 之誤差量偏高外，其餘