全波形光達系統

3.3.1 全波形資料性質

隨著儀器的發展，不同於傳統光達系統只提供三維坐標點資訊和其量測的強度 值，新一代光達系統除了能夠直接提供含三維坐標的點雲，還有當時雷射光束反射的 波形資料。透過全波形光達記錄的波形資料，我們可以反推雷射光穿透樹林的反射資 訊(圖 3-3)。根據這些隱含在波形中的資訊，使用波形反應特徵萃取方法重新偵測點 雲，可得到更多、更完整的點雲，而不受限於一般多重回波光達在同條雷射中最多只 能獲取四個回波位置。因此在茂密的森林區中，地形地貌較複雜的地區，有機會能夠 萃取出比較完整的點雲，得到更正確的森林結構。

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圖 3-3 全波形光達與一般光達在穿透樹林之示意圖(Diaz, 2011)

3.3.2 全波形響應偵測

全波形光達可以記錄完整波形資訊，由波形資訊可以推得地物的形貌。但波形資 訊會受到雷射光波長的解析力影響，當光束連續經過多樣物體時，波形可能會無法明 確反應出各別的地物，而有重疊波形的產生或在因能量的減弱而有較弱的波形。目前 偵測全波形資料的點雲方法有許多種，像是區域最小值法、高斯擬合法(Wagner et al., 2006)等等都能從全波形資料中萃取出回波響應的位置。

針對森林區監測的應用，當雷射光束在穿透較茂密的樹冠時，可能密集接觸到樹 葉、樹枝及樹幹，因而產生重疊回波的現象，而最後抵達地面時剩餘的能量只能產生 微弱的回訊，如圖 3-4(a); 而若雷射光束抵達地面時，可能先觸及矮灌木或雜草也會 有重疊回波的現象，如圖 3-4(b)，這些現象都容易造成回波響應偵測上的困難。此研 究採用 Wang (2012)所提出的方法進行回波的偵測，此法是假設發射波形與反射的波 形都為高斯曲線，應用小波轉換的概念(圖 3-5)，以不同尺度的小波去找出最符合實 際情況的回波響應數量，可以針對較弱的回波或是重疊的回波進行萃取和分解，根據 Wang (2012)的實驗成果，從全波形光達資料可獲得的回波響應數量，約比一般傳統光 達多 10%~15%。接著使用高斯混合模型(Gaussian mixed model)來擬合波形，以得到

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波形的波高、波寬、及 cross section 等將回波波形特徵。

圖 3-5 利用小波轉換的方式偵測波形 (Wang, 2012)

3.3.3 全波形點雲

由於一般光達提供的三維點雲有點數上的限制，一條反射回訊最多只取四個點雲 位置，在較複雜的區域可能有資訊流失的現象。相較於一般的點雲(圖 3-6a)，透過全 波形資料萃取後的點雲資料可以得到較多且更完整的點雲(圖 3-6b)。因為地表面和樹 冠的區域都較容易產生較弱回訊和重疊回訊，在一般光達儀器內的即時解算無法獲取 這些點雲，造成資料的遺失。而在進行全波形資料萃取後，可以明顯看到在地表面和 樹冠區都增加了許多點雲。從研究成果顯示，全波形資料萃取出的點雲能比一般光達 多超過百分之十的點。除了可有效萃取出更完整的點雲，還能從全波形資料的波形特 徵推算出地物的物理性質，得到一般光達點雲資訊之外的地物波形特徵，如 cross section、波寬等。增加了更多能反映地物的資訊，也因此被視為在地物分類上有其優 勢(Reitberger et al., 2008)。

圖 3-4 光達產生(a)弱回訊或(b)重疊回波的現象(Wang, 2012)

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