第四章 快速地形量測技術建立
第一節 概述
一、 落石邊坡地表地形資料
由於實際落石情形受地表地形之影響甚大，如何準確的將地表地 形條件反映在落石分析中是落石分析之關鍵問題。對於特定邊坡之落 石分析設計時需採用大比例尺之地形圖或是直接進行地面測量獲取地 表地形，惟絕大多數現有邊坡均無法獲取其原始地表地形資料，因此 多採用目前國內最普及的大比例尺地形圖，如農林航空測量所五千分 之一像片基本圖，然而像片基本圖之精度不足，且間隔相當時間之後，
由於地表植生或是其他因素，邊坡地形亦可能大幅變化，常無法真實 呈現場邊坡的地形變化，故多採用現地地形測量方法。
現地邊坡剖面繪製是選擇落石撞擊路面處為剖面起點，向落石可 能掉落的軌跡為方向，測製該方向之地形剖面，其原理是使用電子掃 描儀量測邊坡至地面之距離，並量測上述邊坡點與水平面之夾角，應 用三角法繪製現地邊坡地形剖面，但若增加邊坡剖面數目則需增加測 量點，所得結果亦不易呈現完整邊坡地形之三維變化，因此數值地形 模型提供了落石邊坡分析評估時所需地表地形之快速有效資訊。
本研究以下分別針對各不同資料來源所製作之數值地形模型進行
二、 數值地形模型
落石邊坡之三維地表地形可由數值地形模型（Digital Terrain Model, DTM）或數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)表示，其中數值 高程模型係源自美國地質調查所（U. S. Geological Survey, USGS）所製 作之網格式高程資料，而數值地形模型則泛指任何表達地形的方法，
如：數值等高線、不規則三角網（Triangular Irregular Network, TIN），
因此 DTM 較 DEM 更抽象及廣義(Burrough, 1986)。數值地形模型一般 多以網格式(Raster)之資料表示，亦可以向量式(Vector)之資料表示，如 圖 4-1 所示。唯兩者之表示方式各有優缺點，Zeiler (1999)之研究曾對 兩者進行比較如表 4-1 所示。
DTM 的資料來源可分成三種，分別為：(1) 衛星或航照資料獲取
（Photogrammetric data capture，如圖 4-2 所示）、(2) 地面測量（Ground survey）、及(3) 現有資料之數化處理。地面測量相對上較其他二者精 Stereoscopy, HRS)所能達到之最佳垂直高程之精度約 10 m (SPOT 5, Spot image company)，對實際落石防護結構之工程分析設計而言，其精 度無法達到要求。因此對於特定邊坡之落石分析設計時仍需採用大比 例尺之地形圖或是直接進行地面測量獲取 DTM。
衛星影像立體對製作 DTM 之精度受限於衛星遙測影像解像度(如
坡之變遷亦可透過 DTM 之差異比較加以分析，對於實際岩坡落石問題 之特性瞭解提供相當助益。惟航照或衛星影像 DTM 適用於大範圍之落 石問題特性分析，且製作成本高，對於特定邊坡之 DTM 一般多以實際 地形測量行之，由於目前測量儀器之進步快速，本研究於下節針對三 維雷射掃描技術製作特定邊坡之 DTM 進行介紹，同時亦對其於落石問 題之應用進行討論。
(a) 網格式(Raster)表示 DTM
(b) 不規則三角網(TIN)格式表示 DTM 圖 4- 1 數值地形模型之表示方法
表 4-1 網格式格式與不規則三角網格式 DTM 之比較(Zeiler, 1999) 數值地形之精度(Accuracy of surface model)
DTM TIN
若欲增加精度，需以高精度數值地 形重新產生全部數值地形模型
若欲增加精度，可局部增加格點密 度完成
地表地物之精度(Fidelity of surface features)
DTM TIN
(1)SPOT5 立體像對
（2.5ｍ解析度）
(2)產生立體幾何模型
(3)數值影像匹配
(4)DTM座標運算
(5)GCP 修正 相對座標修正為絕對座標
衛星影像立體對空間關係
左視衛星影像
右視衛星影像
SPOT5 SPOT5
目標三維座標 (X,Y,Z)
目標點像元
(6)完成DTM (5m網格)
以衛星影像立體對製作DTM之流程
數值地形模型
目標點像元
圖 4- 2 以衛星影像立體對進行 DTM 製作之示意圖 (資料來源：本研究整理)
圖 4- 3 航照影像 DTM (40 m 解析度) (資料來源：本研究整理)
圖 4- 4 衛星影像 DTM (5 m 解析度) (資料來源：本研究整理)
第 二 節 地 形 測 量 DEM
影像對(High Resolution Stereoscopy, HRS)所能達到之最佳垂直高程之 精度約 10 m (SPOT 5, Spot image company)，對實際落石防護結構之工 程分析設計而言，其精度無法達到要求。因此對於特定邊坡之落石分 析設計時仍需採用大比例尺之地形圖或是直接進行地面測量獲取較高 精度之 DTM。表4-2 三維雷射掃描DTM、航照DTM、與SPOT DTM之比較
DTM 來源 三維雷射
二 、 地 面 測 量 之 必 要 性
LIDAR（Light Detecting and Raging）具有快速獲取高精度且密集 的地表點位資料能力，密集的 LIDAR 點位資料能夠非常精細地描述地 表平面以及地物表面起伏的狀況，使地形測繪工作邁入一嶄新的境 界。有別於空載 LIDAR 技術，本研究所採用之三維雷射掃描技術係屬
於地面 LIDAR，三維雷射掃描技術為近年來新發展之雷射掃描觀測技 術，其可長時間的觀察與周期性的監測地形變化並精密的偵測出地表 輕微的移動，是一種非常適合於危險地形或是坡面掃描的高精度系 統，可觀測範圍十分的廣泛。
為進一步瞭解不同三維雷射掃描於落石邊坡地形製作之適用性與 精確度，本研究分別採用兩款不同形式之雷射掃描儀分別為法國 Trimble 公司所製作之 GS200 雷射掃描儀與奧地利 Riegl 公司所製作之 LPM-2K 長距離雷射掃描儀進行掃描。
本研究中地面測量 DEM 之製作係利用雷射掃描儀進行特定地點 之現地測量工作，雷射掃描儀可提供平距、斜距、方位角、俯仰角、
坡度與坡度百分比、現地多邊形面積與二維及三維空間任意兩點間之 距離測量。測量時可直接於 PDA 上之衛星定位儀(GPS)連線同時進行 衛星定位，因此可得到精度足夠之現地數化之數值地形資料供後續之 力學分析使用。
本研究所採用之兩款雷射掃描系統儀器簡介如下：
(A) 儀器概述
雷射掃描儀是利用儀器發射的近紅外光，量測對於測定對象物的 往返時間及發射角度，藉由儀器在已知之三維座標點上，自動測量地 形的三維座標點數據並保存於記憶體中。
本計畫所使用之三維雷射掃描儀係利用計算雷射撞擊待測點反 射回感應器之往返飛行時間求得掃描頭至待測點之距離觀測量，據此 計算待測點之坐標位置，雷射掃描運作方式如圖 4-5 所示。
1. 掃描距離：可掃描距離 700 公尺，最佳掃描距離 1 至 200 公 尺
2. 解析度在 100 公尺掃描下，有 3 mm 之誤差 3. 精度在 50 公尺掃描下，有 1.5 mm 之誤差 4. 掃描速度：每秒 5000 點
5. 雷射形式：脈衝式綠光雷射 (C) LPM-2K 長距離雷射掃描儀器規格
1. 掃描距離：最遠至 2,500 公尺 2. 精度：正負為 50 mm 左右 3. 解析度：10 mm
4. 波長：0.9 um (D) 作業步驟
1. 選定崩塌地之掃描區域(需通視，如圖 4-6 所示)
2. 選定 4 個後方固定點(如圖 4-7 所示)以進行 GPS 定位(如圖 4-8 所示)
3. 設定儀器並開始掃描，掃描步驟分別為先掃描後方 4 個固定 點(距離測定)後再行掃描於步驟所設定之崩塌地區域(掃描點如圖 4-9 所示)
圖 4- 5 雷射掃描運作方式 (資料來源：本研究整理)
本研究採用上述兩款短距離與長距離雷射掃描儀進行針對台北市 信義區美的世界社區與台二線南雅里社區進行掃描，掃描成果如下節 所述。
圖 4- 6 崩塌地三維雷射掃描位置 (資料來源：本研究整理)
圖 4- 7 後方固定孔鑽設(左圖)與固定點反射鏡安裝(右圖) (資料來源：本研究整理)
圖 4- 8 高精度 GPS 定位施測 (資料來源：本研究整理)
圖 4- 9 邊坡三維雷射掃描反射點資料 (資料來源：本研究整理)