波形特徵性質

2.1 全波形空載光達系統

光達回波訊號如圖 2(a)所示，為一連續的訊號，

傳統光達記錄上，只偵測出各響應(echo)波峰的位

置及其反射強度值(圖 2(b))，通常最多記錄四個回 波。而全波形光達系統則完整記錄回波訊號，連續 密集取樣回波強度值(圖 2(c))，通常其取樣間距為 1 奈秒(nano second, ns)。因此回傳之響應數量較不 受限制，且能自訂響應偵測及擬合方式，來得到更 完整的回波響應。全波形光達系統所記錄的波形除 了可推算反射物距離外，也隱含了反射物的物理性 質。

圖 2 光達資料記錄方式(Doneus et. al., 2008) 圖 3 為各種地物之回波波形，使用之儀器為 Riegl LMS-Q680i，詳細資訊請參考第三節實驗資 料。圖 3(a)中顯示隨著地物之不同，波形上會略有 所不同；但當地物之反射很接近時，波形上仍可能 會很相似，如裸露地及建物。由 3(b)可更明顯的看 出多響應重疊之情形。而建物之穿透過程較單純，

因此波形上能夠很清楚的看見兩個響應。因此根據 觀察結果顯示，波形之變化能夠作為全波形資料之 特徵。

(a)單響應地物回波波形 (b)多響應地物回波波形 圖 3 各種地物之回波波形

2.2 波形響應偵測與分解

面積如圖 5(c)所示，代表訊號和地物作用過程產生 的能量累積。Cross-section 由式(2)算出，此特性與 掃描起到物體的距離 R、振幅 P、波寬 W、光速發 散寬度(divergence angle) 及地物反射率 有相關，

可反映出地物和訊號之間作用面積(Wagner et. al., 2008)。式(2)中C_cal為一常數值，其中反射率會根據 不同波長之訊號而產生改變，通常透過測定實驗區 內柏油路之反射率來得到(Wagner et al., 2006；

Alexander et al., 2010)。實驗所使用的儀器廠牌為 Leica、Riegl 及 Optech，其中，Leica 和 Optech 儀 器 波 長 皆 為 1064nm ， 柏 油 路 之 反 射 率 透 過 PSR-1100 光譜儀測定，得其值為 0.17，Riegl 之儀 器 波 長 為 1550 nm ， 根 據 文 獻 中 測 定 之 結 果 (Alexander et al., 2010)，以 0.25 帶入計算C_cal。

(a) 以小波轉換為基礎的波形偵測器(Wang, 2012) (b) 高斯函數波形擬合成果 圖 4 波形響應偵測與分解

洪宇佳、王正楷、曾義星、朱宏杰：全波形空載光達資料之波形特徵分析與分類 129 態(skewness)及峰度(kurtosis)。偏態 (圖 5(d)) 用以 表示分布偏移情形，計算如式(3)，計算出的值若 0，表示波形呈高狹峰(lepto kurtosis)；小於 0，則 為低潤峰(platy kurtosis)。

圖 5 響應特性示意圖(Matsatsinis and Samaras, 2000) (a)振幅；(b)波寬；(c)面積；(d)、(e)偏態、峰度

(a) 時間差 (b) 重疊面積 (c) 振幅差值 圖 6 整波形特徵示意圖

2.3.3 空間局部範圍內統計特性

透過統計鄰近空間局部範圍內響應特性和整 波形特性之平均和標準偏差來做為範圍內統計特 徵。此特性之計算方式由圖 7 所示: (1).首先決定一 點作為起始圓心，並決定合適的半徑，以計算一個 圓柱範圍內波形資料的特性。圖 7(a)左邊圓柱中的，

線條代表每一個光達訊號的光束，彩色的部分為響 應強度值，紅色最強，越接近藍色，其能量逐漸變 弱，黑色代表能量為零。又每個響應可透過波形偵 測找出地物坐標點，故每個響應可視為一個點位，

同理，圖 7(a)左邊圓柱之能量可視為右邊圓柱之點 位。圖中紅點代表起始圓心，半徑定義為最小地物 類別範圍邊長的一半，經人工觀察後，選定實驗區 中建物屋頂為最小範圍之地物類別，故定義屋頂最 小寬度的一半作為半徑，經人工測量後訂為四公尺。

(2). 再來，因光束不一定是直線，因此須將範圍內 空間中的點先投影到二維平面上以確定範圍，再進

行進一步的計算，如圖 7(b)。(3). 最後，因我們無 法得知光達穿透的情形，只能透過影像來推測光達 最先打到的物體，也就是單一回波或第一回波打到 的位置，其餘的多重回波則難以確定打到的是何種 物體，故計算上只選擇單一回波或多重回波的第一 回波點，做為每條波形的代表，來計算範圍內之特 性，如圖 7(c)。最後，逐一的計算空間局部範圍內 響應特徵和波形特徵之平均值及標準偏差作為範 圍內之統計特性及平均回波數，此特性可用以了解 波形與其空間局部鄰近波形特性之關聯性，如樹林 區之穿透性較高，則其空間局部範圍內之平均回波 數會大於建物區。