4-1 研析森林地區之光達點雲穿透率資料 4-1.1 地面光達掃瞄作業
1. 外業掃瞄作業
於 103 年 4 月、6 月、8 月及 10 月進行水庫測區與北部火山測區內進行 地面光達掃瞄作業，水庫測區有 3 個樣區，火山測區內則有 4 個樣區。本案 掃瞄作業將點雲轉換至 TWD97【2010】坐標系統上，並在現地裝設固定樁以 做為後續轉換的依據與增加現地架站的辨識性，如圖 4.1。此外本次研究地面 光達掃瞄外業總站數共 31 站如表 4.1。
圖 4.1 研究區坐標轉換樁位佈設 樁位
為避免資料上的遺漏，於作業前應當規劃好掃瞄路線，避開過多遮蔽與 死角，以提升資料的完整性。為確保各站掃瞄資料的拼接精度，在各站掃瞄 範圍內需佈設共軛球球標或共軛覘標，並確保每次掃瞄可重疊 4 個以上共軛 點資料。此外，由於後續資料需提供轉換後之坐標，故先在作業區域設置樁 位點，並擺上覘標球作為轉換的依據，如圖 4.2 所示，如此可於不同測站間利 用共軛球標進行拼接，得到完整並連續的點雲資料。外業掃瞄情形，如圖 4.3 所示。其控制測量與精度解算如後文所述。
圖 4.2 現地共軛球標擺放圖
2. 控制點觀測
為進行地面雷射掃瞄之控制點作業，控制點測設採用內政部國土測繪中 心之「e-GPS 即時動態定位系統」所提供之即時動態定位服務測設，其系統利 用多個衛星定位基準站所組成的 GPS 網絡，評估涵蓋地區的定位誤差，以最 近的實體基準站為主要參考站，建構一個虛擬參考站（Virtual Reference Station；
VRS）供即時動態定位（Real Time Kinematic；RTK）主站使用，並透過網路 及無線數據傳輸的即時動態定位定位技術（VRS-RTK）。
由於內政部國土測繪中心的 e-GPS 坐標系統，可能與已知點 TWD97【2010】
坐標系統不一致，因此外業施測得到的點位坐標並不能直接應用於平差上，
需先進行兩坐標系統間的比較及轉換。於兩測區附近之三等點為基站，如表 4.2，經過比較後，兩測區的已知點平面差距在 2 公分以內，高程差距在 5 公 分以，屬 VRS 精度範圍內，故後續直接使用內政部國土測繪中心之 e-GPS 坐 標系統。
表 4.2 測區內三等點 TWD97【2010】坐標
點號 縱坐標 橫坐標 橢球高
Q308 2577741.414 212270.489 29.163 F028 2788880.633 316603.692 288.641
在測區的每處掃瞄位置外圍，皆先測定至少 2 個點，作為後續導線測量 的控制點使用，其中水庫第 1 及第 3 測區原為開放導線，於第三次地面光達 作業時新設了 5 個點位，並重新施測閉合導線，其點位坐標如下表 4.3。
表 4.3 控制點位坐標
Q40 2788909.384 313117.354 120.892 T4 閉合導線 Q41 2788949.653 313123.454 118.825 T4 閉合導線 Q44 2789081.62 313248.43 112.6531 T4 閉合導線 Q45 2789096.01 313259.14 113.1669 T4 閉合導線
3. 導線測量
於測區內每一處附近已知控制點，利用全測站經緯儀採「測角」、「測距」
實施導線點坐標測量，並同時施測間接高程。「測角」以經緯儀正倒鏡觀測一 測回，較差不得超過 10"，「距離」使用光波測距儀觀測。依據計算成果，以 求解所有導線點的坐標與高程，作為後續測量平面及高程基準使用。而整個 測量之作業程序如下所述：
(1) 作業計畫及準備：依照本次作業計畫之目的、用途、範圍及區域之大 小、地形之情況，實地踏勘，並依待測及已知點之分布及密度，導線 測量精度及測量儀器，並擬定相關作業計畫。
(2) 距離及角度測量：測量導線之各邊長與相鄰之折角。
(3) 間接高程測量：測量導線之各邊天頂距。
(4) 測定方位角：由起始測站之已知坐標與後視測站已知坐標計算方位角，
並據此推算其他各邊之方位角。
(5) 點位坐標高程計算：依起點已知坐標值與高程值逐步推算其他各點坐 標與高程。
表 4.4 導線精度
雜訊資料處理 圖 4.4 雜訊資料處理
圖 4.5 自動濾除後點雲資料 2. 點雲進階處理
經由前述點雲經過自動濾除後，能過濾多數的雜點(noise)，但在較為複雜
圖 4.6 邊緣雜訊
(2) 空氣中懸浮粒子所造成的影響。空氣中的懸浮粒子(如灰塵)會造成雷射光 的反射，一般反射的強度值會遠小於目標物的反射強度值如圖 4.7。
圖 4.7 懸浮粒子之影響
針對這些問題，使用軟體內建之 4 種參數進行雜訊濾除，分述如下：
(1) Mixed pixels(混合像元)：去除上述描述之邊緣錯誤資訊點，如圖 4.8 紅色 點為邊緣欲濾除之點雲，綠色點才是目標物之點雲，透過軟體內部的 pixel 大小以及雷射光與目標物之角度設定進行邊緣點雲濾除。
圖 4.8 混合像元分類(Tuley& Vandapel,2005)
(2) Single pixels(單一像元)：接續 Mixed pixels 步驟，用來檢查 Mixed pixels 步 驟是否還有遺漏點，必利用此功能除去遺漏的點。
(3) Intensity filter(強度值濾波)：去除空氣中懸浮粒子的反射，一般空氣中懸浮 粒子的反射都會偏弱，反射值為 0.03%以下，以此為指標能除去大部分的 雜訊。
(4) Range filter(測距過濾)：在樹林較為複雜的區域，較遠距離通常會有折射或 者較破碎的點雲等不能使用的資料，以此功能最為合適之距離過濾點雲。
以上 4 種方法處理方法並未破壞點雲原始資料，僅使用遮罩將不需要的 點雲蓋住，供輸出使用，並隨時可還原成最原始的點雲資訊。
3. 點雲上色
圖 4.9 點雲上彩圖 4. 點雲接合與坐標轉換
本次點雲掃描採用單站式進行點雲獲取，因此點雲資料是建立於測站的 相對坐標系統上，站與站之間至少需有 4 個以上的共同共軛點，才能進行三 維空間點雲拼接，以利後續進行光束法平差。本次點雲拼接精度皆於 5mm 以 下，其拼接過程如圖 4.10 所示，先擬合覘標球，取得覘標中心坐標，軟體會 利用覘標坐標進行計算，將各測站進行平移及旋轉，最後將所有測站建置在 同一原點上，並計算各測站重複的覘標，其坐標殘差值為多少，用於判定拼 接是否有誤，若過大將重新檢視點雲資料，排除覘標擬合不良或覘標遭到移 動等狀況，確定拼接誤差在合理範圍後，再轉換至本研究之規定坐標系統，
輸入坐標於坐標轉換點進行轉換，如此各樣區皆位在相同坐標系統之下，其 兩研究區域內各樣區之相對坐標精度分析如表 4.5，各期測站精度分析及中心 絕對坐標如附件一，各其測站相對精度報表如附件二。
在最後產出之報表中(圖 4.11)，會呈現使用的覘標數、平均偏差以及標準 偏差，平均偏差為所有覘標殘差值的平均值，標準偏差主要適用於觀察覘標 點的離散程度，在本案中每個地面光達單站皆用同樣重複的 4~5 個覘標點互 相比較，誤差值應該要相近，而標準差數值越大表示離散程度越大，可能表 示有錯誤的點位被包含在裡面，如標準差數值太大可針對最大的標準偏差進
點雲拼接一般會受到一些因素影響，包含掃描的密度、距離、遮蔽等等，
造成拼接覘標上的點雲缺失，影響擬合精度，進而影響拼接精度。故在相對 拼接時，會先進行初步的人工篩選，排除因點雲缺失而無法準確擬合的覘標；
再進行光束法平差後，針對較差的覘標再次擬合，檢討是否現場有遭到移動，
並進行排除，以確保拼接精度
而在進行絕對坐標轉換的過程，會遭到更多因素的影響，包含導線的精 度、覘標定心定平的人為誤差、以及上述的一些掃描因素影響，因為坐標的 轉換並不會改變點雲的尺度，僅作坐標軸的旋轉及平移，故在合理的整體誤 差下，單一覘標的精度誤差通常視為現場的人為誤差而不多做討論。
圖 4.10 站與站之共軛球標選取
表 4.5 各測站相對坐標拼接精度(第一期)
樣區測站名 總覘標數 平均偏差 標準偏差 最大偏差
S1 20 2.7 mm 1.2 mm 5.0 mm
S2 26 1.9 mm 1.1 mm 4.5 mm
S3 17 2.0 mm 0.8mm 4.1 mm
T1 25 1.5 mm 0.5 mm 2.6 mm
T2 24 1.5 mm 1.7 mm 3.2 mm
T3 21 1.5 mm 0.7 mm 3.2 mm
T4 17 1.8 mm 0.6 mm 3.0 mm
5. 點雲輸出檢查
坐標轉換完成後，為確保各站精度無誤，需先輸出並確定點雲的疊合程 度，以避免影響後續其他的運用與作業，如圖 4.12 所示。
圖 4.12 點雲資料檢查
本計畫在地面光達作業上，共實行了四次資料收集的作業，並利用現地 的樁位，將四次資料移轉到相同坐標系統上。在相對的精度上，前期因作業 的流程不夠熟悉，較常出現資料上的缺失，包含覘標球被樹葉或雜草所遮蔽、
無法通視或缺少部分資料無法擬合等等，使得接合的精度相較於後期的成果，
誤差值有比較大的情況，在後期及時修正作業的相關注意事項，也提升了相 對接合的精度。另外，南部曾文水庫第 1 樣區以及第 3 樣區，原為開放導線，
為確保導線成果之可信度，於第三次掃瞄時，於第 1 樣區新設 QQ2-1，QQ2-2，
第 3 樣區新設 QQ3-1，QQ3-4 及 QQ3-5(原控制點 QQ4 已遺失)，共新設五支 樁位，並重新施測閉合導線測量。其施測成果也達到在林區中合理的精度要 求。
4-1.3 地面光達穿透率之計算
本案以火山與水庫測區共 7 個掃瞄樣區，分別為 4、6、8 與 10 月份地面 光達資料，利用模擬的方式探討雷射光穿透森林冠層應有的點雲分布特性，
推估模擬範圍之光達穿透率。其模擬雷射光的方式，必須考量到各種模擬參 數的設定，如雷射光光斑(footpoint)大小、各雷射光間距與雷射被遮蔽程度等 之計算。本案利用第一期掃瞄之 S1 樣區與實際空載光達穿透率比較具有高度 相關，其該樣區實際空載光達平均穿透率為 0.2，多次測試模擬參數後將 S1 樣區模擬與實際空載光達穿透率調整為相同，並利用該參數計算後續之樣區 資料，達成與實際空載光達穿透率連結的目的，故各期的模擬參數均統一，
並以此計算其他站與掃瞄時期資料。
詳細的參數與步驟如下，將點雲分布換算成三維立方體(voxel)，如圖 4.13，
每發模擬雷射光間距 X，Y 軸均為 0.1 m，zenith angle 為 0˚，最多可以產生 4 個回波量(Echo)，多重回波的產生需先決定雷射光圓半徑(footpoint)，亦可模
射光入射。
圖 4.13 地面光達點雲轉換為三維立方體示意圖
模擬後的結果以點雲方式展示如圖 4.14 所示，記錄點雲的分類、強度值 與回波代號，由於地面光達與空載光達觀測角度之不同，為達成相同的觀測
模擬後的結果以點雲方式展示如圖 4.14 所示，記錄點雲的分類、強度值 與回波代號，由於地面光達與空載光達觀測角度之不同，為達成相同的觀測