三維雷射掃瞄儀又稱地面光達(Ground Based LIDAR)，主要是利用發射雷 射光至物體表面並接收反射波，屬於主動式探測系統，其分類方式有很多，
依雷射材料分為固體與氣體兩種，依雷射波分為脈衝式與連續波兩種，依測 距方式分為時間差與三角幾何法，三角幾何法又分單相機與雙相機，依掃瞄 方式分為橫掃式與縱掃式，依掃瞄距離又分為短、中、長三種。本研究GS200 屬於脈衝式固體雷射，測距方式為時間差量測法，掃瞄方式為縱掃式，掃瞄 距離為長距離。
時間差量測法之測距方式為利用來回時間差乘上光速即可獲得距離，時間 量度的最小單位決定距離之解析度，目前可達0.1ns，相應之距離為1.5cm，
而脈衝波的時間間隔可決定最大測量距離，然而實際最大測量距離受限於雷 射強度、目標物反射率、光束散射、大氣穿透率、及偵測器靈敏度，目前大 都在1公里之內，由公式(3-1)可知其精度與脈衝起始時間的確認及雜訊比有 關。
σr=0.5c*t 1/√s/n (3-1)
雷射波長會影響反射的能量，所觀測得的反射強度與波長有關，如用近紅 外雷射光會對植物有較強的反射。雷射的觀測有效距離是儀器重要的應用條 件，尤其對大型地物或場景的觀測，或是無法接近的地物，皆需要較長的觀 測距離。然而距離越遠的地物觀測精度越差，若要保持儀器所宣稱的測距精
度，則觀測距離需在其標準範圍內。雷射掃描儀的定位精度與測距精度、瞬 間視角(IFOV)、及水平與垂直角精度皆有關係，所以必須綜合這些所有條件 來評估雷射掃描儀。
3-2 VRS 之原理及國內 e-GPS 網建置情況 3-2.1 VRS 原理
VRS 之定位方式屬於即時動態定位，只是其應用較 RTK 不受限制，VRS 定 位技術的基本觀念是由多個 GPS 基準站全天候連續地接收衛星資料，並經由 網路或其它通訊設備與控制計算中心連接，彙整計算產生區域改正參數資料 庫，藉以計算出任一移動站附近之虛擬基準站的相關資料，所以在基準站所 構成的基線網範圍內，VRS 使用者只需在移動站上擺設衛星定位接收儀，將 相關定位資訊透過手機介面依 NMEA 格式傳回控制計算中心，控制計算中心 將資料計算後，便會算出虛擬主站之模擬觀測量，再以 RTCM 標準格式回傳 至移動站衛星定位接收儀，進行”超短距離”之 RTK 定位解算，進而即時求 得公分級精度定位坐標。
由上我們可以發現 VRS 不受距離限制，只要在 e-GPS 網內均可施測，其 規模遠較 RTK 大，且有許多優點是將 RTK 之缺點改善而得到的。整個 VRS 系 統的運作包含以下四部分:
1.基準站:係於測區範圍內，平均 50-70 公里建立一個基準站，這些基準站 將組成一規則網形，每個基準站全天候連續地接收衛星資料。
2.控制及計算中心：主要工作為載入各基準站原始觀測量之與品質檢核、
RINEX& RINEX 壓縮資料之儲存與管理、天線相位中心改正、系統誤差之計 算模組與更新、移動站近似位置計算、產生虛擬主站之觀測資料、傳送 RTCM 資料之移動站。資料中心配置一部路由器(Router)連結基準站之網站、一 部較高速之電腦主機進行數據運算，同時為提供多個移動站透過行動電話 GSM/GPRS 系統撥接上網之服務。
3.移動站:只要是在網內可於任意點擺設，在基準站之基線網內，只須在移 動站擺設接收儀，並透過手機介面依 NMEA 格式傳回控制計算中心，控制計 算中心將資料計算後，便會算出虛擬主站之模擬觀測量，進而求得移動站 坐標。
4.軟體：有即時下載 DECODE 模組、BS 監控站模組、自動轉撥器移動站下載 模組、e-GPS 網管程式模組、VRS 計算模組、自動下載精密星曆模組。根據 移動站之概略坐標，利用系統誤差模式以內插方式產生虛擬主站，以此虛 擬主站與移動站進行短基線 RTK。
3-2.2 國內 e-GPS 網建置情況
內政部土地測量局自 93 年度起規劃建置全國性 e-GPS 衛星定位基準站即 時動態定位系統，以 TRIMBLE 公司之 GPSNET 系統軟體計算區域性改正參數 (Area Correction Parameters，ACP），各基準站間距離以不超過 50 公里 為原則，自 93 年度起編列經費，至 95 年度止預計於臺灣本島及澎湖、金 門、綠島、蘭嶼等離（外）島地區建置 79 處基準站，包括 93 年度建置臺 灣本島北部地區 23 處基準站，94 年度建置臺灣本島北部地區 20 處基準站，
95 年度建置離（外）島及加密臺灣本島地區計 36 處基準站，各基準站分布
圖 3-2 臺灣本島地區 VRS-RTK 定位服務範圍圖(王敏雄等，2006)
3-3 提升三維雷射掃描儀與 VRS 結合應用精度之理論基礎
由 3D LASER 掃描後視點或地物特徵點後，其點位資料將儲存於電腦中供 內業分析處理，在 REALWORK4.1 之軟體中我們可以量距工具測量各點間之距 離，也可以量測施測網形中的各夾角，及 dX,dY,dZ 如下圖所示，
圖 3-3 REALWORK 4.1 量測距離示意圖 圖 3-3 中所量測之資料說明如下:
1.二點之空間距離為 length=7862.62mm。
2.dX,dY,dZ 代表二點在以測站為中心之坐標系中之各分量差，其中顯示 dX=2366.63mm，dY=7497.12mm，dZ=412.75mm。
另外在 REALWORK 內業處理軟體中我們也可以取得各點之相對坐標，如下 所示:
圖 3-4 三維雷射掃瞄點位相對坐標資訊 圖 3-4 中相關資訊說明如下:
Type 為目標物之型態，本目標物為球，Name:為施測時給予該點之編號，
本點為 sphere 01，Standard divation:1.36mm，為該點掃瞄成果之內部精 度評估。Center:-5398.03；-2620.28；-1171.94mm，為該目標點之中心坐 標，若未事先建立坐標系，則會以測站為原點為坐標系。Dimeter 為後視球 之直徑，starting scan temperature 為開始掃瞄之儀器內部溫度，final
scan temperature 為掃瞄結束時之儀器內部溫度。
取得距離觀測量之方式有兩種，一為利用量距工具，我們可量測後視點
間之距離，二為由上述所示之相對坐標反算距離，後者之精度高於前者，主 要是在軟體中選取點時會有人為誤差的問題，本研究之基線距離使用後者所 算得之數據。而由此所量得之距離精度將高於由 VRS 所測得之坐標反算之距 離，藉由排列組合知每兩點組成一條線，若有 n 個後視點，其線段組合公式 為 n(n-1)/2，加上測站至各點則有 n(n-1)/2+n 個距離觀測量；另外我們也可 以再利用量測角度之工具測得各線段之夾角，但本研究並未使用此項觀測 量。而 dx,dy,dz 之資訊由於 3D LASER 掃描之坐標系為自由測站坐標，因此 dx,dy 與 N,E 方向不同，須經過轉換後才可使用。至於 dz 則應與高程同方 向，可利用 dz 來求取各點之高程差，本研究亦將 3D LASER 所測得之 dz 與 水準測量以及 VRS 所得之高程差作比較，探討在有一點已知點之情況下，是 否可以 dz 來求取其他點之高程。
3-4 平差改正模式探討
本觀測之誤差來源在排除粗差之後還含有以下三項:
1.VRS 之系統誤差，主要是 e-GPS 基準站使用之 TWD97 坐標與內政部公告之 坐標間存在區域性之差異,以及系統誤差模型內差時所產生之殘差,大部 分反應於高程項。
2.3D LASER 之系統誤差，主要與距離成正比 3.偶然誤差。
本研究之觀測量計有距離與坐標二種觀測量，屬於間接觀測，而由於距離 觀測量與坐標觀測量二者精度相差甚多，其權值約為 100: 1,因此若要將距
離視為無誤差以條件觀測進行平差改正應無不可，不過本研究僅使用間接平 差模式。
為了增加觀測量,我們將原先只須 3 個後視增加到 10 個後視，由 10 個後 視與測站本身組成一觀測網，由上述之觀測量知有距離與坐標兩種觀測量，
雖然距離之觀測量在後視點多於 7 個以上時即已多於必要觀測量，但如此之 觀測網為一秩虧自由網，須有起算點或其他約制條件，而加入坐標觀測量後 即不再有秩虧之問題，因此就以上之問題而言本研究可以有多種平差模式，
資分述如下:
1. 使用距離觀測量但加入起算點或其他約制條件，為間接帶有約制條件之 平差。
2. 使用距離與坐標觀測量，不須起算點或其他約制條件，為間接平差。
3. 由於距離觀測量與坐標觀測量之權值相差甚大，若將距離視為已知條件 則為條件觀測平差。
本研究僅使用第二種方式，觀測類型屬於距離型的間接觀測，而其數學 模式為
L=f(X,Y,Z)=√( ΔX
2+ΔY
2+ΔZ
2)
(3-2) 隨機模式為 L+V=√(Δx
2+Δy
2+Δz
2)，L 為各點間之距離，X,Y,Z 為各點之坐
標，上式為非線性方程，須化為線性方程，以 Taylor 展開式展開得線性方 程:L=f(X
i其中
N、E:VRS 之平面精度為±30mm
H:VRS 之高程精度為±50mm
依據上述標準，我們設定先驗權為其精度的倒數平方，又因各觀測量為獨 立觀測，故其關聯值為 0。由上述權值設定可知距離與坐標之權相差甚大，
經最小二乘法改正後其距離的改正量將甚小，大部分的改正量將反應於坐 標上，而實際計算結果也是如此。
在指標方面本研究以靜態 GPS 施測之成果為對照組，以改正前後之 VRS 與靜態 GPS 坐標較差之 RMS 與分佈範圍 RANGE 為精度指標，並加入改善率 以分析其改正效果，所謂改善率之定義如下:
改善率=(改正前 RMS-改正後 RMS)/ 改正前 RMS
(3-6)第四章 實驗部分