第一章 緒論
第一節 研究動機
數值地形模型（Digital Terrain Model, DTM）是利用數值方式表達、儲 存實際地形地貌資訊的一種方式，其內容除了二維的平面坐標外，也包含 Information Systems, GIS）時，數值高程模型也是重要的基本資訊。
數值高程模型的應用範圍廣泛，因此本身的品質十分重要，高精度、
高解析度的數值高程模型的需求與日俱增，而可用於製作的資料有多種來 源，包括航空攝影測量（Aerial Photogrammetry）、空載雷射掃描（Airborne Laser Scanning）、合成孔徑雷達（Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR）等技術，但在植被遮蔽的地區，採用航空攝影測量以及合成孔徑 雷達技術，都會遇到不同的限制，航空攝影測量採用被動式的感測器，植 被的遮蔽將造成可獲取的地面資訊受限。而主動式的感測器如合成孔徑雷 達技術，則難以判斷該回波是反射於植被中的哪個位置，較難判斷實際地
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訊。圖 1-1 為空載雷射掃描所獲取的點雲（Point Cloud）資料剖面線範例，經過適當的過濾（Filtering）程序後，可以將正確的地面點搜尋出來。在圖
空載雷射掃描又稱為空載光達（Airborne Light Detection and Ranging, Airborne LiDAR）最早由美國太空總署（NASA）於 1970 年代開始發展，
但由於當時儀器的限制，無法準確的得知飛行載具在空中準確的位置，故 無法得到點雲的精確三維坐標，在當時並沒有廣泛應用於精密製圖，一直 到了 1980s 隨著全球定位系統（Global Positioning System, GPS）與慣性導 航系統（Inertial Navigation System, INS）的出現，提高了空載雷射掃描儀 器的定位、定向精度，此項技術才開始獲得廣泛的應用。
空載雷射掃描系統基本的構造包含距離量測元件與機械式反射系統
（Frohlich and Mettenleiter, 2004）。其中，距離量測元件的任務是對待測區 域/物體發射雷射信號，並接收從待測區域/物體反射之信號，藉由計算同
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一信號發射與反射的時間差，配合雷射信號於空氣中行進的速度，求出掃 描儀器到待測區域/物體之間的距離（Uren and Price, 2006）。機械式反射系 統主要由伺服馬達與反射鏡組成，伺服馬達可控制反射鏡的角度，藉由快 速調整反射鏡的角度，可改變距離量測元件連續發射雷射光束的發射方向，
進而可在短時間內獲取大量的反射信號，最後根據信號發射與反射的時間 差，以及各雷射光束發射時反射鏡的角度，即可計算出以儀器中心為原點 之大量點位坐標，這些資料稱為點雲（Point Cloud）。若在掃描儀器中心整 合全球衛星定位系統以及慣性導航系統即可將點雲資料轉換至實際的地理 坐標系統，圖 1-2 為空載雷射掃描的示意圖。
除快速獲得大量的點雲資料外，空載雷射掃描還具有多重回波的特性
（圖 1-3），即同一條訊號隨時間依序由不同地物反射回到接收器，第一個 回波通常為該訊號最靠近接收器的地物表面，因此利用所有的第一回波點 位資訊便可快速製作數值表面模型；當製作數值高程模型時，僅需要地面 點的資訊，但多重回波中，最後一個回波的資訊卻可能包含其他如屋頂、
樹幹等非地面點，若直接以最後回波製作數值高程模型，將對最後的品質 造成影響，因此需要額外的過濾（Filtering）或分類程序，將地面點與非地 面點分離，經過人工檢核獲取正確的地面點後，才能製作數值高程模型。
圖 1-2 空載雷射掃描示意圖（Beradin et al., 2010）
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圖 1-3 多重回波示意圖（Beradin et al., 2010）
而隨著科技不斷進步，新一代的全波型（Full-Waveform）雷射掃描系 統也逐漸受到重視，相較於傳統雷射掃描系統，全波型雷射掃描系統連續 記錄雷射訊號路徑上不同物體的反射回波訊號，再藉由波形偵測（Pulse Detection）決定發射與接收訊號的時間差，計算回波與雷射掃描儀器間的 距離，同時擬合出該回波的波形資料，即振幅值（Amplitude）以及波形寬
（Pulse Width），這些波形資料都代表了地物的反射性質，可幫助找出更精 確的地面點以及分辨不同地物。因此全波形雷射掃描與傳統雷射掃描相比，
將更有機會獲取植被遮蔽下的地表面資訊。
綜上所述，在植被遮蔽的區域中，相較於航空攝影測量以及合成孔徑 雷達技術，空載雷射掃描由於可穿透植被間空隙以及多重回波的特性，較 有機會獲取真實地面點以及植被表面下之地物資訊，適合應用於製作植被 遮蔽區域的數值高程模型，而新一代的全波形空載雷射掃描除點位三維坐 標以外，又提供點位之波形資訊，這些資訊都可作為過濾點位或分類地物 時額外的參考，可獲取更正確的地面點，進而製成更貼近真實地面的數值 高程模型，因此在實作時如何以點位的波形資料輔助過濾，以製成更貼近 真實地面的數值高程模型，即為本研究最主要的研究目的。
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