第四章 研究成果
第一節 研究資料
國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
34
第四章 研究成果
第一節 研究資料
本研究之實驗區為台灣中部阿里山達邦地區，所使用的資料為自強工 程顧問公司提供之達邦地區全波形雷射掃描點位資料與航空正射影像。其 中，雷射掃描資料由全波形雷射掃描儀 Riegl LMS Q680i 機體獲得，Riegl LMS Q680i 儀器規格整理如表 4-1。
表4-1 Riegl LMS Q680i 儀器規格
儀器大小 480x212x229 （mm）
儀器重量 17.5（kg）
雷射波長 近紅外波段
發散角 ≤ 0.5（mrad）
掃描角度 ± 30（degree）
脈衝頻率 400（KHz）
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
獲得原始雷射掃描資料後，將資料輸入 Riegl 之 RiPROCESS 軟體，作 POS（Position and Orientation System）解算、坐標系統轉換與波形擬合等 前 處 理 。 本 研 究 區 掃 描 資 料 使 用 的 波 形 擬 合 方 式 為 Gaussian Pulse Estimation（GPE），並結合 Center Of Gravity estimation（COG）方法估計 波峰（Peak）之初始位置，接著以平差方式迭代計算擬合之模型資料，使 擬合資料與真實資料間之殘差最小化。
經前處理後得到之點雲資料內容如圖 4-1 所示。資料中之欄位除了點 位記錄之時間與 X、Y、Z 坐標外，另外包含由波形擬合得到之波形寬與振 幅值，其中波形寬的單位為 0.1ns，而振幅值則是由 16 bit 之 DN 值（0〜65535）
量化。此外，資料第三行之 Attributes 欄位說明該點位為第幾個回波，其中 0 表示單一回波（Single Echo），1 代表多重回波之第一回波（First Echo），
3 表示為最後回波（Last Echo），而 2 則是中間的其它回波（Other Echo），
利用此欄位，可以快速地將掃描資料分成不同的回波資料處理。以下由表 4-2 以及圖 4-2 至 4-5 呈現涵蓋本實驗區之不同回波資料，並說明其特性。
圖4-1 點雲資料內容
‧
3.63 points/
航高（海拔高） 2000（m）
掃描日期 2011 年 4 月
圖4-2 單一回波點位
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
圖4-3 第一回波點位
圖4-4 其它回波點位
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
38
圖4-5 最後回波點位
單一回波表示雷射光束照射到物體後只產生一個反射，通常發生在無 受到遮蔽之平面特徵或位於頂層之物體。第一回波、其它回波與最後回波 分別為多重回波中先後產生之回波點位，通常發生在一個雷射訊號穿越多 層次之物體，如雷射光束穿越茂密植物時，在植物頂層產生第一回波，接 著進入植物間空隙時可能產生數量不等的其它回波，而當雷射光束不再穿 越將產生最後回波，因此，最後回波資料有可能是位於頂層覆蓋底下較低 層之地物或是地面點。
由上述各個回波資料之內容展示可觀察出，單一回波點位，包含了實 驗區全部的地類，如：植物、平面道路與各式建物；第一回波與最後回波 之內容大多為植物點與建物之邊緣點，並無包含平面特徵；而其它回波則 多為樹林中的點位且數量較少。
對於地物分類之目的而言，本實驗區為山區之聚落，包含了一定數量 之道路與建物等平面特徵，採用單一回波資料的內容能夠包含較多地類。
第一回波資料包含了樹林與建物屋頂面之邊緣點，因此分類第一回波點位 可使建物屋頂面之點位更加完整。此外，因為測區中存在著植物遮蔽道路 或建物等情形，採用最後回波資料，有機會將位於覆蓋底下或較低矮的地 物類別點找回。因此，本研究點雲分類所使用資料為全波形點雲資料中之
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
單一回波、第一回波與最後回波。
達邦地區之正射影像為本實驗中所使用之輔助資料（圖 4-6 所示）。本 影像拍攝日期為 2011 年，拍攝範圍約為 514*426 平方公尺，影像之地面解 析度為 0.25 m，拍攝之相機為 Leica ADS 40 大像幅相機，本實驗使用之像 幅大小為 2056*1704 pixels，記錄之光譜反射波段為可見光波段。正射影像 除了用於輔助選取分類目標以及抽樣地類點外，另一個主要用途為將影像 之 RGB 反射值給予位置相對應之掃描點雲，以利後續使用影像之光譜特性 輔助點雲分類。
圖4-6 阿里山達邦地區正射影像
在研究中分類所需之波形資料，除了經波形擬合得到點位之波形寬與 振幅值外，考量散射截面積會受雷射入射角度與足跡大小之影響，因此使 用經過足跡改正之散射截面積係數進行地物分類。本研究計算散射截面積 數值所採用的柏油路反射率為 0.25，而公式中之率定參數需由人工選取位 於 感 測 器 nadir 方 向 之 地 面 點 計 算 ， 得 到 之 率 定 參 數 數 值 為 5.14442819507091*10^(-6)。
除了點位之波形資料外，本研究將從正射影像提供 RGB 資料計算之綠 度指數以及由灰度共生矩陣得到之紋理資訊共同分析。由正射影像取得
‧
灰度共生矩陣（Gray Level Co-occurrence Matrix, GLCM）為統計影像 像元分布之情形，並以矩陣方式呈現。由影像中一參考像元灰階值（i）與 參數。本研究中計算紋理參數的方法為使用 ENVI 軟體之 Co-occurrence Measurement 得 到 ， 在 後 續 點 雲 分 類 使 用 之 紋 理 參 數 有 均 值 度
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
（Homogeneity）、R 波段平均值（Mean R）與熵值（Entropy）等，其計算 公式如下所示。
Homogeneity =
（ ）
（ ） （4-2）
Mean = （ ） （4-3）
Entropy = （ ） （ ） （4-4）
其中 代表波段 k 量化的灰階數目（例如: 為 0〜255）， （ ） 代表灰度共生矩陣內之數值。
‧ 國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
42