空載光達系統原理與過濾

2.1.1 系統原理概述

空載光達（Light Detecting And Ranging, LIDAR）為一主動式雷射掃描測距系統，

可於短時間獲得大範圍、高密度之地表三維空間坐標資訊，為現代產製數值高程模型

（DEM）或數值地表模型（DSM）之重要技術。空載光達發展起源可追溯至 1970 及 1980 年代美國太空總署的研發。隨著全球定位系統（Global Positioning System, GPS）及慣性 導航系統（Inertial Navigation System, INS）發展，提供飛機載具瞬間之定位與定姿態，

經由德國Stuttgart 大學於 1988 年至 1993 年期間將雷射掃描儀、GPS 及 INS 加以結合產 生初始的空載雷射掃描系統（Ackermann, 1999）。

空載光達為整合雷射掃描系統、全球定位系統及慣性導航系統三項子系統之整合性

一般稱為點雲（Point Cloud）。其光達系統施作示意圖如圖 2-1。一般實施地形測量用途 之空載光達，其雷射波段多落在近紅外光範圍，亦有採用綠光波段之光達系統，因綠光 波段有較佳之水體穿透性，稱為測深光達。

  圖 2- 1、光達系統原理示意圖（Renslow, 2001）

2.1.2 多重回訊特性

空載光達向地面發射雷射光束，會因發散而形成圓錐狀，當抵達地表時會形成直徑 約數十公分到數公尺的圓形光照區域，此區域稱為足跡（footprint）（黃清美，2007）。

而當地表受測物體小於雷射光束足跡，無法完全阻擋雷射光束，雷射光束會繼續前進直 到另一受測物體足以抵擋為止，此為光達多重回訊（Multiple Echoes）特性。圖 2-2 為 多重回訊示意圖，當雷射光束未受阻礙接觸第一待測物後完全反射，此訊號稱為唯一回 訊（Only echo）。雷射光束接觸樹林地時會有多重回訊情況發生，當雷射光束接觸樹冠 表層反射第一次訊號，稱為第一回訊（First of many echoes），樹冠表層無法完全阻擋雷 射光束前進，途中會受樹葉、樹幹或樹底地表反射多次訊號，其最後一次反射之訊號為 最後回訊（Last of many echoes）。一雷射光束可能為唯一回訊或多重回訊，每個回訊皆 為具有三維資訊之離散點雲，可應用多重回訊特性，測量樹林區數值高程模型，或者進 行森林樹冠相關研究。

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  圖 2- 2、樹林區多重回訊示意圖（陳大科等，2007）

2.1.3 TerraScan 過濾原理

光達點雲濾除非地面點之方法，依照其數學模型大致可分為四大類：型態學過 濾法（Morphological Filters）、線性推估法（Linear Prediction）、曲面近似法（Surface Approximation）及影像處理法（General Digital Image Processing）（Lohmann et al., 2000）。本研究使用 TerraScan（Terrasolid, 2004）將光達點雲自動過濾分離地面點 與非地面點，其演算法主要以Axelsson（2000）所提出之曲面近似法為核心。

曲面近似法為採用漸進方式搜尋符合地表條件之地面點，首先依據區域內最大 建築物定義格網大小，搜尋格網內較低點做為原始種子點，運用此法挑選種子點，

可以避免選取建築物頂面點。利用原始種子點組成較稀疏之不規則三角網

（Triangulated Irregular Networks, TIN），在所形成的三角網內搜尋符合門檻之地面 點，將新增地面點加入組成較緻密的三角網。其門檻值為點到三角平面的距離（d）

及點到三頂點之夾角（α、β、γ），如圖 2-3。然後反覆迭代計算使三角網緻密化，

每次迭代之門檻值皆需重新計算，其新門檻值是由該次迭代加入三角網之所有地面 點，統計距離與夾角之中間值而來。執行迭代到未有符合門檻值的點為止。

  圖 2- 3、三角網內搜尋地面點方法（Axelsson, 2000）