§2-1 空載光達系統介紹
因應全球定位系統(GPS)及慣性量測儀(IMU)的發展，使得精確的即時定位 定姿態方法得以實現。空載光達系統係一個結合雷射掃瞄系統(Laser Scanning System)、全球定位系統(GPS)以及慣性導航系統(INS)等三部分的整合性技術。將 雷射掃瞄儀固定於飛行載台上，發射一高頻率發射雷射光束，由感測器接收反射 訊號後，記錄發射脈衝到接收反射訊號之間的時間差。配合載台上裝置之 GPS 接收儀，及待測區的控制站，以動態差分方式實施GPS 定位，並輔以 INS 系統 的姿態參數進行整合求解，以求定載台的方位，最後再求定地面掃瞄點的三維座 標，示意如圖2-1。
圖2-1 空載光達系統示意圖(Renslow, 2001)
典型的雷射掃瞄儀如圖2-2所示，可分為雷射測距單元、光學-機械掃瞄器、
控制與處理單元。其中，測距單元又包含有雷射發射器與電子光學接收器。INS 是藉由慣性量測儀(IMU)獲得載體的位置、速度、姿態角與重力參數。GPS 定位 則是以動態差分方式計算得到載體之即時位置。
圖2-2 典型雷射掃瞄儀系統(Wehr and Lohr, 1999)
Schenk(2001)所描述的空載光達子系統間座標轉換關係為先藉由雷射掃瞄 儀對飛行區進行掃瞄，所獲得的點座標僅為雷射掃瞄儀的局部座標，必須依序轉 換至 INS 座標系統以及以 GPS 天線為中心的座標系統，最後再轉換至 WGS84 座標系統，或是依據應用需求轉換至所需的座標系統之中，如TWD97 座標系統。
圖2-3為系統整合架構之座標系統關係圖。
圖2-3 空載光達系統整合架構之座標系統關係(Schenk, 2001)
依據以上座標系統架構，將某一掃瞄點的向量轉換到WGS84 座標系統的轉 換關係如式2-1(Schenk, 2001)：
GPS R1、R2、R3、R4、R5。其中第一個峰值 R1 即為第一反射值(First Return)，最後 一個峰值R5 即為最後反射值(Last Return)。其反射波與反射波之間的距離反應出 量測目標物件之間的高度關係，而反射波的寬度則反應出目標物件表面的粗糙 度、斜率或深度(Ullrich, 2006)。
圖2-4 空載光達多重回訊特性示意圖(Ullrich, 2006)
基本上空載光達的掃瞄線與飛行方向垂直，Leica ALS 掃瞄系統之掃瞄型式 為鐘擺式(Oscillating Mirror)，並且利用反射鏡改變雷射光掃瞄的位置，因此於垂 直飛行方向的航帶邊緣處，其點雲會呈現V 字型的分佈，如圖2-5(a)，愈靠近航 帶中央的位置，點雲的分佈則越為均勻，幾乎可視為平行的掃描，如圖2-5(b)。
圖2-5 航帶邊緣及中央點雲分佈示意圖
§2-3 空載光達精度評估回顧
(2000)、Vosselman 與 Maas (2001)、Maas (2002)應用最小二乘共軛點匹配法於不 規 則 三 角 網 結 構 ， 評 估 航 帶 重 疊 區 高 程 及 平 面 方 向 的 誤 差 ；Morin 與中近紅外波段對於樹木區堿判別容易之特性，將樹木從光達資料中濾除，以萃取 房屋區塊；Alharthy 與 Bethel(2002)運用光達系統可記錄多重回訊之特性以及雷 射光對於樹木之半穿透半反射特性，區分出資料中屬於人工建物之部分，並運用 網格化後的光達資料，透過直方圖統計方法統計建物區影像像元，並假設建物為 二維方向正交性的物件以及具有屋緣附近高度變化明顯的特性將房屋邊界偵測 出，利用直線線段描繪出屋緣；Rottensteiner 與 Briese(2002)以網格化後的光達資 料計算DTM 與 DSM 之間的高差，並透過高度門檻值萃取建物區塊，針對樹木 準偏差則為±9~16 ㎝；Alharthy 等(2004)以航高 600 公尺掃瞄的南北向航帶進行
其高程及平面偏移量的分析，該研究中選擇一區平坦的運動場地(足球場、網球 場)與周圍的排水溝進行地面點實測，平坦區域的地面量測點主要提供高程精度 評估之用，而排水溝等地形變化明顯的特徵區域之量測點則提供平面精度評估 用。高程評估部分，以檢核點 1 公尺環域(Buffer)範圍內的雷射點進行比對，成 果顯示高程偏移量為8±20 ㎝。平面精度評估部分則選擇數條分布於排水溝上的 雷射點和地面量測點，分別以最小二乘法進行曲線擬合。將雷射點所擬合的曲線 扣除掉高程上的偏差後，以兩曲線之平移量平方和為最小之成本函數(Cost Function)，計算出最佳匹配時的平移量即為其偏移量，成果顯示東西向的平均偏 移量為30 ㎝，南北向為 47.5 ㎝。另外，其成果中亦顯示，航帶兩側邊緣之平面 偏移量較航帶中間為大。
由理論推導及實際驗証皆顯示高程定位精度優於平面的定位精度(Schenk, 2001)。保守估計，高程定位之誤差常達 20 ㎝，而平面誤差則多大於 50 ㎝(Huising 與Pereira, 1998；王與曾，2003)。系統誤差實際案例如圖2-6(a)中將LiDAR 資料 與地形圖套合後可明顯發現其房屋邊線出現共同的偏移量，而於圖2-6(b)中則可 發現兩航帶在銜接上所產生的偏移量。
圖2-6 系統誤差實際案例(Huising 與 Pereira, 1998)
Baltsavias(1999)評估空載光達定位精度如表 2-1 及圖 2-7，以直昇機為載具 而航高為 400m 時，其平面精度約為 0.25m，高程精度約為 0.15m；若以小型飛
機為載具而航高約為1000m 時，其平面精度約為 0.6m，高程精度約為 0.2m。航 高的差異對於高程精度的影響較小，對於平面定位精度則成正比的影響(王與 曾，2003)。
表2-1 Baltsavias(1999)評估空載光達定位精度
圖2-7 Baltsavias(1999)空載光達定位精度曲線圖