第一章 緒論
第三節 章節架構
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第三節 章節架構
本文各章節之編排內容如下:
第一章緒論包含研究動機與研究目的，分別敘述本研究之出發點與重 要性，以及本研究之具體目的。
第二章文獻回顧針對傳統離散型與全波形雷射掃描技術之基本原理、
特性以及點雲之分類方法作說明，並歸納適用於本研究之方法。
第三章研究方法首先介紹貝氏定理與自動化決定分類參數門檻值之方 法，接著為描述敘述資料處理及分類之流程。
第四章研究成果主要有四個部分，第一部分首先介紹實驗區全波形掃 描點位基本資料，包含簡要說明全波形掃描資料處理方式，接著將介紹本 研究使用之輔助資料，如：光譜參數與紋理參數；其次為貝氏定理分析不 同地類在各參數特性之成果；第三部分為選用合適參數於各類別之分類成 果展示；最後為分類結果之精度檢核，並針對整體研究成果提出小結。
根據第四章分類成果，第五章將討論並歸納全波形資料在分類工作上 之優點、使用之時機與改進方法。
第六章則延續研究成果與討論兩章之內容提出結論，並針對實驗中遇 到之限制提出未來研究之建議。
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第二章 文獻回顧與理論基礎
本章首節整理全波形空載雷射掃描系統之基本原理與特性，以及與傳 統離散型雷射掃描系統之差異與改良的部分；第二節介紹全波形系統掃描 資料經過波形偵測與擬合後得到之波形資料，與其在地物分類之實際應用 案例；最後回顧過去研究中傳統離散型與全波形光達點雲之分類方法，藉 此建立本研究實驗之基礎。
第一節 全波形空載雷射掃描
一、離散型（Discrete）系統之介紹
傳統離散型空載雷射掃描系統常見的回波偵測方式是以門檻值為基礎
（Threshold-based），如 peak detection（maximum detection）、leading edge detection 以及 constant fraction detection methods（Amann et al., 2001）等方 法，即若是偵測到之回波形狀完整且強度大於預設之門檻值，則被系統記 錄下來形成多個離散的回波資料，反之若回波形狀重疊或是強度較弱，則 該點被系統忽略而遺失其三維空間資訊。如圖 2-1（a）表示發射之雷射訊 號，（b）表示感測器接收到之回波訊號，若訊號大於系統預設之門檻值，
則將該回波記錄為離散之點位資料（如圖 2-1（c））（Mallet and Bretar, 2009）。 在回波記錄數量上，離散型系統對同一雷射訊號通常只記錄第一回波（First Echo）與最後一個回波（Last Echo），或是最多記錄五個回波，即有偵測回 波數量上的限制。
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圖2-1 離散型系統回波偵測（改繪自 Mallet and Bretar, 2009）
除了回波數量外，離散型系統於回波偵測方法上也有其限制。離散型 系統對於使用之回波偵測方法通常為不公開的，而不同的回波偵測方式得 到之時間間隔將會不同（Wagner et al., 2004）。如圖 2-2 中，不同符號表示 採用不同的波形偵測方法，由偵測到之波峰位置可看出估計的時間間隔之 差異，時間間隔不同使得計算得到之距離也就不同。因為偵測方法不公開，
使用者無法知道因選擇之方法所導致的測距誤差，不精準的距離量測將會 影響雷射掃描點位三維坐標的精度。
圖2-2 不同波形偵測方法之結果比較（Wagner et al., 2004）
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三、波形偵測（Pulse Detection）與波形擬合（Pulse Fitting）
取得全波形掃描資料後，接著需進行波形偵測與波形擬合之處理。波 decomposition method） （Jutzi and Stilla, 2006; Wagner et al., 2006; Mallet et al., 2008; Lin, 2009; Mallet et al., 2011）、用於不對稱形狀之韋伯函數
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（Weibull）（Mallet et al., 2009）與對數常態分布（Log normal）（Chauve, 2007），
另外小波函數（Wavelet）（Molnar et al., 2011; Wang, 2012）也被應用於波形 擬合之步驟。由上述波形擬合方法之整理得知高斯函數為被廣泛使用之擬 合函數，因此以下將以高斯函數擬合作為說明。
Lin and Mills（2010）提到因為雷射訊號發射時呈現類似高斯分布
（Gaussian Distribution）之形狀，故假設接收之回波波形亦接近高斯分布。
以高斯函數擬合波形主要分為二個步驟，首先為估計各點波峰（peak）之 位置、數量、振幅值與波形寬的初始值，常使用的方法有 Peak detection、
Centre of gravity 以及 Zero crossing 等方法（Wagner et al., 2006）。接著以平 差方式迭代運算求出最佳參數解，得到之波形參數為振幅值（Amplitude）、
波形寬（Pulse Width）與距離（Range）。如下圖 2-4 中，橫軸表示點位與 感測器間的距離，縱軸為振幅值。每個回波波形可由個別的高斯函數擬合，
可得到各自的參數，如第四回波之振幅值（A4）、波形寬（PW4）以及距離
（R4）等資訊。
圖2-4 數個高斯函數擬合回波波形（改繪自 Wagner et al., 2006）
全波形系統記錄之波形可提供其它有關地面物體之表面資訊，如坡度
（Slope）、粗糙度（Roughness）及掃描角度（Scan angle），如圖 2-5 所示，
其中 a 為平坦地面之回波波形，b 表示斜坡，c 和 d 表示兩個不同高度之物
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體波形偵測之結果，可發現 d 雖與地面相距較近，其波形仍可記錄為兩個 回波，e 表示表面粗糙度較大之植物。
圖2-5 回波波形與不同物體表面之關係（Jutzi and Stilla, 2006）
由上述五個例子可得知不同的物體表面會有不同的波形呈現，故可萃 取出數值不同的波形資訊，例如：在粗糙度較大的植物表面，造成了波寬 拉長之情形，故經波形擬合後會得到較大的波形寬數值。因此，透過不同 表面其波寬數值之差異，可應用於後續之點雲分類（Lin and Mills, 2010）。
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cross-section）與散射截面積係數（Backscatter cross-section Coefficient）之 基本特性以及應用實例。‧ 國
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（a）不同地物之振幅值曲線
（b）森林地區地面點與植被振幅值曲線
（c）植被點與地面點不同回波之振幅值曲線 圖2-6 不同地物與回波之振幅值比較（Mücke, 2008）
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Half Maximum, FWHM）。而兩者間的轉換可由式（2-1）表示。本研究中使 用之波形寬參數為原始波形經高斯函數擬合後所得到之高斯標準差。FWHM = * （2-1）
其中， 表示高斯函數之標準差。
關於波形寬之相關研究有 Wagner et al.（2008）提到波形寬是一個用於 分類植物點與地面點相當好的指標，因為波形寬值在植被分布區域通常較 地面點來的大。另外在植物與建物分類應用方面，在樹木或是草地區域通 常會產生較建物大的波形寬（Stilla and Jutzi, 2009）。由上述波形寬在不同 地物之反應情形，應可嘗試將波形寬應用於植物與地面點或是植物與建物 集中，印證了 Wagner et al.（2008）提到植物點通常有較大波形寬之結論。
因此，波形寬的資訊應可應用於分類森林中的地面點與植被點。
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（a）不同地物之波形寬曲線
（b）森林地區地面點與植被波形寬曲線
（c）植被點與地面點不同回波之波形寬曲線 圖2-7 不同地物與回波之波形寬比較（Mücke, 2008）
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三、散射截面積（Backscatter Cross-section）
散射截面積此數值由雷達方程式推導計算而來，表示雷射光束照射到 效率，Alexander et al.（2011）以柏油路之反射率為 0.25 作為率定的基準，
而在 Wagner et al.（2006）則是假設柏油路之反射率為 0.2，用來計算其它 地物點位之散射截面積值。下圖 2-8 即為計算率定參數中所使用參數之示
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圖2-9 反射面粗糙度與散射截面積之關係（Wagner et al., 2006）
與散射截面積相關研究方面，Wagner et al.（2008）認為個別回波之散 射截面積與回波數目有著相當大之關係，亦即愈後面數目的回波散射回感 測器之能量愈弱（如圖 2-10 右側所示），但總散射截面積值（各回波散射 截面積之總和）則不受回波數量之影響，如圖 2-11 左側所示，一個雷射光 束訊號無論產生一個回波或是三個回波，其散射截面積總合幾乎不變。
圖2-10 個別回波散射截面積與回波數量關係（Wagner et al., 2008）
圖2-11 總散射截面積與回波數量關係（Wagner et al., 2008）
另外，Wagner et al.（2008）發現於植物區域通常有較地面點低的散射 截面積數值，原因為雷射光束在穿越頂層植物過程中通常會照射到相當多 的葉面與樹枝才到達地面，這將造成雷射能量的散失與較小的振幅值反射，
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故得出數值較低的散射截面積，如圖 2-11 右側所示，雷射光束照射到愈多 樹冠點會造成較多的能量散失，使總散射截面積數值降低。此特性可運用 在森林覆蓋區域分類植物點與地面點。此外，在圖 2-12 中可明顯地看見森 林裡面的道路點，由於道路點之遮蔽較少，雷射能量散失較少，故產生了 較大的散射截面積數值（顏色愈偏暖色系代表數值愈大）。
圖2-12 森林區域地面點與植物間散射截面積分布圖（Wagner et al., 2008）
Wagner et al.（2008）另一個實驗中，如圖 2-13 左側，發現散射截面積 在鋪滿礫石或草地區域數值較低，而在柏油路則有相對較大之數值。另外 於建物區域，由圖 2-13 右側發現，相同材質之建物屋頂面有著不一樣之散 射截面積數值，此現象表示若是傾斜屋頂面的法向量指向感測器，則會得 到較高的散射截面積值。此結果說明了雷射光入射角度對於散射截面積數 值之影響。
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圖2-13 植物覆蓋區與建物區域散射截面積值（Wagner et al., 2008）
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四、散射截面積係數（Backscatter Cross-section Coefficient）
Wagner et al.（2006）認為散射截面積之數值會隨著物體表面反射率 與 雷射足跡（Footprint）改變而跟著不同，而雷射足跡亦受到飛行航高與入射
散射截面積係數之應用有 Alexander et al.（2010）將三個波形資料分別 為振幅值、散射截面積以及散射截面積係數分成三個組別，同時搭配高程 與坡度等幾何關係資料，進行建物（平面屋頂與傾斜屋頂）、樹林、矮樹叢、
草地與道路等類別之分類，比較各組分類之結果後，得出分類成果以運用 散射截面積係數之精度最佳，總體精度可達到 91.53%，Kappa 值為 0.89（如 表 2-1 所示）。
草地與道路等類別之分類，比較各組分類之結果後，得出分類成果以運用 散射截面積係數之精度最佳，總體精度可達到 91.53%，Kappa 值為 0.89（如 表 2-1 所示）。