1-1 研究動機與目的
空載光達( Light Detection And Ranging, LiDAR)是近年來新興的一項技術。
它結合了全球定位系統(Global Position System, GPS)及慣性導航系統(Inertial Navigation System, INS)，配合雷射測距和光學掃瞄技術，可在短時間內獲取大量 且高密度的多重回波點雲(Point Cloud)資料。
點雲資料有豐富的高程資訊，包含地表、建物和植被的高程，由垂直剖面圖 中清晰可見。目前點雲主要應用為生產數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)與數值地表模型(Digital Surface Model, DSM)，產製出的 DEM 與 DSM 可 應用於地層下陷、集水區或崩塌地分析、建物、樹林、電纜線萃取和建立三維建 物模型等(王及曾，2003)，亦可結合其他資料進行海岸變遷評估、森林監測等，
用途相當廣泛。從救災方面的崩塌地分析到三維城市模型的建立，無一不需要高 精度的 DEM，而空載光達高密度和高精度的特性正好符合目前各界的要求。
傳統上 DEM 由攝影測量方式所製作，攝影測量和雷射掃瞄兩方式差異在於 攝影測量是被動式感測，雷射掃瞄則為主動式，直接由空中對地面發射雷射光 束，回波資訊配合 GPS、INS 及掃瞄角解算可定出雷射點的三維坐標；航空影像 需透過內外方位的解算組成立體像對，始可進行量測工作，量測方式可透過人工 立體量測或是影像匹配，但不論何種方式，地面上的一點要同時出現於組成立體 像對的兩張像片，方可利用前方交會求解地面坐標。在資料處理部分，攝影測量 是經過人眼判讀再進行量測工作，可在地形重要特徵處取得資訊；但雷射點掃瞄 是盲目的獲取雷射點，缺乏該點的地形特徵等屬性資料。遮蔽是兩種方式都會遇 到的問題，在樹木遮蔽的山區，攝影測量須滿足前方交會條件往往無法觀測到需 要的點位元；而雷射因為以光線法定位，只需一條光束且具有多重反射特性，得
到部分地面點之機率較高，此為空載光達另一項優勢。
由於空載光達產製之 DEM 及 DSM 使用頻率逐漸增加，一套標準化之作業 流程是目前迫切需要的，而產品品質的控管也變得重要。因此本研究以一般使用 目的為依據，提供了空載光達產製 DEM 流程，並從實務面探討其中須要注意的 事項和發生的問題。
1-2 DEM 和 DSM 產品定義
依據內政部(2004)，DEM 為不含地表植被及人工構造物時，地球表面自然 地貌起伏的數值模型。雖然指自然的地貌起伏，但以土石構築之人工構造物，如 堤防、土塹、水壩、大型溝渠或水道及挖填之道路等大型土方結構物，亦屬於此 類地表。DSM 則是表示地表最上層覆蓋物的表面模型。
數值高程模型為一種利用數值表達地形的方法。常見的有數值等高線(digital contour)、不規則三角網(Triangulated Irregular Network, TIN)以及規則方格網 (regular grid)等三種。其中數值等高線其等高線間不易建立關係，所以目前僅適 合用於資料展示，而較不適合複雜的計算與分析。而不規則三角網是一組用不規 則三角形覆蓋全面以表達三度空間連續的資料結構，其解析度可以隨著資料的複 雜度改變，能有效地表示地形上的劇烈變化，但資料結構不規則、資料量大，故 使用上較規則格網之 DEM 不便。規則格網的資料型態隨著計算機科學的發展廣 泛的使用，一組正交的格網上，每一格網點均有其高程資料，這些描述真實地形 的格網資料為一規則之矩陣結構。在資料的處理方面，其中的矩形格網由於演算 法容易設計且易與遙測影像資料結合，格網大小亦可視實際需要加以調整，故正 交格網資料的處理與儲存最為簡便。由於格網點高程值係內插而得，無法完整表 達地形，惟格網越細、越能顯現出實際的地表情況。目前台灣地區完整的數值高 程模型為利用航測方式生產之格網間距 40 公尺之模型，即於地表面上每隔 40 公尺才有一筆數值高程資料，目前各界則需要解析度更高的資料。
1-3 文獻回顧
評估空載光達資料的品質前，先對品質作定義。根據 ISO9000(ISO, 2000)，
品 質 可 以 定 義 為 「 degree to which a set of inherent characteristics fulfils requirements」應即「符合需求與期望的程度」(Luethy, 2004)。
Lohmann(1999)探討空載光達所產製的 DEM 精度，驗證得高程可達 10~30 公分，水準精度為數公尺，水準精度不理想原因可能有系統(GPS、INS 等)造成 之誤差、及參考數據不適合光達數據檢驗。另空載光達系統產製之 DEM 品質受 到點雲過濾方法影響極大。Lohmann(1999)使用線性推估法(Linear prediction)過濾 DSM，以迭代方式進行，以避免受到植被及建物上雷射點之影響。
Al-Bayari(2001)比較攝影測量生產之 DEM 與利用空載光達生產之 DEM。作 業航高 200 公尺，航帶重疊率 50%。使用之航空數位相機是 Hasselblad 相機，解 析度為 2K x 3K；LiDAR 系統是 TopEye AB 系統。實驗區地表覆蓋包含植物、
建物、作物等。結論得到此實驗中由 LiDAR 所生產的 DEM 最佳精度可達 10 公 分足以供工程應用。除比較 DEM 品質外，另外比較利用立體模型與空載光達資 料搭配數值影像兩種不同方式製作的正射影像差異，成果得到兩者所生產之正射 影像精度皆相當理想(平面精度為 4-8 公分，高程精度為 10-20 公分)。
Ahokas 等人(2003)使用兩組不同資料：Toposys-1 系統於 2000 年在 Kalkkinen 獲取的資料、和 TopEye 系統於 2002 年在芬蘭(Masala, Otaniemi)獲取的資料。其 中 Toposys 航高為 400 和 800 公尺；TopEye 系統航高為 100, 200, 400 和 550 公 尺。掃瞄區的地表覆蓋包含柏油地、草地、砂礫地和森林。目的為計算不同地表 覆蓋和不同航高對精度的影響，以地面上使用 RTK 和測距儀實測之檢核點為準 進行精度比較。結論得到以下幾項：同一航帶中，以測試區內(以檢核點為中心，
半徑為 2 公尺的範圍)平均高程、最接近檢核點之雷射點高程和利用雷射點內插 出的高程三種高程與檢核點高程之差值皆近似，表示最接近檢核點之雷射點可做
品質控制用，而不需要另比較雷射點的平均高程值；而每條航帶的系統性誤差和 隨機誤差皆會影響其整體精度，以致每條航帶的精度不一，故要得到高品質之產 品，航帶平差為必須；觀測角度亦會造成系統性誤差，但角度大小造成的系統性 誤差無明確關係，可以知道的是影響量約 10 公分；不同地表覆蓋物的高程誤差 不同；航高愈高，產製的地表模型隨機誤差越大，高程誤差也愈大。
圖 1-1、影響光達品質之主要項目(Luethy, 2004)
Luethy(2004)將影響空載光達品質的因素分為以下四方面：環境、感測器、
客戶要求、和技術，如圖 1-1 所示。針對圖 1-1 中四項目加以說明。
z 客戶要求：客戶要求會反應到需要的產品規格精度不同，訂定之合約內容愈 明確，承包者愈易決定執行的程序，產品品質也愈易控管。
z 技術(Know How)、合約：指合約上應清楚表示產品要求；執行者則擁有生產 過程的技術。
z 感測器：指光達系統中的「黑盒子」(飛航資料記錄器，俗稱黑盒子)。
z 環境：天氣、地形等，人類所無法控制的自然環境影響。
而評估空載光達資料品質，單純以平面及高程精度評斷並不足夠，文中提出 六項品質指標以完整評估資料品質(圖 1-2)。
z 密度(Density)：以計算出之密度評估品質。
z 平面、高程精度(H / V accuracy)：分為平面及高程兩方向來評估資料品質。
z Artifacts：因系統誤差、環境或不完整的前處理造成 DEM 資料中某區域出現 異常高程或上下起伏或成波浪狀之錯誤現象。
z 資料空隙(Data voids)：指沒有雷射點的區域，造成原因為儀器故障或物質無 不反射(如水體)。
z 完整性(Completeness)：因有資料空缺的問題，故其他地區地表地物偵測更需 完整。而較小足跡(footprint)可能會造成地物(如樹頂、電纜線)不完整的偵測。
z 航帶不連續(Steps)：相鄰航帶間具有不連續的高程變化。造成原因為率定不 佳或導航資料不正確。
其中密度和平面/高程精度可經由統計方法計算，其餘各者要經由影像判釋 驗證。所列舉出之品質控制項目必須確保品質能達到要求。
圖 1-2、定義光達品質六項指標(Luethy, 2004)
Ahokas 等人(2005)由分析精度方法、DEM 品質、建物萃取和變遷偵測幾方 向探討空載光達品質。內容結合各作者之前所發表的文章，統整出提高 LiDAR 精度可從以下幾方面著手：提升 GPS/INS 技術可減少定位和方位的錯誤；增加 掃瞄頻率和降低航高可以增加雷射點密度，這對於山區和三維房屋模型等應用有 所幫助。
1-4 研究構想與方法
影響空載光達資料品質的因素相當多，本研究首先制定出空載光達生產 DEM 與 DSM 之流程，並於流程步驟中設計檢核點。再針對資料後處理部分，
即內業處理部分進行實際測試及比較。包含討論點雲密度計算方式、地形點與地 物點自動分類問題、人工編修可能發生問題、DEM 和 DSM 合理性比較及正高 化算等，以得知目前空載光達作業內業情況，可供未來制定規範時參考。
1-5 論文架構
第一章說明研究動機與目的，並對討論空載光達資料品質評估方法有關之文 獻進行回顧，最後介紹研究構想及架構。
第二章主要介紹空載光達系統及作業原理、點雲過濾演算法的概念及 TerraScan 過濾參數。
第三章中針對所擬出之空載光達作業流程及各階段之檢核項目進行說明。
第四章裡，在不考慮系統誤差及航帶平差問題的前提下，先提出幾種點雲密 度評估方式，再針對地面點密度的另一表示方式-穿透率，比較以不同方法計算 之成果。之後討論利用 TerraSacn 設定不同參數自動過濾地面點之差異與人工編 修對產品的影響及處理過程中亦發生的問題。
第五章為結論與建議。