人工編修空載光達資料產製 DEM 成果之探討

人工編修空載光達資料產製 DEM 成果之探討

何心瑜

陳大科

史天元

徐偉城

摘 要

空載光達數據產製數值高程模型(DEM)資料過程中，不同產品等級所需要的產製流程不盡相同。本 研究於2007 年 4 ~ 6 月間進行，依當時之參考規範草稿，DEM 產品可分為三個等級；當產製 Level 2 以 上的產品時，即需藉由人工編修來確保資料品質。研究中選擇五種不同覆蓋面共10 幅 1/5000 圖幅範圍，

探討編修時間、不同覆蓋面和不同編修者等三個不同的人工編修項目產製DEM 結果。初步成果顯示，以 同一圖幅範圍為例，不同編修人員所需之編修時間不同，成果亦不盡相同；如矮植被區之空載光達資料 編修DEM 成果的高程平均差為 8 公分，標準差為 25 公分。

關鍵詞：空載光達、人工編修、過濾

1. 前言

數值高程模型(DEM)和數值地表模型(DSM) 是目前空載光達的主要產品；而依據產製DEM 高 程精度和正確性程度，產品可分為數級。國內目前 將產品分為三個等級(內政部，2005)；如 Level 1 等級除了前處理及率定外，亦包含航帶平差與自動

過濾的過程，最後再進行DEM 資料內插(如表 1)；

Level 2 以上的產品則需再增加人工編修的過程，

方可達到相對較精確的成果；Level 3 較 Level 2 增 加斷線資訊及人工檢核步驟。另在人工編修過程中，

由於人工作業容易產生差異，故研究中即針對此步 驟，分成 1.編修時間 2.不同覆蓋面 3.不同編修者 等三方面進行探討。

表1、空載光達資料產製不同等級 DEM 資料之處理流程

等 級 DEM 產品等級之處理流程 level 1A

level 1B level 2A level 2B

level 3A

level 3B

格網化DEM*表示增加斷線資訊及經過人工審核之格網化 DEM(資料來源：內政部，2005)

1工研院能環所 副研究員

2工研院能環所 研究員

3國立交通大學土木系 教授

收到日期:民國 97 年 09 月 18 日 修改日期:民國 97 年 11 月 06 日 接受日期:民國 98 年 02 月 02 日

2. 研究材料

研究中使用的空載光達資料，選取自高屏、台 南、南投及桃竹等地區，並包含五種不同覆蓋面的 掃描資訊；每種覆蓋面類型各挑選2 幅 1/5000 圖 幅範圍進行測試(如表 2 所示)。其中各種覆蓋面的 定義如下，示意圖如圖1 所示：

(a) 裸露地：五千分之一圖幅範圍內大都為裸露地 或農作區，森林覆蓋面積小於25%。

(b) 矮植被區：五千分之一圖幅範圍內大都位於丘 陵地，主要地物為農作與矮植被，森林覆蓋面

積介於25%~50%。

(c) 疏林區：五千分之一圖幅範圍內大都位於山區，

主 要 地 物 為 森 林 ， 但 森 林 覆 蓋 面 積 介 於 50%~75%。

(d) 密林區：五千分之一圖幅範圍內大都位於山區，

主要地物為森林，森林覆蓋面積大於75%且地 形起伏較大。

(e) 都會區：五千分之一圖幅範圍內大都為都市區，

特徵物佔全部面積30%以上，主要地面覆蓋物 為建物與道路。

圖1 五種不同覆蓋面現場照片

表2 每種覆蓋面類型各挑選 2 幅 1/5000 圖幅之圖號與圖名及點雲資訊

項次 圖號 圖名 特性 總點雲數 點雲密度(點/m²) 1 9419-3-099 南市北部 都會區 11163810 1.45 2 9622-4-051 竹高屋 都會區 10850510 1.44 3 9418-2-028 大莊 裸露區 11918810 1.57 4 9622-4-003 赤牛欄 裸露區 10200570 1.35 5 9520-3-036 炭稻 矮植被區 11126731 1.46 6 9622-4-026 圓墩頂 矮植被區 11550789 1.57 7 9419-2-098 紅毛寮 疏林區 13731664 1.78 8 9520-3-038 瑞龍瀑布 疏林區 9188212 1.20 9 9518-4-034 茅窩 密林區 16000751 2.08 10 9622-1-082 上高遶 密林區 11322642 1.49

(e)都會區 (d)密林區

(c)疏林區 (b)矮植被

(a)裸

圖2 空載光達作業流程圖

3. 研究方法及流程

獲取空載光達點雲資料至產出DEM 等產品過 程，其流程如圖2 所示；其中與 DEM 產品等級處 理相關者，主要為點雲分類與編修部分中的不合理 點位濾除、半自動過濾和人工編修等三部份。研究 中使用 TerraSolid 公司之 TerraScan 軟體進行測試 與比較。

3.1 不合理點位濾除

處理空載光達資料時，優先要處理不合理點位；

因原始空載光達點雲資料包含雲體或系統誤差造 成的不合理點位或其他離群點雲，這些雷射點對於 地面點分類並無幫助；故進行地面點分類前，須先 將這些雷射點消除。而去除方式可選擇絕對高程消 除或離群點消除或分類為特定不使用之類別。

3.2 半自動過濾

影響半自動過濾成果優劣的因素包含演算法、

點雲密度、地表覆蓋程度及地形起伏因素等。利用 TerraScan 軟體進行過濾時，其使用的演算法為曲 線近似法(Axelsson, 1999)。而依據實際操作經驗，

輸入之參數會影響到成果優劣，亦影響後續人工分 類所需之時間；故進行半自動過濾前，需輸入適當 參數。TerraScan 軟體中(Terrasolid, 2004)，參數 Max building size 是 為 了 產 生 初 始 的 三 角 網 (triangulated irregular networks, TIN)；Terrain angle 功能為過濾地面點所接受的 TIN 三角形平面最陡 角度；Iteration angle 功能是可能點(可能為地面點 的雷射點)到 TIN 三角形平面間的最大角度，一般 設定在4~10 度間； Iteration distance 為該點到 TIN 三角形平面的距離，可以牽制Iteration angle，避免 將平面面積大的一層建物分為地面點，一般之設定 值在0.5~1.5 m 間。Reduce iteration angle 是避免當 TIN 三角形三邊長小於所設定的距離時，繼續增加 地面點，Iteration angle 會趨近於 0，防止產生過多 之地面點並減少記憶體佔用；此選項建議在地面點 密集的地區使用。

3.3 人工編修

人工編修空載光達點雲資料的方式可分為兩 種：一為地毯式的編修，另一為特徵部分的編修。

前者是對於整個研究區域完整地搜尋並加以編修；

後者則是針對半自動過濾容易發生錯誤的區域進 行編修。若針對易發生錯誤區域進行編修，實際操 作經驗得知山脊和密林區為較關鍵的錯誤地區，故 為優先編修的區域，如圖3 中的山脊部分並沒有地 面點，其中圖3(b)紅圈處是圖 3(a)中紅線對應之位 置；圖4 則顯示屋頂上的地面點分布，其中圖 4(b) 紅圈處是圖4(a)中紅線對應之位置。當編修完成較 關鍵的區域後，其他地區則視狀況決定是否繼續編 修。另人工編修方法亦依不同情況進行，如圖3(b) 中的山脊缺少地面點，則將非地面點修改屬性為地 面點；若為圖4(b)狀況，則需將屋頂之地面點修正 為非地面點。故確定之地面點數多寡與地形覆蓋面

等天然因素及過濾參數有關，不會隨著編修時間愈 長，地面點數愈多或愈少。

(a)俯視圖 (b)側視圖 圖3 山脊上無地面點分布情形展示圖

(a)俯視圖

(b)側視圖

圖4 屋頂上的雷射點被誤分為地面點情形展示(a)(b)圖 (橘色點為地面點；藍色點為非地面點)

4. 成果與討論

研究中使用的空載光達資料，經過 TerraScan 軟體之半自動過濾與人工編修後，初步成果如下:

4.1 半自動過濾成果

4.1.1 都會區過濾成果

都會區的地面點大都分布於街道或空地，非地 面點大多在建物屋頂；而容易被誤分為地面點的區 域大部分在高架橋或大面積的建物。

4.1.2 裸露地過濾成果

此區的點雲大部分在作物區、河床和聚落區，

少數的點雲會落在水體表面。對於在土堆、小樹叢

和水體邊緣的精度並不理想。

4.1.3 矮植被區過濾成果

此區的地物大多為農作物，只有少數的建物、

水體和密林。在矮植被區的半自動過濾效果並不佳，

原因為雷射點的穿透率低及植被高度和裸露地的 差異不大，故容易造成分類錯誤。

4.1.4 疏林區過濾成果

本區的地物大多為果樹、竹林或坡地上的樹林，

少部分的密林或地勢陡峭的山區。分類精度不佳的 原因是雷射點不易穿透疏林中相對較密的林區。

4.1.5 密林區之過濾成果

密林區的地物主要為山坡上的密林，雷射點真 正到達地面的雷射點相當少，故造成本區分類精度 不佳。

4.2 人工編修後成果

空載光達資料之人工編修成果分兩部分比較：

一是人工編修所花費之時間；二是不同編修者針對 同一圖幅編修之差異。

4.2.1 人工編修時間與精度之關係

人工編修所花費時間與DEM 成果之關係，亦 分為不同地表覆蓋DEM 編修成果的高程平均誤差 及標準差兩種比較。圖5 顯示編修一幅 1/5000 基 本圖範圍之每種覆蓋面所需的時間，以都會區所需 編修時間最少，森林區則需要較多的時間。圖 6 為不同覆蓋面經過不同編修時間後統計之高程標 準差，會隨著編修時間的增加而減少；其中亦顯示 裸露地區因只具單一回波資料，回波資訊較為單純，

且植生干擾最少，故評估的標準差最小；但密林區 受到植生的干擾(雷射點不易穿透密林區，所以能 獲取地面點的資訊最少)，故統計的標準差最大。

另依據編修之經驗，一幅 1/5000 基本圖範圍的編 修時間達8 小時後，編修後之高程標準差即趨於穩 定。編修過程中，因雷射點類別改變，確定之地面 點數有增加或減少，但總點雲數(包含地面點及非 地面點類別)不變。

圖5 各種地表覆蓋 DEM 編修成果平均誤差比較圖

圖6 各種地表覆蓋 DEM 編修成果高程標準差比較圖

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

編修時間(小時) 高

程 平 均 誤 差 ( 公 分 )

都會區 裸露地 矮植被區 疏林區 密林區

0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

編修時間(小時) 高

程 標 準 差 ( 公 分 )

都會區 裸露地 矮植被區 疏林區 密林區

4.2.2 不同編修者之差異

另利用相同地區的光達資料，但不同編修者編 輯後之地形高程差進行評估；研究中挑選矮植被區 地形變化大，亦具有其他不同覆蓋面之9622-4-026 圖幅作為實驗區，並由兩位編修者個別作業，以供 比較；其中編修者甲費時9 小時，編修者乙費時 7 小時完成。不同編修者每小時編修成果與最終成果 之平均誤差和標準差，展示於圖7 和圖 8；若視最 終成果為真值，並以點對點的方式比較，得知兩者 的高程平均誤差為8 公分，標準偏差為 25 公分。

圖9 則比較兩位編修者之編修成果之高程差異，兩 者編修成果差異最大的部分為水體邊緣。而圖10(a) 為編修者甲之成果，圖10(b)為編修者乙之成果，

比較兩者可發現編修者乙分類為地面點之數量較 編修者甲多。

4.3 半自動過濾及人工編修之型一 與型二錯誤

雷射點資料在生產數值高程模型過程中只需

要使用地面點，其餘雷射點都視為非地面點並不會 使用。因為半自動過濾無法完全正確，將所產生之 錯誤分為型Ⅰ(Type I)錯誤和型Ⅱ(Type II)錯誤，定 義如下：

型Ⅰ錯誤：原本為地面點之雷射點過濾後被歸為非 地面點。

型Ⅱ錯誤：原本為非地面點之雷射點過濾後被歸為 地面點。

若選擇三幅代表不同地表覆蓋物之圖幅，包含 平坦地區的裸露地、山區的密林地及地形變化較複 雜的疏林區。則如圖11 和圖 12 表示出半自動過濾 和人工編修，在處理各種地表覆蓋物時之型一和型 二錯誤統計。顯示空載光達資料不論是經由半自動 過濾或是人工編修，在地形變化複雜的地區皆出現 較多錯誤；而密林地區之總和錯誤則以人工編修方 式最低，可能是因該類地表覆蓋之地面點皆以人工 加點為主。

圖7 編修者甲與乙之 DEM 編修成果逐時平均誤差比較圖

圖8 編修者甲與乙之 DEM 編修成果逐時高程差標準差比較圖

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

編修時間(小時) 高

程 平 均 誤 差 ( 公 分 )

編修者甲 編修者乙

0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0

0 2 4 6 8 1 0

編修時間(小時) 高

程 差 標 準 差 ( 公 分 )

編修者甲 編修者乙

圖9 二編修者最終編修成果差異

圖10 二編修者編修之差異；其中橘色點為地面點，藍色點為非地面點

圖11 半自動過濾錯誤示意圖

5. 結論

空載光達資料產製 DEM 過程中，以使用 TerraScan 軟體為例，需要先經過人工設定分類參

數，再進行人工編修。在地形變化複雜之區域，則 可分為數個小區域分別進行處理，以增加作業時的 效率與精度。另選擇適當分類參數分類後，對於人 工編修地形變化複雜的區域和密林地區所花費之

半 自 動 過 濾

0 0.5 1 1.5 2 2.5

平坦地區 山區 地形變化複雜

百分比(%)

型Ⅰ錯誤 型Ⅱ錯誤 總和錯誤

人 工 編 修

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

平坦地區 山區 地形變化複雜

百分比(%)

型Ⅰ錯誤 型Ⅱ錯誤 總和錯誤

時間為編修都會區或裸露地之兩倍。

研究中實驗顯示，不同編修者對於相同的地區 所花費的時間會有差異。另二編修者之編修成果高 程差異最大達8 公分，標準差為 25 公分；儘管最 終成果相近，但局部地區仍有一些明顯之差異。為 了確保最終成果品質，需有標準作業程序。人工編 修部分，以都會區所需編修時間最少，森林區則需 要較多的時間。而根據經驗，在編修8 小時後，高 程差標準差會趨於穩定；其中以裸露地區標準差最 小；密林區標準差最大。

空載光達資料不論是經由半自動過濾或是人 工編修，在地形變化複雜的地區皆出現較多錯誤；

而密林地區之總和錯誤則以人工編修方式最低，可 能是因該類地表覆蓋之地面點皆以人工加點為主。

另本研究只針對十幅圖幅之五種不同覆蓋區進行 測試，未來研究中應增加實驗之圖幅數以利研究。

謝 誌

感謝內政部提供2003 至 2004 年間獲取之空載 光達掃描資料，農委會之96AS-7.3.1-ST-a1 計畫支 援，研究得以完成，深致謝忱。

參考資料

內政部，2005。空載光達作業流程規範(草案)，內 政部。

Axelsson, P., 1999. Processing of laser scanner data-algorithms and applications. IAPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, Vol. 54, 138-147 .

Terrasolid, 2004. TerraScan User Guide, Terrasolid.

On the Manual Editing for DEM Generation with Airborne LiDAR Data

Hsin-Yu Ho

Da-Ko Chen

Tian-Yuan Shih

Wei-Chen Hsu

ABSTRACT

In the process of producing digital elevation model with airborne LiDAR, different procedures are required for products of different specified level. This thesis was written from April to June, 2007.

Reference to a draft for specifications and standard operation procedures for airborne LiDAR survey, MOI, DEM products were classified to three levels. When producing products higher than level two, it requires manual editing to assure the correctness. In this study, several issues of manual editing are investigated. Ten map-sheets covering five major land-cover types are selected for the comparison.

The area of each map-sheet is about 2.5 km by 2.5 km. Preliminary results show that for the same map-sheets, manual editing by different operators may produce different results and the time required is significantly different. In general, the height difference of the DEMs from two individuals is 8 cm and it gives a standard deviation of 25 cm.

Keywords:

1Associate researcher, Energy and Environment Research Laboratories (EEL), Industrial Technology Research Institute (ITRI)

2 Senior Researcher, EEL, ITRI

3Professor, Department of Civil Engineering, National Chiao Tung University

Received Date: Sep. 18, 2008 Revised Date: Nov. 06, 2008 Accepted Date: Feb. 02, 2009