航測與三維雷射掃描資料應用於九份二山地形變化分析

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航測與三維雷射掃描資料應用於九份二山地形變化分析

蕭國鑫

¹

劉進金

²

游明芳

³

曾義星

⁴

摘要

本研究利用可在短時間內獲取高密度與高精度的三維雷射掃描資料，針對 1999/09/21 集集大地震後的九份二山崩塌地形，配合少數地面控制點佈設與野外測量，以獲取大地座標資訊；同時亦進行地面三維雷射多測站掃描，並將掃描資料連結與進行座標轉換，再模型化目標區的三維資訊；最後綜合地震前的 40 公尺網格 DEM 資料、地震後的航測高程、空載與地面三維雷射掃描資料，以評估九份二山順向坡大崩塌的地形變化。初步比較地震前、後高程差異較大地區可達 60 公尺，平均高差為 38 公尺。另以三維雷射掃描資料，比較地震後崩塌底部局部地區的高程差異，最大約 6 公分；因而空載三維雷射資料應用於監測此地形變化量尚無可行性。

關鍵詞：崩塌地、數值高程資料、光達影像

1. 前言

台灣本島的地質條件特殊，加以山區地形陡峻；所以在地質不穩定區的順向坡地帶、表土鬆軟區或裸露礫石岩層區，就容易受到暴雨影響而產生山崩；特別是 921 大地震後，部份地區的表土因地震搖晃而鬆弛，此現象在往後有較大的地震或暴雨來襲時，更容易引發地形變化。

當有崩塌或土石流災害發生時，會改變區域性的地形地貌；而獲取此災後的地形資料，傳統是以實地測量或航照立體對產生高程資訊，再比對災害前的地形評估變化趨勢。但野外測量或取得完整航照資料，往往需要花費較多的時間與物力；利用可攜式地面三維雷射掃描 (ground-based 3D laser scanner)系統，除了可在短時間內，具機動性測取高密度點雲(point clouds)且高精度的數值地形資料外；配合點雲資料模型化(modeling)，則可形成三

維向量圖形的空間資料。另亦可結合地面控制點佈標與座標測量，將目標區的點雲資料換算為絕對大地座標，或依任務需求換算為需要的 DEM 網格及等高線間距資料，再疊合歷史的高程資料進行比對分析。

鑑於三維雷射掃描可在短時間內，相對機動性地獲取目標區的地形資訊；所以乃利用地面三維雷射掃描系統，實際測取九份二山地滑區的地形資料，並比對 921 地震前的 DEM 資料、地震後的航測數值地形及空載三維雷射掃描資料，以評估地形變化。

2. 三維雷射掃描

農委會建置的 DEM 網格為 40 公尺，而現有 1/5,000 基本圖及數化等高線資料平均高程精度，

收到日期:民國 93 年 04 月 23 日修改日期:民國 93 年 10 月 01 日接受日期:民國 93 年 10 月 06 日 1工研院能資所研究員

2工研院能資所正研究員及國立交通大學博士生

3工研院能資所副研究員

4國立成功大學教授

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最高可達等高線間距的一半，故估算地形變化容易產生誤差；所以研究中乃再結合高程精度相對較佳的空載及地面三維雷射掃描資料，以評估九份二山地震前、後的地形變化；其中前三項資料已轉換為 TWD97 座標，後者則將多測站點雲資料連結(join) 與模型化，並結合控制點測量資料，將模型化的資料轉換到相同座標系統。

2.1 三維雷射掃瞄原理

三維雷射掃瞄是利用雷射測距儀主動發射雷射光(通常為綠光或近紅外光)，並同時接收來自目

標物反射的訊號進行測距；而藉由測站至掃瞄點的斜距，配合雷射掃瞄的水平與垂直方向角，就可推求掃瞄點與測站的三度空間相對坐標差(如圖 2.1 所示)。另施行三維雷射掃描時，掃描儀通常亦會接收目標物的反射強度(intensity)，而部分描儀更具有同時接收雷射反射光及光學影像的能力，以獲得目標物真實三維影像。

α:

水平角；

β:

垂直角；

γ:

斜距

圖 2.1、雷射掃描計算的相對座標式意圖

三維雷射掃描雖然可快速取得地表高程資訊，但對大型目標物或難以接近的地物進行長距離觀測時，因距離越遠，觀測精度越差；故要保持儀器的測距精度，則需在其有效距離(range)或標準範圍內。且雷射掃瞄的定位精度與測距精度、瞬間視角(Instantaneous Field of View, IFOV)、水平與垂直角精度皆有關係，所以必須綜合所有條件評估雷射 掃瞄儀的測距精度(Lichti et al., 2000)。

2.2 三維雷射掃描應用於地形量測

2.2.1 三維雷射掃描資料獲取

一般容易發生地形改變的地區，如溪谷、道路開發區或向斜邊坡…等地區，可能因交通不便、人員難以到達、規模太大或其他因素影響，所以利用

長距離地面三維雷射掃瞄儀較為合適(蕭國鑫、

等，2003a)。另在進行掃描時，亦須考慮植生遮蔽與置放平臺的穩定性、可掃描範圍、多測站資料是否可以連結與是否全部涵蓋等問題。

地表植生與構造物為影響三維雷射掃描的重要因素；故一般的掃描儀會設計選用一個或數個回波訊號，如第一次回波(first return)可得到地表物高程模型(Digital Surface Model, DSM)，最後回波(last return)可能得到實際地表高程模型(Digital Terrain Model, DTM)；但房屋與其他固體結構物等雷射波無法穿透地區，則得到的是地表建物高程模型 (Digital Building Model, DBM)，其型式如圖 2.2 所示。而在獲取三維雷射資料時，為了避免植生干擾，通常會選用掃描的最後回波反射，作為代表地物的三維資訊。

Scan Points

β

α X’

Y’

Z

Scanner Coordinate System

r ⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

⋅

=

⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

β α β

α β

sin sin cos

cos cos

' ' '

r r r Z Y X

X＇: 緯度座標 Y＇: 經度座標 Z＇: 高程資料 Z’

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圖 2.2、三維雷射掃描獲取的資料型態

2.2.2 點雲資料連結

當設定三維雷射掃瞄範圍並觀測資料時，物體遮蔽區就沒有觀測資訊；所以針對多遮蔽、複雜外型、無法以一次掃瞄全部範圍的目標物，即須聯合多測站觀測的點雲資料，才能完全涵蓋整個被測物表面。但是不同測站的點雲資料，為對應於測站位置、水平面及起始掃瞄方向(或磁北方向)的相對參考座標，不同測站即具有不同的參考座標系統(參圖 2.1 所示)；所以點雲資料連結即是求得各參考座標系統的轉換關係，或將所有點雲資料轉換到共同的參考座標系統。依目前的點雲連結方法有 1共軛面轉換法 2磁性覘標控制點法 3測站後視稜鏡法 4曲面匹配法等四種(蕭國鑫、等，2003a)；

研究中為利用曲面匹配法進行資料連結。

曲面匹配法的應用是所觀測的地物具有起伏的曲面，透過曲面匹配的方式，結合具有重疊觀測區域的點雲資料。目前的曲面匹配理論尚無法全自動化，須先以人為操作方式達到近似匹配，才能進行最佳匹配的運算。

2.2.3 點雲資料模型化

模型化連結的點雲資訊為向量或圖形資料時，就可描述目標物幾何外型的空間資訊；如將向量資料投影至平面上，可形成二維平面圖或地圖，

亦可利用透視方式瀏覽所形成的三維空間資訊。另掃瞄時同時取得目標區數位光學影像，則可將影像貼於模型表面形成虛擬的實境景觀；但其缺點為較遠距離時的點雲資料較疏，相對於數位光學影像的點數亦較少，所以若需模擬觀察遠距離細微的目標物時，由於空間解析力較差的緣故，所以形成的三維影像容易有格子狀影像產生。

2.2.4 點雲資料座標轉換

多測站連結並模型化的點雲資料，已初步轉換到對應於測站的共同參考座標系統，此時可藉助於控制點的座標進行座標轉換(如圖 2.3 所示)；即將相對於測站的參考座標轉換為實際的絕對大地座標，以利於結合多時的高程資料之疊合比對與分析。

3. 地形變化偵測結果與精度評估

實際案例以九份二山大面積的向斜地滑區進行地形變遷分析；而比對的資料包括地震前的 40 公尺 DEM 資料、地震後兩次的航測高程、空載與地面三維雷射掃描資料。

3.1 九份二山地面三維掃描資料獲取

研究區崩塌地範圍如圖 3.1 所示；獲取點雲資料時，為透過電腦控制軟體的驅動，結合 PDA 小型電腦下達操作指令，同時在三維雷射掃描儀螢幕上會顯示掃瞄範圍、點雲密度及相關掃瞄資訊；且掃描儀具有同時接收目標物反射訊號及反射強度的功能(每個測站約 10~20 分鐘，視點雲多寡而定)。

當獲取向斜崩塌區的多測站掃描資料後，以曲面匹配法進行多測站資料連結，將所有的點雲資料轉換到共同的參考座標系統，再進行一致性的座標轉換。其中大地座標轉換為配合控制點施測，在崩塌區設置保力龍覘標(雷射回波反射不會太強，便於保力龍中心點辨認)，並結合全測站及 GPS 量測其大地座標；再經由座標轉換，將相對於測站的參考座標轉換為實際的絕對大地座標。而經過連結與座標轉換後的點雲資料，即以模型化後的向量或圖形，在一致性的大地座標下製作等高線或高密度數值網格高程資料。如圖 3.2 即為初步模型化九份二山點雲資料二維平面圖。

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圖 2.3、多測站掃描點雲資料座標轉換示意圖

圖 3.1、九份二山研究區崩塌地範圍圖

圖 3.2、模型化九份二山點雲資料二維平面圖

3.2 九份二山地滑區地形變化偵測結果

圖 3.3(a)為九份二山地震前 40 公尺網格 DEM 資料模擬日照影像，圖 3.3(b)則為 1998/12/31 日 SPOT 衛星 3D 模擬影像，由圖中可以大略顯示地震前的地表情形。圖 3.4 為九份二山地震後兩次航測高程資料模擬立體影像；初步比對圖 3.3 的高程資料後，顯示地震影響向斜滑動的地表地形已產生大的改變。

(a) DEM 資料模擬日照影像 (b)SPOT 衛星 3D 模擬影像圖 3.3、九份二山地震前的地表地形

(a)地震前 DTM 資料 (b) 2001 年 5 月航測高程模擬立體影像

圖 3.4、九份二山地震後的航測高程資料模擬立體影像

Scan Points

β α

X’

Z

Y’

Z’

Scanner Coordinate System X

Y

r

Object Coordinate System

(Xs, Ys, Zs)

⎥ ⎥ ⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎢

⎣

⎡

−

⋅

=

⎥ ⎥

⎥

⎦

⎤

⎢ ⎢

⎢

⎣

⎡

s s

s

Z Z

Y Y

X X R

Z Y X

' ' '

ωϕκ

九份二山 九份二山

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農委會於 90~91 年委辦計畫中，曾引進加拿大 Opetch 公司之 ALTM 2003 與 LH 公司之 ALS 40 兩套空載雷射系統進行測試掃描；如圖 3.5 即為空載三維雷射掃描資料產出的九份二山三維影像(史天元、等，2002)。另研究中亦與成大合作，利用 ILRIS-3D 地面三維雷射掃描系統，測取九份二山

部分向斜地滑區的地形資料；除結合控制點施測，

以換算多測站連結點雲資料為絕對的大地座標外 (如圖 3.6 之 2003/08/27 及 11/25~26 日施測九份二山地面三維雷射掃描部分成果圖)；另外亦綜合已 蒐集之圖 3.3~圖 3.5 的地形資料評估地形變化。

(a)掃描範圍 (b) DSM 資料 (c) DEM 資料圖 3.5、空載三維雷射掃描資料產出的九份二山三維影像 (史天元、等，2002)

綜合上述資料，暫時不考慮高程精度，則比較多時期高程資料後，可看出不同時期的地形變化。

如圖 3.7 為九份二山地震前、後之 DEM 對照 2003

年 2 月航測高程與空載雷射掃描資料比較圖，初步顯示地震前、後向斜地滑區往下滑落情形。

(a)地震前 DEM 資料

(b)地震後航測高程資料

(c)地震後空載三維雷射資料

(d)地震前、後地形資料比較

(e)地震前、後地形資料比較

圖 3.7、九份二山地震前 DEM 對照 2003 年 2 月航測高程空載雷射掃描資料比較圖傳統監測微地形變化為佈設地面控制點，利用

量測精度相對較高的野外測量或 GPS 量測之；但實際測量點數有限，且難以全面涵蓋目標區。而航

測資料雖然可監測大面積的變動狀況，如地表開挖、砂石或礦區開採等高程資料有較大變化者；唯航測資料推算的平均高程精度在等高線間距的 1/2

地震前 DEM 資料

地震後空載雷射掃描資料

地震前 DEM 資料地震後航測高程資料

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以內，高程誤差較大，故不容易精確估算實際高程變化。但空載三維雷射掃描資料的精度已提昇到公分~公寸級，往後若累積多時期的資料，則監測的高程變化精度可較航測資料高。

地面三維雷射掃描特色為可攜式與高精度，對於面積不大、通視良好且植生少的地區，則可獲得頗高的掃描精度；其中地表變動量大於掃描精準度的兩倍，則可以比較小範圍地形隨時間序列變化狀況；如圖 3.8 為九份二山地震後之航測、空載與地面三維雷射掃描資料比較圖。

另外針對重點或帶狀分布區亦可進行比對分析，如疊合不同時間測取的高程資料，在重要測線或敏感地區，作時間序列的微地形變化比較，就可繪出剖面高程分布；如圖 3.9 即為九份二山向斜滑動面剖面位置及其高程分佈圖，顯示地震前、後高程差異較大地區達 60 公尺，平均高程差異約為 38 公尺。

如利用三維雷射掃描之公分級精度資料，比較

九份二山地震後局部地區的高程變化，其成果如圖 3.10 所示，顯示高程差最大地區為 6 公分。由於目前尚沒有 ILRIS-3D 掃描儀器對崩塌區實際的精度檢測資料，且空載三維雷射掃描精度遠大於此，所以圖 3.10 疊合分析的微量高程變化，在缺乏儀器的精度資料佐證下，不同時期的高程微量變動，尚無法確切的予以評估。

(a) 航測與空載三維 (b)空載與地面三維雷射雷射資料比較圖資料比較圖

圖 3.8、九份二山地震後之航測、空載與地面三維雷射掃描資料比較圖

圖 3.9、九份二山向斜滑動面剖面位置及其高程分佈圖 (測量資料來源:水保局，2003)

圖 3.10、九份二山地震後局部地區高程資料分佈

B

E

C F

E

B C D

E F

剖面位置

B

2003 年航測資料

2002 年空載三維雷射資料

2003 年 8 月地面

三維雷射資料

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3.3 三維雷射掃描精度評估

三維雷射掃描儀器出廠前，廠商均會提出軟硬體的相關規格，如雷射光束種類、安全度、標準測距(standard range)、最大測距、掃描速率、可掃描視野(IFOV)…等相關資料，並會對精準度(accuracy) 作說明。由於雷射掃描包含三維立體資料，所以評估精準度時除了測距精度外，亦需包括掃描時的目標物對應儀器中心之水平角及垂直角；另外亦需考慮掃描當時的大氣狀況，控制點精度與人員的操作經驗等狀況；所以評估掃描精度，應對應控制點資

料或實際野外測量資料為評估基準。

依史天元、等(2002)應用空載雷射掃描儀進行地震災區形變研究，曾就九份二山高程部分進行成果精度評估。如應用地面 RTK 實測 137 點數據檢核結果，Opetch ALTM 2003 儀器的均方跟差為 10 公分，LH ALS 40 儀器均方跟差為 12 公分；ALTM 2003 與 ALS 40 兩組資料以 RTK 137 個測點比較，

則均方跟差為 13 公分。另外亦針對不同覆蓋物與坡度進行評估(如表 3.1~表 3.2 所示)，因不同地形與地表覆蓋均會影響掃描精度(如由 DSM 轉換為 DEM 或最後回波資料)，故統計的精度亦不同。

表 3.1、評估九份二山空載雷射掃描精度之不同區域地形狀況

Area # of points Area Description Validation Category A 137 Average slope less than 10 degree, Road width 7 meters,

open to the sky

Flat road surface

B 81 Road width 5 meters, 5 to 30 meter height difference between road and road-side, sky visibility generally poor

Covered road surface

C 349 Slope ranges from 15 to 35 degrees, open to the sky, bare rock

Cover-less, uniform slope, nature bare rock

D 169 Open to the sky, soft soil Cover-less, nature bare soil E 125 Slope about 10 degree, Orchid and Tea field Vegetated with uniform height F 46 Slope about 30 degree, Tea field Tea Field

G 82 Slope about 15 degree, Tea field Tea Field H 70 Slope about 10 degree, bare soil Flat bare soil

(史天元、等，2002) 表 3.2、評估九份二山不同覆蓋與坡度之空載雷射掃描精度

Optech ALTM 2033 數據評估 LH ALS 40 數據評估分

區區域概況 RMSE Mean Mdian Skew Std Dev

# of Points

RMSE Mean Mdian Skew Std Dev

# of Points A 開闊平坦水泥路 9.9 -3.7 7.2 0.575 9.3 137 11.6 0.2 7.2 0.32 11.0 137 B 遮蔽區域路面 14.6 12.3 14.1 -0.178 7.9 80 12.2 0.8 6.0 0.483 12.2 79 C 崩塌體滑動面 22.8 -12.0 -11.9 -0.67 19.4 316 40.4 19.1 25.1 -0.64 35.7 316 D 開闊鬆軟堆積區 10.4 3.2 8.7 -0.110 10.0 86 15.6 10.6 10.4 0.087 11.5 86 E 緩坡茶園區 13.7 -4.1 6.3 -0.9 13.2 125 NA NA NA NA NA NA F 30 度坡度階梯茶園 25.8 19.1 17.1 0.66 17.6 46 40.2 -26.3 -18.5 -1.0 30.8 46 G 15 度坡度透空開闊茶

園

19.0 3.1 9.7 -1.7 18.8 82 47.0 -29.2 -31.1 -0.2 37.1 82

(史天元、等，2002)

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美國航遙測學會 (America Society of Photogrammetry and Remote Sensing；ASPRS)光達委員會(Lidar Committee)在 2004 年 1 月 15 日，曾研擬雷射掃描垂直精準度報告初稿，並於 2 月 19 日公佈；故依美國國家製圖精度標準(National Map Accuracy Standards；NMAS)及空間資料精度國家標準(National Standard for Spatial Data Accuracy；

NSSDA)，對於空載資料垂直精準度已有規範可循 (如表 3.3 所示)。其中評估高程精準度時，對於資料的獲取、精準度評估標準(如在平坦地區的資料需通過 95%的信心測試，且為常態分布、品質管控與過程…等)均有所規範 (ASPRS, 2004)。另外在產

製空間資料時，水平精度亦是重要資訊，所以對於水平精準度亦予以明確詳加規範(如表 3.4 所示)。

由於 ASPRS 對於空間資料精度國家標準已有初步定義(第一版)，且有規則可循；而目前國內尚沒有沿用空載三維雷射資料提供製圖的正式範例可供參考。因此，對於往後引用空載三維雷射資料大面積製作高程資料時，可參酌或局部修正 ASPRS 對於空間資料精度定義予以規範，以明確顯示空載資料之實用性。如套用九份二山的空載三維雷射掃描資料，就可依控制點的統計資料，明確規範出評估的高程精度可提供製圖的等高線間距或製圖比例尺等級。

表 3.3、美國國家製圖及空間資料精度國家標準之高程精準度比較 NMAS

Equivalent Contour Interval

NSSDA RMSE(z)

NSSDA Accuracy(z)

Required QC Accuracy for

“Tested to Meet＂

0.5 0.15 ft or 4.6 cm 0.30 ft or 9.1 cm 0.10 ft 1 0.30 ft or 9.25 cm 0.60 ft or 18.2 cm 0.20 ft 2 0.61 ft or 18.5 cm 1.19 ft or 36.3 cm 0.40 ft 4 1.22 ft or 37.0 cm 2.38 ft or 72.6 cm 0.79 ft 5 1.52 ft or 46.3 cm 2.98 ft or 90.8 cm 0.99 ft 10 3.04 ft or 92.7 cm 5.96 ft or 181.6 cm 1.98 ft

P.S.: [1] NMAS CI = 3.2898*RMSE(z)；[2] NMAS CI = Accuracy(z)/0.5958 Where [3] Accuracy(z) = 1.9600*RMSE(z) (Normally Distributed Error)

表 3.4、美國國家製圖及空間資料精度國家標準之水平精準度比較 NMAS

Map Scale

NMAS CMAS 90%

NSSDA RMSE(r)

NSSDA Accuracy(r) 95%

confidence level 1" = 100' or 1:1,200 3.33 ft 2.20 ft or 67.0 cm 3.80 ft or 1.159 m 1" = 200' or 1:2,400 6.67 ft 4.39 ft or 1.339 m 7.60 ft or 2.318 m 1" = 400' or 1:4,800 13.33 ft 8.79 ft or 2.678 m 15.21 ft or 4.635 m 1" = 500' or 1:6,000 16.67 ft 10.98 ft or 3.348 m 19.01 ft or 5.794 m 1" = 1000' or 1:12,000 33.33 ft 21.97 ft or 6.695 m 38.02 ft or 11.588 m 1" = 2000' or 1:24,000* 40.00 ft 26.36 ft or 8.035 m 45.62 ft or 13.906 m

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地面三維雷射掃描資料的精準度評估，如 Lichti (2002)等曾利用 I-SITE 之 terrestrial laser scanners (TLSs)系統(核心系統為 Riegl LMS L-210 scanner，可掃描水平視野(FOV)為 336˚，垂直視野 80˚)，量測掃描一平坦且可反射的米黃色(beige) 牆，並以粗(coarse)、中(medium)、細(fine)、極細 (ultra)之解析力與配合不同的回波訊號(如第一或最後的回波)，測試 21 組三維雷射掃描資料(每一

組資料均有 16 個掃描)；在引用該儀器之±25mm 高精度模式及±50mm 之標準精度模式，並統計 999 點資料後，得到如圖 3.11 之地面三維雷射掃描平面相稱(plane fit)殘差頻率分布圖。在確定高精度模式的三維雷射掃描偏差量(bias)小於 0.05m 後，對一木製縱樑(stringer)橋做三維掃描與數值航測照相；並在一荷重物重壓下再做掃描與照相，最後得到如表 3.5 所示之變形量情形。

-0.1 -0.05 0.0 0.05 0.1m (a)單一掃描之粗解像力高精度掃描殘差頻率分

布

-0.1 -0.05 0.0 0.05 0.1m

(b)單一掃描之粗解像力標準精度掃描殘差頻率分布

圖 3.11、地面三維雷射掃描平面相稱殘差頻率分布圖 (Lichti，2002)

表 3.5、地面三維雷射掃描與航測方法評估木製縱樑橋荷重變形情形 (Lichti，2002) Individual Scan Mean of 5 Scan Applied △Z (mm) Observed △Z (mm) Difference △Z (mm) Observed △Z

(mm)

Difference △Z (mm)

1.5 -4.8 -6.3 -1.2 -2.7

6.0 3.6 -2.4 2.2 -3.8

8.0 4.2 -3.8 6.6 -1.4

12.6 8.2 -4.3 12.4 -0.1

16.5 14.2 -2.3 17.0 0.5

25.3 24.2 -1.0 24.6 -0.6

33.5 31.4 -2.1 33.0 -0.5

50.3 57.0 6.7 51.2 0.9 RMS ±4.1 ±1.8

ILRIS-3D 地面三維雷射掃描儀的精度測試，

依賴志凱(2004)以不同日期對室內檢測場多次測試結果，評估測量誤差為公分級；但一般之室內檢測與實際野外量測資料仍會有差異，特別是在不同

的大氣條件、距離增加或多測站掃描資料連結的情況下，評估的掃描誤差亦往往會隨之增加。研究範例為在 8 月與 11 月測試掃描九份二山部分地滑地區，並參考水保局之控制點座標(農委會水保局，

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Frequency

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Frequency

(10)

2003)，得到初步精度比較(如圖 3.12 所示)；由於地面三維雷射掃描時的控制點資料有限，且點雲資料連結時，地面沒有安置適當數量且明顯的反射體提供資料連結用，故如圖 3.12 之各三組控制點座標資料高程差雖然為公分級，但仍只提供初步參考用。

結合多時期資料評估不同時期的地表高程變化，前提是需要有可信且精準的高程資料才有意義。如九份二山地區因為 921 地震引發的大面積向斜地滑，其高程差達數十公尺，高度變化遠大於產製各種地形圖比例尺高程資料的精準度，所以可據

以比較地震前後的地形變化；但對於微地形的變動，如高程變化量在不同資料的誤差範圍內，則統計地形變化量將失去意義。如依據水保局對九份二山地滑區地震後的地形變化監測，其控制點高程的年差異量尚為公分級(農委會水保局，2003)；因此，如圖 3.10 之九份二山向斜滑動剖面位置及其高程分佈圖，資料只能提供參考；屆各種掃描儀器產製的精準度確定後，就可依不同時期的地形資訊，如崩塌區、礦區開採、隧道變形…等資料評估變形量。

(a)掃描日期: 2003/08/27 (b)掃描日期: 2003/11/25~26

圖 3.12、九份二山部分地區之地面三維雷射掃描控制點座標比較

4. 結論與建議

多測站連結的地面三維雷射掃描資料，配合地面控制點施測與絕對座標轉換，可以相對快速獲取目標區的大地座標資訊；若與其他可確定高程空間精度的資料比對，則可以漸進式監測或比對地形變化，以提供地表高程差異量分析、崩塌土石方量估算或數值模擬…等用。如結合 40 公尺 DEM、數值航測高程資料、空載與地面三維雷射掃描資料，評估九份二山集集大地震前、後的地形變化，最大高差地區達 60 公尺，平均高程差異約達 38 公尺。

目前不同比例尺地形圖製圖精度，其高程精度平均在等高線間距的一半以內；而一般的地表地形受侵蝕速度非常緩慢，所以利用如地形圖資料監測地形變化並不可行。對於崩塌地、土石流區、礦區

開採、砂石開挖或土地開發整治…等地區，其高程變動量往往為公尺級；利用掃描精度在公分~公寸級的三維雷射掃描資料，若地表高程變動量在掃描精度的兩倍以上，則可以清楚地比較變動前、後的三維地形資料，並評估其差異量或分析高程變化。

研究中以空載與地面三維雷射掃描資料，比較九份二山局部裸露區地震後的地形變化，評估其變化量在 6 公分以內，其變化量遠低於空載雷射掃描的精度；因此，結合空載資料評估微地形變化尚不可行，但利用地面三維雷射資料，則需確定儀器的掃描精度後，才可以評估能否監測微地形的變動。

三維雷射資料最大優勢為可相對快速，並大面積獲取高密度點雲資料，但是目前尚沒有掃描儀器的野外量測精度資料可供參考。因此，如果能同時配合詳定本土化的三維雷射資料使用規範，並明確定義不同雷射系統實際測試的精準度範圍，則綜合

(11)

多時期的三維雷射資料監測地形變化，應具有相當高的應用潛力。

致謝

本研究承農委會 92 農科-2.5.2-林-F1 計畫支援，成大測量系協助地面三維雷射掃描資料獲取，

史天元教授提供精度評估資料，研究得以完成，深 致謝忱。

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Topographic Change Detection Using Aerial Photogrammetric Survey and 3D Laser Data in

Jiu-fen-er Mountain

Kuo-Hsin Hsiao

¹

Jin-King Liu

²

Ming-Fang Yu

³

Yi-Hsing Tseng

⁴

ABSTRACT

The evaluation of topographic change has been done on basis of 3D laser data and aerial photogrammetric survey. The newly-developed, time-saving approach is by using airborne and ground-based Lidar. A points-cloud of high precision and density distribution can be obtained in a few minutes for the sensitive latent landslide area. With a limited control survey of precise targets using GPS and total stations, multiple scans of ground-based Lidar can be registered together to form one cohesive 3D model. And, thus, overlaid the different period topographic data for estimating the changes of the target areas. This is conducted to observe the deformation of a large-scaled dip-slope landslide of Jiu-fen-er mountain, which was triggered by the big shock of the Chi-Chi earthquake at Nantou County of central Taiwan on 1999/09/21. Control points are systematically distributed on the 1000m by 2000m landslide surface. Surveys are made by transits of total stations, GPS, airborne Lidar and ground-based Lidar data. The terrain changes on ground surface have been detected in thus a scheme. It is found the largest and average changes of height between the earthquake events are about 60m and 38m. The effectiveness of applying 3D laser scanning is proved in this study.

Key Words: Landslides、Digital Terrain Model (DTM)、Lidar

1 Researcher, Energy & Resources Laboratories, Industrial Technology Research Institute

2 Senior Researcher , ERL, ITRI and Ph.D. Student, National Chiao Tung University

3 Associate Researcher, ERL, ITRI

4 Professor, National Cheng-Kong University.

Received Date: Apr. 23, 2004 Revised Date: Oct. 01, 2004 Accepted Date: Oct. 06, 2004

航測與三維雷射掃描資料應用於九份二山 地形變化分析