雷射入射角與空載光達穿透率關係探討

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雷射入射角與空載光達穿透率關係探討

黃清美

¹

史天元

²

摘要

空載光達原始點雲資料包含地面點與地物點，以空載光達產製數值高程模型時，地面點之密度與分布影響其對地形描述之詳實度有絕對之關係。因此，在表現資料品質優劣時，地面點點雲密度為重要指標之ㄧ。地面點密度高且分布均勻時，較能正確地展示地形面。地面點密度除受原始點雲密度之影響外，

穿透率為另一重要因子。穿透率受地表覆蓋物型態、雷射入射角與航高等因子影響。本研究以雷射入射角對穿透率的影響為探討目標，使用實測航帶，依平行航向五等分，作為五種不同雷射入射角之統計單元，分別求取各等分之穿透率。實驗結果顯示，當雷射入射角越小時，穿透率越高，反之亦然，航帶中間分帶穿透率約是面向航向最右五分之一(右二)及最左五分之一(左二)分帶的 1.6 倍，是由右方起第二個五分之一(右一)及第四個五分之一(左一)分帶的 1.3 倍。

關鍵詞：點雲、密度

1. 前言

空載光達可在短時間內獲取大量且高密度的多重回波點雲資料，點雲資料有豐富的高程資訊，

包含地物點及地面點。使用空載光達產生數值高程模型，表現資料品質優劣時，地面點點雲密度為重要指標之ㄧ。由於空載光達在取樣時無法如攝影測量中細部測量時，在立體模型中測繪與編修，以人工量測方式依地形揀選取樣點，因此，空載光達之取樣點理論上不能掌握最高點、最低點、稜線、谷線、等地性線與地性點。地面點密度高且分布均勻時，較能正確地展示地形面。地面點密度除受原始點雲密度之影響外，穿透率為另一重要因子。而雷射點穿越覆蓋面的比率，主要受地表覆蓋物型態、

雷射入射角與航高等因子影響(何心瑜，2006；黃清美，2007)。

在植被覆蓋率較大之地區，光達獲取資料時為了能得到更多的地面點以確保可以更準確地描述地形面，作業時必須要求更高的穿透力。本研究探

討當雷射入射角不同時，穿透率之變化，藉此討論了解在需要高穿透率的區域，雷射入射角的大小範圍，幫助調整作業之視角(FOV, Field of View)，以增加穿透率。

本研究使用實測航帶，依平行航向等分為五等分，作為五種不同雷射入射角之統計單元。如圖一所示，由左至右，順序以左二、左一、中間、右一、

與右二。分別求各等分之穿透率，即可得入射角與穿透率之關係。雖然地表覆蓋物對穿透率有直接的影響，但若樣本足夠，預期覆蓋物之影響會有彼此補償而達均衡化之結果，除非試驗區多為某一類地表覆蓋型態，此時地表覆蓋物會直接影響穿透率。

故本研究先以航照挑選試驗區，盡量排除試驗區皆為某一類地表覆蓋型態，以各類地表覆蓋物皆均勻分佈之試驗區為試驗區選取原則。

2. 實驗數據

本研究所使用之空載光達資料為內政部「辦理 LiDAR 測區之高精度及高解析度數值地形測繪」計

1

台灣世曦工程顧問有限公司工程師

2

國立交通大學土木工程學系教授

收到日期:民國 97 年 03 月 19 日修改日期:民國 97 年 05 月 19 日接受日期:民國 97 年 06 月 06 日

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畫成果，由工業技術研究院能源與環境研究所於 94 年所蒐集建置。編修後之數據成果以五千分之ㄧ基本圖之分幅方式儲存，本研究所選用地區為桃

圖一單一航帶依平行航向等分五等分園與新竹。使用的空載光達設備為 Leica ALS50 系統，平均每幅圖原始點雲一千多萬點，平均密度每平方公尺 1.4 點~1.5 點(工研院，2005)。為了解地面之覆蓋情況，本研究亦使用光達試驗區之正射影像作為輔助資料，其原始影像是於 91 年 11 月、92 年 3 月與 5 月所拍攝，拍攝相機為蔡司 RMK TOP，

航高為 3000~4000 公尺，正射影像地面解析度為 50 公分。

本研究於桃竹地區選擇三處試驗區，每一處取 2~3 條航帶，各航帶之 FOV 值作業時設定為 42 度，

各航帶之間重疊率為 40%。由於飛航作業時使用 GPS 導航，且無論航跡與姿態在作業時均力求與設計相符，故重疊比例與帶寬穩定。如圖一所示，本

研究所選之試驗區各航帶之帶寬約 1200 公尺，對地航高約 1650 公尺。由於分帶之選取為以地面航帶寬依平行航向等分五等分，每一分帶之帶寬約為 240 公尺，所對應之角度關係為：

中央分帶：±4.16^o；

右一與左一：±(4.16^o至 12.31^o)；

右二與左二：±(12.31^o至 20^o)；

本研究試驗區所選航帶如下：

1. 新竹六曲窩：航帶 67、航帶 68

2. 新竹富興頭：航帶 26、航帶 27、航帶 28 3. 桃園三民：航帶 80、航帶 81、航帶 82

3. 實驗結果

本研究穿透率計算方式有兩種，分別為穿透率 (A)及穿透率(B)，定義如下：

× 100%

= 點雲總點雲數地面點點數穿透率(A)

× 100%

= 雷射發射總數地面點點數穿透率(B)

穿透率(A)及穿透率(B)之差別為由雷射多回訊之特性所產生。穿透率(A)因總點雲數大於雷射發射總數，故其值應較穿透率(B)為低。以穿透率而言，穿透率(A)似乎較有代表性，但是因為多回訊之發生頻率與地面覆蓋有關，故雷射發射點總數為在設計階段可以充分掌握之因子，由航速、航高、

FOV、與雷射發生頻率，便可計算得知地面雷射發射之平均密度。

將每條航帶等分的五個統計單位面積由左至右依次稱為左二、左一、中央、右一、右二，分別計算其穿透率值，成果如表 1 至表 3，圖二至圖四為穿透率統計直方圖。

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表1 新竹六曲窩不同入射角與穿透率值(%)

航帶穿透率左二左一中央右一右二 A 11.7 15.1 18.9 18.9 11.6 67 B 14.9 19.8 24.7 25.2 15.0 A 9.8 10.3 14.1 11.3 10.5 68 B 12.9 13.6 18.1 14.6 13.7

0 5 10 15 20 25 30

67-left2 67-left1 67-middle 67-right1 67-right2 penetration rate A(%) penetration rate B(%)

0 5 10 15 20

航帶 67 航帶 68

圖二新竹六曲窩入射角與穿透率之關係

表2 新竹富興頭不同入射角與穿透率值(%)

航帶穿透率左二左一中央右一右二 A 22.3 26.7 30.8 22.1 22.0 26 B 24.8 30.0 34.4 24.9 24.5 A 15.5 20.6 36.4 32.1 22.4 27 B 17.4 23.1 39.8 35.7 24.9 A 27.2 30.5 37.4 32.0 22.0 28 B 30.3 33.9 41.2 35.2 24.6

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0 10 20 30 40 50

航帶 26 航帶 27 航帶 28

圖三新竹富興頭入射角與穿透率之關係表3 桃園三民不同入射角與穿透率值(%)

航帶穿透率左二左一中央右一右二 A 10.2 12.8 10.3 15.7 11.7 80 B 13.7 17.3 14.2 20.6 14.9 A 8.6 18.1 17.9 18.7 12.3 81 B 11.8 23.2 22.7 23.6 15.4 A 12.6 18.4 22.8 24.5 18.0 82 B 16.0 23.5 28.8 30.2 22.0

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0 5 10 15 20 25

0 5 10 15 20 25 30 35

航帶 80 航帶 81 航帶 82

圖四桃園三民入射角與穿透率之關係

4. 實驗成果分析

將相同試驗區中，不同航帶但相同入射角分帶分類之穿透率平均後，得到每一試驗區之不同入射角分帶之穿透率，比較其值，排序如下：

z 新竹六曲窩：中央(19%)>右一(17%)>左一(15%)>右二(13%)>左二(12%)

z 新竹富興頭：中央(37%)>右一 1(30%)>

左一(27%)>右二(23%)>左二(23%) z 桃園三民：右一(22%)>中央(19%)>左一

(19%)>右二(16%)>左二(12%)

由成果得知，除了桃園三民試驗區以外，新竹六曲窩與新竹富興頭試驗區航帶在入射角較小時穿透率都較高，入射角越大時，穿透率越低。

圖五桃園三民試驗區之正射影像

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桃園三民試驗區，中央分帶(入射角最小)穿透率並非最高，可能與地表覆蓋或點雲資料本身之分類錯誤有關。由圖五桃園三民試驗區之航空正射影像可以看出此試驗區可能因為有較多道路，且加上建物及水體的影響，地表覆蓋物不均勻而影響結果。因此，地表覆蓋之影響應為此現象之主要因素。若要避免地表覆蓋物影響，統計數量應增加，

統計單位面積也應增大，並挑選地表覆蓋種類在航帶中較均勻之區域，以排除地表覆蓋種類影響。且由於人工編修時第一類錯誤(Type I error)，亦即誤

將地形點濾除所生錯誤，難以完全消除，可能在某些統計面積下分佈大量的第一類錯誤，此種情況亦會影響實際之穿透率值。

由於各航線之掃描重疊率為 40%，故三航線中最左航線(航帶 80)之右一分帶與中間航帶(航帶 81) 左二分帶掃描地區相同，右二分帶與中間航帶左一分帶掃描地區相同。在中間航帶與最右航帶(航帶 82)亦為同樣情況。三個航帶以地面區域分，在重疊率為 40%共可分十一分帶。

表四相同地物不同入射角與穿透率值(穿透率 A) A: 新竹六曲窩

航帶 1 2 3 4 5 6 7 8 67 11.7 15.1 18.9 18.9 11.6

68 9.8 10.3 14.1 11.3 10.5 B: 新竹富興頭

航帶 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 26 22.3 26.7 30.8 22.1 22.0

27 15.5 20.6 36.4 32.1 22.4 28 27.2 30.5 37.4 32.0 22.0

C: 桃園三民

航帶 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 80 10.2 12.8 10.3 15.7 11.7 81 8.6 18.1 17.9 18.7 12.3 82 12.6 18.4 22.8 24.5 18.0

表五相同地物不同入射角與穿透率值(穿透率 B) A: 新竹六曲窩

航帶 1 2 3 4 5 6 7 8 67 14.9 19.8 24.7 25.2 15.0

68 12.9 13.6 18.1 14.6 13.7 B: 新竹富興頭

航帶 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 26 24.8 30.0 34.4 24.9 24.5

27 17.4 23.1 39.8 35.7 24.9 28 30.3 33.9 41.2 35.2 24.6

C: 桃園三民

航帶 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 80 13.7 17.3 14.2 20.6 14.9 81 11.8 23.2 22.7 23.6 15.4 82 16.0 23.5 28.8 30.2 22.0

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因此，由表一、二、三中截取相關相同地區、不同入射角度，將穿透率 A、B 重新列表如表四、五。

由表四、五可見，穿透率與入射角之負相關關係明確。入射角大時，穿透率降低。由表三所見三民地區之疑問，由表四、五可見 80-4 高於 81-4，81-5 高於 80-5，81-7 高於 83-7，82-8 高於 81-8，完全符合雷射入射角與穿透率成反比之推論，亦似乎可以證實前所敘述之中央分帶穿透率低於兩側分帶推論之因素。

但是，新竹六曲窩第 5 分帶與新竹富興頭第 5 分帶卻展現不符之現象。67-5 之入射角大於 68-5，

可是穿透率卻高於 68-5。由於新竹六曲窩航帶 67 之整體穿透率高於航帶 68，或尚可理解為整體上之因素導致之差異。但是，新竹富興頭航帶 27 之整體穿透率高於航帶 26，無法以此理由解釋如何產生。或可推論為第一類錯誤，亦即誤將地形點濾除所生錯誤，所導致之影響。但是為何發生於該兩處？似乎與當地地形有關。故而目前推論應為地形之坡向造成雷射入射角之改變。但是，尚有待具體證實。

5. 結論與建議

實驗結果顯示雷射入射角越小時，穿透率越高，本研究中除了桃園三民試驗區，可能受地表覆蓋物分佈不均及光達過濾誤差之影響，成果並非以中央分帶穿透率最高，但其他試驗區不同入射角之穿透率排序順序皆為中央分帶>左一或右一分帶>左二或右二分帶，而所有試驗區穿透率最低的區塊皆為雷射入射角最大時，即為左二與右二分帶。

扣除桃園三民試驗區，其他試驗區之中央分帶穿透率約是左一及右一分帶的 1.3 倍，是左二及右二分帶的 1.6 倍。由於各分帶所對應者為雷射入射角，此一數據應可提供空載光達規劃航線時選擇視場角(FOV)之考量參考。

6. 致謝

本研究承蒙國家科學委員會支助，專案編號

95-2221-E-009-243-MY2，謹此致謝。本研究進行中承蒙工研院能環所劉進金先生、徐偉城先生、陳大科先生協助、指導，亦謹此致謝。本文承蒙成功大學廖揚清教授指正，增加相同地物不同入射角與穿透率值部分之分析，在此深表感謝。

參考文獻

工研院，2005。應用空載光達生產數值地形模型之製作規範及標準作業程序，內政部主辦，工業技術研究院能源與環境研究所執行。

何心瑜，2006。空載光達作業流程及品質管理之研究，國立交通大學土木工程學系碩士論文。

黃清美，2007。空載光達點雲穿透率探討，國立交通大學土木工程學系碩士論文。

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On the Laser Incidence Angle and Airborne LiDAR Penetration Rate

C.M. Huang

¹

^{T.Y. Shih}

²

ABSTRACT

The point cloud obtained from airborne LiDAR is composed of ground points and non-ground points. The density of ground points is an important index for characterizing the quality of DEM.

When ground point density is high and distributed evenly, topography can be presented with high fidelity. There are a number of factors which may influence the ground point density. In addition to the density of the original point cloud, penetration rate is another essential factor. Penetration rate is influenced by land-cover types, incidence angle, flying height, etc. This study investigates the influence of incidence angle on penetration rate. Partitioning a flight line into five segments along the flight direction, the penetration rates are computed. It is shown that the penetration rate is higher with smaller incidence angle. The central segment of the flight line is 1.6 times of the right most and left most sections, and 1.3 times penetration rate of next right and next left sections.

Keyword：

point cloud, density

1

Engineer, CECI Engineering Consultant Inc.

2

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

Received Date: Mar. 19, 2007 Revised Date: May. 19, 2008 Accepted Date: J u n .06, 2008

雷射入射角與空載光達穿透率關係探討