LiDAR(光達)應用於人工邊坡快速檢測之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

LiDAR（光達）應用於人工邊坡快速檢測之研究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2211-E-006-047-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學資源工程學系（所）

計畫主持人： 陳昭旭

報告類型： 精簡報告

處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 10 月 30 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告

LiDAR（光達）應用於人工邊坡快速檢測之研究

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 94－2211－E－006－047 執行期間：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日

計畫主持人：陳昭旭 共同主持人：

計畫參與人員：柳雅瀞

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立成功大學資源工程系(所)

中 華 民 國 九 十 五 年 九 月 二 日

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

LiDAR（光達）應用於人工邊坡快速檢測之研究 The Study with LiDAR on the Rapidly Investigation

of Artificial hillside slope

計畫編號：94-2211-E-006-047

執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日 主持人：陳昭旭 國立成功大學資源工程系（所）

計畫參與人員：柳雅瀞 國立成功大學資源工程系（所）

一、中英文摘要

地面 LiDAR 是最近幾年出現的高科技 技術，此項技術具備先進的主動系統，能夠 接受發射出至目標物的雷射光波，並且可不 依賴太陽光，屬於全天日夜皆可作業來獲得 地面三維地形資料。LiDAR 比傳統測量方法 具有高精度、高密集、高效率的優點。本研 究將以地面光達技術應用於小崩塌區域的量 測，利用所取得之高精度、高密度點雲資料 來產製 DTM，並對於崩塌地進行應用分析。

由本研究成果可得知，透過地面 LiDAR 可求 得高精度及高解析度的數值地形資料，且在 各項條件優於傳統測量儀器下，可有效對於 崩塌地區進行監測及快速調查。

關鍵詞：LiDAR、點雲資料、DTM

Abstract

Ground-based LiDAR is a highly advanced technology that appeared in recent years. This method possesses a sophisticated active system and can accept laser pulses emitted from the source. Not depending on sunlight, ground based LiDAR operates to gather data of the three-dimensional terrain during day and

night. Compared with traditional survey techniques, LiDAR has higher precision, data density, and greater efficiency. Therefore, from this research results one could know that through ground-based LiDAR, digital terrain data with great accurate and high resolution can be obtained. With many characteristics superior to tradition survey apparatus, ground-based LiDAR can rapidly investigate and effectively monitor the landslide areas.

Keyword：LiDAR、point cloud、DTM

二、緣由及目的

台灣地區山坡地佔 75％以上，且位處地 震活動頻繁及地質不良之地帶上，加上地勢 陡峭、地質年代比較年輕及降雨量豐沛且集 中，導致每逢颱風、豪雨侵襲時都造成嚴重 斜坡地質災害，如崩塌、地層滑動及土石流 等災害頻頻發生，均造成巨額的經濟損失及 大量人民傷亡。在台灣的特殊地形環境中，

斜坡土體位移的現象是十分普遍，在有斜坡 的地方即可能存在著斜坡岩土體的運動，再 加上國人對先天地形條件因素不佳的土地資 源進行大規模甚至過當的開發使用，更大大

地增加了崩塌、滑坡和土石流災害的發生機 會。除了需做好各項水土保持工作之外，各 式坡地以及災害監測預防也是不容忽視的工 作，因此監測工作可增加災害發生時之應變 時間，並可提供政府相關單位之決策參考。

近年來，遙測技術在大地工程應用上蓬 勃發展，隨著雷射掃描技術的成熟及雷射掃 描儀的問世，發展出三維雷射掃描又稱光達 (Light Detection and Ranging，LiDAR)，改善 傳統測量儀器與技術只能有限的獲取空間資 料的缺點。LiDAR 具有快速且可獲取高精度 空間資訊的能力，而傳統的測量工作或方法 往往需耗費大量人力時間完成，透過 LiDAR 只需數小時及少數人力即可完成，而其所獲 得的數位資料，亦可提供做為多目標使用。

現在地面雷射掃描常會應用到的工程測量範 疇包括土木建設工程、防災與災害調查、建 築古蹟維護、坑道與洞穴測量、工廠設施與 管線配置及自然景觀維護等。

本計畫旨在探討藉 LiDAR 技術達到快 速 監 測 調 查 與 輔 助 分 析 ( 沈 陷 監 測 、 Volumetric / Profile Analysis、挖填方分析等) 之可行性，及配合地形之地真資料了解地面 LiDAR 點雲資料的精度與誤差性，並利用 GIS 的空間分析模組將所得點位資料來探討 崩塌地區邊坡之空間分布及變化趨勢，期能 做為工程治理的可靠決策資料與參考依據。

三、研究方法

本研究區位於曾文溪之中游右岸，原為 東口露營地及遊客服務中心，其坡面走向大 多為東南方向，岸邊植被茂盛但有多處侵蝕 溝沖刷痕跡，嚴重破壞下方景點設施。而最 西側的崩塌地走向為東北方向，也是研究區

域中崩塌面積最大的地區，地形大多為陡峭 山壁，南區水資源局在崩塌地之坡趾處設置 攔砂壩及引水措施，加強山坡之植被種植工 作，避免在雨季來臨時造成更大地滑與破壞。

本研究區數值高程模型(DEM)之 3D 示 意圖(圖一)，研究區之崩塌地緊鄰曾文溪河 岸，由圖中可看出圖上右方有明顯的蝕溝痕 跡，中間在露營區後方也有許多陰影即是舊 蝕溝的地形與位置，但都被茂盛的植被所覆 蓋住。地形部分隨著越靠西南邊地勢起伏變 化也越大，塗上右邊紅色圈起部分是較嚴重 之侵蝕地形，在圖上左邊紅色箭頭所指之處 為主要研究之崩塌地區域。

由於現場進行地面 LiDAR 掃描時，因掃 描區域面積過大，無法一次將所有區域涵蓋 掃描，而必須分次及多個不同的角度才能掃 描完成，因此所獲得之資料為許多不同的掃 描檔案累積而成，必須加以接合才能得到最 後整個測區之點雲資料。依區域範圍不同以 及操作人員不同而所設定的參數也有所不 同，所以最後檔案多寡也有所不同，但最終 目的，都是在測區範圍內得到足夠的雷射點 資料，以達到日後分析時資料的精確度。之 後將所取得得點雲資料做接合、坐標轉換輸 出及比對，並將兩次地面 LiDAR 所產製 DEM 作差異比較分析，此外以 DEM 資料透過 ArcGIS 軟 體 進 行 空 間 分 析 以 及 崩 塌 量 計 算，並針對兩次高程的誤差量做精度分析。

四、結果與討論

本計畫透過地面 LiDAR 技術所得到之 高精度三維點雲及數值地形資料，應用於邊 坡、崩塌地資料應用分析的結果與討論。針 對原始點雲資料的匹配差異結果及坐標資料

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輸出過程作一詳細說明，且求出兩個不同時 期內的沖蝕量及分析變化分布情形；進一步 將輸出之地形三維坐標資料利用地理資訊系 統的空間分析模組，繪製出崩塌地之坡度、

坡面、剖面線等資料，與高程變化進行套疊 分析探討崩塌地地形特徵變化。並將有關結 論整理如下：

1. 本研究在雷射掃瞄外業工作之後，必須進 行下列幾項步驟來接合點雲，首先組成不 規則網格來率除雜訊、以人工方式來取共 軛點的匹配、最後自動化曲面匹配即完成 如圖二。

2. 在兩次點雲資料輸出後，利用不同時期 DEM 資料進行資料比對可以得到一誤差 分析表，從(圖三)圖中發現侵蝕溝的左右皆 有侵蝕的情形發生，從計算出的誤差表得 知侵蝕厚度從 0.25~1.0 公尺不等，中間紫 色部分到達 1 公尺以上的變化，推測此範 圍為植被所造成的誤差，在圖中蝕溝下方 左右各有 0.25~0.5 公尺厚之崩塌堆積量。

3. 在 邊 坡 計 算 崩 塌 土 方 量 方 面 ， 將 使 用 TerraModeler 軟體來計算點雲中的體積，

圖四為計算完成後的結果，圖中紅色部分 為填方即侵蝕量，藍色部分為挖方即堆積 量。

4. 將地面 LiDAR 所產製出 DEM 直接使用 ArcMAP 軟體的空間分析模組轉換成網格 式資料，而最常使用到的空間分析方式包 括等高線、坡度、坡向、日照陰影圖等分 析，加上 DEM 本身屬於高程資料，即可 進行地形變化之比較與分析(圖五、圖六、

圖七)。

5. 從侵蝕分步圖(圖八)發現變化區域又更小 了，更集中在蝕溝上也可判定更準確侵蝕

變化的分布位置，沿著侵蝕溝皆有接近 25cm 的侵蝕量，顯示解析度高的 DTM 資 料能充分顯示出公分的變化量，在小變化 的區域上展現出 LiDAR 的高精度的特性。

6. 一般在地形變化除了 DTM 的資料外，還 會搭配遙測影像來做套疊，除了得知地表 起伏還能看出有無植被或者其他地表物覆 蓋的情形，圖九為 1m 間距的等值線，1m 間距的大小繪製出的等值線便可充分的顯 示出地形的變化情形，在裸露地可知道侵 蝕與堆積的相互關係。

7.以往在傳統光學測量儀器作業方面經常受 到地形影響，測量精度隨著坡度、坡向的 變化而起伏，本小節將把坡度、坡向與高 程差值繪製關係圖表來探討地面 LiDAR 是否受地形因素而影響其精度。圖十、圖 十一中皆可曉得資料的分布位置，但更重 要是無論是坡度或坡向的條件情況下，地 面 LiDAR 測得的數據誤差並不會隨著坡 度、坡向的變化而影響其誤差量，反而是 呈現非常均勻的分布，並不會受到特別大 的差異影響。

五、計畫成果自評

本計畫擬以地面 LiDAR 獲取小崩塌地 三維地形資料，針對地面 LiDAR 對於崩塌地 觀測之可行性，利用不同時期地形點雲資料 的套合，可以清楚明確了解地形變化的分布 情形，搭配誤差顏色表更可量化變化趨勢。

在 GIS 軟體的空間分析下，侵蝕變化分別分 布在坡度 30-50 度之間，坡向為 60-180 度之 間，在航照影像套疊下得知有無植被生長影 響有無侵蝕之因素甚大。5. 由地形掃描之後 可得知，地面 LiDAR 精度優於傳統光學測量 儀器，在野外起伏的地形上，均不受坡度、

坡向影響，在作業上更能取得更大範圍的高

精度點雲資料，地面 LiDAR 可立即單點作 業，不受晚間作業現制，比較其航照及空載 LiDAR 必須考慮天候況狀及飛行相關事宜 下，地面 LiDAR 即能達到快速調查的目的，

且經濟效益也大大提高。

六、參考文獻

[1] Ackermann, F., Airborne Laser Scanning – present status and future expectations.

ISPRS Journal of Photogrammetry &

Remote Sensing, Vol. 54 , pp.64-67, (1999).

[2] Gordon, S., Lichti, D., and Stewart, M.,Application of a high-resolution, ground-based laser scanner for deformation measurements. Proc., 10th FIG Int. Symp. on Deformation Measurements, Orange, Calif., pp.23–32, (2001).

[3] Haugerud, R. A., Harding, D. J., Johnson, S.

Y., Harless, J. L., and Weaver, C.S., High-Resolution LiDAR Topography of the Puget Lowland, Washington. GSA TODAY, (2003).

[4] Lichti, D. D., Gordon, S. J., and Stewart, M.

P., Ground-Based Laser Scanners:

Operation, Systems and Applications.

Geomatica, Vol 56 (1) , pp.21-33, (2002).

[5] Ono, N., Tonoko, N., and Sato, K., A Case Study on the Landslide by the 3D Laser Mirroe Scanner. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol.

XXXIII, Part B5, Amsterdam, pp.593-598, (2000).

[6] Wehr, A., and Lohr, U., Airborne Laser

Scanning–An Introduction and Overview.

ISPRS Journal of Photogrammetry &

Remote Sensing,Vol. 54 , pp.68-82, (1999).

圖一 研究區之數值高程模型(DEM)示意圖

圖二 測量成果點雲圖

圖三崩塌區域點雲套疊誤差圖

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圖四 TERRMODEL 軟體計算出挖填方結果 (紅色為填方即侵蝕，藍色為挖方即堆積)

圖五 1m DTM 日照陰影圖

圖六 1m DTM 之坡度圖

圖七 1m DTM 之坡向圖

圖八 兩時期崩塌地 1m DTM 之高程差值

圖九 航照圖+1m DTM 高程差等值線

圖十坡度與高程差之關係圖

圖十一坡向與高程差之關係

-15 -10 -5 0 5 10 15

0 10 20 30 40 50 60 70

Local Slope (deg)

Elevation Residual (m)

-15 -10 -5 0 5 10 15

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

Local Aspect (deg)

Elevation Residual (m)