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行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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應用空載雷射掃瞄技術於產生台灣西部 ※
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沿海地區數值地形模型之研究 (2/2) ※
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計畫類別：þ個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 89－2211－E－006－182－
執行期間：
88 年 8 月 1 日 至 90 年 10 月 31
日
計畫主持人：尤瑞哲
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
執行單位：國立成功大學測量工程學系
中
華
民
國
90
年
12
月
25
日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
應用空載雷射掃瞄技術於產生台灣西部沿海地區
數值地形模型之研究
A Study on Gener ating the Digital Elevation Model
in the Coast of West Taiwan with the Air bor ne
Laser Scanning Technique
計畫編號：NSC 89－2211－E－006－182－
執行期限：88 年 8 月 1 日 至 90 年 10 月 31 日
主持人：尤瑞哲 國立成功大學測量工程學系
計畫參與人員：蔡展榮 國立成功大學測量工程學系
一、中文摘要 在台灣地區，產生數值地型模型目前主要是 藉助於航空攝影測量的技術，但是由於太陽光線反 射上的差異性等等因素，應用航測技術於西部沿海 地區製作數值地型模型，特別是在沙岸及沙洲部 份，有相當大的困難度。空載雷射掃瞄測量需要藉 助於 GPS 和慣性導航系統 INS，以確定飛行中雷射 掃瞄器在每一掃瞄瞬間的位置和方位，方可建立雷 射掃瞄器和地表面被掃瞄點間的三維空間關係，從 而建立地表數值地型模型。本文的實驗區域為嘉義 雲林一帶之外傘頂洲，故針對沙洲部份的雷射掃瞄 測量提出一套雷射掃瞄器位置和方位的率定方法 與程序，以建立精確的雷射掃瞄器和地表面被掃瞄 點間的三維空間關係，進而研究利用空載雷射掃瞄 測量技術產生台灣西部沿海地區數值地形模型之 可行性。
關鍵詞：空載雷射掃瞄、數值地形模型、航空攝影 測量 AbstractIn Taiwan, DEM is generated mainly by the photogrammetry. But it may be difficult und often erroneous to generate the DEM of sand beach of the west coast by the photogrammetric method due to the differences on the reflection of sunlight. It is the purpose of this project to investigate the feasibility of the generation of DEM with airborne laser scanning in those areas of Taiwan. The airborne laser scanning needs GPS for the positioning and INS for the orientation in order to construct the spatial relation between the laser scanning system and the laser measurement points on the Earth surface, and then to enable the generation of DEM. The laser scanning test field in the paper is the sand bank “ Wai-San-Ding “ in
Yunlin. A calibration method of the imaging laser altimeter is proposed for generating the DEM of sand bank of west coast.
Keywords: Airborne laser scanning, digital elevation model,Photogrammetry 二、緣由與目的 台灣西部沿海地區由於受到河水夾帶巨量泥 沙奔向出海口隨後泥沙在出海口處淤積等大自然 力量的影響而生成許多沙洲。由於受海流、漂沙 量、季風等等因素的影響，沙洲可能會因受侵蝕或 淤積而漂移、或形狀與大小發生變化、甚至消失、 或與陸地相連。因此，台灣每年都會對西部沿海的 沙岸、沙洲進行測量，製作數值地形模型供研究、 分析、開發、評估之用。 當前台灣地區較高精度的數值地形模型係採 用航空攝影測量的方法來製作，但在森林與沙洲或 沙岸地形有其困難度。航空攝影測量在森林地區將 因茂密樹林的遮蔽而不易量得樹林下之地形起 伏。在台灣西部沿海的沙岸及沙洲地區每年都會利 用航空攝影測量的方法攝取照片，以立體像對量測 產生 DEM，由於潮濕的沙地對於不同的陽光照射 方向會產生不同的反射角度，經常出現的情形是像 對中有一張照片顯示有某些非常亮的區域，但在另 一張照片中相對應的區域卻是非常暗的。相鄰航測 像片可能因不同的陽光反射角度而造成影像差 異，增加立體像對量測的困難，使得自動化量測幾 乎不可能而無法快速、大量地獲取、更新地形資 料。甚至於人工量測有時也困難，而且容易發生錯 誤。 空載雷射掃瞄為一獲取三維地表地形空間資 訊的新興技術，可以直接測量三維的地表地形，直 到最近才真正的實用化，最近幾年在國外，該技術 己經漸漸地廣泛應用在近景與空載地形測量方面
3 (Ackermann,1992; Ackermann et al., 1994; Fritsch, et al. 1998; Hug, 1994; Klian and Englich, 1994; Krabill et al., 1984; Lohmann, et al., 1998; Schreier, 1984; Thiel and Wehr, 2001; Wehr, 1998; Wehr and Lohr, 1999)。它基本上係利用雷射光照射到地表面 而後反射回飛機的接收器上所旅行的時間差或相 位差來作測量，利用低能量的雷射光快速而密集地 掃瞄地表以獲取飛機接收器至地表間的空間向 量。因此，只要確定飛機掃瞄器在每一個掃瞄時刻 的位置和方位，那麼地表面點的三度空間坐標就可 被計算出了。飛機掃瞄器的位置和方位必須藉助於 GPS 差分觀測和慣性導航系統 INS。如此，待測的 地表面不需要任何控制點，就可建立該區地表的數 值地形模型。由於空載雷射掃瞄為主動式量測不受 陽光照射之影響，夜間亦可施測，並在植被地區有 較佳的穿透能力，且為直接的距離測量較適於自動 化，而能快速、大量地獲取、更新地形資料。由於 空載雷射掃瞄方法有上述的優點，它應有比較大的 機會自動化產生台灣西部沿海地區的 DEM。 德國 Stuttgart 大學發展了一套空載雷射掃瞄系 統 ScaLARS(Hug, 1996; Wehr, 1998; Thiel and Wehr, 2001)，本研究利用他們的設備在雲林外傘頂洲地 區作一次雷射掃瞄飛行實驗，以探討空載雷射測距 技術在沙洲地區自動化產生數值地形模型之可行 性。 三、空載雷射測距原理和 ScaLARS 系統的率定及 資料處理 空載雷射測高是一個新的測量技術，應用此 技術可以直接測量載具到地表的距離，藉由 GPS 和 INS 的幫助，從而獲得三度空間的地表，並且 可以由接收地表散射回來的雷射光強度產生地 表影像資料。雷射測距有兩種不同的測距原理： 脈衝測距（pulsed ranging）和相位差測距（phase difference ranging）。ScaLARS 假使雷射利用載 波的型式（稱為 CW 測距）傳送，以相位差測距， 量測發射器和接收器的相位差φ可以得到訊號旅 行時間
t
LnT
T
t
L=
+
π
φ
2
式中ｎ表整波數，T 為載波的週期。因此，掃瞄 器到物體表面的距離為f
c
n
f
c
R
2
4
1
+
=
φ
π
距離的解析度則成為φ
π
∆
=
∆
f
c
R
4
1
上式除了和相位差的解析度有關外，也和載波的頻 率ｆ有關。對同一相位解析度而言，增加載波的頻 率（即波長變短），可以獲得較高的距離解析度， 這是 CW 測距的優點(Wehr and Lohr, 1999)。雷射測距僅僅提供掃瞄器到物體表面的距 離，若要確定雷射掃瞄點的三度空間坐標，則必須 要確定掃瞄瞬間雷射掃瞄器的位置和雷射光束的 方位。此時就要藉助 DGPS 來定出掃瞄瞬間雷射掃 瞄系統（簡稱 LS）中心的三度空間坐標，藉助 IMU 得到雷射光束的方位，再加上雷射測得的距離，掃 瞄點參考於地面坐標系（例如 WGS84 或 TWD97）的 坐標就可以得到： ) ( _ _ _ _WGS GPS WGS WGS I L I GPS I I L L L r R R s rr =v + ← ρr −ρr + ← r 假定地面坐標系為 WGS84，
r
v
GPS_WGS為 GPS 天線 相位中心參考於 WGS84 的位置向量，ρ
r
L _I為雷射 掃瞄系統的中心相對於 IMU 的偏移向量，ρ
r
GPS _I 為 GPS 天線相位中心相對於 IMU 的偏移向量，s
r
L為 參考於雷射掃瞄坐標系的雷射掃瞄點位置向量，兩 個偏移向量採用角邊混合觀測計算之，這些位置向 量的關係如圖二。R
I←L 為旋轉矩陣，將位置向 量s
r
L轉換至 IMU 坐標系。R
WGS←I為旋轉矩陣， 將參考於 IMU 坐標系的位置向量轉換至 WGS84。旋 轉矩陣R
WGS←I中的旋轉角由 IMU 在飛機飛行過程 中連續測量。R
I←L中的旋轉角描述雷射掃瞄系統 相對於 IMU 坐標系的姿態，這些角度稱為安置角 （mounting angles）。他們僅能加以估計，而無 法量測得到。安置角可以在飛行涇任務結束後，以 所得的資料加以率定得到，而率定的精度應達到 IMU 的精度。 ScaLARS 最主要的率定工作是安置角的率定， 即率定 LS 相對應於 IMU 的姿態角，率定這些角度 使得雷射光束在空間中的方位得以更精密的確 定。它們可以視為是飛機姿態角（俯仰角、航偏角 和側向傾斜角）的偏移值（offset）。這些姿態角 事先是無法測量得到，而且在每一次任務中也可能 有漂移（drift）現象產生，因此必須每次任務都 要由測得的雷射測距資料加以估計和率定。經率定 後的高程精度約在 20cm 以內。圖一為資料處理流 程。 四、外傘頂洲實驗區 本 研 究 的 實 驗 區 位 於 雲 林 外 海 的 外 傘頂沙 洲，長約 20 公里，寬約 1.5 公里。沙洲上並沒有明 顯的人工建物，僅在南端有一座燈塔，其餘為起伏 相當平坦的地形。因為是潮濕的沙地，並且隨時會 因漲、退潮而改變地形。因此本研究除了台中規劃 了一個率定區外，另外在斗南豐田工業區也規劃了 一個東西向的監控區，以便監控姿態角偏移量的漂 移情形。飛機每趟要到外傘頂洲進行掃瞄飛行之 前，先在監控區上空作一趟掃瞄。每趟實驗區掃瞄 之後，在監控區上空由不同飛行方向再作一趟掃 瞄。在率定區佈設兩個 GPS 地面參考皓，監控區一 個 GPS 地面參考站，在靠外傘頂洲的本島陸地上也 佈設了兩個 GPS 地面參考站。本實驗的航高約 700 公尺，航帶重疊 50%，所有相鄰航帶的飛行掃瞄方4 向相反，並且在實驗區的頭尾各加了兩條航帶。率 定區選定台中機場，掃瞄航線規劃為沿著跑道對向 各飛行掃瞄一趟，在垂直跑道方向也是對向各飛行 掃瞄一趟，以為率定安置角之用。實驗區掃瞄飛 行，另應顧及到外傘頂洲的低潮位時段，以得較大 的掃瞄面積及較佳的雷射散射強度。 實際掃瞄飛行時，受到天候因素的影響非常 大，剛好那段時間有多個颱風影響台灣，側風、瞬 間風非常強，因此飛機很難按照規劃的航線飛行。 雖然雷射掃瞄可以在夜間進行，但因航管問題而無 法進行。另外，該地區有很強的雷達波干擾，GPS 訊號週波脫落嚴重，加上電離層干擾高峰期，在 KGPS 解算時，遭遇到相當的難題。圖二為外傘頂 洲實驗區中的三個航帶的雷射影像及
AB
斷面的 高程，係利用 DGPS C/A 碼解而得的。 五、結論 本 研 究 是 台 灣 地 區 第 一 個 空 載 雷 射 掃瞄實 驗，實驗的成果顯示：利用空載雷射掃瞄於台灣西 部沙洲地區是可行的。接下來的研究主題將是如何 提高其精度，以及自動化程度，期望有助於數值地 形模型自動化測製。
六、參考文獻[1] Ackermann, F. (1992), Laserabtastung zur Kuesten und Wattvermessung ZfV 17, pp. 24-35.
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[11] Schreier, H., J. Lougheed, J. R. Gibson, and J. Russel (1984), Calibrating an Airborne Laser Profiling System, PE&RS Vol. 50. No. 11, pp. 1591-1598.
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[13] Wehr, A. (1998), Scannertechniken zur dimensionellen Oberflaechenbestimmung, DVW Schriftenreihe 29, pp.128-148.
[14] Wehr, A. and U. Lohr (1999), Airborne laser scanning – an introduction and overview, ISPRS J. Photo. & Rem. Sens. 54, pp. 68-82.
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