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遙測大地:見樹又見地–雷射測距掃描

94/06/08 瀏覽次數 12923
精確的空間資訊

為有效表達大地的立體面貌,除了需要高解析度的航空照片或衛星影像外,更需要高精度及高解析度的數值化高程模型(digital elevation model, DEM)。對一般的應用而言,航空照片或是高解析度衛星影像,已經可提供重要且足夠的資訊,例如道路、河川、森林、建築、海岸、山崩區、農地等的分布。然而航空照片或衛星影像僅提供二維的資料,地表高程的資料則需另由其他技術取得,例如使用傳統的成對航空照片(paired aerial photographs),來測製數值化的高程模型。

近十餘年來,數值化高程模型被廣泛應用在各領域中,尤其是地質與地形學的研究。數值化高程模型可依需要呈現平面或立體的模型,有效展現不同角度的地形,或是模擬洪水氾濫的受災範圍等。事實上,數值化高程模型是航空照片無法取代的,有了數值化高程模型,就可輕易地繪製地形剖面,而且地形的重要特徵也能很快地加以量化。

人類一般都居住在較平坦的地區,特別是河流作用造成的氾濫平原及河階地;這些地方,也是洪水侵襲時可能首先受害的地方,這種現象對居住在臺灣的人並不陌生,因為近年來數次颱風所帶來的大量雨水,曾造成城市低窪地區嚴重淹水。

為了模擬淹水的深度與範圍,或潰堤時洪水侵襲的動態,我們需要非常精確且高解析度的數值化地形。目前看來,以航空機具採用雷射測距掃描技術(light detection and ranging,LiDAR)所製成的數值地形,不論在解析度、精確度、方便性、以及濾除地上建物與樹木的遮蔽影響等方面都較為優越。

地形高程資料的收集,傳統上包括現地測量與航照測量,近年來人們已開始使用衛星立體影像測製地形高程。然而這些方法的準確性、性能與價格比、時間耗費、可行性與適用性都有其局限。新興的雷射測距掃描技術已經成為廣被接受的方法,有極大的潛力可克服以往全面精密大地高程測量的瓶頸。

空載雷射測距掃描儀

雷射測距掃描儀以雷射光測量物體的距離,因為光速是固定的,只要知道雷射光脈衝從發射到接收的時間,就可以換算成發射器到物體的距離。空載雷射測距掃描儀整合了「差分全球衛星定位系統」以及「慣性導航系統」。全球衛星定位系統的應用非常廣泛,例如飛機導航、汽車導航、輪船導航、地理資訊系統、工程規畫、地籍量測、地表位移監測等等。慣性導航系統則可以決定飛機瞬間的姿態傾角與方向。這些技術的密切整合,可以快速地獲得精確的空間資訊,從而提供多種應用的可能性。

把雷射技術應用於測量地表距離始於1970年代,但早期的系統只是簡單地用來測量飛行器與地面的單點距離,並不適合製作地形圖,現代的高性能雷射測距掃描儀,則可以精確記錄暴露在地表上的任何物體。因為單一雷射脈衝可能涵蓋多種地物,因此可以有多個反射訊號,我們就可以把數個距離記錄下來,這些距離包括樹頂、建物頂以及真正的地表。現代的雷射掃描所獲取的資料,不但可以提供地面的高程資料,同時也可以提供其他地物的高程資料,例如植被與建築物等,這些高程資料可以立即做為地理資訊使用。

相較於傳統的航機照相測量製圖,在大部分的情況下,取得雷射測距掃描資料的成本較低。雖然早期雷射測距掃描技術的應用有點問題,例如如何把樹頂與地表的資料分離等,但目前已克服這類的技術問題,並證實雷射測距掃描儀的準確性與實用性,特別是在建立高解析度與高精度數值化的高程模型上。

使用空載雷射掃描資料可以移除樹木資料點,而透過資料處理,還可以把房舍等建築物通通移除,使得數值高程模型儘量接近實際地面。目前沒有其他方法可取代這種特殊功能,因此這項掃描技術會是地球科學研究的利器。

根據國內外使用空載雷射測距掃描儀的經驗,可歸納出以下特性。
  1. 高準確性 一般而言,空載雷射測距掃描儀在垂直方向的準確度約10~15公分,水平方向的準確度則約50~100公分。這種準確度遠超過傳統的航機照相量測。
  2. 資料處理自動化 資料獲取與處理的步驟大都已自動化,使用者只需了解資料處理原理與過程,並維護地上的全球衛星定位座標點即可。
  3. 能提供反射強度資料 除了高程的資料之外,雷射反射的強度可用來產生強度影像,幫助地形特徵的分類。
  4. 有濾除植被的能力 不像航照測量,雷射測距掃描儀資料可以濾掉植被點,在森林地區可以提供當地的地面高程。此外,雷射測距掃描儀的單一雷射脈衝可具有多重反射訊號,因此可提供不同的地上物特徵。
  5. 高資料密度 因為雷射發射頻率是每秒數萬次,可在很短的時間內收集到非常高密度的資料。這些資料可以呈現地形的微小變化,例如地震斷層造成的1~2公尺的微小落差。
  6. 地面控制點簡易 就空載雷射測量而言,每一個被測點都有全球衛星定位資料、慣性測量資料、以及雷射所測得的距離,因此只要有數個地面控制點即可。
  7. 具有數值化相容性 雷射掃描儀最後的資料格式是易讀的XYZ位置點與反射強度,易於讀取與操作。因此,雷射掃描儀的資料可配合眾多現成的商用軟體與地理資訊系統使用。
  8. 價格具競爭力 過去因為雷射測距掃描儀極為昂貴而無法普及,但近年來這些儀器的價格已具有競爭力。雖然依舊不便宜,但因它能提供高密度、高精度的XYZ地形座標及其他資料,是一項值得的投資。
  9. 可製成多種數值高程模型 空載雷射測距掃描儀所取得的資料可分類為表面資料點(含地上物)與地面資料點(濾除地上物後),經網格化處理後,可分別製成數值化表面模型(digital surface model, DSM)與數值化地面模型(digital terrain model, DTM)。

雷射測距應用的展望

在2002年3~4月間,工研院曾委託交通大學進行空載雷射測距掃描試驗。由農林航測所提供原始資料,經數值化處理後呈現的區域包括新竹地區的新城斷層系統、豐原地區、以及臺中市北屯區大坑一帶。

臺灣地區先前所用的數值化高程模型,一般是由農林航測所利用解析航測法,使用成對的立體相片,進行高程數值化而製成。其水平解析度是40公尺,高程精度是數公尺。雖然40公尺數值化高程模型在一般地形呈現上非常有用,但是一旦需要了解地形的細節,這種解析度就不夠清晰。

現在來比較40公尺解析度的高程模型與空載雷射測距掃描儀所獲取的1公尺高程模型,比較的區域位於新竹竹東地區,一塊約500公尺見方的區域。選擇這個區域的原因是它的地形頗多變化,例如曲流、河階、水田、植被等。

40公尺解析度的數值高程模型,12 x 12 的網格,基本上並無法呈現這個區域精細的地貌,而1公尺解析度的雷射測距掃描數值高程模型,則可呈現清晰的地貌。若再經程式處理濾除植被影響,便可呈現出裸露的地形,所以這種數值化地形最適合進行地質與地形的分析研究。

空載雷射測距掃描技術是快速、精確且全面的測量技術,這項技術可以彌補現有測量工具,例如航機照相測量、水準測量、全球衛星定位系統等的不足。空載雷射測距所製成的數值化高程模型,因為是三維的、精細的基本資料,所以其應用是不可限量的,可用來偵測不易辨識的活動斷層、模擬洪水氾濫、計算山林的侵蝕量與侵蝕速率、統計森林資源、規劃城市發展等。而其「見樹又見地」的特殊功能,更可進一步應用於大地資源管理與自然災害防治。
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