2017年3月29日

用雷射繪製地形─空載光達

作者/郭秀玲,作者為臺南人,外地讀書畢業後就窩回臺南。服務於成大衛星資訊研究中心,擔任研究助理一職已十餘年。

雷射光依不同功率分別在生活環境當中應用,像是超市的條碼掃描機、高速公路測速器、雷射光筆、雷射印表機、雷射燈光表演等;高功率雷射可用在醫學(醫美、手術治療、視力矯正)、工業製程、軍事目的等。而接下來要談的雷射技術,既不應用於醫療也不是軍事戰鬥,簡單來說是將發射雷射光束的儀器帶到天空,自上空向地面發射雷射光,藉由回波訊號計算對地距離以獲得精細的地表資訊,此種技術稱為光達(Light
Detection And Ranging, LiDAR)。所謂空載光達,便是指利用飛機作為載具,把光達系統帶上天空的型態。


空載光達在快速蒐集地表高程﹝註一﹞資訊時,有其獨特的優點,所以近年來空載光達一直在臺灣上空掃描,或許行經陸地時我們都曾經和雷射光點雲接觸過,但不用擔心會像醫療雷射強度般會傷害皮膚,因為從3~4 千公尺上空發射的雷射光能量已經削減到低量級,對人體沒有危害。

為了製作清楚且準確的地表高程資訊,並作為政府部門在國土利用規劃及重大災害防治與決策分析的參考依據,自2010 年至今,政府機關逐年編列預算以空載光達掃描技術建立全臺灣數值地形資料庫,數值地形資料建置完成後,可用來分析出潛在易崩塌地區,讓政府部門早一步進行水土保持、劃設土石流危險分級區在颱風豪雨前疏散居民,預防災害發生所造成的傷害。目前國內數值地形測製方法多以空載光達作為主要執行工具。那為何空載光達如此受重用?
圖一:空載光達技術。(作者提供)

什麼是空載光達?
空載光達系統主要結合三大元件,分別為雷射掃描儀、慣性導航儀(Inertial Measurement Unit, IMU)、衛星定位系統(Global Positioning System,GPS),其中GPS 儀器被放置在飛機上以及地面上,並且同時接收GPS訊號,用這種方法才能準確定位出飛機的飛行軌跡。

雷射掃描儀在空中以每秒數十萬發的頻率發射雷射光,當雷射光經過大氣層接觸到任何障礙物如地面、建物或植物時,光束會有反射或散射的情況,我們也就可以藉由這些反射光的回波訊號獲取地面資訊,這些雷射光
點被稱之為點雲(point cloud)。這些點雲可以解讀出很多資訊,比如坐標、雷射光強度、地表高度等,後續成果的產生都是從這些點雲開始。

要如何獲得點雲坐標呢?這是透過飛機上與地面基站的衛星定位系統同步接收衛星資料,並由慣性導航儀取得飛機姿態後,得到載具發射雷射光瞬間方位,進而反推得到點雲的三維坐標。當掃描儀發射出去的雷射光能順利取得的回波數量愈多,則表示掃描任務愈接近成功,我們也就有更多的點資訊來描述實際的地形地貌。

圖二:點雲穿透樹林。(經濟部中央地質調查所)

優點一:機動性高及掃描面積大
空載光達測製業者與航空公司合作後,最初將掃描儀及航拍相機裝載在航空公司的固定飛機上,再遞送相關文件至國防部及民航局申請飛航許可,經審查通過後即可進行飛行。在同意飛行的期程內,飛行員與技師常於早晨便在機場待命,若天氣狀況良好且無空域管制時,於開放飛行後隨即升空高飛至海拔3~4 千公尺的高空執行掃描任務。視當日天氣及空域狀態決定可掃描的架次,若是順利,飛行一日可掃描約150 平方公里,相當於半個臺北市的面積,天候狀況良好時甚至可以掃描更大面積,所以空載光達在大面積蒐集地形資料有其優勢。

優點二:可信度提升
在光達技術發展前,數值高程模型(Digital Elevation Model, DEM)資料是透過航空攝影測量,以人工或自動匹配建模組成立體像對後,測繪出代表地形起伏的特徵線及特徵點,運用演算法將萃取出的高程值進行內插計算以取得高程資料。整體作業較為耗時,且平均而言高程精度並不如空載光達,尤其以山區密林區域因林木覆蓋無法透視地表,被遮蔽的地區要取得真實地形只能靠內插計算產生高程數值,在資料正確性上有時會遭受質疑。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第568期】

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