物理

空載光達技術 國土保育利器

身處地勢多變與天災頻傳的台灣,為了解國土的原始地貌與重大天災前後地表劇變情形,科學家利用「空載光達」技術建立出地面、地表的數值模型,清楚顯現土地的立體形貌,有利於國土規劃。

撰文/呂怡貞
審稿/詹瑜璋(中央研究院地科所副研究員)

物理

空載光達技術 國土保育利器

身處地勢多變與天災頻傳的台灣,為了解國土的原始地貌與重大天災前後地表劇變情形,科學家利用「空載光達」技術建立出地面、地表的數值模型,清楚顯現土地的立體形貌,有利於國土規劃。

撰文/呂怡貞
審稿/詹瑜璋(中央研究院地科所副研究員)

  遙測技術一向是獲得大範圍或遠距資料的有力工具,其中,空載雷射測距技術(light detection and ranging, LiDAR,又稱光達)能精確建立數值模型,使得地形地貌的特徵能被細微檢視與量化,因此近年來,利用空載光達技術掃描大面積區域以獲得國土三維空間資訊,成為國際趨勢。


利用空載光達技術換算的數值高程模型,顯示大屯火山群的立體圖。(影像來源:詹瑜璋)


  空載光達技術是將雷射測距儀裝載在飛機上,於事先規劃好的航線中,運用波長約1微米的遠紅外線,以每秒20~40萬次的頻率沿途發射訊號(或稱打點),再接收反射的回波。只要根據訊號發射與反射回波的時間差,就可計算出地面或海面到飛機的距離,進而描繪出地形模型。


  飛機上的光達發射遠紅外線的方向是固定的,因此打點時需靠儀器裡高速旋轉的鏡面折射,使打點的紅外線可左右來回掃描,掃描軌跡呈現Z字型,飛機離地面平均高度約1000~1500公尺,每次掃描涵蓋寬度600~800公尺,飛得越低則打點密度越高、描繪出的地形越精確,飛得越高則打點越疏但涵蓋範圍廣,可以視地形來決定飛航高度與打點頻率。


  由於飛機飛行時難免會左右前後傾動,非絕對水平飛行,因此測距時還需要搭配使用陀螺儀(屬於慣性測量裝置,inertial measurement unit, IMU)測量並記錄飛機的姿態,根據飛機往前後左右傾動的角度,校正打點的確實方向。


  此外,空載光達技術還需要以GPS來確認飛機所在位置,但單單只依靠飛機本身接收衛星的GPS訊號並不夠,因為嚴格來說,系統要得知的是雷射發射源頭的確切位置(在儀器上的一點),但是大氣中的電離層電子密度、水汽含量與大氣溫度均會影響GPS的微波訊號傳遞,而降低定位精準度。所以除了衛星定位之外,在每條航線(平均20公里)的地面會擺設基站,基站也同時接收GPS衛星訊號,系統假設基站與飛機在接收衛星訊號時,受到相同程度的大氣效應影響,因此可藉由已知的基站座標來計算衛星定位的誤差,如此即可準確校正飛機位置,這種方法稱為「差分全球定位系統」(differential GPS)。現今空載光達技術透過基站每秒兩次的差分校正,可將原本只依靠衛星定位飛機的誤差值5~10公尺縮小為2~3公分。


空載光達技術結合了雷射測距儀、陀螺儀與差分全球定位系統三項技術,能夠繪製出高精度的數值高程模型,是近年國際上用來掃描大範圍區域以獲得空間與地表資訊的有利工具。(電腦繪圖:姚裕評)


  獲得了飛機到地表的距離以及飛機的姿態與位置,就可把打到地表的每個點換算成三維(x, y, z)座標。而相鄰航線的掃描範圍會重疊40~50%,互相合併之後再分成區塊(通常以1平方公里為單元)進行後續的處理與分類。


  這些密密麻麻的點稱為「點雲」,將點雲根據高度(或稱高程)以不同顏色標示,可看出高高低低的掃描資料點描繪出的地面與地上物(植被或人工建物,如樹木、房舍等),這樣的資料呈現稱為「數值表面模型」(digital surface model, DSM),若以剖面檢視,可呈現該地區在不同角度的地勢特徵。如果進一步細分DSM的地面與地上物,並去除地上物,便會顯現出地面的點(最低點),再經由電腦軟體以內插法將地面點全部連接在一起,例如取兩點中間值連成平滑線,就形成了「數值地形模型」(digital terrain model, DTM,註),即裸地,也就是地表原本的樣子,此時平地山峰、河床溝谷、斷層節理等都一一現蹤。此外,也可將樹木的高度做內插,便可知得知樹林高度。



空載光達掃描資料點的剖面圖。圖中可看出地面與地上物的高程資訊,若去除地上物並將地面點連結,就可得到地表的模樣。(影像來源:詹瑜璋)



都市的觀測情形。上圖為數值表面模型(DSM),可看出房屋、道路、河流(路較工整筆直、河較彎曲)與樹林(可看到一朵朵的樹冠)等,下圖為去除地上物的數值地形模型(DTM),地形坡度更可清楚看出。(影像來源:詹瑜璋)


  中央研究院地科所副研究員詹瑜璋表示,目前全球有300多組空載光達設備,其中台灣就擁有七組,影像水平解析度為50~200公分,比起以往常用的40公尺解析度,精準度與精緻度都高許多,且對於高度的誤差要求限制在一公尺以下(平地不能超過20公分)。


  不過空載光達必須在晴朗無雲時才能執行,否則被雲霧遮蔽處會有空洞(後續要做雲層與地面的分離,當雲層面積大時甚至要重飛),因此一年平均只有不到兩個月時間能執行空中作業;飛航安全也是一項考量,尤其台灣有多座3000公尺以上高山,執勤飛行高度已超過4000公尺,對於推進力較小的中小型飛機而言,這種高度的空氣密度偏低,容易造成飛機爬升動力不足而失速下墜;另外,從前端的飛航勤務到後續的資料分析與影像處理,需要花費的人力物力與時間較一般遙測技術多,費用也相對昂貴。


  儘管如此,空載光達技術的效益仍高,尤其對於國土規劃的貢獻,無論是數值表面模型還是數值地形模型,在地質分析、水土保持與坡度監測、都市計畫與工程建設、災害防治、森林資源等各領域都有廣泛應用,國外甚至曾用來探勘中南美洲的古文明遺跡。


  2005~2011年詹瑜璋執行經濟部中央地質調查所的研究計畫,利用空載光達掃描了大台北地區、蘭陽平原與海岸山脈,得到許多新發現,例如在新北市的中、永和地區發現廢棄河道,在大屯火山群發現了數個新火山口以及數條斷層線,其中,有一條正斷層線的落差大於三公尺,根據過去的地震記錄而統計出的斷層參數顯示,這裡可能會發生規模七以上的地震;這些地形上方已完全被天然或人為地上物所覆蓋,如無先進技術勘查根本無法得知。2009年莫拉克颱風襲台,透過國科會的研究計畫,空載光達技術的數值模型也具體顯現出風災發生前後屏東小林村周圍地形的劇變。


  有鑑於此,中央地調所在2010~2013年擴大執行遙測範圍,預定掃描全部台灣國土,目前已幾近完成,而台灣也將成為全球第三個以空載光達技術完成國土掃描的國家(第一是荷蘭,第二是瑞典),待後製與分析結束,在土地的規劃與變更上將是重要的參考指標,有利於長期國土保育。


圖為海岸山脈新港山嶺地區。(A)航照圖,無法得知高度與辨識地形地貌構造;(B)數值表面模型(DSM),以彩色顯示高度,可看出樹木高程分佈;(C)數值表面模型(DSM),以灰階顯示高度;(D)數值地形模型(DTM),去除植被覆蓋後清楚顯示地形原貌;(E)根據D圖畫出多條正斷層線型。(影像來源:詹瑜璋)



以DSM顯示屏東小林村在2009年莫拉克颱風前後的地形變化。下圖為用2005年高度(上圖左)減去2010年高度(上圖右)顯示的高度變動圖(刻度圖示為高度變動量,單位為公尺),得到正值(紅色)為坍塌、負值(藍色)為堆高,意味著風災後從山頂沖下來龐大泥沙量堆積在河的兩旁,而將小林村掩蓋。據估計,下圖紅色區塊的山崩體積為2892萬立方公尺,藍色區塊的堆積體積為2282萬立方公尺,其他610萬立方公尺、約需43萬輛卡車運載的泥沙都沖刷到河道中,可能造成河道變淺、容易阻塞等後續效應。(影像來源:詹瑜璋)




註:裸地的數值模型名稱不一,是因為國內外文獻中未有統一的用法。台灣在官方作業上,定義DSM需符合三個條件,一是未剔除地上物,再來是需呈現網格狀,以及規定存檔類型,定義剔除地上物的裸地模型則以「數值高程模型」(digital elevation model, DEM)為主,另兩項條件同DSM;而國外文獻上則常使用DTM表示裸地的數值模型,且無論DSM還是DTM,國外均無網格化規範,並多指DEM為讀取格式。




延伸閱讀

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〈空載雷射測距掃描及其在地質與地形調查之應用〉,詹瑜璋撰文,《中央研究院週報》1175期

〈見樹又見地──雷射測距掃描〉,詹瑜璋撰文,《科學發展》2005年6月號

〈空載光達與國家空間資訊基礎建設〉,劉進金、史天元撰文,《國土資訊系統通訊》,第73期

〈檢測生理訊號,都卜勒雷達來幫忙〉,呂怡貞撰文,科學EasyLearn網路版

〈森林燒出大問題〉,甘騰班、潘震澤撰文,《科學人》2003年1月號

《遙測學大綱:遙測概念、原理與影像判釋技術》,潘國樑著,科技圖書出版



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