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研究生: 吳品融
Wu, Pin-Jung
論文名稱: 空載光達DTM可靠度的新指標 ξ 及其初步測試分析
A New Index ξ and Preliminary Test Analysis on Airborne LiDAR DTM’s Reliability
指導教授: 蔡展榮
Tssay, Jaan-Rong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 測量及空間資訊學系
Department of Geomatics
論文出版年: 2018
畢業學年度: 106
語文別: 中文
論文頁數: 107
中文關鍵詞: 空載光達數值地形模型可靠度
外文關鍵詞: LiDAR DTM, Reliability
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  • 空載光達系統(Airborne LiDAR)目前廣泛使用於各個領域。在數值地形模型(Digital Terrain Model, DTM)領域中,空載光達逐漸成為主要的資料蒐集方式,其優點為可以快速取得高精度與高密度的地面資料。空載光達資料在產製成DTM之前,必須經過許多程序,其中包含:任務規劃、資料獲取、光達點雲產製、點雲分類與編修。然而對於DTM產製成果影響最大的步驟是光達點雲產製以及點雲分類與編修。點雲分類及編修包含不合理點的濾除、自動地面點分類以及人工編修。點雲資料中許多點在這個步驟會被濾除或者分類為非地面點,而常會發生誤授或是漏授的情況,導致最後DTM成果品質下降。我國的最高解析力DTM是以空載光達產製的1mx1m DTM,它提供給政府公部門使用,其品質也深受公部門的信賴。在光達資料處理過程中,濾除了非地面點之後,產生全台光達地面點雲的空洞區,這些空洞區裡的DTM網格點高程值是經由遠距離的外圍地面光達點內插得到,兩者距離越遠,則其高程值越不可靠。此外,參與產製DTM成果的光達地面點密度與分佈也是主要影響DTM品質的因素,當參與內插DTM格點高程值的可靠地面點愈多,其所產製的成果就更加可靠。
    因此本研究本文建議宜在LiDAR DTM資料中一併提供可靠度指標給使用者,讓使用者知悉那些高程網格點才是真正由其局部區域裡的光達地面點內插出來的可靠高程值。因此,本文提出一個新指標來表達空載光達DTM的可靠度,並提出其初步的研究成果。最小值為0,表示格點內插計算區(相關距離範圍裡)無光達地面點,此格點高程值最不可靠。最大值為1,表示格點內插計算區各方向由近而遠均勻分布光達地面點,此格點高程的可靠度高。實驗使用光達點雲資料與同步拍攝之航拍影像,進行小範圍實驗區之初步測試。利用地面點產製DTM,並透過航拍影像立體觀測可靠地面檢核點做為檢核資料,實驗結果發現,土城實驗區的成果顯示,在=[0.6, 0.8]的格點中,坡度等級IV的格點高程差值的範圍最大(=31.40 m),且坡度等級越大,格點高程差值的範圍越大。在相同的坡度與點密度的情況下,格點ξ值越高,其格點高程值越可靠。當地面點密度從0.25點/m2上升到3.25點/m2時,在平坦地區,其格點高程值RMSD從0.025m降低到0.001m;而在山區,其格點高程值RMSD從0.511m降低到0.068m。當地形坡度從7.56% 上升到64.31%,格點高程值RMSD從2.49m上升到5.77m,顯示愈陡的地形坡度,對於內插出來的LDAR DTM成果品質的影響愈大。

    This paper proposes a new index  for expressing the reliability of LiDAR DTM. Also, some preliminary test results are analyzed. The minimal  value is zero which denotes there is no LiDAR terrain point in the interpolation area for the interest grid point whose elevation is thus unreliable. The maximal  value is one which expresses there are LiDAR terrain points distributed uniformly in all directions and from the near to the distant in the interpolation area for the interest grid point whose elevation is then reliable. Tests are done by using airborne LiDAR data and synchronously taking aerial images. DTM is interpolated by using LiDAR terrain points and check points are measured manually on stereo models in small areas. Test results in Tucheng area demonstrate that the elevation differences variate 31.40m in maximum for all grid points with =[0.6, 0.8] in the areas with the terrain slope grade IV. The steeper the terrain surface, the larger the elevation difference between LiDAR DTM and check data. The larger the  value, more reliable the elevation of the grid points in the areas with the same slope and LiDAR point density. When the LiDAR terrain point density increases from 0.25point/m2 to 3.25point/m2, the RMSD decreases from 0.025m to 0.001m in flat areas, and from 0.511m to 0.068m in hilly areas. If the terrain slope increases from 7.56% to 64.31%, the RMSD increases from 2.49m to 5.77m. These test results demonstrate that steeper terrain surfaces have larger elevation errors on LiDAR DTM.

    摘要 i Extended Abstract ii 致謝 viii 圖目錄 xi 表目錄 xiii 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 文獻回顧 5 1.2.1 空載光達技術(Airborne LiDAR) 5 1.2.2 數值地形模型(Digital Terrain Model) 6 1.2.3 影響DTM品質的因素 7 1.2.3.1 地面點密度 8 1.2.3.2 產製DTM內插法 10 1.2.3.3 地表坡度 11 1.2.4 DTM的品質評估 12 1.2.4.1 高品質LiDAR DTM應具備的條件 12 1.2.4.2 誤差矩陣與Kappa指標 13 1.2.4.3 DTM的精度指標 14 1.2.5 可靠度理論 16 1.3 論文架構 18 第二章 本文使用的相關演算法 19 2.1 參數型立方迴旋內插法(Parameter Cubic Convolution interpolation, PCC) 19 2.2 距離反比權重內插法(Inverse Distance Weighting, IDW) 20 2.3 格點 ξ 值得分演算法 21 第三章 實驗方法設計 28 3.1 引言 28 3.2 影響因子實驗 30 3.2.1 地面點密度模擬實驗 30 3.2.1.1 實驗平面資料模擬 30 3.2.1.2 點雲資料模擬 31 3.2.2 地面坡度實驗 39 3.2.3 格點 ξ 值實驗 44 3.2.3.1 光達資料與涵蓋範圍 45 3.2.3.2 實驗地區 46 3.2.3.3 檢核資料 47 第四章 實驗成果分析與討論 51 4.1 地面點密度模擬實驗成果 51 4.2 地面坡度實驗成果 55 4.3 格點 ξ 值實驗成果 73 4.3.1 相關距離的求定 74 4.3.2 格點 ξ 值的計算成果 80 第五章 結論 91 參考文獻 95 附錄一 97 附錄二 104

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    下載圖示 校內:2021-08-01公開
    校外:2021-08-01公開
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