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光達 LiDAR:看不見的光讓你看得更清楚 熱門指數 : 2655
作者: Tommy
中文名稱: 光達 LiDAR:看不見的光讓你看得更清楚   | 第一版 |
關鍵字: 光達, 雷達, 遙測, GPS, 地圖

    Google Earth是個很方便的東西,當想要觀察世界上任何一地的實際樣貌時,只要在上面點兩下,馬上就可以任意的放大衛星影像,但是當你不斷地放大、再放大,直到終於找到你家屋頂那些鐵皮後,便會發現到,這些終究是平面圖形而已,你會覺得屋頂上的水塔、路旁的電線桿、經過門口的轎車,全都像是「貼上去」一樣的扁平,這是因為衛星影像它只是「拍照」,就如同我們用手機照像一般,呈現出來的是2D圖片。
    這時光達就派上用場了,它的解析度可達公分等級,比起衛星影像僅公尺等級清晰許多,而原理是使用雷射光的反射來判斷物體的位置,可以想像成蝙蝠用回聲來定位一樣,因此藉由光束的反射,我們可以得知地表的起伏、建築物的高度,這對於災害檢測、森林保護、都市政策來說是非常有用的資訊,舉例來說,前陣子花蓮206地震後,有人便用相關技術製作出倒塌大樓的模型,讓救災人員能夠快速辨別救災點的方位,以及未來檢討追究原因時能作為相當好的資料。

<圖1>雲門翠堤大樓倒塌模型

    一般常見的光達分為兩種,一種是空載光達,它將雷射掃描儀放置在飛機上,從空中向地面掃射;另一種是地面光達,其原理與空載光達大同小異,一般是安裝在汽車的頂部,在移動的同時便可掃描大街小巷。以空載光達來說,這台儀器會以每秒數十萬次的頻率發射看不見的光線,因為光的速率是固定的,所以只要計算發射到反彈回儀器的時間差,便能得知物體與儀器間的距離,接著由GPS確認儀器的座標,便可推算出目標物體的經緯度以及高度。
    值得一提的是,有時我們需要的資料是地面的起伏狀態,地上那些建築物並不是我們想得知的東西(例如做淹水潛勢分析),這時從光線的回波時間便可略知一二,當光線打到較高的物體如屋頂、樹木頂端時會有一群光線在相近的時間點反射回儀器,剩下一群則會繼續前進,直到地面後反彈,同樣會在相近的時間點返回,若把這個現象延伸到一片高高低低的房屋,那麼光線就會「一群一群」的回到儀器,這時我們可以推估最晚回到儀器的那群就是地面的回波,如此我麼就可以得到所謂的數值地形模型(DTM)和數值地表模型(DSM),這兩種的差別在於,DTM只有單純的地形起伏,適合用來觀察土石流、淹水等自然災害,如左圖;DSM則適合用來觀察哪邊的樹林有沒有被濫砍、房子是不是蓋在危險的河床上等政策問題,如右圖。

<圖2>台中大坑地區的兩種模型

    接著你可能會發現,既然光達的原理是利用不可見光來建出模型,那麼前面<圖1>中那棟大樓為什麼會有可見光的顏色呢?這就要談到模型的製作流程了,首先因光反射後我們可以得知反射「點」的座標,當一大群點集中在一起就稱為「點雲」,接著利用各種演算法,找出最符合這些點雲的平面,所有平面交會在一起便成了立體的方塊,於是得到了基礎的建築模型,再來,利用不同的演算法,找出建築物上細部的裝飾,得到一個細緻但沒有實際顏色的模型,最後我們必須借助照片、街景等有顏色的圖片,將它們「敷貼」到剛做好模型上,便完成了一個還原度頗高的3D模型,若是把這種作法套用到一整座城市,便可以得到非常壯觀且精緻的都市模型!

<圖3>左上為點雲;中上為基礎模型;右上為細部模型;右下為敷貼上實際照片後的情形;左下為內湖科技園區的建模成果

    除了應用在政策、防災、監測上面,光達還有一項未來感十足的應用——自駕車,一台完全不需要人為操控方向盤的自駕車,除了要仰賴精準的GPS定位得知每一刻的位置外,車子還必須能夠「看」到車外發生的任何事,例如前方剛好在修馬路、突然有個小孩衝到路上,或是前面那台車的駕駛喝醉了在路上蛇行,自駕系統都必須「看」到後及時做出應對,而這個「看」便會應用到前面所講的地面光達,它同樣的會以每秒數十萬次向車子周圍掃描,一確認到前方有異樣便會通知中控電腦使車輛減速,然而目前這項技術仍受限於如造價昂貴、雨天霧天時效果不佳、法規限制等幾項因素,所以還很難看到這種車在路上趴趴走,不過相信再過幾年克服這些困難後,這些不會酒駕、不會闖紅燈、不會打瞌睡的「司機」便會開始為我們服務。
    其實光達這項技術早在十多年前就已經出現,但受限於過去電腦無法即時處理如此龐大的資料量,所以多是用來輔助研究計畫,始終走不出實驗室,而如今電腦運算能力急速成長,加上大數據、人工智慧的出現,我們已經可以將大量的資料完全交由電腦處理,光達的應用層面也隨之增廣,發展性也跟著凸顯出來,想像一下,未來的某一天你帶著全家大小要去墾丁度假,在高速公路上你不會是在咒罵隔壁的轎車突然切內線,整整5個小時的路途都緊張兮兮,而是快活的和小孩聊天,累了就打個盹,抵達目的地後立刻精神奕奕的奔向海灘,那將會是一件多美妙的事!相信這項技術在不久的將來會愈來愈平民化,進而改變我們的生活!
 

參考資料

<圖1>,https://sketchfab.com/models/b10138b51e80402e9e22925e0af79f37
<圖2>,https://gps.moi.gov.tw/SSCenter/Introduce/IntroducePage.aspx?Page=DTM1
<圖3>此圖是從各期刊論文剪貼而成,因此各圖並非同一建築物。
  (1)http://dpl.csrsr.ncu.edu.tw/Journals/PDF/J2005_CSPRS_Integration%20of%20LIDAR%20Point%20Clouds%20and%20Aerial%20Imagery%20for%20Building%20Reconstruction.pdf
  (2)http://www.csprs.org.tw/Temp/6.10_4_102107_%E6%87%89%E7%94%A8%E7%A9%BA%E8%BC%89%E5%85%89%E9%81%94%E8%B3%87%E6%96%99%E8%87%AA%E5%8B%95%E5%8C%96%E8%90%83%E5%8F%96%E5%BB%BA%E7%89%A9%E9%82%8A%E7%95%8C%E7%B7%9A.pdf
  (3)http://www.shulin.land.ntpc.gov.tw/uploaddowndoc?file=form/201612061907110.pdf&filedisplay=subject-105.pdf&flag=doc
  (4)http://www.ceci.org.tw/Resources/upload/Cept/Quarterly/24883092-6721-4def-81cb-550632eab1f8.pdf

老師文章總評: 寫得不錯。把困難技術有技巧地簡化成容易懂的文句,下次可以挑戰更難的技術或把層面寫得更廣泛。也可多看一些科普書,把文章包裝得更誘人。  
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