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【劉進金】LiDAR技術於國土發展之應用趨勢
台灣從1998年開始推展空載光達技術，2016完成全台灣領土的高精度空載光達資料庫，成為「空間資訊國家基本建設」最關鍵的一個環節，有利於國土發展、國土保安、與國土規劃上的加值分析應用。本文乃介紹這個家計畫以及申論全世界LiDAR應用於國土發展之四個方向，包括：（1）空載光達國土全域測繪(national mapping) ；（2）開放資料(open data)；（3）整合系統與應用(hybrid sensors and applications) ；（4）無人機載具光達測繪(UAS LiDAR)。
一、LIDAR技術之發展
人類生活的空間就是四維的，除掉第四維(時間)以外，我們習慣看到的是三維立體。因此，空間科技邁向三維(3D)或四維(4D)是必然發生的事。現在3D技術正蓬勃發展，如3D掃描、3D建模、3D列印、3D城市、3D電影等等，手機有3D功能也是指日可待。光達技術(Light Detection and Ranging, LiDAR)是當今最精準且高效率的長中短距離的三維測繪技術。空載光達技術(airborne LiDAR)一般是超過1000公尺的長距離三維測繪技術，將光達掃描儀安裝在飛機上進行目標物的掃描。未來將繼續發展的空載光達技術，最夯的是無人機空載光達技術(UAV LiDAR) ，將光達掃描儀安裝在無人機上進行目標物的掃描。這對於國土調查或開發將會是很重要的技術。
空載光達技術是一種主動式遙感探測技術，光達以達每秒鐘10萬到100萬的高頻率發射雷射光速，從空中進行掃描，可以在短時間內得到很大範圍的大量的精確地三維坐標點位資訊（劉進金，2015；劉進金等，2015）。經過專業的點雲處理，解決「空缺與缺陷」問題（劉進金等，2010），可以提供大範圍地區高精度高解析度數位高程模型(Digital Elevation Model, DEM) 與數位表面模型(Digital Surface Model, DSM)的產品。進而可以提供各種應用，台灣目前已有的測試應用包括地質地形、森林、環境、生態、防救災、都市三維空間、集水區與河川經營、路廊規劃管理、海岸帶等（劉進金與史天元，2009）。
本文後續擬簡要介紹台灣推動空載光達技術於國土基本資料測繪的案例，同時也將介紹LIDAR技術應用於國土發展之應用趨勢。
二、我國LIDAR技術於國土發展之應用
台灣空載光達不是停留在「學術測試階段」，從「實用測試階段」快速進入「產業應用階段」，應該歸功於中央地質調查所的兩個重要計畫：（1）2005至2011年進行的「大臺北地區特殊地質災害調查與監測─高精度空載雷射掃瞄(LIDAR)地形測製與構造地形分析」計畫；（2）2010-2016年進行的「國土保育之地質敏感區調查分析計畫」。大臺北計畫經由光達數值地形精確呈現的微地形特徵，進行大屯山火山群地質分析，發現山腳斷層在大屯山群的位置，並且辨認大屯山群由54座火山組成。透過這項技術可以觀察到火山噴發口、火山錐體及熔岩流等，這項觀測研究對評估長期性火山活動有很大助益外，對於臺北盆地解析山腳斷層的地質特徵頗有助益（陳文山等，2003&2007）。參圖一之為地形分析所觀察到的火山地形特徵。
我國在2009年莫拉克風災後，中央地質調查所積極推動空載光達技術於建立全台灣高精度高解像力數值地形並應用於地質災害分析。這造就台灣測繪業光達技術的蓬勃發展，當時在全世界300多部空載光達系統中，臺灣即擁有7部。台灣已經是全世界第三個完成高精度數值地形測繪的國家，網格一公尺精度的數值地形已經涵蓋整個台灣。甚至於目前有三成以上的地區已經有兩次以上的高精度數值地形，可以提供精確的地形演變或集水區內輸沙模式的建立。圖二是2010-2016年進行的「國土保育之地質敏感區調查分析計畫」之台灣空載光達國家基礎資料庫個年度涵蓋圖。
(資料來源：地質，第25卷，第3期)。(地質調查所測製)
三、LIDAR技術應用於國土發展之應用趨勢
目前，全世界LiDAR應用於國土發展之應用趨勢主要有四個方向：（1）空載光達國土全域測繪(national mapping) ；（2）開放資料(open data)；（3）整合系統與應用(hybrid sensors and applications) ；（4）無人機載具光達測繪(UAS LiDAR)。世界各國重視國土規劃與防災，高精度空載光達資料庫成為「空間資訊國家基本建設」（National Spatial Data Infrastructure, NSDI）內最重要的工作。全世界至少有二十幾個國家都展開整個國土的空載光達資料庫建置，亞洲最重要的例子是台灣與菲律賓。最有意思的案例是東帝汶共和國，這個全世界最年輕的小國家為了展開國土開發，第一件國土完整測繪採取的措施就是全國空載光達資料庫建置。荷蘭與瑞典是最早完成全國空載光達數值地形的兩個國家。荷蘭目的在全國水文與水利應用；瑞典則作為全球氣候變遷及洪患與山崩等基本措施。台灣為了地質災害探討，在莫拉克颱風災後重建特別條例下，展開全國一公尺網格之數值地形之建置，台灣可能成為全世界第三個完成全國空載光達數值地形的國家(劉進金與史天元，2009&2010)。
開放資料指的是一種經過挑選與許可的資料，這些資料不受著作權、專利權，以及其他管理機制所限制，可以開放給社會公眾，任何人都可以自由出版使用，不論是要拿來出版或是做其他的運用都不加以限制。「政府開放資料」（Open government data）是民主國家推動「開放政府」之原則下，具體落實「政務透明」、「公民參與」及「協同合作」等工作下所造就。
我國行政院於2012年11月8日院會決議： 「政府開放資料（Open Data）可增進政府施 政透明度、提升民眾生活品質，滿足產業界需求，對於各級政府間或各部會間之決策品質均有助益。因此，在積極推動之下，我國政府資料開放平臺資料集總數已達17883（國家發展委員會，2016）。荷蘭是全世界最早完成全國空載光達數值地形的國家，也是全世界第一個將高精度空載光達資料列入開放資料的國家。其他如美國、德國、英國、等等至少三十個國家將高精度空載光達資料列入開放資料。台灣目前尚未開放高精度空載光達資料，在全面的應用上仍有很大努力空間。
空載光達數據是很貴的資訊，尤其是整個國土測繪完成。因此，應該好好發揮空載光達數據的應用潛力。下一個階段發展主要有：(1) 確認品質合格後，進行地質、水文、森林、能源、生態、與環境等國土發展、國土保安、與國土規劃上的加值分析應用（劉進金與史天元，2009；劉進金與徐偉城，2012；劉進金等，2015）；(2) 整合應用：單只光達資料只能產生特定的主題圖成果，例如為了地熱潛能區評估，必須搭配熱紅線技術於探測溫度；為了探測金屬礦，空載光達要整合高光譜技術；為了海岸區測繪，更要整合陸域光達、海域光達、傳統相機。以及高光譜等成為一個混合系統(hybrid system)。整合不同來源的資訊進行分析，才能達到計畫目標。
UAV是2016開始最夯的新的遙測載台(platform)，提供絕佳的機動性與經濟性。然而，絕大多數科學等級的遙測感測儀(sensor)的重量都很有份量，都在幾十公斤至百公斤上下；此外，為了結合直接定位技術(direct geo-referencing)以達成高精確的絕對坐標，必須結合一個定位定向系統(Positioning and Orientation Systsem, POS)，更增加了重量。許多UAV可以搭載的測繪儀器快速被上架到市面上，我姑且稱他們為「消費電子等級」或「商業等級」，以區別傳統的「科學等級」的遙測感測儀。兩者最大差異在於數據品質與數據處理技術，從國土發展或國土資源與環境分析所需要的基本參數是否可以達成，作為評斷新的UAV測繪儀器是否有用。以UAV光達所需的十公斤以下重量而言，仍有待進一步檢測並開發處理技術。
劉進金博士
現職: 達雲科技股份有限公司執行長
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