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測深光達原理與應用

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澎湖與東沙環礁測深光達作業探討

空載測深光遠（Bathymetric Lidar，或稱遠水光達），以航空器為載具，載運雷射掃瞄儀，進行水域水底地形測量之系統。掃瞄儀所使用之雷射光，為具穿透水體能力之綠光波段。為引進空載測深光達作業技術，並獲取東沙環礁之水底地形資料，內政部於民國九十七年規劃澎湖及東沙環礁地區測量專案，並委由交通大學執行。本次測量採用AHAB HawkEye II系統，以Swearingen SA-226T航空器為載具，於民國99年8至9月間進行。實際完成東沙環礁約500平方公里，澎湖地區逾400平方公里之飛行測量。測量點間距（Nominal Point Space, NPS）約為3.5公尺。並擇定環礁東部約20平方公里區域，以較低航高獲取點間距2公足之點雲。載資料品質管控工作上除了進行交叉航線及重疊航線之檢核外，並以船載聲納作業進行外部精度檢核，所獲取資料精度皆達國際海道測量組織（International Hydrographic Organization，IHO）規範之一等要求。本文依據本計畫之作業經驗，整理描述飛航過程、資料編修處理、精度驗證、及產製成果等階段工作，並分析各階段之重要關鍵，期為未來相關工作之參考。

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東沙島周圍海草分布特徵

海草為淺海域水質與污染的敏感指標，透過萃取則可用於多類產品的開發，具有高度的生態與經濟價值。東沙島為茂密的海草床所環抱，出現的海草至少有六種，占全世界海草種數的10%，是為亞洲地區海草的分布重鎮。本研究結合東沙島周圍海草床的地面調查與測深光達資料（LiDAR），探討東沙島周圍海域海草的分布特性，並以橢球高（altitude）作為調查點平均水深的基礎，分析各項海草因子與水深之間的關係。調查結果顯示，水深範圍從0到6.8公尺處皆有海草分布，混生情形從單種到四、五種海草共存，在水深1到3公尺可觀察到最多種類的海草共存，水深1公尺內則多為單種或兩種海草混生；而在水深小於3公尺的樣點中，有超過93%出現海草，覆蓋度以50%到80%的頻度最高；從各種海草的分布來看，圓葉水絲草與泰來草的分布深度顯著小於水韭菜與鋸齒葉水絲草。整體而言，東沙島周圍海草大致呈現固定的種類分布，水深則是影響不同種類海草分布與共存之重要因子，並影響海草在東沙島周圍的地理分布。此外，由測深光達資料衍生之環境因子（如水深）有助於生物分布與生態監測研究。

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空載測深光達於毛細波及重力波水面偵測之初探

空載測深光達因其具備安全性與高效能的作業方式，使其成為執行淺海潮間帶三維地形圖資測繪有利的工具。然由於水體與水底材質分屬性質不同的介質體及反射體，為獲得正確的水底地形，須先掌握測深光達的正確雷射脈衝往返行經路徑，並從波形分析中分別偵測雷射脈衝碰觸水面及水底之時間點，此兩時間觀測量結合定位定向資料精度攸關水底三維地形測繪品質甚鉅。然而現階段對於水面模型幾何以及偵測水面時間點之相關研究仍顯薄弱，直接影響水底地形測繪品質的不確定性。本研究主要工作在瞭解及分析單一雷射脈衝至水面之交互作用；在水面模型方面考量水面局部變異顯著的毛細波及重力波。除了藉由改變系統掃描幾何與風速探討對水面回波波形在幾何與能量上之影響以外，亦歸結在不同系統掃描幾何及風速因素下較合宜且準確的波形時間偵測法。結果顯示中高風速下，以50%上升時間演算法為較佳偵測方式；而於低風速下，以較低掃描角可獲取較明顯起伏之能量值。

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評估應用透水光達於台灣近岸海域水深測繪

透水光達（Airborne Laser Bathymetry, ALB）為近年海域測繪領域之先進技術，其利用空載雷射掃瞄儀搭配慣性導航儀（IMU）及全球定位系統（GPS），可快速且有效地獲得近岸海域（含潮間帶）的三維地形資料，故對於建立數值地型模型（Digital Terrain Model, DTM）以及分析地形之變化等相關研究實為一大幫助。本研究利用Hawk Eye II透水光達系統，評估台灣沿岸海域之水深資訊建這置成效，並以多音束掃瞄成果與其進行精度之分析。研究結果顯示，透水光達掃描系統與多音束掃瞄的測繪成果皆呈現一致性之趨勢，應用於近岸海域之測繪實屬可行。

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水域測深方法暨原理探討

無論是基於對海洋及內陸水域經營管理或資源運用的需求，或是航行導航的需要，測深是探測水域之基本工作。從手持測量工具直到探測儀器問世，水深探測的方法與時漸進，如聲納利用聲波在水中傳導能量，測深光達則利用綠光雷射穿透水體。過去海洋測繪多利用船隻配合聲納做為主要測深工具，近期空載雷射掃瞄應用於近岸測繪，使得水深探測的範圍得以不受載具作業安全性之限制，而可以測繪近岸的淺水及多礁區域。本文主要探討比較聲納及測深光達兩種不同的測深方法之原理及作業方式。

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測深光達波形與水深、底質關係觀察

測深光達（Bathymetric Lidar）以近紅外光及綠光之雷射掃描方式進行水域之水深及水底地形量測，藉由偵測水面及水底之回波時間間距求得空間距離以達探測水深效果。本研究使用東沙及澎湖之AHAB HawkEye IIb掃描數據及Coastal Survey Studio（CSS）軟體進行數據分析，以水面定義、水質濁度、底質種類及地形影響各方面進行探討，比較項目包含水深、信噪比量化數據，以及搭配相機影像判識之底質種類等差異。實驗結果顯示，由於HawkEye IIb系統對綠光訊號之時變增益處理，水深對波形狀態影響不顯著；混濁水質造成水體中有較強散射訊號，淺水區水面及水底訊號間衰減現象較不顯著，而於深水區域甚至可能無法測得水底回訊。波形狀態呈現則與陸域光達類似，波形強度受反射面材質影響，且反射面幾何形態亦造成波形寬度改變。依本文探討CSS軟體成果對應接收波形，盼作為未來測深光達波形處理時回波偵測、點雲分類等作業之參考。