河床粒徑反映河道中水流特性，進而影響河流流速與河床沖蝕及淤積現象，是水利管理與規劃模擬中重點指標參數。以往河床粒徑調查僅能透過現地拍照再由人工判識，調查成果效益受限於人力與調查經驗。隨著遙感探測技術精進發展，科技部研究計畫支持國立臺灣大學土木工程學系韓仁毓教授，以「次足跡全波形光達技術」透過感測器航高姿態、地表幾何和河床粒徑尺寸重建標準參考波形模板，並由實際觀測波形與波形模板匹配後，成功偵測小於一個足跡範圍內的粒徑尺寸，藉以量化河床之表面之細微變化程度。本團隊研發成果顯示該方法能以高於85%波形匹配相似性，偵測粒徑尺寸為10公分至120公分之粒徑，對應河道管理單位粒徑調查成果僅具3公分差異，一致的趨勢確保全波形光達次足跡技術應用之可靠性。研究過程中不僅透過新式空間資訊技術與環境分析應用具體結合，並解決現地河床質調查之人力與時間成本問題，所得到次足跡且可靠的粗糙度成果，可成為往後獲取河床粗糙度的一種高效率之作業方法，輔助歷年來河床變化與沖積特性的分析。韓教授和他的團隊將持續延伸遙感探測技術應用，以自動化輔助地表判識與地貌監測目標，持續為國土保育與防災科學奉獻心力。

　　台灣山林聳立、地形崎嶇變化，蜿蜒溪流啟於山林延伸都市城鎮至平原開發區域，數百公里後注入海洋，行經上游巨大岩體、破碎岩塊、卵礫石、粗細砂到泥灘地等不同河床地質條件，顯著河道粒徑差異亦形成河段間流速及水位等流況差別。於過去河道管理單位透過特定河道斷面進行高程量測及現場定點拍照，紀錄下該河段地形高程幾何及河床粒徑屬性；然而，逐河道斷面調查不僅現場外業需仰賴大量人力，所蒐集地形資料及照片仍需藉由人工判識，成果解析存在大量人為誤差等不確定性。如何有效針對全河段提供自動化偵測河床粒徑粗糙度(Riverbed roughness)是水利及空間測繪之重要研究課題。

　　近年來遙感探測技術及設備精進發展，於百公里外高空中，透過影像拍攝、訊號發射傳遞達到地表變化應用監測。其中，一種主動式高穿透力光達探測技術(Light detection and ranging, LiDAR)又稱雷射掃描(Laser scan)，以記錄發射與接收訊號之時間間隔作為計算光達與地面各點之間距離。相關研究應用這項技術多以單一波形中部分特徵作為地表特性偵測使用，少有應用完整數學模式模擬並詮釋波形傳遞物理特性。臺大土木工程學系韓仁毓教授與其團隊運用空載全波形光達(Full-waveform LiDAR)結合回波波形特徵(如:振幅、波寬、背向散射)，提出了次足跡波形模板(Sub-footprint templates)作為分辨地表面粗糙度使用。

　　次足跡模板建構於理想中全波形光達脈衝波(Pulse)訊號傳遞，由發射端送出波形訊號至次足跡範圍內河床粒徑表面，過程中包括散射(Scattering)、反射(Reflection)及接收等波形運動行為，傳遞間波形基於高斯分布(Gaussian distribution)，發射能量呈現一維高斯分布、散射呈現二維的高斯分布，推得瞬時之總發射能量、足跡分割對應瞬時發射的能量、分割點的高程等資訊，即可重建以時間為函數的發射和接收波形。依發射高度、能量散射角度及各種河床粒徑大小可模擬建構多種次足跡模板，這些模板提供匹配於實際光達波形，推算現地河道之粒徑粗糙度。研究成果顯示該方法能以高於85%波形匹配相似性，偵測粒徑尺寸為10公分至100公分之粒徑(圖1)，對照過去河道管理單位粒徑調查成果僅具3公分差異，一致的趨勢確保全波形光達次足跡技術應用之可靠性。

圖1：光達次足跡技術應用於河床粒徑辨識
 

　　本團隊應用新式空間資訊技術與環境分析應用具體結合，解決現地河床質調查之人力與時間成本問題，並得到次足跡且可靠的粗糙度成果，可成為往後獲取河床粗糙度的一種高效率之作業方法，輔助歷年來河床變化與沖積特性的分析。此外，韓教授和他的團隊將持續延伸遙感探測技術應用，特別是整合如無人機影像等細緻化空間資訊，促進自動化輔助地表判識與地貌監測，為國土保育與防減災科學奉獻心力。