光達掃瞄技術

技師報社長 莊均緯

傳統上量測裂縫大小及長度，採用的測量儀器常見的有全測站、經緯儀等器具，測量時針對疑似裂縫處進行紀錄，其是屬單點監測，因此較無法一次進行整體性數據顯示。伴隨著科技進步，目前可透過地面光達掃瞄技術，其透過雷射掃描原理，計算掃瞄儀到物體間之距離及角度，藉此求岀物體的三維空間坐標位置。

市面上常見的地面光達掃瞄儀有兩種掃瞄方式，一為脈衝式掃瞄(常見機種RIEGL VZ1000)，另一則為相位式掃瞄(常見機種Faro X330)，脈衝式掃瞄為計算雷射撞擊待測點，反射回感應器之往返飛行時間，求得掃瞄頭至待測點之距離觀測量，據此計算待測點之坐標位置，此法與傳統的測量儀器之測距儀有相同之原理。此法通常應用在長距離掃瞄上(超過500米)，目前公路邊坡崩塌計算、邊坡監測、崩塌土方應用等已多採用此法量測之。

相位式掃瞄原理為透過雷射點發出至反射物之波形，計算此段距離之波形相位個數，藉此求出與反射物之間距離，因是採用相位方式，測距的精度較高，然距離越遠，較易受雜訊影響，一般來說適用於與目標待測物400米內。表１為兩者掃瞄儀之比較。

表1 地面光達VZ-1000掃瞄儀規格表

本次掃瞄採用Faro X330進行掃瞄，掃瞄時並同步搭載7000萬畫素相機，進行拍照處理(如圖1)，掃瞄時儀器採水平360度，垂直300度進行掃瞄，如此一來可避免天頂方向資料不足。搭配相機可藉此產製三維彩色點雲，透過最新掃瞄技術，可進行現場數位典藏工作，將現場證據狀況先全部保存下來，避免因天氣、人為修復等因素而破壞現場，將現場每個物空間點作標加以紀錄，並進行後續包含量測、角度、面積等計算運用(如圖2)，作為後續土方計算、損壞程度估算之依據。

本作業儀器輕巧(約6kg)，並可結合智慧型手機進行作業(IOS/Android系統皆可)，可大幅減少外業時間及人力，以本計畫範圍面積，僅需1-2天即可將現場全數掃瞄紀錄。現場作業時，並針對疑似裂縫區加以拍照紀錄之，作為後續自我檢核之依據。

主要工作流程分為外業作業以及內業作業，如圖3。

圖3  地面光達掃瞄作業流程圖  

外業掃瞄作業方式

　1.規劃掃瞄測站位置，以達到最大通視及最大掃瞄範圍為主，減少設站數目，並方便後續測量之擺站位置。

　2.各站之間放置三個以上的共軛球，如下圖4，擺放位置以前後左右上下均勻分布，且前後站均能看到為原則。(或確認現場有三個以上的特徵物可點選)

圖4  不同掃瞄站之共軛球位置

　3.儀器架設需定心、定平，掃瞄完成場景及共軛點位後，轉站並重附上述步驟至掃瞄完成。

內業處理作業方式

　1.外業掃瞄後的將資料帶回公司輸出，採用SCENE 5.4專業軟體，進行後續內業處理。

　2.匯入單站點雲資料，由於範圍無法以單站掃瞄所有範圍，因此需要進行各站之間的拼接動作，接下來匯入另一個鄰近掃瞄儀資料，點選兩站皆掃瞄到的共軛球位置如圖5(或是選擇相同的共軛點位)，讓軟體得以比對出兩站之間的相對位置，使得站與站之間的點雲資料拼接完成。重複此步驟，繼續將下一站與前一站點雲資料做完成拼接作業，直至所有掃瞄儀站的資訊完成為止。

圖5 選取共軛球進行拼接作業

　3.將掃瞄的點雲資料套入顏色資訊，使灰階的點雲資料變成彩色點雲資訊如圖6所示。

　4.使用剪切框裁剪點雲資料如圖7，便於選擇興趣區域，將不必要的資料隱藏；若掃瞄站數以及資料量龐大時，針對選擇的點位進行操作以及成果輸出，可以減省大量的時間。

圖6  裁切點雲資料

　5.將完成的點雲資料上傳SCENE WebShare如圖8，可將全景掃瞄圖像放置在網路上，不需要安裝其他軟體，皆可共享掃瞄成果，便於提供業主及客戶端使用。使用者可在資料上清楚得知掃瞄儀器架站相關位置，亦可在畫面上量測長度以及記錄備註資料。

圖7 資料上傳WebShare成果		圖8 彩色點雲成果展示(捷運站)