第二章 港灣構造物檢測作業標準制訂
2.4 儀器檢測內容之補充
1.三維光達(3D Lidar)檢測技術 (1)檢測原理
光達為 LADAR(Laser Detection And Ranging)或是 LiDar(Light Detection And Ranging)如圖 2.10 所示。雷射測距中有兩個主要的量 測方法，分別為脈衝式測量法(pulsed ranging)與相位差法(phase difference method)，前者是計算測量光脈衝從發出到接收所花費的 時間如圖 2.11 所示，後者是應用連續波雷射(Continuous Wave lasers) 量測從傳送出去的訊號與打到物體散射回來所接收訊號的相位差，
如圖 2.12 所示。
R=CT/2 C 代表光速=300,000 km/s 圖 2.10 3D 光達量測原理
圖 2.12 相位差法
光達是雷射掃描系統(Laser scanner system)、全球定位系統 (Global Positioning System, GPS) 以 及 慣 性 導 航 系 統 (Inertial Navigation System, INS)的結合，透過雷射掃描儀向地面發出雷射 光對地物進行掃描並記錄，同時 GPS 系統提供掃描儀精確的三維 位置以及 INS 系統提供飛機姿態數據。
其中 INS 系統由慣性測量單位(Inertial Measurement Unit, IMU) 及 導 航 電 腦 所 組 成 ， 一 個 IMU 包 含 了 三 個 單 軸 加 速 度 儀 (accelerometer)及三個單軸的陀螺儀(gyroscope)，再透過這座標資料 可以將物體從其所在的環境中擷取出來製成 3D 模型，其資料通常 以許多點分布於一個三維的空間中的方式儲存稱為點雲，大部分光 達的研究是利用點雲的幾何與強度值來進行。
一束雷射光打出可以有數個回波反射回來，在小足跡光達系統 (光斑直徑 0.2~3m)中是使用多脈衝系統(multiple pulse systems)來 記錄，而另外一種全波形(full-waveform)系統則是大足跡光達系統 (光斑直徑 10~70m)，如圖 2.13 所示，在小足跡光達中雷射光通過 的物體較為單一所以對於波形的影響比較明顯，但是很有可能無法 一直穿透到打到地面的點，大足跡光達可以確保打到地面點但是在 每個回波都是受到數個目標物在不同的位置與不同的特性所影 響。
圖 2.13 小足跡光達(a)與大足跡光達(b)示意圖(Mallet & Bretar, 2009) 全波形系統在訊號分解與增強脈衝探測法上很有貢獻，其較嵌 入式即時系統(embedded real-time systems)更能夠準確地接收大量 的回波，可以得到密度略高的點雲與較好的距離探測，如圖 2.14。
圖 2.14 植被在全波形與多重回波點雲的比較(Mallet & Bretar, 2009) 根據(Meng, Currit, & Zhao, 2010)光達技術於產製 DEM 上的能 力相較於傳統方法(如攝影技術、自動影像比對、高程擷取技術)來 的優越，主要有五點：
○1 點雲的密度高。
○2 基於光達點在高程的分析上可以擷取出表面特徵。
○4 透過多重回波可以辨別植被的樹冠。
○5 因為有多重回波所以可以載有高密度植被的地方進行地面測量。
光達可以有效運用對於地滑監測(McKean & Roering, 2004)，
也可對於地質構造特徵的辨識與擷取上的使用(Sturzenegger &
Stead, 2009)。
(2)檢測程序(如圖 2.15(a)所示)：藉由「現場勘查」進行固定式光達「量 測點選擇」，其後進行「現場量測」，如圖 2.15(b)所示，最後將量 測資料進行處理與結果繪製。
(a) (b) 圖 2.15 三維光達量測程序與檢測照片
(3)檢測注意事項：檢測方式依採用之儀器類型而有其差異，其特性如 下：
○1 脈衝式雷射的特點：距離測量準確和精度高是基於飛行-時間差 的雷射掃描儀的性能特點。
a.測距範圍：大於 200m，最遠的甚至達到 6,000m b.測距精度
(a)中距離脈衝雷射掃描儀(最大測距：< 2,000m)：±2 mm –±
7 mm(測距<50m 時)。
(b)超長距離脈衝雷射掃描儀(最大測距：< 6,000m)：±15 mm(測 距< 50m 時)。
c.最大雷射掃描頻率：2,000~300,000Hz。
d.太陽光和室外光線對掃描點數和精度影響：小。
e.植被覆蓋區域：能夠應用，並且能夠去除植被。
○2 相位式雷射的特點 a.測距範圍：<79m。
b.測距精度：5 mm(距離：< 25m)：±12 mm(距離：< 50m)。
c.最大雷射發射頻率：300,000~600,000Hz。
d.太陽光和室外光線對掃描點數和精度影響：大。
e.不適宜在陽光和晴天下室外進行大於 20m 的測距工作。
f.植被覆蓋區域：不能夠應用。
g.使用範圍侷限：在掃描物件具有多重目標的情況(如網狀、籬 笆、樹木後的房子，設備)下不能使用。
(4)檢測成果
圖 2.16 為某板樁式碼頭岸肩地形地物之測繪成果，藉此瞭解 岸肩高程狀況，圖中 No.1 與 No.2 區域為下陷區域，No.1 沉陷區 域放大如圖 2.17 所示。此技術可快速針對碼頭岸肩進行大範圍之 地形量測，除作為現況高程瞭解外，亦可藉由定期之量測，發現沉 陷趨勢，以輔助判別重力或板樁式碼頭是否璧體有破損漏砂之情形。
由於此技術可藉由定期之檢測進行資料判別作為長期監測之目的，
故亦有案例將三維光達架設於船隻上，如圖 2.18 所示，測繪港灣 防波堤構造物，以確認其狀況，如圖 2.19 所示。
圖 2.16 三維光達測繪碼頭岸肩成果
圖 2.17 碼頭岸肩沉陷區測繪成果
圖 2.18 光達安裝於船首照片
圖 2.19 船載光達測繪海堤成果