1-1 研究之動機與目的
近年來各種工程應用三維雷射掃瞄儀的案例日漸增多，舉凡土木建設工 程、防災與災害調查、建築古蹟管理、隧道測量、工廠設施監測、及自然景觀 調查等，上述工程的共同點皆為測量範圍小、被測物之空間關係複雜且可能正 處於持續變化狀態，應用三維雷射掃瞄儀是因其具有下列優點：只需一個儀器 立足點，即能以不接觸被測物的方式快速獲得待測物表面非常高密度且高精度 的三維點位，相較於傳統測量儀器是針對待測物體表面單一特徵點進行量測的 方法，三維雷射掃瞄儀更適用於需物體表面的測量；三維雷射掃瞄儀除具有快 速獲得物體表面資訊以外，更解決了因觀測者所產生的人為觀測誤差；三維雷 射掃瞄儀為主動式量測，由儀器自行發射雷射光源，在黑暗中亦可作業，對於 像是在隧道的測量有極大幫助；傳統測量儀器常因為對於待測物體取樣不足，
在測量工作的可靠度上易令人存疑，將三維雷射掃瞄儀的技術應用於空間資料 蒐集、分析，可突破傳統測量受限的方法，能精確、大量、快速且連續地蒐集 資料，對於分析結果更具有真正的意義及代表性。
經三維雷射掃瞄儀作業後所得到之眾多三維空間座標一般以”點雲”稱之，
點雲資料的優劣影響著後續的內業處理與成果分析，由以往的文獻資料可以知道 三維雷射掃描儀於戶外進行掃描作業時會受到許多外在環境因素的影響，如距 離、角度、材質、溫度、濕度及壓力等等，而使得三維點雲座標資料之精度變差，
例如以本研究所使用之Trimble GS200型三維雷射掃瞄儀，雖原廠規格為掃瞄距 離為200公尺時精度可達6mm但實際檢驗後發現在50m以內精度最佳，超過此距 離儀器距離待測物越遠則精度精度大幅降低；此外在角度方面，以70° 作為三維 雷射掃瞄儀一個臨界指標，當掃瞄角度在70° 以內的掃瞄點可作為點雲疊合的共 軛點，而掃瞄角度大於70° 則無法判定。
以點雲資料獲取而言，三維雷射掃瞄儀的原理是應用接收雷射反射訊號的 時間差，來得到各點位的三維空間座標，反射訊號的優劣也影響著點雲資料的 精度，而點雲資料中之反射強度值 (Intensity) 即為反射訊號的一種，利用反射 強度值進行一些點雲資料的判讀，在空載光達上是利用因不同的材質具有不同 的反射強度，故可由反射強度來幫助區分地表上的物體，但在三維雷射掃瞄儀 (地面光達)方面，強度值的應用卻幾乎沒有，故本研究中一部分將探討強度值 對精度之影響。
此外對待測物之顏色而言，對於不同顏色其反射的能力也有差異，例如亮 色系具有較好的反射能力，故本研究亦對欲掃瞄的目標物作多種顏色的搭配並 對其作掃描，以瞭解顏色與強度值之關係。綜合上述三維雷射掃瞄儀精度影響 之因子，本研究將探討三維雷射掃瞄儀目標物顏色因子對反射強度及精度之影 響，探討顏色與強度值的關係，以及分析強度值對精度之影響，實驗是否反射 強度高其精度也越好，以及其之間關係。
1-2 研究流程
本研究實驗所用儀器為Trimble的子公司Mensi所生產的GS200型三維雷射掃 瞄儀，此款雷射掃瞄儀為中距離掃瞄儀器；而實驗中所佈設在目標物上之覘標亦 為Mensi原廠所率定製造之反射覘標(Target)。因本研究為探討目標物顏色因子對 反射強度及精度之影響，為了避免因實驗場設置於室外，使陽光造成對雷射光束 的影響，進而影響實驗的準確性，故實驗場選擇在交通大學工程二館的224教室 內進行對目標物的實驗。目標物顏色共計有六種，實驗分別對六種顏色進行掃 描，每種顏色各掃瞄五次，再將掃描所得點雲資料進行資料格式轉換和分類，進 行下列兩種分析：1. 目標物顏色因子與反射強度關係。2. 反射強度對精度之影 響分析。研究流程如圖1-1。
1. 目標物顏色因子與反射強度關係
本研究使用經 GS200 型三維雷射掃瞄儀掃瞄各種顏色製作而成之目標物，
利用所得之點雲進行目標物顏色因子與反射強度關係的分析，目的在於探討目標 物顏色對強度值的影響。方法為利用點雲資料中的強度值，進行整筆資料的分 類，首先將點雲資料強度值以昇冪方式排列，再將資料中強度值每間隔 10 為一 單位共分為 27 類，並進行統計以瞭解此種顏色的強度值分佈情形，以得到目標 物顏色因子與反射強度關係。
2. 反射強度對精度影響之分析
由於欲了解強度值對精度之影響，掃描後所得點雲資料亦需進行以強度值 差異量 10 的一個分類。反射強度對精度影響之分析，本研究以兩種方法作為分 析的指標，分別是(1)各反射強度值區段所組最適平面精度、(2)各反射強度值區 段之點雲至覘標(target)所組成之最適平面的平均距離。利用此兩種計算成果經統 計後以供分析強度值對精度之影響。
圖 1-1、研究流程圖
實驗用儀器之選定
資料後處理及成果分析：
◎ 成果彙整
◎ 成果分析
◎ 結論與建議
研究動機與擬定研究目的及 方法
實驗場所之選定
目標物顏色因子與反射強度之關係
反射強度對精度影響之分析 文獻整理：
◎ 過去國內外相關研究
◎ 光達量測理論
1-3 文獻回顧
本研究將探討三維雷射掃瞄儀目標物顏色因子對於反射強度及精度影響 之研究，在研究中將先論述目標物的選擇與實驗場的設計，最後對目標物各強 度值區段精度以點雲最小二乘適平面求取理論作為計算之方法。
在過去的研究中已對反射標的製作材料選取已有研究(賴志凱，2004)，在反 射標的製作材料選取，基本要求是需對於雷射光反射能力強，也就是掃瞄點有較 高的強度值(Intensity)，主要原因是反射力較強的反射標其有效的掃瞄距離較 長，使用時才不會受距離的限制。其次是該物體經掃瞄後其點雲分佈形狀仍能維 持原反射標幾何形狀。最後則是使用的反射標選擇容易製作且材質容易取得。但 由於本研究旨在探討目標物的顏色對於反射強度以及經度之影響，且本研究實驗 為短距離，若仍以高反射強度材質作為本實驗目標物將造成三為雷射掃瞄儀的多 路徑效應，其效應發生在近距離掃瞄強反射表面將造成距離誤差[Runne et al，
2001]。故參照過去研究選出適合本研究目標物之材質，其中經簡單測試後，選 擇以大型壁報紙較佳，因其具有顏色豐富、取得容易、擺設簡單等特性。
此外對實驗場的設計以室內掃瞄場為佳，在過去室外的檢定研究中(粘惎 非，2005)發現於戶外檢定場最大的困難是無法控制環境因子，其實驗得知中環 境因素可影響三維雷射掃瞄的精度，尤其是陽光對雷射光束的甚至可能達到十 多公分的偏差。且陽光影響雷射光束的精度，將造成雷射測距本身精度降低，
亦加上太陽直射會使儀器溫度提高，也將影響到三維雷射掃瞄儀本身定位的精 度，因此建議在實際作業上，盡量選用陰天或日曬不強烈的時段進行野外掃瞄。
在研究中各種顏色之目標物經掃瞄後，其點雲資料的精度判定將以點雲最 適平面求取，而其理論基礎則是利用最小二乘平差理論：方法為分別利用 X、
Y、Z 坐標作為觀測值，透過迭代門檻值的設定，進行點雲最適平面方程求取 工作，並選定所有點雲群與最適平面距離平方和為最小當作主要之點雲最適平 面。於點雲最小二乘適平面求取方法中，經實驗(徐元俊，2006)測試結果，以 最小二乘理論對於點雲進行最適平面求取工作，透過門檻值進行迭代計算，可 以正確地獲得最適平面方程式，利用 X、Y 坐標作為觀測量時，所求取出點雲 最適平面之精度較佳，且兩者精度較為一致，並呈現穩定的趨勢，而利用 Z 坐 標作為觀測量計算時，由於點雲的剔除率成效不一致，因此在點雲最適平面精 度較易呈現出不穩定的趨勢。這樣的情形可在進行單次計算時，就能發現何者 最終求解精度較佳，可以利用點雲剔除門檻值的重新設定，讓迭代計算的次數 增加，使得以 Z 坐標作為觀測量時，最適平面成果與 X、Y 為觀測量時相近，
但此步驟將參雜較多人力介入，因此，仍然較建議採用 X 或 Y 坐標為觀測直進 行最適平面計算工作。
1-4 論文架構
本論文之基本架構分為五個章節，各章節之研究內容簡要概述如下：
第一章 說明本論文之研究動機與目的、本研究所進行的研究流程與方法，和相 關文獻回顧，以及本研究之組織架構。