3D 雷射掃瞄技術

3D 雷射掃瞄器主要構造是裝置一台快速且精確的雷射測距儀（Range finder electronics）搭配上可導引雷射光的反射稜鏡而成。主要運作原理是利用雷射測 距儀主動發射雷射光束同時接收自被測物表的反射訊號，配合反射稜鏡掃瞄水平 與垂直方位，以推求每一掃瞄點與測站（掃瞄器）間之相對座標差。由於在掃瞄 過程中會快速獲得空間資訊，瞬間產生大量的觀測資料，因此在掃瞄的同時必須 連接電腦以求即時儲存資料，並且運用電腦來控制掃瞄視點及檢視被測物。

以Riegel 公司所生產之 LMS-Z360i 3D 雷射掃瞄器為例，即可清楚呈現其掃 瞄之原理與架構（如圖2-4），圖中標註（1）雷射測距儀、（2）掃瞄範圍、（3）

掃瞄稜鏡、（4）掃瞄器機身、（5）掃瞄器與電腦之連接埠、（6）電腦設備、

（7）安裝至電腦內的掃瞄軟體。

圖2-4 3D 雷射掃瞄機原理架構示意圖（RIEGL 3D Scanner Inc, 2004）

壹、本研究掃瞄設備

本研究計畫擬使用的 3D 雷射掃瞄設備為 360°中長距離的 3D 雷射掃瞄(機 型:HDS3000-學校已有設備)（表 2-3），其水平掃瞄視角為 360°、垂直向度方面 達270°，最高單張影像解析度為 1024x1024 dpi，最高點雲掃瞄密度 20000(水平) X 5000(垂直)，距離精確度為 4mm。在無遮擋的環境下最遠可投射距離 300 公 尺，但就時實際的掃瞄情況除會有物體前後遮蔽的問題外，在後續的結合作業 時需有部份疊合區域以利檔案的結合，且對於重點物體的掃瞄則需考量接合多 視角的掃瞄以提高擷取資料的完整性。因此，本計劃先行提供初步的掃瞄規劃，

於後續掃瞄的前置作業上需配合實際的環境狀況如測站的規劃分析、接合點的 設置計畫、高點測站的架設…等擬定完整的掃瞄執行步驟。

表2-3 本研究計畫擬使用的 3D 雷射掃瞄規格 HDS3000

基本規格

掃瞄數量 20000(水平)×5000(垂直) 水平角度 水平360°

或其他阻擋物的出現導致可能需要利用更多的掃瞄測站才能夠將該區域做完整 的掃瞄，以齊東街的狀況而言，由於街道兩旁的建築物較為低矮，多為3~5 層樓 之建築物，因此可利用周圍(忠孝東路、杭州南路、濟南路二段及金山南路)的建 築物或街道對側的建築物進行制高點的架設，來進行掃瞄，便可取得較完整的掃 瞄資訊，亦可以較高效率取得點雲的資訊，避免過多的重複資訊。

但在齊東街該街道中，由於齊東街本身為彎曲之道路配置，因此無法像周邊 四條街道一般，以少數掃瞄測站即可取得多數資訊，而必須實地在巷弄間進行掃 瞄，才能夠增加掃瞄資訊的完整度。

圖2-5 掃瞄器之掃瞄距離（左）及範圍（右）

參、掃瞄案例分析

以下就以幾個國內外案例，說明3D 雷射掃瞄器應用在建築數位化的方法與 流程：

z 上海飛機大樓 3D 雷射掃瞄與基本線擋圖面重建

飛機大樓興建於 1935 年的上海，為上海洋浦地區的歷史保存建築之ㄧ(如圖 2-6 左)，其最大特色為建築造型設計的有如ㄧ架飛機，目前做為醫院使用，院方 想按照原始設計修繕建築物，但其原始設計圖已完全遺失，首先院方想重建其原 始設計及細部圖面，根據大樓的現況與技術條件決定選用3D 雷射掃瞄技術進行 檔案重建之工作。在掃瞄作業執行前根據建築物現況規劃了9 個掃瞄點(如圖 2-6 右)。

圖2-6 上海飛機大樓(左)掃瞄點分布圖(右) (Cheng&Jin,2006) 295.847m

圖2-7 上海飛機大樓掃瞄模型(左)重建之線擋圖面(右) (Cheng&Jin,2006)

不同的掃瞄點擷取不同的建築物外觀點雲，將所有的點雲轉換成同一個座標 系統以取得完整的點雲資訊，本研究應用的方法為使用參考點，將不同點雲的相 同參考點作連結可以將不同的點雲作正確的結合。在後續處理方面包括刪除多餘 的面及部份補面處理，補面過成經過電腦程式的運算，使模型數據資料更為正 確，最後呈現3D 模型，如圖 2-7 左。最後再根據所取得的模型資料建構出該建 物的基本線檔圖面資料，如圖2-7 右。

z St. Johannis 教堂重建3D雷射掃瞄

該教堂建造於13世記，其鐘塔最初為航海的目標，後來因為火災而毀損，但 其鐘塔部分卻一再的被重建，而形式也有所改變，在隨後的1世記中有許多木造 或石造的構件被逐漸建造。圖2-8為該教堂在西元1820年與現今狀況(西元2003 年)。

為了能證明教堂各階段的重建情形，所擷取的資訊必須相當精準，其誤差範 圍必須控制在厘米以下，為了達到此精確度，共有11 個固定參考點被精準的定 位在教堂的裡面。其三向度的誤差皆控制在0.5 厘米以內。使用 IMAGER 5003 雷射掃瞄器在距離25.2 公尺的距離擷取其掃瞄資訊，並精確的記錄所有的掃瞄 點。其所有掃瞄誤差值約在1.3 厘米之間，總共經過 23 個掃瞄點，每個掃瞄點 耗時7 分鐘，取得掃瞄點雲數約 120 萬點(如圖 2-9)。

圖2-8 教堂 1820 年狀況(左) 2003 年狀況(右) (Sternberg, 2006)

圖2-9 教堂內部掃瞄點雲(Sternberg, 2006)

z 災害損害評估掃瞄

2005 年 8 月卡崔那颶風肆虐美國紐奧良，造成嚴重的破壞與損失，本研究 利用高解析度掃瞄技術，快速建立損害評估調查報告，並做為日後其他災害調查 的調查準則。高解析度的掃瞄定義描述如下：(Jacobs, 2005)

1. 高密度點雲 2. 快速資料擷取 3. 可遠處掃瞄 4. 3D 形象化 5.資訊影像化

實際上的掃瞄評估都是擷取幾何表面，並將表面損壞特徵以不規則幾何形狀 描繪，高解析度掃瞄技術的特性就是能將這些不規則的形狀正確無誤的擷取描 繪，圖2-10 為一個倒塌的儲存槽，利用高解析度掃瞄可藉以分析其錯綜複雜的 損壞表面，藉以評估其受損程度，是否得以修復，或是必須拆除重建，並避免未 來遇到類似的災害下，遭受到相同的破壞。

另一個案例則是在車禍事故現場，利用高解析度掃瞄能夠精準無誤的建立車 輛受損的狀況，藉此得以分析案件發生的詳細過程，得以釐清事件產生的最主要 原因(如圖2-11)。

圖2-10 倒塌儲存槽掃瞄(左)局部倒塌建物現場(右) (Jacobs, 2005)

圖2-11 受損車輛現況(左)現況掃瞄模型(右) (Jacobs, 2005)

圖2-12 比薩斜塔點雲(Amato etal.2003) z 義大利比薩斜塔傾斜度 3D 掃瞄測量

本研究利用3D 掃瞄器測量義大利比薩斜塔的傾斜程度，以了解補強工程的 關鍵因素，計劃初期，利用了3 天的時間使用 3D 掃瞄器取得比薩斜塔傾斜的重 要數據與損壞結構部分的相關資料。本研究使用四個掃瞄制高點與26 個參考 點，完成整個比薩斜塔的點雲結合(如圖 2-12)

z 義大利 Nola 遺址

在調查期間發現有許多的考古文獻從遺址被發現，Nola 遺址(位於義大利那 不勒斯城)是一個在西元前 19~17 世記間被維蘇威火山爆發破壞的古老村莊，火 山爆發後火山灰覆蓋了整個遺址的東北邊，在範圍100 平方公尺，深度 6 公尺的 挖掘中，三間大型的小屋引起了考古學者濃厚興趣，利用3D 雷射掃瞄器針對這 個遺址的重大發現，做數位化的遺址保存(如圖 2-13)，並利用雷射掃瞄出來的不 同水平層次，調查不同的歷史瞬間，(第一層中發現了一個拿者筆的小孩與小屋 的表面，而在第二層中發現了小屋的主要結構)。

圖2-13 義大利 Nola 遺址點雲(Amato etal.2003) z 柬埔寨吳哥窟 N1 塔 3D 雷射掃瞄

柬埔寨吳哥窟 N1 塔(如圖 2-14 左)為日本政府負責保存，2002 年 9 月該塔靠 近池塘的一邊遭受到崩塌的危險，將要對此塔進行重建修復的工作，在損壞部分 拆除以前將要對其原始數據加以測量記錄，該塔坐落於砂岩地層，高度達18 公 尺，為了獲得其完整的3D 點雲資料，利用 cyrax2500 掃瞄器進行掃瞄，在掃瞄 時在該塔的四周搭建鷹架(如圖 2-14 右)

為了得到最完整的3D 點雲資料，以便在拆除重建時能達到跟現況一樣的程 度，在該塔四周以混凝土將鷹架固定到完全一致的高度，始得同一層的掃瞄點雲 當基準點與掃瞄密度都能一致，最後再將這些整齊排列的點雲作結合及逆向工程 長面的步驟，以取得完整的3D 資訊 (如圖 2-15)。

圖2-14 柬埔寨吳哥窟 N1 塔(左)目標物四周搭設鷹架(右) (Yamada etal. 2003)

圖2-15 吳哥窟 N1 塔 3D 掃瞄流程(Yamada etal. 2003) z 德國 Lübeck 西方城門 Holstentor 的 3D 建築掃瞄計畫

此計畫是在德國的Lübeck 西方城門 Holstentor(圖 2-16 左)，是用當地掃瞄器 自帶的系統完成的，採用Cyrax 2500 掃瞄器掃瞄，換言之，由於點雲的擷取時 間的限制以及沒有使用結合點掃瞄，因此全部的歷史建物的掃瞄用了5 個掃瞄點 及8 個掃瞄次數(圖 2-16 中)，總共花了 4 小時掃完，掃瞄點間距範圍在 2-3cm，

掃瞄點距離測量的物件大約是24m-60m 之間，總共掃了 400 萬個點(圖 2-16 右)，

產生的檔案大小為102MB。

所有點雲的結合用的是合適的重疊區域結合，因此只有8mm 的結合誤差。

第二步是將2D 的圖面加工，然後用附著在 AutoCAD 的 CloudWorx 外掛，隨意 的切割，然後用2D 的聚合線沿著點雲的邊緣描繪，當物件轉到正西方的時候，

矯正 實體

測量 點雲

可以看出相對的平立剖的關係，如(圖 2-17)所示。這案例將點雲檔案換製程為 2D 的檔案時，總共花費了17 小時。

圖2-16Holstentor, Lübeck(左),掃瞄點位置(中),掃瞄成果(右) (Sternberg ,etc.2004)

圖2-17 由點雲描繪平面圖、立面圖及剖面圖(Sternberg ,etc.2004)

z 使用 3D 影像重建極北的鯨魚骨頭建築

在西元12 世記到 13 世記初，在世界極北之地有一群人，他們向東方移動進 入加拿大的海岸線，但是在那海岸線都沒有什麼浮木可供他們建造建築，因此，

他們就想到一個方式，利用鯨魚的骨頭當作房屋屋頂的結構用、草或苔蘚做屋頂 面覆蓋，用石板當地坪。可是現在留存下來的都不是完整的建物，因此考古學家 們能從此中瞭解這房子的構築方式是有限的。

因此此研究是希望能夠藉由Cyrax 2500 3D 掃瞄掃瞄器掃瞄得到這類鯨魚骨 頭的完整資訊，如(圖 2-18)所示，然後轉換成 3D 立體的模型，重新組構出當時 的建物，希望可以提供關於這些北方民族的房屋構築方式及生活方式的新的視 野。

由(圖 2-19)可以清晰的看見這研究的流程圖，是先用 3D 雷射掃瞄器將物件 做一個掃瞄，然後用3D 軟體建構模型的組立，最後再用虛擬實境呈現。

由(圖 2-19)可以清晰的看見這研究的流程圖，是先用 3D 雷射掃瞄器將物件 做一個掃瞄，然後用3D 軟體建構模型的組立，最後再用虛擬實境呈現。