行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
建築施工現場數位化之先期研究 -3D 雷射掃描器在施工過程表達上之應用
A Stufy of Construction Site in Digital Representation
- an application of 3D scanner in construction process representation
計畫編號：NSC-91-2211-E-011-67
執行期限： 91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日 主持人：施乃中教授 台灣科技大學建築系
一、中英文摘要
本研究以建築工地現況為觀測對 象，應用長距離 3D 雷射掃描器將施工 現 況 轉化 為三維 幾何資 訊 ，長 期 比 對、分析施工進度與掃描點雲間對應 關係，據以建立適用於建築工地現況 描述的 3D 幾何資料擷取作業程序與 規範。本施工現況數位化以台灣科技 大學? 五大樓新建工程為測試對象，
依照程序與規範實施週期性紀錄，建 立施工現場數位模型資料庫，據以提 出掃描資料分析與比對模式。
研究成果為架構於網際網路上的 3D 掃描資訊管理系統，整合了掃描過 程前、中、後所產生的幾何資訊，允 許瀏覽者即時旋轉基地全區模型、檢 視、同時量測物件尺寸。除支援掃描 資訊線上編輯、檢索、與比對外，亦 可疊合電腦圖檔與點雲資料，比對原 設計外觀與不同施工階段間之差異。
關鍵詞：3D 雷射掃描、建築數位化、
逆向工程、數位施工紀錄
Abstract
This research applies a long-range 3D laser scanner to convert as-built construction site to three-dimensional digital data. With the observation of building construction process emphasized, a long-term comparison and analysis was made between scanned point clouds and working schedule. The analysis is used to establish working procedures and specifications in retrieving 3D as-built geometric data of a construction site. Construction digitizing was exemplified through a campus building in the National Taiwan University of Science and Technology. A database made of digital construction models was built based on the periodical scan data to create a pattern of analysis and comparison.
This research has created a
web-based 3D scan information
management system to integrate
geometric information before, in the
middle, and after construction process.
The system allows users to browse the models of the whole site in real-time and to measure distance as well. In addition to on-line edit, search, and comparison of scan data, CAD drawings and point clouds can be overlaid to reveal the difference between a design and its real appearances in various construction stages.
Keywords : 3D Laser Scan、
Architecture Digitization、Reverse Engineering、Digital Construction Documentation
二、計畫緣起與目的
建築施工現場數位化使施工資訊 易於整合，並可完整紀錄施工過程。
為紀錄及描述建築工地三度空間的作 業環境，現今做法是由工地監工瀏覽 眾多圖表書文想像 3D 建築空間，並將 施工過程經由 2D 圖表回報設計單 位。由此可知為呈現工地施工全貌，
許多平面資料在不同單位間以不同型 態被紀錄著。若能以 3D 數位資料作為 整合施工資訊的介質，將有效整合目 前破碎而互不連結的施工資訊。近年 來廣被應用於各領域的 3D 雷射掃描 器提供此機會，利用 3D 雷射掃描器紀 錄建築施工現場資料，以量測施工數 據、檢測施工作業、分析結構安全及 探討施工流程等。
本研究的主要目的有三：
1. 以 3D 雷射掃描器週期性紀錄建築 施工現場的施工過程，並研究其程
序與方法，建立標準流程與規範。
2. 建立建築施工現場掃描資料庫以 分析其應用方式。
3. 建立以網際網路為基礎的管理介 面作為掃描資訊整合的方式。
三、研究範圍與方法
（一）範圍
本研究以 3D 長距離雷射掃描器
（以下簡稱 3D 雷射掃描器或稱掃描 器）作為擷取施工現場三維幾何資訊 工具，藉由擷取工地施工進展的三維 模型：包括施工全景掃描與特殊施工 物件或施工流程掃描，初步建立以 3D 雷射掃描器進行工地數位化之流程與 規範，提供未來設計階段檢視及驗 證、設計教學教材、施工計畫訂定、
施工流程安排等的基礎資料。分析掃 描資料，建立資料分析與比對模式，
再透過管理介面的建立，探討掃描資 料在施工紀錄上的整合應用。
（二）方法
1. 研究目的、範疇確認：界定研究目 標與議題，訂定研究流程，作為後 續發展架構及方向之探討與確立。
2. 文獻回顧：以 3D 雷射掃描器與相 關量測工具進行比較，分析國外應 用 3D 雷射掃描器案例，作為本研 究立論基礎。
3. 基礎知識與規範的建立：介紹長距 離 3D 雷射掃描器的性能及特性，
以多項掃描案例進行實驗，從而建
立工地 3D 掃描所需的基礎知識及
規範，逐一分析其相關內容與限
制。
4. 進行工地掃描：以台科大綜五大樓 新建工程（現已改名為國際大樓）
為目標，依所建立之基礎知識與規 範，進行工地 3D 掃描執行計畫之 程序與步驟。
5. 管理系統建構：以時間軸為基礎建 立施工過程數位模型資料庫，透過 網路介面進行遠端管理及瀏覽，並 依此資料庫建立掃描資料分析與 比對模式。
四、研究流程
研究目標確立
相關研究、應 用及文獻回顧
第一章第二章
掃描器操作
特殊物件 掃描 工地全景紀
錄掃描 動態物件
掃描
掃描作業紀錄
掃描資料處理 工地作業紀錄
掃描資料處理
紀錄 掃描作業流程
分析
掃描點計劃 分析
參考點計劃 分析
工地掃描作業 程序建立
第三章
座標式參考點 計劃分析
資訊整合 建立掃描
資料庫 掃描資料
管理
資料分析比對 模式及 應用探討
結論及建議
第五章第六章
其他案例 掃描 建立掃描作業
規範
第四章
五、研究內容
（一） 、掃描基礎知識與規範的建立 以 3D 雷射掃描器進行實際案例 操作，建立 3D 掃描之基礎知識與規 範，並以所建立之規範實際應用於建 築工地的掃描上，擬定掃描計畫並分 析其執行內容，以建立建築施工現場 數位掃描之標準流程。
本研究以台科大第五綜合實習工 廠新建工程（以下簡稱綜五大樓，現 以改名為國際大樓）作為觀測及掃描 的主要研究對象外，建立起如下掃描 基礎知識與規範：
1. 數位資料取樣模式的建立：可分為 全面式掃描、局部多區域掃描、參 考點擷取、局部掃描與參考點擷取 同時使用。
2. 取樣的限制：距離與角度、雨、水、
反射面、反光物件、動態物件、遮 蔽之假設工程項目。
3. 數位資料的處理：可分為掃描資料 的規劃、掃描資料的結合、與掃描 資料的檢視。
4. 掃描點的分類與選擇原則：分為掃 描點的分類與掃描點的選擇兩方 面來規範。
5. 參考點的分類與布置原則：包括參 考點的分類、參考點的產生方式、
參考點的固定方式、參考點的布置 原則、建立座標式參考點系統等。
6. 人員組織與作業程序規劃。
（二） 、建築工地掃描
本節由以上所建立的掃描規範為 基礎，進行建築工地數位化之操作，
並以綜五大樓新建工程為例，說明進
行建築工地掃描實際執行程序、計畫 及其內容。可將工地掃描分為全景掃 描與局部掃描兩大類：
1. 全景掃描的評估程序：
本研究將全景掃描的評估程序歸 納為如下的六個步驟：
‧ 步驟一：列出工地四周可行的全景 掃描點位置，如下圖所示。
工地 台電大樓二
台電大樓一 停車場
1
2 3 4 5 6
8 7
‧ 步驟二：現場勘查及照相
‧ 步驟三：掃描視景分析之ㄧ-參考點 分區配置計畫
本步驟利用照相測量法模擬建築 物施工過程中的量體變化，經由現場 照相取得與掃描器掃描視景範圍相同 的數位照片，以 Caroma 等軟體建構 建築物的模型，用以分析地上物開始 建構時其量體的變化情形。由量體的 模擬了解掃描點可以設置參考點的區 域，以及掃描點與量體之間的掃描角 度。如下圖所示：
SIDEWALK
E2 ADM GATE
SIDEWALK
E2 ADM
‧ 步驟四：掃描視景分析之二-掃描視 景範圍及參考點配置計畫
本步驟以現場配置圖搭配步驟三 之參考點分區配置計畫圖，更近一步 分析掃描時掃描視景的範圍，用以詳 細配置參考點的確切位置。
‧ 步驟五：進行掃描試驗作業。下圖 為全景掃描點 6 進行掃描所得的點 雲，本圖的模型角度與掃描視景的 角度相同，與掃描視景分析所建立 的建築物量體模擬比較，不論模型 與參考點位置差異均甚小，由此可 確認評估程序的正確性及本掃描 點的適用性。
‧ 步驟六：建立全區參考點系統
以上的分析程序可建立如下圖所
彙整的全區參考點系統。全景掃描點 的評估程序不僅評估及確立全景掃描 點的位置，更因而確立全區參考點的 座標位置，因為掃描點與參考點的配 置是互相作用且須同時考慮而非單獨 決定的。
E2-01
ADM-03
BM ADM-01
ADM-02 GATE-04
GATE-05
GATE-01
GATE-02 GATE-03
SIDEWALK-01 SIDEWALK-02 SIDEWALK-03
SIDEWALK-04 SIDEWALK-05
2. 實施局部掃描的方法
局部掃描的實施程序為： （1）選 定掃描目標及範圍， （2）進行掃描視 景照相及現場勘查， （3）確認施工進 度以計畫掃描日期， （4）選擇適當的 結合定位方法， （5）實施掃描。
本研究由掃描試驗求得四種局部 掃描模型定位的方法，分別為以反光 標示進行結合定位、以標示球參考點 進行結合定位、以雙參考點標竿進行 結合定位、以間接式參考點進行結合 定位。
（三） 、掃描資訊的分析與比對 1. 掃描資料的分析：分析的方法可分
為一維量測、二維量測、三維量 測、施工斷面的長期觀察以及點雲 的分析等方式。
2. 掃描資料的比對：指點雲的視覺化 比對方式而言，可分為不同時程的
點雲比對方式、檢視變異點雲、與 設計圖比對等三種方式。簡述如 下：
‧ 不同時程的點雲比對：為將兩時間 點點雲重疊進行比對，須在兩次掃 描時建立三個以上相同的參考 點，才能以此三個參考點來結合兩 不同時程的點雲。然而將兩時間點 點雲重疊進行比對，在檢視上有其 困難，因此在 3D 的呈現上可用點 雲與網格並用的檢視方法達到判 讀的目的，例如較早期的模型使用 網格呈現，較後期的模型使用點 雲。
‧ 檢視變異點雲：檢視變異點雲的模 式是使用 Cyclone 的 Overlap 功 能，此功能會在兩個點雲結合的重 疊區域產生新的點雲（重疊點 雲） ，並以不同顏色顯示。應用此 功能比單純結合不同時期點雲比 對，更清楚觀察施工中增加或減少 的點雲資料。
‧ 與設計圖比對：以 Cyclone 所提供 的附屬軟體 COE 可將點雲轉入 AutoCAD、MicroStation 等繪圖軟 體中。但點雲資料須轉換為與設計 圖相同的座標系統，以方便繪圖軟 體檢視點雲及將點雲與設計圖重 疊等作業的程序。將施工點雲與設 計圖重疊顯示可免除工地大部分 的測量工作，因在重疊的比對中，
可很快看出施工現場與設計圖的
差異點，進而幫助現場監工早期發
現施工問題，以早期進行修正。
（四） 、管理系統建構
進行建築工地掃描作業時間越長 所累積的掃描資料越大，如何管理掃 描作業所產生的龐大資料為本節所要 討論的課題。本文提出建立一架構於 網際網路的 3D 掃描資訊管理系統作 為管理建築工地掃描資訊的介面，經 此介面的建立，預期能使掃描計畫執 行前、中、後所建立的資訊得以整合 應用。本管理系統整合的資訊包括掃 描作業前建立的掃描計畫、作業中建 立的掃描紀錄及施工紀錄、作業後進 行掃描資料處理程序所產生的資訊，
以及提供施工模型資料可呈現、檢索 及比對的介面。
1. 系統應用架構：使用本系統的單位 可分為建築工地掃描計畫執行單 位、設計監造單位、施工單位、一 般使用者等四個部分。其相互間的 關係如下圖所示。
掃描作業外勤單位 影像 設計單位 影片 文件
聲音 施工單位
設計圖
施工進度
施工日誌 掃描作業內業單位
管理系統介面製作維護 掃描比對資料製作上傳
客戶端 客戶端 客戶端
伺服端
2. 系統設計架構：系統的主要架構可 分成負責資料儲存及管理的資料 庫管理系統（Database Management System） ；提供網頁伺服器與資料 庫間相互溝通的伺服器端動態網 頁（Active Server Page） ，使系統能 產生動態、互動式的網站應用程 式；可在網頁伺服器與客戶端瀏覽 器執行的網頁編輯系統（包括
JavaScript、VBScript、ActiveX 所 產生之 HTML）；以及繪圖與掃描 系統的資訊傳遞格式（如 DXF、
DWF、PTX、PTS 等檔案格式） （王 直正，2001；廖信彥，1999；石德 隆，1997，Octree Author，2003）。
如下圖所示。
設計圖
繪圖系統
轉換程式
ActiveX 轉換程式 ASP動態伺服器網頁編輯系統
資料庫管理 系統 上傳檔案
上傳表單
檢視瀏覽
查詢檢索
掃描原 始檔案
Client Server Scanner
3. 應用模組與功能：
本系統設計提供四大應用需求，
分別為上傳、編輯、檢索、比對等四 個項目。分述如下：
‧ 上傳：掃描作業數位資訊的產生可 分成檔案與文字紀錄兩大類。檔案 以系統提供的上傳機制上傳至伺 服器，並藉填寫檔案標註表單作為 檔案檢索的依據。文字紀錄以填寫 表單的方式紀錄
‧ 編輯：包含資料的更新、修改與刪 除。
‧ 檢索：檢索是指經搜尋功能查找所 需資訊並正確引用的過程，因此包 含搜尋與顯示搜尋結果兩個部分。
‧ 比對：由前節分析可知，施工模型 的比對方式可分成數值式的比對 與圖像式的比對兩類，由於網頁具 支援多種多媒體傳達格式的特 性，極適合作為圖像式的比對介 面。本系統將此比對方式分為三 種，分別為兩時間點的模型比對、
兩時間點模型重疊比對、施工模型
與施工圖比對。
兩時間點模型比對介面圖像
施工模型與設計圖比對介面圖像
兩時間點模型重疊比對介面圖像
六、研究結果與討論
本研究提出以 3D 雷射掃描器作 為工地施工過程紀錄的方法。3D 雷射 掃描器可將工地幾何資訊轉變成點 雲，而點雲可儲存、編輯、量測，亦 可轉換為實體模型以快速成型機輸 出，而達到建築施工現場數位化的目 的。本研究所建立的工地掃描資料庫 除可作為設計檢驗、施工流程分析、
施工計畫檢討外，更可作為後續相關 研究的基礎資料。研究過程以二項傳 統文物及建築、三個建築工地、及四 個室內裝修案例進行 3D 雷射掃描器 於建築數位化之應用研究，並以台灣 科技大學綜五大樓新建工程作為長期 施工過程紀錄掃描的對象，研究成果 如下：
1. 建立以 3D 雷射掃描器紀錄施工過 程的作業程序與規範。
2. 以時間為序列建立施工過程數位 模型資料庫。
3. 掃描資料量測與比對的模式探討 4. 提出架構於網際網路上 3D 掃描資
訊管理的方式。
七、參考文獻
1. 王直正，DreamWeaver UltraDev 4 資料庫網站 Easy Go!，上奇科技股 份有限公司，台北，2001。
2. 石德隆，網頁設計工廠：使用 ActiveX 與 VBScript，基峰資訊，
1997。
3. 何昭慶、黃至明，3D 數位掃描技
術現況與發展趨勢，Cadesigner，
第 167 期，pp.109，2002。
4. 林三寶，雷射原理與應用，全華書 局，台北，1987。
5. 施乃中，教育部八十四年會計年 度：營建自動化科技教育改進計畫 執行成果報告，台北，pp.14，1995。
6. 施乃中，技職校院建築數位化課程 規劃之研究，期末報告，台北，
2002。
7. 施乃中，3D 雷射掃描在建築模型 建構上之應用，3D 雷射掃描暨 3D 立體顯示建築應用研討會，國立台 灣科技大學，2002b。
8. 施永富，測量學，三民書局，台北，
1989。
9. 張榮年，三度空間數位板在電腦輔 助建築設計之應用與發展，碩士論 文，台北：國立台灣科技大學工程 技術研究所，1992。
10. 黃偉倫，建築工程空間時程資訊之 整合，碩士論文，台北：國立台灣 科技大學工程技術研究所建築學 程，1998。
11. 蔡於暾，車尼可夫紙上建築之電腦 模擬研究，碩士論文，台北：國立 台灣科技大學建築研究所，1998。
12. 廖信彥，Active Server Pages 應用 大全－ASP 與資料庫整合，博碩文 化，1999。
13. 賴仁達，環場視覺資訊在建築上之 應用研究，碩士論文，台北：國立 台灣科技大學建築研究所，2001。
14. 劉宗瑜，3D 立體光學量測法重建 系統之製作與應用，碩士論文，高 雄：義守大學電機工程學系研究 所，2001。
15. AEC Magazine, ”Laser Sighting,”
AEC Magazine, Sep., pp.41-43,
2001.
16. CADdeskAEC, “Bridging the gap,”
CADdeskAEC, Dec./Jan., pp.38-40, 2001.
17. Cyra Technologies, Inc., Cyclone user’s manual, Oakland, 2000.
18. DeVine, D., ”Mapping the CSS Hunley,” Professional Surveyor, Vol 22, pp. 6-16, 2002.
19. Frecks, M., Tamblyn, R., “The Animation of Gorilla Valley: 3D laser technology helps zoo visualize new exhibit.,” Point of Beginning, A BNP Publication, August, pp.18-22, 2002.
20. Goldberg, H.E., “Scan Your World with 3D Lasers,” Cadalyst, 02.01, pp.20-28, 2001.
21. Kim, W., Lee, H.S., Lim, H.C., Kim, O., and Choi, Y.K., “Visualized Construction Process on Virtual Reality,” Proceedings of the Fifth International Conference on Information Visualisation (IV'01), London, England, pp.684-689, 2001.
22. Lemmens, M.J.P.M., and van den Heuvel, F.A., “Detailed and Accurate 3D Object Models form Laser:3D Close-range Laser Mapping Systems,” GIM
International, Jan., pp.30-33, 2001.
23. Octree Corporation, Author User's Guide, PC Version Release
2.1(Version B), Chapter 5, pp.34-39, 2003.
24. Shadel, B. and Vu, P., “3D laser
scanner survey aids design of
Rinconda Water Treatment Plant,”
APWA Reporter, Sep., pp.75-76, 2002.
25. Shih, N.J.,Tsai, Y.L., Lai, Daniel,
and Chang, H.Y., “A Preliminary Application of Panoramic
Supervision System in Construction Site,” Proceedings of the Fifth International Conference on Information Visualisation (IV'01), Jul. 25-27, London, England, pp.103-108,2001.
26. Shih, N.J., “3D modeling from
images to color-textured RP:A Construction Site in Digital
Representation,” 3D modeling from images to color-textured RP, Chapter 10, pp.139-156, 2002.
27. Shih, N.J., “Application of a 3D
Scanner in the Representation of Building Construction Site.,”
Proceedings of the International Symposium on Automation and Robotics in Construction,
19
th(ISARC), National Institute of Standards and Technology,
Gaithersburg, Maryland, Setember 23-25, 2002,pp.337-342, 2002b.
28. Staudacher, F., Belcher, T., and Frei,
N., “Cyrax 2500 provides directly detailed pipe plan,” The Magazine of Lecia Geosystems, Leica
Geosystems AG, pp.7, 2002.
29. 台灣儀器行股份有限公司，
http://www.ticgroup.com.tw，2002。
30. 光電工業研究所，
http://www.oes.itri.org.tw，2003。
31. 國立中央大學應用地質研究所，近 景攝影測量原理與應用簡介，
http://140.115.123.30/Research/close /close.htm，2003。
32. 智泰科技股份有公司，DigiBox 產 品介紹，
http://www.3dfamily.com/products/d evelop/digibox/index.htm，2003。
33. 3D Scanners,
http://www.3dscanners.com/, 2003.
34. Barber, D., and Mills, J., Cyra Technologies, Inc., “Redefining the three R’s – Reflectance, Resolution and Reference: Important
considerations for Laser Mapping Systems”,
http://65.200.93.133/INCYDER/pdfs /surveyword52001.PDF , 2002.
35. Cyra Technologies, Inc.,
http://www.cyra.com/home/home.ht ml, 2003.
36. Cyberware,
http://www.cyberware.com/, 2003.
37. Fischer, M., Introduction to 4D Research,
http://www.standford.edu/4D/, 2003.
38. Hymarc, ”Hyscan 45c,”
http://www.hymarc.com/products/45 cspecs.html, 2003.
39. Suter, J., Flipcode, ”Introduction To Octrees,”
http://www.flipcode.com/tutorials/tut _octrees.shtml, 13 Apr., 1999.
40. Levoy, M., Rusinkiewicz, S., et al., The Digital Michelangelo
Project, ”The Digital Michelangelo Project: 3D Scanning of Large Statues,”
http://graphics.stanford.edu/papers/d mich-sig00/dmich-sig00.html,
SIGGRAPH 2000, New Orleans, 2000.
41. Leica Geosystems,
http://www.lh-systems.com/products /sd2000_3000.html, 2003.
42. Levoy, M., The Digital Michelangelo Project,
43. http://graphics.stanford.edu/projects/
mich/, 29 Apr., 2003.
44. Octree Corporation, Octree Author,
http://www.octree.com/public/Autho r_Intro.html, 2003b.45. Sculptor.Org, “3D Imaging and Scanning Systems and Equipment,”
http://www.sculptor.org/3D/Scannin g/imaging.htm, 2002.
