行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
3D 雷射掃描在建築生命週期監測與分析上之應用(I)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC93-2211-E-011-027-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學建築系
計畫主持人： 施乃中
計畫參與人員： 黃世昌碩士生
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 8 月 3 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告
□期中進度報告
3D 雷射掃描在建築生命週期監測與分析上之應用(I)
- 3D 雷射掃描在施工變位分析上之應用
The Application of 3D Scan in the Monitoring and Analysis of Activities in Building Life (I) -An Application of 3D Laser Scan in Construction Displacement Analysis
計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC 93－2211－E－011－027
執行期間：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
計畫主持人：施乃中教授 共同主持人：
計畫參與人員： 黃世昌碩士生
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、列 管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：台灣科技大學建築系
中 華 民 國 94 年 7 月 31 日
一、 中英文摘要
本研究以基礎開挖階段的擋土支撐系統及鋼結構系統為對象，進行工地現場實物掃描，
分析3D 雷射掃描資料應用於施工變位分析上的可能性及所受之限制。本研究採用 Cyrax 2500 3D 雷射掃描器，經由 Cyclone 點雲編輯程式分離、結合、解構、重組、量測等編輯方法，分 析長時間週期性掃描所獲得的工地構件點雲的幾何資料。
本研究以國立臺灣科技大學第五綜合實習工廠新建工程為例，自2002 年 1 月 4 日起，
經過71 週所擷取資料及實際操作為基礎，取得結構體外形與建築輪廓的三度空間數值資料。
分析檢測方法分為結合點雲模式、點雲建構平面模式、點雲建構線段模式、擷取單點資料模 式等四種，以視覺化方式呈現點雲資料施工變位狀況。
研究結果發現：經由檢測點雲資料可觀察到56 公尺外之構件所產生約 1.6 公分的位移。
實物掃描所取得的資訊具有即時記錄、實況記錄的特性，符合施工過程中對於資訊的需求。
關鍵詞：3D 雷射掃描器、點雲、施工變位、擋土支撐系統
Abstract
With the commercialization of 3D laser scanner, securing 3D digital data of contour of large objects has become possible. Using data obtained from real object has the characteristics of real time record and on-site record, which meets the information requirement of construction project in progress.
This research explores the feasibility and restriction of applying 3D scan data in the displacement analysis occurred to construction components and activities. The study was made to an on-going construction site emphasizing retaining wall supporting system and steel structure system, during the period of foundation excavation. A Cyrax 2500 3D Laser Scanner was used to retrieve data.
Point clouds, which were collected through a long period of time, are analyzed through Cyclone compilation program using separation, merging, deconstruction, reconstruction, and measurement methods.
An exemplification was made to a building in the campus of National Taiwan University of Science and Technology (NTUST). After data collection and scan operation for 71 weeks, the geometric information of structural configuration and building enclosure was retrieval. Four types of models were used in the analysis and test: 1) points cloud model, 2) points cloud construction plane model, 3) points cloud construction segmentation model, and 4) acquisition single point information model.
The models facilitated visual display of construction displacement in point clouds.
This study enables a monitoring of 1.6 cm displacement of construction components located 56 meter away. The information retrieved from real objects can record as-built situation almost in real-time, which can meet the information demands of a construction process.
Keywords: 3D laser scanner, point clouds, displacement of construction, strut system
二、 計畫緣起與目的
目前在擋土支撐系統及鋼結構安裝工程中所進行的檢測，僅能就監測儀器安裝的位置執 行局部的量測記錄，雖然儀器安裝的位置事先都經過評估，監測所獲得的資料也具有一定的 代表性，不過施工過程的不確定因素仍然可能會因為局部監測的缺漏而形成災害。因此，使 用數位工具對施工現場做全面性的監測，以輔助施工過程、改善施工品質，遂成為本研究關 心的議題。
本研究主要的目的在討論點雲資料應用於施工變位的分析時所能提供的資訊。經由 cyclone 程式對點雲資料進行編輯後，從點雲所構成的量體、平面、線段及個別點資料中擷取 相關的資訊。並對以下的議題進行探討：
1. 記錄施工變位在點雲資料中所呈現的結果: 本研究使用 Cyrax 2500 3D 雷射掃描器進行工 地實物掃描，主要針對綜五大樓的擋土支撐系統及鋼結構工程進行長時間、週期性的記錄，
掃描所得的點雲資料運用Cyclone 程式進行編輯，透過結合點雲、建構平面、建構線段以 及擷取單點資料的方式來檢測、比對所獲取的資料。再透過切片瀏覽、圖面套繪、量測數 據、圖表等方式，以呈現記錄在點雲資料中的施工變位。本研究並將比較各類檢視方法的 優缺點，為不同的檢視模式建立作業程序。
2. 點雲資料呈現的方式: 點雲資料記錄了被測物的外形輪廓，由於點雲所擁有的特性，使其 與一般實物記錄的格式具有明顯的差異性。單一掃描的結果能夠以不同的面貌來呈現，不 同的呈現方式也具有不同的意義。
以區分點雲高程的方式來呈現: 依固定的高程間距，分別將點雲資料內的個別點位 加以區分、歸類，再以圖層和色彩顯現分類的結果。
將點雲建構為等高線的方式來呈現: 以 Cyclone 程式編輯點雲資料，經過點雲 (point-clouds)→網格面(mesh)→等高線(contour)的編輯程序，建構成以等高線模式來 呈現點雲資料的方式。
三、 研究範圍與方法
為瞭解自施工現場所擷取的點雲資料(point-coluds)應用在施工變位分析上所能提供的參 考價值，本研究使用Cyrax 2500 3D 長距離雷射掃描器作為工地實物掃描的儀器，針對本校 第五綜合實習工廠(現改稱國際大樓)新建工程的擋土支撐系統及鋼結構工程進行長時間、週 期性的掃描記錄（圖 1）。
本研究使用雷射掃描器所配備的Cyclone 點雲編輯程式用於編輯及檢視點雲資料。編輯 的手法包括對點雲資料進行分割、組合、量測，而檢視的方式採取自大範圍而至小範圍、從 概略的判斷而至細部的分析、從整體趨勢至個別構件，以整體點雲所形成的量體、二維平面、
線段及個別單獨的點資料加以區分，用漸進的方式來說明由3D 雷射掃描器所擷取的點雲資 料在施工變位分析上所能呈現的資訊。
圖1. 資料分析對象
四、 研究流程(見圖 2)
圖2. 研究流程 五、 研究內容
(一)、點雲資料呈現的方式
1. 以區分高程模式呈現點雲資料
確 立 研 究 目 標
相 關 文 獻 回 顧
掃 描 作 業 計 劃
執 行 掃 描 作 業 工 地 資 料 收 集 及
現 地 勘 察
操 作 障 礙
掃 描 儀 器 設 備 計 劃 掃 描 前 置 作 業 計
劃
編 輯 點 雲
點 雲 呈 現 模 式 解 決 方 案
分 析 點 雲 資 料
結 合 點 雲 資 料 模 式
建 構 平 面 模 式
結 論 與 建 議 分 析 成 果 記 錄
單 點 資 料 模 式 建 構 線 段
模 式 擋 土 支 撐 系 統 鋼 結 構 施 工 規 範
掃 描 成 果
點 雲 特 性 分 析
安 全 觀 測 系 統 3D雷 射 掃 描 器
掃 描 作 業 流 程
觀察的目標為擋土支撐系統橫向桿件其上層翼版的平整度，首先必須把上層翼版的點資 料自整體點雲中分離出來。本研究使用Cyclone 提供的指令(create object / segment cloud / cut near Ref plane)來進行此項作業。本項作業首先必須先行設定參考面，在設定完成後，切割平 面就可據此做為基準，再配合平移距離、切割厚度、建立參考面等有關切割平面參數的設定，
即可將觀察目標的點雲資料依預定高程進行分割處理(Cyra Technologies，2000)。
使用 Cyclone 程式對做為觀察目標的點雲資料進行區分高程的切割後，為便於觀察以及 區分各點雲所在的高程，本研究將其繪入向量繪圖程式AutoCAD 之中，除了套繪原施工圖檔 外，更依據不同的高程賦予點雲不同的顏色（圖 3）。
圖3. 點雲資料高程區分 2. 以等高線模式呈現點雲資料
以等高線模式呈現點雲資料，在編輯的過程中仍然必須先將做為觀察目標的點資料自整 體點雲中分離出來，包含設定參考面、定義切割平面等。使用Cyclone 程式在建立觀察目標 的等高線之前，必須先行塑造該觀察目標的網格面(mesh)，Cyclone 程式依具網格面及相對應 的Z 軸方位才能完成等高線的製作(Cyra Technologies，2002a)。由於本研究觀察的目標為擋 土支撐系統的構件，構件之間存在著的空間在施工過程中充滿了許多雜訊，對於網格面的製 作具有干擾的作用，因此在編輯中必須小心的去除不需要的雜訊，降低干擾的產生。以免影 響等高線呈現的結果。
Cyclone 所產生的等高線其線條過於粗糙不利於檢視，本研究將編輯完成的等高線以 dxf 格式匯至AutoCAD 程式中，除了提高線段的清晰度，也能套繪原施工圖面，並依等高線所代 表的高程，分別賦予色彩來呈現
（二）、點雲資料比對的模式 1. 結合點雲資料進行比對
將被測物於不同時間點所獲得的點雲資料，指定點雲內部份區域的點資料做為程式運算 結合的依據，以(點雲•點雲)方式進行結合，於結合完成後，比對點雲資料內不做為結合區 域的其他範圍，嘗試觀察各點雲資料間的差異性。
在結合作業中必須指定一定的範圍做為結合運算的基礎，此一區域的點資料就算發生變 位，經由程式的運算後應該會將變位量平均分散，在結合後此部份的點資料會具有較緊密的 關係。不做為點雲資料結合基礎的部份則會累積所有的變位量而顯現在結合後的點雲資料 中。使用Cyclone 程式切片瀏覽模式對結合後的點雲資料進行檢視（圖 4），記錄於點雲資料 中有關擋土支撐的位移確實可以因此而顯現出來。
圖 4. 點雲結合後呈現之差異 2. 以點雲資料所建構的平面進行分析
於點雲資料中選擇一個平面區域以建構平版物件(patch object)是 Cyclone 程式所提供的基 本功能之一。經由設定參數計算特定厚度及範圍內的點資料後，程式可以擷取點資料分佈的 平均值建構成代表該範圍點雲資料的平版物件，因此平版物件可以做為設定範圍內所有點資 料的代表。由平版物件的觀察中所獲取的資訊就是該範圍內點資料整體表現的結果。本節檢 測的方式係以量測構件所建構的平版物件和基準參考面的角度關係，再依幾何形體偏移的相 對關係來辨別構件與參考基準面間變位的方式。
對於構件位移的行為，分析點雲資料能夠比傳統測量方式獲得更為完整的結果。傳統測 量的方式針對分析標的物進行量測後，能夠快速的提供單一軸向位移的資訊。然而對於構件 其他較複雜的位移行為，則需要增加測點分佈的密度和範圍才能提供部份判斷的依據。對於 鋼結構的施工現場而言，在不穩定的結構環境中從事高密度的測量工作有一定的困難度。如 與全測站儀所測得的座標值做比較(表 5-2)，經由量測所得的座標值僅能做單一面向位移的判 斷，而透過點雲的分析則可得知鋼柱偏移及旋轉的狀況。
No. 2
No. 3 No. 1
3. 以點雲資料建構的線段進行分析
工程實務上一向以各種二維的圖面做為溝通的媒介，在由施工圖面轉換成三度空間的構 造過程中，難免因為參與工程的各單位對於圖面有不同的理解而產生錯誤。例如管線穿樑的 位置、樓梯階層高度的放樣、現有建築物的改建設計等，都是容易發生問題的部份。施工錯 誤不僅耗費人力物力，工期的延宕更是難以估計的損失。
有兩種方式可以由點雲資料中產生線段。使用Cyclone 指令(create object／fit edge)由桿件 交會的邊緣產生線段，此種方式係經由 Cyclone 程式的演算過程以產生桿件交會處的線段。
另一種方式則是直接選取構成桿件邊緣的點資料，使用Cyclone 指令(create object／from pick points／line segment)將所選取的點位串連成線段。
經由實際的操作，本研究發覺使用點雲資料建構線段所產生的二維圖面，足以反應出施 工現場實際施作的狀況。以二維圖面呈現的方式正符合目前工程人員工作的習慣，可大幅降 低辨識上的障礙、加快訊息傳遞的速度。
4. 以個別點位進行分析
單一點資料是構成點雲資料的基本單元。分析點雲資料中單一掃描點的座標，可以得知 該點位在空間上的相對位置。若以時間為主軸進行長期的觀測，則可反應出該點位在時間序 列上位移的變化情形。
為使各時間點的點雲資料具有相同的比對基準，同樣的，必須預先將點雲資料以(結合 點•座標值)的結合方式安置於預設座標系統之中。在選取點位樣本時，無法自掃描點雲資料 中精確的選取特定位置的點位，所有樣本僅能在預定位置附近取得。因此在選取點位的過程 中必須謹慎，避免選擇到如同雜物、臨時構件等，不具代表性的樣本。
由於數據的來源為點雲內的個別點資料，檢測成果自然與掃描點的品質有密切的關聯 性。本研究經實際操作的經驗，將此種檢視點雲的方式依其優缺點分別說明如下：
(1)以個別點資料檢測施工變位的優點
快速的擷取被測物點雲資料。即時反應被測物的表面情況。
可調整觀測的範圍，同時涵蓋較多的觀測對象。
簡便的分析模式，不需經由專業判讀的程序。
分析所得資訊可提供全面、概略性的判斷依據。
(2)以個別點資料檢測施工變位的缺點
取樣樣本也就構成點雲的個別點資料，目前無法自掃描點雲資料中精確的選取特定位置的
點位，所有樣本僅能在預定位置附近取得，因此樣本無法如預計中均勻的分佈。
掃描距離愈遠，雷射點愈大，點位分佈的間距亦愈大，量測的精度降低。
在被測物與雷射掃描器之間受到外物的阻隔，造成取樣資料的不完整。在施工過程中，假 設工作物、堆放的物料、施工人員、施工機具…等，最常造成這類的干擾。
被測物表面反射率改變或是材質不均勻，掃描所獲得的點雲資料不能反應被測物表面實際 的狀況。
下雨或是強烈的陽光都會影響雷射掃描器在記錄反射光時的正確性。
被測物週圍若有強烈的發光源存在，將會干擾雷射掃描器在記錄反射光時的正確性。
受到雷射掃描器架設位置的限制
儀器架設的位置限制了掃描的範圍及角度。無法自雷射掃描器獲得資料的區域自然不能得到 任何的分析結果。
由於雷射掃描器記錄的是被測物表面的空間點資料，構成被測物的幾何造型亦影響到經由 掃描所獲得的點雲資料之完整性。
受限於雷射掃描器及儀器測量上的誤差，每一時間點的點雲資料在完成結合座標系統的過 程中，無法達到百分之百完全相符。因此各時間點的點雲資料並不具備同樣的座標基礎，
在進行各項的比較、量測時，僅能辨別各資料間相對性的表現，而無法比較各資料所呈現 的絕對性數值。
六、 研究結果與討論
為便於辨識出記錄於點雲資料中的施工變位，依據實際操作的經驗，本研究提出採用階 層式檢測的模式以進行點雲的比對。首先將點雲資料以概略的方式呈現出整體的高程變化，
藉以對觀測構件進行初步的判斷，找尋構件所具有的變位型態及其位置，做為對點雲資料進 行後續細部分析的基礎。有了初步判斷的結果，再針對所欲觀測的目標擬定細部掃描計劃，
以獲取更高密度及品質的點雲資料，提昇對構件施工變位的辨識度。在施工變位的呈現上，
依據變位的類型於本研究所提出的4 種比對模式中選擇合適的方法，檢測的結果則可用疊合 點雲、示意圖、套繪施工圖、圖表等視覺化的格式予以顯示。運用前述階層式檢視點雲的模 式，即可有效的對點雲進行檢測。在歸納實際操作的經驗後，可以依照各模式所具有的操作 條件及檢視點雲的特性加以分類，不同的比對特性各有其合適的檢測項目，操作者在進行點 雲的比對之前，應依所要檢測的施工變位類型選擇合適的比對模式才能有效的呈現出施工變 位的現象。
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