臺灣博碩士論文加值系統

混凝土在破壞的過程中往往裂縫隨之出現，故混凝土裂縫特徵是評估
混凝土殘餘強度的重要指標。本研究利用三維雷射掃描的方式進行混凝土
表面非接觸式的裂縫特徵量測，首些將光達掃描所得的反射強度轉為二維
灰階影像，利用影像相減法偵測裂縫；再利用影像處理的技術計算裂縫特
徵（包含寬度、長度與面積），配合光達掃描點雲的空間座標進行裂縫特徵
真實尺度的計算；最後分別用人造裂縫與實尺寸橋柱反覆側推實驗的裂縫
進行驗證本系統，實驗結果顯示光達掃描搭配影像分析技術可實現混凝土
表面大範圍、非接觸式的裂縫特徵量測。

The failure of concrete often associated with the occurrences of cracks. Therefore,
the characteristics of cracks are the important indices of the residual strength of concrete.
In this study, the non-contact measurements of surface cracks on concrete members are
implemented by the terrestrial laser scanning (or known as the Light Detection and
Ranging, LIDAR) system. The reflection intensity information, obtained from laser
scanning, is firstly transformed to build the two-dimensional grayscale intensity map.
The image subtraction method is adopted to identify surface cracks in grayscale
intensity map. Secondly, the characteristics of surface cracks, including width, length
and area, are obtained through the image process and the spatial coordinates of the point
cloud. Finally, the proposed system, combined by laser scanning and image process, is
verified by the measurements of artificial cracks in laboratory and actual cracks in the
full-size concrete pier under cyclic loadings. Experimental results demonstrate that
large-scale and non-contact measurements of concrete surface cracks can be obtained
by using the laser scanning and image process.
Keywords:

摘要 ......................................................................................................I
Abstract ............................................................................................... III
誌謝 .................................................................................................... V
目錄 ..................................................................................................VII
表目錄...................................................................................................XI
圖目錄................................................................................................ XIII
第一章緒論..................................................................................................... 1
1.1 研究背景............................................................................................ 1
1.2 研究目的............................................................................................ 3
1.3 文獻回顧............................................................................................ 4
1.4 本文內容............................................................................................ 8
第二章光達系統相關理論............................................................................. 11
2.1 前言.................................................................................................. 11
2.2 三維雷射掃描儀測距與定位原理................................................... 12
2.3 PENTAX S-3180V 簡介................................................................... 15
2.4 光達座標與影像............................................................................... 17
2.4.1 光達座標與影像資料轉換..................................................... 18
2.5 強度影像處理................................................................................... 21
2.5.1 影像前處理............................................................................. 21
2.5.2 二值化閥值............................................................................. 25
2.6 裂縫尺寸計算................................................................................... 28
2.6.1 裂縫最大寬度......................................................................... 28
2.6.2 裂縫長度計算......................................................................... 29
2.5 裂縫面積計算............................................................................ 30
第三章裂縫影像相關理論........................................................................... 33
3.1 前言.................................................................................................. 33
3.2 裂縫特徵影像處理.......................................................................... 35
3.2.1 銳利化.................................................................................... 35
3.2.2 影像對齊................................................................................ 35
3.2.3 影像相減................................................................................ 36
3.2.4 去除差值過大影像................................................................ 38
3.2.5 影像閉合................................................................................ 38
3.2.6 影像二值化............................................................................ 39
3.2.7 去除微小顆粒......................................................................... 40
3.2.8 填滿空洞................................................................................. 40
3.2.9 近圓捨去法............................................................................ 41
3.2.10 橢圓捨去法........................................................................... 42
3.3 matlab 相關指令解釋....................................................................... 43
3.3.1 regionprops 使用說明............................................................. 43
3.3.2 bwmorph 使用說明................................................................ 47
3.3.3 imrotate 使用說明.................................................................. 48
3.3.4 sum 使用說明......................................................................... 48
3.3.5 max 使用說明......................................................................... 49
3.3.5 length 使用說明...................................................................... 49
3.4 裂縫特徵計算................................................................................... 49
3.4.1 裂縫數量................................................................................. 49
3.4.2 裂縫總面積............................................................................. 49
3.4.3 裂縫最大長度......................................................................... 50
3.4.4 裂縫平均寬度......................................................................... 50
3.4.5 裂縫最大寬度......................................................................... 50
第四章光達測試與數據量測....................................................................... 53
4.1 前言.................................................................................................. 53
4.2 照度實驗........................................................................................... 54
4.3 拍攝距離實驗................................................................................... 56
4.4 不同距離與不同解析力之準確性................................................... 60
4.4.1 變數設定................................................................................. 60
4.4.2 裂縫寬度推估......................................................................... 65
4.4.3 裂縫長度與裂縫面積推估..................................................... 69
4.4.4 推估不同距離所能分析最小裂縫寬度................................. 73
4.5 誤差來源........................................................................................... 74
4.5.1 模糊區域................................................................................. 74
4.5.2 空間座標的間距不規則......................................................... 76
4.5 小結................................................................................................... 82
第五章 光達系統與相機系統比較............................................................... 85
5.1 前言.................................................................................................. 85
5.2 橋柱試驗........................................................................................... 85
5.2.1 試體設計................................................................................. 85
5.2.2 加載方式................................................................................. 88
5.2.3 儀器配置................................................................................. 89
5.3 光達掃描........................................................................................... 91
5.3.1 圓柱試體影像座標轉換......................................................... 91
5.3.2 光達數據與手工量測數據比較............................................. 99
第六章結論與展望....................................................................................... 105
6.1 結論................................................................................................ 105
6.2 展望................................................................................................ 106
參考文獻....................................................................................................... 109
表目錄
表 2-1 Pentax S-3180V 規格表(台灣儀器行) .............................................. 16
表 2-2 角度解析度......................................................................................... 17
表 3-1 指令效果............................................................................................. 45
表 4-1 掃描距離1 m，resolution：extremely high，閥值設定................. 61
表 4-2 掃描距離3m，resolution：extremely high，閥值設定.................. 62
表 4-3 掃描距離5m，resolution：extremely high，閥值設定.................. 62
表 4-4 掃描距離1m，resolution：super high，閥值設定......................... 63
表 4-5 掃描距離3m，resolution：super high，閥值設定......................... 63
表 4-6 掃描距離5m，resolution：super high，閥值設定......................... 64
表 4-7 掃描距離1m，resolution：super high ............................................. 65
表 4-8 掃描距離3m，resolution：super high ............................................. 66
表 4-9 掃描距離5m，resolution：super high ............................................. 66
表 4-10 掃描距離1 m，resolution：extremely high ................................... 67
表 4-11 掃描距離3m，resolution：extremely high .................................... 67
表 4-12 掃描距離5m，resolution：extremely high .................................... 68
表 4-13 掃描距離1m，resolution：super high 裂縫長度與面積推估...... 69
表 4-14 掃描距離3m，resolution：super high 裂縫長度與面積推估...... 70
表 4-15 掃描距離5m，resolution：super high 裂縫長度與面積推估...... 70
表 4-16 掃描距離1 m，resolution：extremely high 裂縫長度與面積推估71
表 4-17 掃描距離3m，resolution：extremely high 裂縫長度與面積推估71
表 4-18 掃描距離5m，resolution：extremely high 裂縫長度與面積推估72
表 4-19 1 pixel 能分析的最小裂縫寬度....................................................... 74
表 4-20 掃描距離1 m，resolution：extremely high，三法數據比較........ 75
表 4-21 掃描距離1 m，resolution：extremely high，三法誤差比較........ 76
表 4-22 掃描距離1m，resolution：super high，調整間距....................... 79
表 4-23 掃描距離3m，resolution：super high，調整間距....................... 79
表 4-24 掃描距離5m，resolution：super high，調整間距....................... 80
表 4-25 掃描距離1 m，resolution：extremely high，調整間距............... 80
表 4-26 掃描距離3m，resolution：extremely high，調整間距................ 81
表 4-27 掃描距離5m，resolution：extremely high，調整間距................ 81
表 5-1 橋柱試體設計參數............................................................................. 86
表 5-2 混凝土配比表(kg/m3) ......................................................................... 87
表 5-3 Pentax S-3180Vs 規格........................................................................ 91
表 5-4 Canon 550D 規格................................................................................ 91
表 5-5 裂縫最寬寬度數據........................................................................... 104
圖目錄
圖 1-1 混凝土老化與劣化示意圖.................................................................. 1
圖 1-2 crack scale 示意圖................................................................................. 2
圖 1-3 光學顯微鏡示意圖.............................................................................. 2
圖 1-4 人工量測裂縫示意圖.......................................................................... 3
圖 1-5 實尺寸橋墩所需的大型校正板.......................................................... 6
圖 1-6 落石崖錐之三維雷射掃描數值地圖模型.......................................... 7
圖 1-7 試體數位模型之橫斷面切割位置...................................................... 8
圖 1-8 數位模型橫斷面之幾何關係.............................................................. 8
圖 2-1 時間差量測法.................................................................................... 12
圖 2-2 三角幾何法........................................................................................ 13
圖 2-3 光達掃描方式.................................................................................... 13
圖 2-4 三維雷射掃瞄定位.......................................................................... 14
圖 2-5 Pentax S-3180V 光達系統............................................................... 15
圖 2-6 z+f LaserControl 軟體中的點雲資料.............................................. 18
圖 2-7 光達讀取資料.................................................................................... 19
圖 2-8(a) ptx 檔讀取後表格........................................................................... 19
圖 2-8(b) ptx 檔讀取後表格.......................................................................... 20
圖 2-9 雷射脈衝之反射強度........................................................................ 20
圖 2-10 模糊區域.......................................................................................... 21
圖 2-11 直方圖比較....................................................................................... 23
圖 2-12 銳利化處理....................................................................................... 23
圖 2-13 銳利化放大檢視............................................................................... 24
圖 2-14 不同閥值之二值化影像................................................................... 26
圖 2-15 不同閥值影像................................................................................... 27
圖 2-16 影像最大寬度之邊緣兩點示意圖................................................... 28
圖 2-17 裂縫寬度計算方式........................................................................... 29
圖 2-18 影像邊長X 與Y .............................................................................. 30
圖 2-19 選取範圍........................................................................................... 30
圖 3-1(a) 待測物初始平面影像.................................................................... 33
圖 3-1(b) 待測物開裂後影像........................................................................ 33
圖 3-2 流程圖................................................................................................. 34
圖 3-3(a) 未銳利化之開裂影像.................................................................... 35
圖 3-3(b) 銳利化後之開裂影像.................................................................... 35
圖 3-4 影像重合流程圖................................................................................ 36
圖 3-5(a) 影像相減所得結果........................................................................ 37
圖 3-5(b) 影像相減所得結果........................................................................ 37
圖 3-6(a) 去除差值過大雜點所得結果........................................................ 37
圖 3-7 影像閉合比較圖................................................................................ 39
圖 3-8 二值化影像........................................................................................ 40
圖 3-9 去除微小顆粒.................................................................................... 40
圖 3-10 填滿空洞.......................................................................................... 41
圖 3-11 近圓捨去.......................................................................................... 41
圖 3-12 大污點.............................................................................................. 42
圖 3-13 分辨橢圓長軸與橢圓短軸長度...................................................... 42
圖 3-14 橢圓捨去後的結果.......................................................................... 43
圖 3-15 二值化影像...................................................................................... 44
圖 3-16 區分各影像...................................................................................... 45
圖 3-17 計算各影像數據.............................................................................. 46
圖 3-18 二值化影像...................................................................................... 47
圖 3-19(a) 細線化的結果.............................................................................. 47
圖 3-19(b) 骨架化的結果.............................................................................. 47
圖 3-20 旋轉的變化...................................................................................... 48
圖 3-21(a) 二值化圖檔.................................................................................. 48
圖 3-21(b) 對應的二維矩陣.......................................................................... 48
圖 3-22(a) 分叉的單裂縫影像...................................................................... 51
圖 3-22(b) 裂縫細線化.................................................................................. 51
圖 3-22(c) 分叉點位置.................................................................................. 51
圖 3-22(d) 分支切割...................................................................................... 51
圖 3-22(e) 分支旋轉...................................................................................... 51
圖 3-22(f) 分支小段分割.............................................................................. 51
圖 4-1 拍攝過程示意圖................................................................................ 53
圖 4-2 照度計量測方式................................................................................ 54
圖 4-3 改變LED 亮度................................................................................... 54
圖 4-4 光達掃描不同照度之影像................................................................ 55
圖 4-5 人造裂縫寬度影像............................................................................ 56
圖 4-6 顯微鏡下的裂縫................................................................................ 56
圖 4-7 不同距離與解析度的強度影像........................................................ 57
圖 4-8 二值化結果示意圖............................................................................ 59
圖 4-9 最大寬度兩點點位............................................................................ 60
圖 4-10 裂縫選取區域................................................................................... 61
圖 4-11 角度關係........................................................................................... 73
圖 4-12 裂縫寬度太小................................................................................... 76
圖 4-13 光達數據的間距不規則................................................................... 77
圖 4-14 空間座標部分矩陣A ...................................................................... 78
圖 4-15 新矩陣 A .......................................................................................... 78
圖 5-1 試體斷面配筋圖................................................................................... 87
圖 5-2 鋼筋混凝土橋柱側推實驗示意圖.......................................................... 88
圖 5-3 反覆載重之位移路線控制圖................................................................. 89
圖 5-4 光達掃描與光學影像之儀器型號與示意圖........................................... 90
圖 5-5 光達掃描與光學相機於結構實驗之擺設位置示意圖............................ 90
圖 5-6 人工利用光學顯微鏡量測裂縫......................................................... 90
圖 5-7 圓柱試體三軸座標............................................................................. 92
圖 5-8 影像強度點位座標示意圖................................................................. 92
圖 5-9 3D 曲面映射2D 平面示意圖............................................................ 94
圖 5-10 座標轉換後的二維影像................................................................... 96
圖 5-11 填補法............................................................................................... 97
圖 5-12 完整曲面轉換圖............................................................................... 99
圖 5-13 選取位置......................................................................................... 100
圖 5-14 點選位置......................................................................................... 101
圖 5-15 轉平面影像..................................................................................... 102
圖 5-16 二值化影像....................................................................................... 103

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