臺灣博碩士論文加值系統

由於九份地區部分山坡地以往有災害歷史，極可能再度發生地滑的情形，因此相關潛勢調查、監測及預警等工作顯得非常重要。本研究運用ILRIS-3D雷射掃描儀擷取的點雲資料，經軟體處理後，獲取各監測處之三維座標及屬性資料，透過多次掃描資料的相互比對，並與當地已設置的精密監測儀器測得的數據，進一步瞭解其數據的可信度。然後再與GPS(全球衛星定位系統)、GIS(地理資訊系統)、RS(遙感探測)之3S技術做結合運用，
此為本研究之目標。
本論文主要數據研析點雲資料處理跟簡易測量監測數據相互進行核對作業，並從中探討資料分析的數據是否足以做為該區坡地災害之評估依據。本論文之實驗項目包括四次的雷射掃描及七次的簡易監測，依照掃描資料處理與分析的成果得知，影響掃描數據精度的因素主要為雷射入射角度(自然因素)、點間距及萃取所框選面積大小(人為因素)。另外的簡易傾斜儀量測，可直接得知各監測點表面的傾度值，然後再與點雲資料處理後的法線向量值做比較。由實驗成果得知大部分監測區並無明顯位移，唯有兩個監測區塊，因遮蔽物影響掃描觀測，所以只能作簡易傾斜量測，而所測得數據明顯相差太大，由實際現場證實，其建物結構損毀嚴重，但此處居
民已遷徒。

Due to the historic background of hazard in Jiu-Fen area, there is a great possibility of reoccurrence of land sliding. In this regard, the potential investigation, monitoring and advanced warning mechanism become crucial tasks. In this study, the ILRIS-3D laser scanner is first deployed to acquire point cloud data. Then the data is processed through the coordinate transformation software to obtain the three-dimensional coordinates as well as their attributive information. The objective of this study is to compare data acquired at different time-frames to see if there is a significant difference which reveals a undergoing land-sliding. To assess the reliability and accuracy of the results, the data is compared with that generated from the existing monitoring instrument and then combined with the so-called 3-S technologies: GPS (Global Position System), GIS (Geographic Information System) and RS (Remote Sensor).

In this study, the processed point cloud data is checked against that from a simple monitoring instrument. The adequacy of the analysis for served as the basis for evaluating slope hazard is explored. The experiments include four times of laser scanning and seven times of simple monitoring. From the analysis and experience, it is concluded that accuracy of scanning depends upon the injection angle of laser beam, the distance between points and the size of the area retrieved. The inclined angles of designated surfaces can be easily obtained from a simple monitoring instrument and compared with the normal vectors computed from point cloud data. From the experiments, it is found that most of the areas being monitored do not show significant displacement except two spots where scanning were affected by shelters. Therefore, it can only rely on the simple inclined-angle measuring instrument. The results demonstrate a significant displacement. After an on-site verification, it was found out that the building was torn down and residents have been evacuated.

目 錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 x
第一章 緒 論 1
1.1 前 言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.2.1 研究動機 2
1.2.2 研究目的 3
1.3 論文架構與研究流程 4
1.3.1 論文架構 4
1.3.2 研究流程 5
1.4 研究方法 6
第二章 文獻回顧 8
2.1 九份地區概述 8
2.2 坡地災害 16
2.2.1 坡地災害之分類 16
2.2.2 坡地環境致災因素 19
2.3 坡地監測方式 21
2.4 雷射掃描儀之介紹 26
2.4.1 3D雷射掃描技術 26
2.4.2 3D雷射掃描特色 27
2.4.3 3D雷射掃描種類之比較 28
2.4.4 地面三維雷射掃描儀基礎理論 32
2.4.5 雷射掃描之應用案例 36
第三章 微地形監測方法 40
3.1 GPS控制網佈設 41
3.1.1 衛星定位測量原理 43
3.1.1.1 GPS測量(1) 44
3.1.1.2 GPS測量(2) 52
3.1.2 二次測量結果比較 53
3.1.3 初步的討論 55
3.2 雷射掃描系統 55
3.2.1 雷射掃描儀量測原理 55
3.2.2 雷射掃描儀配置探討 60
3.2.3 儀器操作方法介紹 64
3.3 3D掃描儀器誤差來源 68
3.3.1 監測點種類 68
3.3.2 覘標監測點誤差因素探討 70
3.4 3S與3D整合運用與結果 77
3.4.1 整合運用之方法 77
3.4.2 3S與3D整合初步成果 84
3.5 簡易監測 85
3.5.1 實施簡易監測之目的 85
3.5.2 簡易監測設施 85
3.5.3 實驗儀器介紹 86
3.5.4 簡易觀測之結果探討 91
第四章 3D點雲資料處理與分析 95
4.1 點雲資料特性 95
4.2 點雲資料處理之研究流程 97
4.3 點雲特徵點萃取方式 98
4.4 點雲資料處理 101
4.4.1 事前的準備 101
4.4.2 點雲資料處理的方法 102
4.5 點雲數據資料的整理 110
4.6 影響因素的探討 146
第五章 結論與建議 150
參考文獻 153
附錄一 雷射掃描與點雲資料處理操作說明 155
附錄二 掃描目標物之區域位置 190
附錄三 九份覘標點位置 209
附錄四 點雲說明檔(.pf_Log) 214


表目錄

表2.1 山崩分類系統表 16
表2.2 九份地滑監測儀器總表 22
表2.3 常見之雷射掃描儀器規格 31
表3.1 衛星定位監測點等級 42
表3.2 衛星接收儀規格 44
表3.3 追蹤站座標 48
表3.4 九份地區衛星控制點的絕對座標(2004/11/8) 50
表3.5 九份地區衛星控制點的絕對座標(2005/3/7) 53
表3.6 九份地區衛星控制點絕對位移量(2004/11/8至2005/3/7) 53
表3.7 九份地區衛星控制點相對位移量(2004/11/8至2005/3/7) 54
表3.8 雷射掃描儀配置方法分析 61
表3.9 GPS控制測量成果(測量時間-2004年7月24日) 81
表3.10 坡地社區安全監測設施之量測分類表 89
表3.11 簡易監測設施之內容 90
表3.12 水平觀測數據(1) 91
表3.13 水平觀測數據(2) 91
表3.14 垂直觀測數據(1) 92
表3.15 垂直觀測數據(2) 93
表4.1 A1各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 110
表4.2 A1建物監測面之法線向量變化量 112
表4.3 A2各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 113
表4.4 A2建物監測面之法線向量變化量 114
表4.5 A3各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 115
表4.6 A3建物監測面之法線向量變化量 117
表4.7 A4各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 118
表4.8 A4建物監測面之法線向量變化量 119
表4.9 A5各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 120
表4.10 A5建物監測面之法線向量變化量 121
表4.11 A6各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 122
表4.12 A6建物監測面之法線向量變化量 123
表4.13 A7各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 124
表4.14 A7建物監測面之法線向量變化量 125
表4.15 A8各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 126
表4.16 A8建物監測面之法線向量變化量 127
表4.17 A9各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 128
表4.18 A9建物監測面之法線向量變化量 129
表4.19 A10各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 130
表4.20 A10建物監測面之法線向量變化量 131
表4.21 A11各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 132
表4.22 A11建物監測面之法線向量變化量 133
表4.23 A12各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 134
表4.24 A12建物監測面之法線向量變化量 135
表4.25 A13各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 136
表4.26 A13建物監測面之法線向量變化量 137
表4.27 A14各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 138
表4.28 A14建物監測面之法線向量變化量 139
表4.29 A15各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 140
表4.30 A15建物監測面之法線向量變化量 141
表4.31 A16各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 142
表4.32 A16建物監測面之法線向量變化量 143
表4.33 A17各監測點之四次掃描點雲資料處理數據 144
表4.34 A17建物監測面之法線向量變化量 145
表4.35 A1-02監測面之法線向量變化量 148


圖目錄

圖1.1 掃描區域內之潛移位移趨勢處 7
圖2.1 台北行政區地圖 9
圖2.2 九份地滑地之地理位置圖 9
圖2.3 九份地區之區域地質圖 10
圖2.4 九份地滑區環境地質圖 10
圖2.5 本研究之區域滑動塊體示意圖 11
圖2.6 劃分潛勢區域 12
圖2.7 各監測站示意圖 13
圖2.8 瑞芳鎮九份地區的邊坡崩塌 14
圖2.9 瑞芳鎮九份地區的邊坡整治狀況 15
圖2.10 瑞芳鎮九份地區有裂縫與隆起的位置 15
圖2.11 地滑區處在於員山子分洪道規劃路線附近 15
圖2.12 建築物地表位移運動 19
圖2.13 常見之雷射掃描儀器與型號 29
圖2.14 Dibit Geoscanner雷射掃描儀進行九份區域掃描狀況 30
圖2.15 Optech ILRIS-3D雷射掃描儀九份區域掃描狀況 30
圖2.16 時間差量測原理 32
圖2.17 時間差量測法掃描示意圖 33
圖2.18 採用一台相機的三角法掃描示意圖 34
圖2.19 結構光投射法示意圖 35
圖2.20 結構光投射法原理 35
圖2.21 雷射光電式3D掃描系統 36
圖2.22 採用二台相機的三角法示意圖 36
圖2.23 煉油廠掃描成果 38
圖2.24 雷射掃描在古蹟維護之應用 38
圖2.25 汽車碰撞破壞檢測 38
圖2.26 航太科技工業 39
圖2.27 齒顎模型 39
圖3.1 位移監測網 42
圖3.2 衛星接收儀 44
圖3.3 九份調查現場GPS控制點(A1) 45
圖3.4 九份調查現場GPS控制點(A2) 45
圖3.5 九份調查現場GPS控制點(A3) 46
圖3.6 九份調查現場GPS控制點(A4) 46
圖3.7 九份調查現場GPS控制點(A5) 47
圖3.8 九份調查現場GPS控制點(A7) 47
圖3.9 衛星定位控制樁點 48
圖3.10 申請陽明山追蹤站資料網頁 49
圖3.11 申請IGS精密星曆網頁 49
圖3.12 各GPS控制點的的衛星資料接收時段 50
圖3.13 衛星分布圖 51
圖3.14 衛星數目及DOP值 51
圖3.15 各GPS控制點相互位置關係 52
圖3.16 雷射掃描系統架構立體示意圖 56
圖3.17 3D雷射掃描儀內部架構立體示意圖(1) 58
圖3.18 3D雷射掃描儀內部架構立體示意圖(2) 58
圖3.19 雷射掃描作業過程平面示意圖(1) 59
圖3.20 雷射掃描作業過程平面示意圖(2) 59
圖3.21 雷射掃描作業過程平面示意圖(3) 59
圖3.22 擺置一台儀器掃描之點雲正視圖 61
圖3.23 擺置一台儀器掃描之點雲側視圖 61
圖3.24 九份坡地掃描區塊 62
圖3.25 各監測目標物之外觀 63
圖3.26 掃描監測各目標物之示意圖 63
圖3.27 儀器操作照片 65
圖3.28 儀器操作介面之示意圖 65
圖3.29 工作觀景窗中框選目標物之掃描範圍 66
圖3.30 階梯型掃描形態 66
圖3.31 平行掃描形態 66
圖3.32 掃描設定說明檔 67
圖3.33 固定式覘標點(1) 69
圖3.34 固定式覘標點(2) 69
圖3.35 軟體點雲資料萃取特徵點 70
圖3.36 覘標反射強度實驗 71
圖3.37 讀取覘標偏心誤差之示意圖 72
圖3.38 九份現場掃描區域之覘標點目標物示意圖 72
圖3.39 九份現場掃描區域之覘標點目標物外觀 73
圖3.40 九份調查現場3D覘標點誤差較大的位置 73
圖3.41 掃描儀至各3D覘標點誤差較大的位置之射程長度 74
圖3.42 九份調查現場3D覘標點最大誤差18公分(建物A7) 74
圖3.43 九份調查現場3D覘標點最大誤差18公分(建物A12) 75
圖3.44 九份調查現場3D覘標點最大誤差28公分(建物A15) 75
圖3.45 移動式覘標點 76
圖3.46 九份地區擋土牆的微地形資料庫 78
圖3.47 九份地區擋土牆與鄰近建物的微地形資料庫 78
圖3.48 九份地區基督教會的微地形資料庫 79
圖3.49 九份地區基督教會與鄰近建物的微地形資料庫 79
圖3.50 3D地形掃描儀轉出的資料與航照圖比對 80
圖3.51 九份調查現場擋土牆佈設之覘標控制點 81
圖3.52 3S與3D整合初步成果概略圖 84
圖3.53 數位式傾斜儀 86
圖3.54 監測壁體之狀況 87
圖3.55 垂直傾斜點之量測 88
圖3.56 水平傾斜點之量測 88
圖3.57 空屋兩側牆面七次傾斜觀測數值分佈圖 94
圖3.58 芋圓店旁柱子兩側七次傾斜觀測數值分佈圖 94
圖3.59 空屋結構損壞之情況 94
圖3.60 芋圓店旁房屋損壞之情況 94
圖4.1 屬性顏色設定 95
圖4.2 顏色選項及設定值 96
圖4.3 改變點雲顏色狀態 96
圖4.4 圖層套疊狀態 96
圖4.5 向量交會特徵點示意圖 98
圖4.6 向量萃取特徵點以IMInspect為實例 98
圖4.7 向量與平面交會特徵點示意圖 99
圖4.8 向量與平面交會特徵點以IMInspect為實例 99
圖4.9 平面與平面交會特徵點示意圖 100
圖4.10 平面與平面交會特徵點以IMInspect為實例 100
圖4.11 第一次掃描目標物之空間座標示意圖 102
圖4.12 第一次掃描之座標原點轉換步驟 102
圖4.13 第二次掃描目標物之空間座標示意圖 103
圖4.14 第二次掃描之座標原點轉換步驟 103
圖4.15 相同原點座標之特徵點 104
圖4.16 第一次與第二次空間位置之差異 104
圖4.17 特徵點與框選平面間之向量示意圖 105
圖4.18 兩向量邊線夾角變化量之關係示意圖 105
圖4.19 參考平面與新增平面之變化量關係示意圖 106
圖4.20 參考平面與新增平面之夾角差量以IMInspect為實例 106
圖4.21 新增參考平面之示意圖 107
圖4.22 新增參考平面以IMInspect為實例 107
圖4.23 座標平移及扭轉之必備物件 108
圖4.24 座標平移及扭轉之IMInspect操作實例 108
圖4.25 法線向量垂直交於虛構平面之示意圖 109
圖4.26 A1建物之各監測點位標示位置 110
圖4.27 A2建物之各監測點位標示位置 112
圖4.28 A3建物之各監測點位標示位置 115
圖4.29 A4建物之各監測點位標示位置 117
圖4.30 A5建物之各監測點位標示位置 119
圖4.31 A6建物之各監測點位標示位置 121
圖4.32 A7建物之各監測點位標示位置 123
圖4.33 A8建物之各監測點位標示位置 126
圖4.34 A9建物之各監測點位標示位置 127
圖4.35 A10建物之各監測點位標示位置 129
圖4.36 A11建物之各監測點位標示位置 131
圖4.37 A12建物之各監測點位標示位置 133
圖4.38 A13建物之各監測點位標示位置 135
圖4.39 A14建物之各監測點位標示位置 137
圖4.40 A15建物之各監測點位標示位置 139
圖4.41 A16建物之各監測點位標示位置 141
圖4.42 A17建物之各監測點位標示位置 143
圖4.43 框選大面積之狀態 146
圖4.44 框選小面積之狀態 146
圖4.45 A2建物監測面四次法線向量Z軸的變化量 147
圖4.46 掃描目標物的角度影響 147
圖4.47 二次掃描之相異點間距之情形 148
圖4.48 A1建物監測面四次法線向量Z軸的變化量 149
圖4.49 小面積框選且點間距相異之情況 149
圖5.1 環境因素影響掃描作業 150
圖5.2 當地環境變動之影響 150

[1]曾義星、史天元，「三維雷射掃描儀--新一代測量利器」，科學發展月刊，365期，P.16-21，2003。
[2]青山工程顧問有限公司，「九份地區地層滑動監測與評估第三期計畫觀測成果報告書」。
[3]田永銘，「山坡地災害緊急減災措施之研究」，內政部建築研究所專題研究計劃成果報告-MOIS891007，2000。
[4]張俊哲、何幼榕，「坡地住宅社區安檢、監測管理制度研究」，內政部建築研究所，1999。
[5]鍾隆文，「行人偵測與行人模擬模式之研究」，運輸學刊，第9卷第4期。
[6]陳國永，「3D雷射掃描技術應用於隧道變形量測之研究」，國立中興大學土木工程學系，碩士論文，2004。
[7]曾義星、史天元，「三維雷射掃描技術及其在工程測量上之應用」，土木水利，第二十九卷，2002。
[8]李居民，「海床粗糙度雷射掃描系統之設計與製作」，國立中山大學海下技術研究所，碩士論文，2004。
[9]吳瑞一，「三維雷射掃描技術應用之研究- 3D物件建模與變形模擬為例」，逢甲大學土地管理學系碩士在職專班，碩士論文，2004。
[10]吳宗江等，「利用3D雷射掃描技術進行結構物變形分析」，第22屆測量學術研討會論文集。
[11]谷腰欣司，陳蒼杰譯，圖解雷射應用與原理，台北新店：世茂出版社，2001，第 42-62 頁。
[12]陳孝宇，「雷射掃描系統開發與土石位移監測之可行性研究」，國立台北科技大學環境規劃與管理研究所，碩士論文，2004。
[13]曾清涼，「GPS測量原理與應用」，國立成功大學衛星資訊研究中心，1999。
[14]李咸亨，「坡地社區安全監測網站」，地工技術，第73期，第5~18頁，1999。
[15]蘇世豐、莊睦雄等，「山坡地社區簡易監測方法之應用研究(II)」，2003。
[16]劉燈烈，「地面光達點雲資料的平差結合與影像敷貼」，國立成功大學測量與空間資訊學系，碩士論文，2004。
[17]劉嘉銘，「光達點雲資料特徵萃取之研究」，國立成功大學測量與空間資訊學系，碩士論文，2005。
[18]吳敏漳，3D雷射掃描於施工進度及流程紀錄上之應用，國立台灣科技大學建築系，碩士論文，2004。
[19]Varmes, D. J., 1978, “Slope movement types and processes”, in Schuster,R.L, and Krizek, R. J. (eds.), Landslide, Analysis and Control.
[20]Boehler, W., A. Marbs, 2002. 3D Scanning Instruments, CIPA, Heritage Documentation - International Workshop on Scanning for Cultural Heritage Recording - Corfu, Greece.
[21]Boehler, W., G.Heinz, A. Marbs, 2001. The Potential of Non-contact Close Range Laser Scanners for Cultural Heritage Recording, Proceedings of CIPA International Symposium, Potsdam, Germany.
[22]MENSI, 2002. MENSI 3D Surveying Products, http://www.mensi.com/.
[23]Gordon, Stuart, Derek Lichti and Mike Stewart, 2001.Application of a High-Resolution Ground-baesd Laser Scanner for Deformation Measurements, 19 – 22 March 2001 Orange, California, USA