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研究生:江怡萱
研究生(外文):Yi-Hsuan Chiang
論文名稱:雷射掃描技術於隧道內空變位監測之應用
論文名稱(外文):Utilizing LiDAR Technique in Monitoring Tunnel Deformations
指導教授:韓仁毓韓仁毓引用關係
口試委員:黃燦輝王泰典黃仲偉
口試日期:2013-09-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:土木工程學研究所
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:64
中文關鍵詞:內空變位監測變形分析光達現地特徵最小距離投影法
外文關鍵詞:tunnel deformation analysisdeformation signalLight Detection and Ranging (LiDAR)in-situ featuresminimum-distance projection (MDP)
相關次數:
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台灣地形複雜多變,為便利交通聯絡,許多隧道應運而生。由於營運中的隧道安全直接影響使用者的人身安全,其監測及維護工作更顯重要,目前評估隧道安全穩定性的項目種類繁多,其中內空變位監測是重點項目之一。另一方面,雷射掃描技術(簡稱光達)因具有可快速且自動搜集三維空間資訊的優點,常被應用於工程領域之監測任務,惟光達蒐集之原始數據為隨機分佈的離散點雲,無法直接提供待測物的外顯幾何資訊,需要以資料後處理得到欲分析的資訊。本研究目的為建立一完整變形分析流程,以有效運用光達原始點雲的資料訊息,同時提高資料處理的效益,進而提供符合工程監測規範之隧道變位分析結果。研究中首先利用原始資料中的現地特徵,將多時期多測站光達資料整合至共同坐標基準,再建立隧道二維變形分析模型及隧道三維變形分析模型,進行全隧道變位訊號估計與品質評估。由數值模擬及現地實驗成果顯示,本研究方法具有高度的演算效率以及自動化潛能,並且能夠提供隧道完整而細膩的變位監測以及可靠度資訊,因此可作為現行隧道安全監測任務中一項具體可行的技術方案。

Monitoring tunnel deformation is a crucial task for assessing long-term safety of a tunnel. This task requires an accurate and high-resolution spatial technique to precisely retrieve the abnormal signals on a tunnel surface. Among many measurement techniques in monitoring tunnel deformations, the Light Detection and Ranging (LiDAR) technique is capable of collecting spatial data automatically and rapidly. Although raw LiDAR dataset contains useful and important information, it lacks explicit geometric interpretation. In this study, an efficient approach for establishing a tunnel model to analyze deformation signal with multi-epoch LiDAR datasets is presented. By utilizing in situ control features, tunnel profiles (2D model) and 3D tunnel model from multi-epoch LiDAR datasets can both be expressed in a common reference frame definition. Then the minimum-distance projection (MDP) algorithm is proposed to estimate the 2D and 3D deformation signals on a tunnel surface. Furthermore, a rigorous covariance propagation approach is introduced to provide explicit quality indications on the obtained solution. Based on the results of simulation tests and a real case study of Hsuehshan (Xueshan) Tunnel, it has been shown that the LiDAR technique makes possible an efficient and accurate solution for monitoring tunnel profile deformations when the proposed approach is implemented in such task.

口試委員審定書 I
誌謝 II
中文摘要 III
ABSTRACT IV
圖目錄 VII
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 研究目的與方法 2
1.4 論文架構 3
第二章 研究背景 4
2.1 隧道安全等級 4
2.2 現有隧道變形監測技術 5
2.2.1 傳統量測技術 6
2.2.2 攝影測量技術 8
2.2.3 三維雷射掃描技術 10
2.3 三維雷射掃描技術相關背景 12
2.3.1 測距原理 13
2.3.2 掃描方式 14
2.3.3 光達載台種類 14
2.3.4 光達資料特性 16
2.3.5 光達主要後處理程序 19
2.3.6 整合不同測站點雲之方法 21
第三章 研究方法 23
3.1 利用現地特徵整合光達多測站資料 23
3.2 隧道二維變形分析模型 26
3.2.1 光達資料預處理 27
3.2.2 隧道斷面範圍擷取 28
3.2.3 隧道斷面模型建立 29
3.2.4 隧道斷面變形訊號比對 32
3.3 隧道三維變形分析模型 36
3.3.1 光達資料預處理 36
3.3.2 三維變形訊號比對 36
3.4 品質評估 37
第四章 數值驗證與分析 40
4.1 模擬實驗 40
4.1.1 隧道點雲模擬 40
4.1.2 不同取樣對可偵測之變形量影響 41
4.1.3 基準期密度對變形分析結果的影響 42
4.2 實例應用─雪山隧道點雲變形分析 45
4.2.1 實驗配置及事前規劃 45
4.2.2 二維變形模型分析 47
4.2.3 三維變形模型分析 54
第五章 結論及建議 57
5.1 結論 57
5.2 建議及未來工作 58
參考文獻 61
附錄 64


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