三維雷射掃描應用於深開挖工程之連續壁變形監測｜國立臺灣科技大學博碩士論文系統

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研究生：	孫睿宏 Jui-Hung Sun
論文名稱：	三維雷射掃描應用於深開挖工程之連續壁變形監測 Applying 3D Laser Scanning to Monitor Displacement of Diaphragm Walls in Deep Excavation
指導教授：	楊亦東 I-Tung Yang
口試委員:	嚴崇一 Chung-I Yen 呂芳熾 Fang-Chih Lu 謝佑明 Yo-Ming Hsieh
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工程學院 - 營建工程系 Department of Civil and Construction Engineering
論文出版年：	2017
畢業學年度：	105
語文別：	中文
論文頁數：	122
中文關鍵詞：	雷射掃描、點雲、變形監測、深開挖工程
外文關鍵詞：	laser scanning, point cloud, deformation monitoring, deep excavation
相關次數：	點閱：424 下載：14
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高度都市化已成為台灣國土發展的一項特徵。都市密集的人口抬升了
居住需求，使建築物的垂直發展成為一大趨勢，應用在高樓基礎的深開挖
工程顯得更為重要。儘管國內工程界就深開挖工程之相關工法技術已具備
相當程度的水準，但隨著大眾對於居住品質及安全的意識高漲，深開挖工
程對鄰近設施的影響程度也隨之受到重視，工程監測系統即為深開挖工程
的安全與否提供客觀的科學紀錄。
然而綜觀目前應用於深開挖工程的主要監測系統，大多仍仰賴僅能量
測一維空間之變形量的儀器，使既有監測系統無法完整反映真實物體於三
維空間中的變形狀況。另一方面，營建工程的生命週期當中必然伴隨著各
項測量作業，人們為了滿足工程測量的需求而發展出各式先進測量技術。
其中雷射掃描因為具備快速取得大量三維空間點位資料的優點，且儀器的
精度逐步提升，國內外也朝向將雷射掃描應用於結構體監測的方向發展。
本研究乃將雷射掃描應用於深開挖工程之連續壁變形監測。為了分析
上的需要，本研究設計了一應用點雲快速估算連續壁變形量的演算法，並
以 C++於開源軟體 CloudCompare 平台開發一外掛程式以實作該演算法。
但在實證案例中，因為該案例無法將不同時期的掃描成果完整套合至統一
的座標系統，使分析連續壁變形的目標遇到困難。為了提出改善方案，本
研究便以連續壁變形監測的相關文獻和規範為基礎，結合專家訪談意見探
討監測的施行流程。
總結以上內容，本研究提出一套以三維網格為基礎快速估算點雲變形
量的演算法，並引出了發展雷射掃描技術成為一項連續壁變形監測方案的可行
性，後續相關研究可以此做為發展的基礎。

Taiwan has become highly urbanized and densely populated. To build higher
building, deep excavations are one of the crucial procedures. But deep excavations are
subject to risks. To prevent the risks, the engineer uses construction monitoring systems,
like inclinometers and surface settlement mark, for monitoring the construction site.
However, the conventional construction monitoring systems couldn’t measure the
object with 3-dimensional deformation data. On the other hand, laser scanning reforms
the monitoring systems to 3D world. Because of its ability to acquire space data in short
time, there are some cases using 3D laser scanning to monitor construction sites.
This research introduces 3D laser scanning to monitor displacement of diaphragm
walls in deep excavation. At first, we design an algorithm using point clouds to estimate
the displacement of diaphragm walls. And to implement the algorithm, we develop a
plugin of an open source software CloudCompare with C++. What’s more, to verify
our algorithm, we apply the algorithm in an excavation project to estimate the
displacement of diaphragm walls. It shows that the displacement our method estimates
is larger than expected, although the program could calculate the displacement. So, we
manage to examine the procedure used in the project to improve it. Further studies are
necessary to realize the 3D monitoring method.

摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vii
表目錄 ix
第一章 緒論 1
1 研究背景 1
2 研究動機 2
3 研究目的 2
4 研究範圍與限制 3
5 研究方法與流程 3
6 論文內容與架構 4
第二章 文獻回顧 6
1 深開挖工程之連續壁變形監測 6
1.1 深開挖工程－以連續壁為擋土措施 6
1.2 連續壁之變形監測規範 8
1.3 連續壁之變形監測技術 14
2 雷射掃描技術 16
2.1 雷射掃描原理 16
2.2 雷射掃描之點雲座標系統 18
2.3 點雲拼接套合 19
3 點雲變形分析之演算法 20
3.1 點雲對點雲之距離演算法 20
3.2 多尺度模型對模型點雲比較演算法 21
3.3 點雲變形分析案例探討 23
4 點雲資料處理程式 24
4.1 點雲凾式庫 24
4.2 點雲開源程式 25
5 小結 25
第三章 演算法設計 26
1 問題定義 26
2 演算法問題分析 27
3 連續壁之點雲變形分析演算法設計 31
4 小結 34
第四章 程式開發 35
1 軟體需求分析 35
2 軟體設計 37
3 程式開發 40
4 程式驗證 50
5 小結 52
第五章 案例實證 53
1 監測規劃 53
2 監測執行 56
3 連續壁變形分析 59
4 小結 63
第六章 雷射掃描於連續壁變形監測之流程探討 64
1 監測規劃工作 64
1.1 監測需求調查、需求確定 65
1.2 儀器設備規劃 65
1.3 測量點位規劃 65
1.4 監測頻率規劃 66
1.5 工作計畫書編製 67
2 監測執行工作 67
2.1 控制測量 68
2.2 外業掃描 69
2.3 多測站點雲拼接 71
2.4 多期點雲套合 72
3 連續壁變形分析工作 73
4 小結 74
第七章 結論與建議 75
1 結論 75
2 建議 76
參考文獻 77
附錄A 演算法範例之數據 A-1
附錄B CloudCompare外掛程式之主要程式碼 B-1
附錄C 專家訪談紀錄表 C-1
                                

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