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論文中文名稱:雷射掃瞄系統模擬土砂等災害監測之可行性研究 [以論文名稱查詢館藏系統]
論文英文名稱:Study on monitoring of debris flow by using a laser scanner system [以論文名稱查詢館藏系統]
院校名稱:臺北科技大學
學院名稱:工程學院
系所名稱:土木與防災研究所
中文姓名:連貫捷
英文姓名:Guan– Jay Lan
研究生學號:93428044
學位類別:碩士
語文別:中文
口試日期:2007-06-29
論文頁數:69
指導教授中文名:陳彥璋;張守陽
口試委員中文名:林志平;連惠邦
中文關鍵詞:雷射掃瞄系統監測微動量變形量點雲
英文關鍵詞:3D laser scanningmonitortiny movementdistortionpoint cloud
論文中文摘要:本研究研發適於短距離監測之雷射掃瞄系統,利用此系統擷取空間資訊並進行三維成像掃瞄,繼而進行土砂災害現場監測之模擬,分析情境與驗證系統之可行性。
系統建構後,先行測試其精度與穩定性,各軸量測結果誤差可在±1.5mm以下。由於本系統具較高的量測精度,於模擬土石災害應用上,可藉此特點針對特定物進行三維微動量監測。在本研究條件下,模擬土石巨礫三維微動量監測之平均誤差可小於±3mm。本系統具有微動追蹤之功能設計,若反射片移動幅度大於系統設定偵測之位移範圍時,利用反射片與背景之回波強度差異,可判釋為特定土石已發生較大規模位移。其它監測之應用,本系統可提供三維攝影測量控制點及其座標,以校正攝影測量三維空間之外部參數。本系統可監測模擬隧道形變量,先於室內擷取拱面變化前後之三維座標,再將此形變過程差異繪出點雲圖形,可瞭解其整體內拱面之形變狀況。
研究結果顯示本研究自行研發之雷射掃描系統,可針對不同災害監測需求進行特定設計。本系統操作簡易,且具有攜帶移動(Portable)之功能,希冀可應用於不同三維空間的監測與分析。
論文英文摘要:The laser scanning system for short range is developed to generate 3-D images and extract the information from them. The monitoring of the disaster areas is simulated. Many scenarios are analyzed and the performance of laser scanning system is evaluated.
The precision of the laser scanning system is firstly evaluated. The measure error at each axis is below ±1.5 mm. The scanning system with high measure precision can be used to monitor the tiny movements for specific objects at any direction. The average of measure error for tiny movement is below ±3mm. The scanning system can be also used to trace the locations of moving targets. Using the intensity change of laser echo, when the targets moved out of the predefined regions, that the specific rocks observed have a huge movement can be inferred. The system can provide 3D photographic measurement and control point coordinates for other monitoring application, Correction for Photogrammetry 3D space external parameters. The system can simulate variable-shaped tunnel that capture arch changes before and after the 3D coordinates indoor, Deformation again this difference is charted point cloud graphics, we can understand the overall arch within their spheres of deformation conditions.
The scanning system we developed can meet the requirement for the different types of disasters. The system with merits of simple operation and portable can be used to monitor the various disasters via its stereo images.
論文目次:目 錄

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 1
1.3 研究架構與流程 2
1.3.1 論文架構 2
1.3.2 研究流程 2
第二章 文獻回顧 4
2.1三維雷射掃描技術之應用 4
2.1.1 雷射掃描技術之研究 4
2.1.2 雷射掃描技術於土砂災害之相關應用 4
2.1.3 雷射掃描技術與點雲結合 5
2.2 物體即時追蹤之相關研究 6
2.3 攝影測量 7
2.4 隧道等模擬形變監測 8
第三章 實驗設備與研究方法 10
3.1 實驗設備 10
3.1.1 雷射測距儀 10
3.1.2 步進馬達 12
3.1.3 掃描平台 14
3.1.4 其它設備 14
3.1.5 系統組合 15
3.2 系統軟體設計 17
3.3 研究架構 22
3.4 實驗模擬項目與方法 23
3.4.1 模擬土石三維微動量估算與分析 23
3.4.2 模擬土石三維成像之位移旋轉 26
3.4.3 土石位移追蹤與情境模擬 27
3.4.4 提供攝影測量之三維控制點應用 30
3.4.5 隧道監測模擬 31
第四章 結果與討論 32
4.1測距儀掃瞄穩定性 32 4.1.1 回波強度穩定性 32
4.1.2 偵測距離穩定性 34
4.2 模擬土砂災害之監測應用 36
4.2.1模擬土石三維微動量估算與分析 36
4.2.2模擬特定物三維成像之位移旋轉 47
4.2.3土石位移追蹤與情境模擬 52
4.3 提供攝影測量之三維控制點應用 54
4.4 隧道監測模擬 57
4.5 本系統與其它系統之綜合評估…………………………………60
第五章 結論與建議 62
5.1 結論 62
5.2 建議 63
參考文獻 64
附錄 66
符號彙整 69


表目錄

表3.1 雷射測距儀規格表 ........................................... 11
表3.2 諧和齒輪型馬達組AS46AA-H50規格表.................................... 13
表4.1 不同距離之標準偏差(x軸)....................................... 34
表4.2 各步級之角度誤差百分比(y、z軸)........................................... 35
表4.3 三維微動量反射片座標I.......................................... 36
表4.4 三維微動量反射片誤差結果I........................................... 37
表4.5 三維微動量反射片座標II........................................... 38
表4.6 三維微動量反射片誤差結果II........................................... 38
表4.7 三維微動量反射片座標III........................................... 49
表4.8 三維微動量反射片誤差III.......................................... 40
表4.8 (續)三維微動量反射片誤差III...….………...………...…….........40
表4.9 三維微動量反射片座標IV........................................... 41
表4.10 三維微動量反射片誤差結果IV........................................... 41
表4.10 (續)三維微動量反射片誤差結果IV....…………………………….42
表4.11 台北市猴峒溪室外實驗分析結果…………………………………44
表4.11 (續)台北市猴峒溪室外實驗分析結果…...…….…...…..........…....45
表4.12 疊代計算之結果(室內實驗)........................................... 48
表4.13 疊代計算之結果(室外實驗)………………………………………... 50
表4.14 實驗一之分析結果............................................. ………………... .58
表4.15 實驗二之分析結果..........................................................................59
表4.16 本系統與其它系統之綜合評估……………………………………61


圖目錄

圖1.1 研究流程圖 3
圖2.1 三維雷射掃瞄系統實體圖 5
圖2.2 故宮博物院即時影像掃瞄成果圖 5
圖2.3 立體視覺導引自走車之原型 6
圖2.4 攝影測量空間座標與各軸旋轉角之示意圖....................... ..7
圖2.5 逢甲大學內之鋼構建築物......................................... 9
圖2.6 苗栗縣中錦水儲油站T-01大型儲油槽........................................9
圖3.1 DISTO-PRO4雷射測距儀 ....................... 11
圖3.2 DISTO-PRO4a雷射測距儀之光束擴散示意圖 . 12
圖3.3 AS46AA-H50步進馬達與ASD13C-A驅動器......................... 13
圖3.4 步進馬達控制流程示意圖 ................................................ 13
圖3.5 掃描平台 ................................................ 14
圖3.6 電腦與雷射測距儀通訊傳輸示意圖............................................. 15
圖3.7 雷射掃瞄系統設備分類示意圖................................................ 16
圖3.8 雷射測距儀提供之RS-232介面連接端示意圖 ........................ 17
圖3.9 資料傳輸線子程式撰寫流程圖.....................................................18
圖3.10 DISTO-PRO4a雷射測距儀控制子程式撰寫流程圖.................. 19
圖3.11 步進馬達控制子程式撰寫流程圖.. ........................................... 20
圖3.12 自行調配之色階圖 ................................................ 21
圖3.13 雷射掃描成像程式架構流程圖 ................................................ 21
圖3.14 研究架構圖 ................................................ 22
圖3.15 模擬土石微動估算示意圖 ................................................ 23
圖3.16 求Z軸旋轉角γ之示意圖 ................................................ 24
圖3.17 自訂系統空間三維座標示意圖 ......................................... 25
圖3.18 不同測站掃瞄特定物之示意圖............................................. 26
圖3.19 故宮猴硐溪實驗現場追蹤示意圖 ............................................. 28
圖3.20 土石追蹤與情境模擬實驗之程式流程圖 ................................ 29
圖3.21 土木館三樓樓梯佈設控制點之情況................................ 30
圖3.22 雷射掃瞄系統及全測站搭配攝影測量之實驗情況................... 30
圖3.23 隧道監測模擬示意圖 ................................ 31
圖4.1 不同距離下雷射光點變化之光學影像..................................... 33
圖4.2 強度穩定性實驗結果圖與雷射光點逼近之示意圖 .33
圖4.3 不同距離之標準偏差(x軸)............................................... 35
圖4.4 各步級之角度誤差百分比(y、z軸) 36
圖4.5 三維微動量室內實驗成果影像I............................................... 37
圖4.6 三維微動量室內實驗成果影像II................... 39
圖4.7 三維微動量室內實驗成果影像III................... 40
圖4.8 三維微動量室內實驗成果影像IV................... 42
圖4.9 紙箱表面X方向位移23 mm之點雲變化圖................... 43
圖4.10 紙箱表面X、Y方向位移23 mm之點雲變化圖................... 44
圖4.11 紙箱表面X、Y方向位移23 mm,Z方向旋轉之點雲變化圖. 44
圖4.12 紙箱表面X、Y方向位移,X、Z方向旋轉之點雲變化圖 45
圖4.13 台北市猴峒溪室外實驗成果影像 46
圖4.14 特定物(人像)各影像結果(室內實驗).................. 48
圖4.15 疊代原點收斂趨勢圖(室內實驗)................... 49
圖4.16 特定物(人像)各影像結果(室外實驗)................... 50
圖4.17 疊代原點收斂趨勢圖(室外實驗).................... 51
圖4.18 特定物(人像)點雲成果圖(室內) .................... 51
圖4.19 特定物(人像)點雲成果圖(室外) .................... 51
圖4.20 模擬土石位移追縱室內實驗成示意圖.................... 53
圖4.21 左右攝影機之雷射控制點影像.................... 54
圖4.22 兩系統分別量測之三維座標誤差結果................... 55
圖4.23 兩系統座標經攝影測量外部參數計算之誤差結果................... 56
圖4.24 實驗一之掃瞄成果圖................... 58
圖4.25 實驗二之掃瞄成果圖................... 59
圖4.26 以Surfer軟體繪製形變圖(實驗一)................... 59
圖4.27 以Surfer軟體繪製形變圖(實驗二)................... 60
論文參考文獻:參考文獻

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論文全文使用權限:同意授權於2008-08-27起公開