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無處不在的空間資訊：三維雷射掃描儀–新一代測量利器

92/05/12 25021

曾義星｜成功大學測量工程系

史天元｜交通大學土木工程系

雷射技術在測量上的應用

測量兩地物點間的距離是測量工程最基本的工作，早期以捲尺測距，精確度較低且不利於長距離的量測。一九七○年代光波測距儀問世，其工作原理是以一定波長的光波，從儀器站瞄準對站的反射稜鏡或反射物體發射，並接收平行反射回來的光波，比對其相位差來計算光波發射中心與稜鏡反射中心間的距離，其精度可達±3毫米，是目前測量工程上主要的測距儀器。

早期的光波測距儀必須有反射稜鏡的配合才能測距，第三代的光波測距儀應用雷射光為媒介，不需反射稜鏡即能獲得反射光波，只要被測物體對雷射光源有5％以上的平行反射量，即能準確測得其距離，其測距精度在一百公尺範圍內約為±5毫米，雖然比稜鏡式光波測距儀稍差，但因不需預先安置反射稜鏡，增加了許多方便性。

目前雷射測距儀已經是測量儀器市場上的主要產品之一，甚至與先進的電子式經緯儀（用來量度水平與垂直角度的儀器）結合成雷射全測站儀，利用雷射測距及經緯儀的測角功能，直接測定被測點與觀測站的三維座標差，若觀測站的座標為已知，則可求得被測點的三維座標值。最新的雷射全測站儀甚至配備有伺服馬達，可自動引導經緯儀掃描某一設定的目標區域，得到全區均勻分布的量測點，作為測量時的座標。

上述雷射全測站儀雖然具備掃描點位的功能，但是每觀測一個掃描點需要二至三秒，若進行高密度點位的掃描，通常需要數小時，效率不彰。三維雷射掃描儀是一部由快速準確的雷射測距儀，再加上一組可導引雷射光以等角速度掃描的反射稜鏡所組成，可測得測站至每一掃描點的斜距，配合掃描稜鏡的水平與垂直方向角，就可推算每一掃描點的三維座標。

雷射掃描速度非常高，可達每秒數萬點，瞬間產生大量觀測資料，因此通常需具有即時儲存大量資料的功能。由於雷射掃描是以主動式光源進行量測，故可於黑暗中進行觀測，有利於隧道或洞穴內的量測工程。有些三維雷射掃描儀可同時接收反射的雷射光及可見光，如此可將可見光的強度及色彩敷貼在三維座標點上，形成所謂的三維影像。

三維雷射掃描儀類型

各種三維雷射掃描儀的製作原理均相似，但是依其掃描的有效距離，可將目前商業化的掃描儀分為短、中、長距離及航空雷射掃描儀等四種類型。短距離雷射掃描儀的掃描距離小於一公尺，是最早商業化的機種，通常用於小型模具的量測，最為便宜普及。掃描距離在1～30公尺者屬於中距離雷射掃描儀，多用於大型模具或室內空間的量測，對大多數測量工程而言，其量測範圍則嫌不足。

掃描距離超過30公尺甚至可達一公里者，屬於長距離雷射掃描儀，可用於建築物、洞穴、土木工程等大型物體的測量，如今已廣泛應用於各式測量工程，是量測工具的明日之星。目前有能力生產長距離雷射掃描儀的廠商並不多，然而隨著需求的快速增加，商業化的機型也不斷推陳出新。航空雷射掃描儀的掃描距離通常大於一公里，需配合精確的導航定位及方位系統才能求得掃描點座標，此種系統架構複雜且昂貴，適用於大範圍地表起伏的測量。

掃描資料的呈現方式

三維雷射掃描儀掃描所得的資料，可依掃描的等間隔角度排列，而以二維影像的型態呈現。若將距離以色彩表示，則形成所謂的距離影像，也可以依雷射的反射能量，形成所謂的反射灰階影像。有些三維雷射掃描儀可同時測得掃描點的光學影像，相當於取得許多三維像素的色彩值，形成所謂的三維影像。

將三維影像以掃描時的等間隔角度方式排列，所呈現出來的圖像，看起來像是以一般相機用魚眼鏡頭所拍的相片。但是若以三維透視投影的方式來表現三維影像，則可觀察掃描所得的實景影像。若以虛擬實境的軟體來觀察三維影像，則可從任意角度觀察實景影像。實景影像的黑色部分代表被遮蔽的區域，沒有獲得掃描資料。

未來的發展

三維雷射掃描儀可快速獲得物體在三度空間內，均勻密布且高精度的點雲三維座標資訊，具有相當大的應用潛力與需求。此種儀器操作簡單，可快速獲得高品質的測量資料，大大減低量測的工作量，其餘的工作，即是以電腦從掃描得到的資料中，萃取出所要的空間資訊。

一家名為雷射製圖的公司（Laser Mapping Inc.）以一張手繪圖，生動地描繪出運用三維雷射掃描儀在測量工程上的願景。三維雷射掃描技術將為測量帶來嶄新的前景，測量工作會變得有效率但不再仰賴專業能力，這對多數工程單位而言，當然是樂見的。然而，這也代表測量工作量的大幅降低，測量工作人力需求也會隨著下降。

雷射掃描所得的初步資料，是均勻密布在被測物表面上的三維點雲，當被測物無法以一次掃描涵蓋整個範圍進行完整觀測時，則需整合多個測站所產生的點雲來達成任務。然而由於各觀測站的參考座標系統不同，因此點雲資料的連結並非單純的資料合併，必須透過參考座標系統的轉換，才能解決資料結合的問題。

此外，點雲資料屬隱性資料，對於被測物並非顯性描述，對大多數的工程測量而言，需要將點雲資料進行模型化的處理，以獲得被測物的物件式或圖元式的顯性描述，即結合點群形成線、面或三維實體等，以便後續的分析，因此必須發展點雲模型化的後續應用軟體，才能發揮三維雷射掃描資料的功效。

應用領域

三維雷射掃描儀主要是用在工程測量方面，而工程測量又與各項民生工程息息相關，舉凡土木建設工程、防災與災害調查、建築古蹟維護、坑道與洞穴測量、工廠設施與管線配置及自然景觀維護等，皆須實施現地的測量以獲得三維實景的空間資訊，是目前應用最廣泛的測量技術。工程測量通常具有測量範圍小，被測物的空間關係複雜且可能正處於持續變化狀態，必須快速獲得測量資訊，經常會遇到困難甚至危險的測量環境等特性，使得測量工作倍加困難。

三維雷射掃描儀具備快速準確的量測功能，只要有一個立足點，即能以很短的時間測得大量的點位，許多困難的工程測量問題，勢將因此種儀器的引進隨之迎刃而解。未來各式工程測量會陸續引用此一儀器為主要的測量工具。目前三維雷射掃描儀雖然昂貴（超過十萬美金），但相信隨著需求量的增加及生產技術的提升，應有大幅降價的空間。近幾年，商業化的三維雷射掃描儀如雨後春筍般推出，各種應用案例及需求也快速增加，可見其普及腳步的速度。

資料來源

《科學發展》2003年5月，365期，16 ~ 21頁

雷射(30) 科發月刊(5210)

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