工程新知

Video-GIS技術於結構維護管理之應用 

摘   要

所有的土木結構物均具生命週期，由新建至營運老化過程，均需要藉由維護管理來確保其穩定與安全，尤其一般之交通幹線多肩負著重大頻繁的運輸重擔，以捷運隧道為例，其營運長度達65公里以上，欲在4~5小時之有限且短暫的營運空檔進行例行性的檢查，於人力方面之耗損相當大，故執行上應考量藉助科技工具提昇維護管理能力及效率。目前國外已陸續發展多種不同類型之快速攝像儀器，利用自動化之攝影技術進行快速影像掃描及測量，以節省人力與時效，自動化攝影測量之技術主流包括有TS360及Video-GIS等系統，此均藉由e化的技術，將現場狀況以動態及靜態方式完整呈現，進一步整合前期的設計、施工及定期檢測維護等資料，並藉由資料庫之建置，相關成果可納入日常維護管理之一環，而本系統更可提供資料查詢、檢索、比對、測量計算及資料收錄等高效能之簡易操作功能，對於主管機關進行相關方面之維護管理及決策評估有相當之助益。

一、前言

近年來e化技術的進步日新月異，使得自動化攝影測量技術在其功能及應用上亦趨成熟及廣泛。目前國外已陸續發展多種不同類型之快速攝像儀器，利用自動化之攝影技術進行影像的快速掃描及測量，以動態配合靜態方式完整地將影像呈現並連結，同時進一步整合前期的設計、施工及定期檢測維護等資料，配合資料查詢、檢索、比對、相關測量計算及資料收錄等高效能之系統功能，可作為主管機關進行初步決策評估及相關單位的維護管理。

以鐵路、捷運系統為例，因其有營運時段限制，對相關結構物(隧道、橋梁等)進行人為方式之檢測調查，若因時間限制及檢測數量甚大的情況，以人工表面目視觀察記錄方式進行相關檢測調查及維護管理，不僅秏時，且所獲得之調查成果記錄易疏漏。因此如何縮短現地檢測時間、減少大量人力日常調查、提高維護管理效率、及降低營運衝擊等，均為維護管理單位之重要需求。進行此類先進自動化攝影測量的系統研發之主要國家為日本與德國，系統係利用雷射或光源攝像(配合光源)以180°或360°全周面不失真之掃描方式進行連續記錄，掃描速度因機器特性與需求可達4~80km/hr，掃描後之資料記錄經數位化轉換處理，與相關應用軟體聯絡後，可配合影像載入系統之方式作為管理作業初步研判之用。並且配合系統內之初步運算功能，可提供管理階層作為初步估算之參考。

目前工程系統逐步朝效率化、制度化與電子化之方式進行營運管理，而現今電子軟體與技術之發展，使相關之電子管理資料庫系統技術逐漸人性化，並供實務應用。彙整國內外相關類似之快速檢測系統，大致說明並表列於表1。上述快速檢測系統可將其掃描記錄成果數位化，並加工搭配適當之應用軟體系統(如CAD)進行後續解析及應用處理，供室內判讀、量測、查核與修復設計之用，對效率之提昇助益甚大，針對相關系統於維護管理方面之優劣表現說明如表2，以供參考。

二、Video GIS系統之維護管理簡介

(一)系統特色

以目前之相關工程管理系統，維護管理方式之電子化成熟度以Video GIS影像地理資訊系統為首，該系統是一個多媒體地理資訊連結查詢管理系統，藉由資料庫將動態影像與靜態圖資(包括自動化攝影測量系統所得之隧道表面異狀記錄之電子檔)進行整合並聯結其他管理圖層，讓管理者於短時間內獲得現場真實資料，並於內業處理過程中可由本系統完整掌握基本背景資料及現場情況，進行初步之量測及評估。於目前該項系統之用途大致可分為日常業務、防災業務及其他方面，應用對象則包括：公路、鐵路、捷運、 地下管線、港灣、河川、都市計畫及觀光等資料建置及管理；因該資訊系統具有視覺性佳、擴充性高、相容性高、操作及維護簡易及具有網路應用功能等五大特色，且系統操作方便，資料維護更新容易，因此對營建工程，諸如各項交通運輸工程(包括隧道、捷運及公路工程)資訊之快速建置及蒐尋相當有利。目前於日本國內已有五十餘單位採用，頗受各界好評。

(二)應用範圍

1. 系統用途

由於本影像地理資訊系統係以現場實地拍攝之影像為系統主體，同時搭配結合各種地圖、照片、設計及施工資訊或其他資料表格，用於相關單位日常業務及防災管理業務等，一般維護管理業務之涵蓋範圍概略如下：

(1)日常業務

a. 建立圖資GIS資料庫

b. 隨時掌握現場狀況(施工中管理)

c. 未來資產維護管理

d. 陳情案之即時處理

e. 會議及簡報說明工具(可減少現場會勘次數)

(2)防災業務

a. 災害現場狀況之掌握

b. 作為檢討對策之基本資料

2.資訊查詢

本系統係以鮮明的動態影像及龐大的多元化資訊連結於同一畫面，可藉由簡單的操作同步展示，展示方式如下：

(1)動態影像畫面隨著行進方向播放，路線圖上之箭頭亦以相同速度移動。

(2)動態影像於出現交叉路口、橋梁、照明設施、路肩、結構物、河川等標的物時，可以按鈕方式對動態畫面中之特定物進行資料查詢。

(3)將視覺性資訊(動態畫面)與靜態資訊(各類圖資)連結，使資料搜尋與管理作業更為容易。

3. 系統管理

由於一般常見之地下結構物之老舊(Deteriorated)、襯砌斷面形狀及位置變化、損壞(Destroyed)、缺陷(Defective)等型態「隧道異狀」大多會不單獨發生，通常為兩種以上同時發生，且多半無法立即研判其穩定性或影響性，往往需配合適當監測儀器進行監測，故以電子化方式建立隧道由施工至營運階段之長期病歷史，應為各相關單位進行長期養護之重要目標。系統維護管理建立項目可依隧道產生之異狀進行分類，並可各別以單獨之資料納入資料庫系統中。

(三)系統架構

Video-GIS系統之運用型態可分為網路版及單機版兩類，其架構主要包括基本系統及子系統；其中基本系統為架構所必需，主要包括動態影像、地圖(如地形圖、基本像片圖)。

子系統設於基本系統下，依路線可能之維護管理需求進行下項功能細分，目前相關之可能應用範圍可包括：緊急防災資料庫、民眾陳情／抱怨處理資料庫、地下公共管線資料庫、橋梁維護管理資料庫、隧道維護管理資料庫、鐵公路及捷運系統資產管理等。

三、Video GIS系統之建置

(一)資料搜集

完整之Video GIS影像地理資訊系統建置，所需收集之資料包括地形圖、航照圖、路線圖、自動化攝影測量系統之隧道表面異狀掃瞄成果(如TS360)、現場調查檢測成果及隧道竣工圖等。

如以隧道維護管理為例，於基本系統部份主要包括前拍之整體動態影像與側拍之局部動態影像，其路線圖方面則配合動態影像搭配TS360系統掃瞄成果、地形圖、與基本像片圖，依不同里程各別呈現隧道現況；於子系統部份則將隧道異狀展開圖、隧道掃瞄影像、隧道檢測資料、隧道基本資料(施工、設計、監測)等一併整合納入。

(二)資料建置

Video GIS影像地理資訊系統之基本模組的製作流程可分為四大單元，為影像拍攝、影像剪輯數位化、圖說資料數位化、相關資料系統建置，分述如下：

1. 影像拍攝：係利用高品質之攝像機與交通工具進行現場拍攝工作。於現場拍攝影片資料部份之現場操作儀器構件，主要亦可分為攝像儀器、資料記錄設備、監控儀器設備及配合設備等四大部份。

(1)攝像儀器（Digital Video Camera）：主要為一架設在工作腳架之VCR數位攝像機。

(2)資料記錄設備（Recording Tape）：主要為附於數位VCR攝像機之儲存磁性記憶體或磁帶。

(3)監控儀器設備（Monitor Screen）： 可透過數位化VCR攝像機所附之視窗進行掃描資料品管與範圍界定。

(4)配合設備（Accessory Equipment）：除上述之動力機具外，配合設備尚包括發電機(4000W)、整流器、燈光、安全吊帶、工作腳架、防水工作罩、皮尺、組裝工具等。

2. 影像剪輯數位化：將拍攝成果進行編輯修改並數位化，就日後管理比對研判需求，各別於GIS資料庫系統中建立數位化成果及路線里程等相關標定資訊。

3. 圖說資料數位化：就搜集之圖說資料進行與路線相關之數位化製作，如平面圖、地形圖或航空照片等。

4. 相關資料系統建置：將先前所搜集之圖資與檢查成果彙整後予以掃描或轉換，並於GIS資料庫系統中輸入里程資訊後，再與路線拍攝之影片資料加以結合。

四、Video GIS系統之應用

本系統將清晰的動態影像與資料庫連結建置，使隧道的日常維護管理作業更為便捷與效率化。利用特殊照明進行隧道內部動態影像拍攝，將原本陰暗、視線差之隧道內部狀況清晰地呈現。同時可將隧道內壁影像與各項施工紀錄、災害狀況與日常維護資料等作連結登錄，如圖一。

五、工程案例

(一)工程概述

本技術曾應用於國內之重要隧道，民國88年921集集大地震，造成台灣中部縣市多達十幾座山岳隧道受創，造成隧道內襯砌混凝土掉落、龜裂等因外力受損情形，隧道需封閉及進行搶修，交通運輸受到嚴重影響。雖經緊急補強復舊且恢復通車，惟隧道仍可能存在潛在不穩定問題，經調查，由於損壞涵蓋範圍達隧道總長之50%，因涵蓋範圍廣，若以人為方式進行調查易生疏漏且耗時費力，因此為確實掌握列車行車之安全，致進行了相關資料收集、現場檢測、調查及試驗，經由既有資料及現場所獲成果加以分析研判，提出適當改善措施及進行規劃設計，並使隧道整體長久穩定及便於維護管理。

其中隧道之維護管理係利用VIDEO-GIS技術，將既有基本資料、配合現地調查工作及各項檢測資料成果等加以彙整，以影像+地理+資訊方式，建立隧道維護管理之資料庫，供主管單位進行日常之檢查。

(二)資料蒐集及建置流程

本案例所蒐集之資料包括地形圖、航照基本圖、路線圖、TS360掃瞄成果、現場調查檢測成果及隧道竣工圖等，用以建立基本地理資訊系統之資料庫。

VIDEO-GIS資料庫之建置流程主要分為兩大部份，即現場資料之攝影(照片一)及資料庫之建置，詳如圖二所示，係利用現場拍攝之影片資料結合其他管理圖層，可讓管理者於短時間內獲得現場真實資料，並於內業處理過程中由本系統完整掌握基本背景資料及現場情況，相關人員則可依據後續實況進行整體或細部檢視、評估與分析，並從而作進一步之改善措施研擬與工作協調。

於應用軟體部份之電腦執行主要內容包括有資料一覽、書架、錄影機能之操作、錄影影像各機能之切換、路線選取之操作、以里程進行資料查詢之操作、以結構物名稱、地名等進行查詢之操作、畫面最大化之操作、剪貼薄之操作(WORD、EXCEL)、影像列印之設定、影像列印設定之變更、畫面捲軸之操作等。

(三)系統架構

依本案例特性建立相關之資料庫，主要分為基本系統及子系統，基本系統主要包括前拍之整體動態影像與側拍之局部動態影像，其路線圖方面則配合動態影像搭配TS360系統掃瞄成果、地形圖、與基本像片圖等【詳三、(一)節所述】；本系統之主要資料內容及架構可詳圖三所示。

(四)系統查詢及管理

利用鮮明之動態影像將數量龐大之多元化資訊連結於同一畫面，僅藉由簡易的操作即可同時展示，即將視覺性資訊與靜態資訊連結，使資料之搜尋及管理作業更為容易、便捷。

1. 隧道安全維護管理

利用特殊照明進行隧道內部各類動態影像拍攝，使原本陰暗、視線差之隧道內部得以清晰地呈現，同時輔以現場進行之各類檢測成果，使隧道現狀得以確實掌握。進而對相關之隧道裂縫、隧道異狀及例行性之檢測工作達到時效性之管理。

2. 資料分層管理

將所有登錄於系統內之資訊施以分層管理，可選擇顯示層數與資料之多寡，即暫不使用之資料以重疊方式暫時隱藏。

3. 日常維護資料建檔登錄

(1)依據資料形態以按鈕方式將各類圖資電子檔(如WORD、Excel、圖像等)登錄於系統內。

(2)以往整理及查閱困難之各類施工照片及相關資料，如設計圖、施工圖、竣工圖、維修資料等，一一收錄於系統內，並施以分層管理，於日後需要時即可快速調閱相關資訊。

(五)系統應用成果

本案例系統所具備之一般使用功能包括下拉式視窗功能表、對話框、捲動軸及圖像螢幕顯示功能，而螢幕顯示包含了圖形顯示區、訊息顯示區、動態對話框視窗、多重顯示視窗與即時輔助說明視窗等，並具備有使用鍵盤或滑鼠下達指令與建置之功能。

本案例提供不同作業範圍定位方式，以全面符合使用者的多種需求，在定位的功能模式中，均有清楚之對話方塊供使用者方便的介面，以快速定位查詢作業範圍。成果如圖四、圖五、圖六、圖七所示。

而本案例系統所具備之主要功能，包括路線對應功能(即可依需求切換不同之基本圖資料)、搜尋功能(依里程、地名及地物等進行搜尋)、縮放功能、靜態影像測算功能、剪下及貼上影像、照片及地圖，供製作報告、簡報等其他用途，並列印成圖文並茂文件，及資料收錄功能等。

詳細系統功能說明詳五、(六)節。

(六)系統功能

1. 路線對應功能

由於拍攝之影片係與平面圖(包括地形圖、航照圖、路線圖等)結合而連動，平面圖中路線上任何一點位置，現場實際拍攝之影像可同步對應於該點位置，即以動態影像播放現場狀況，同步以箭頭在地圖上標示相對應位置。因此本系統之儲存內容為路線整體之資訊，而非侷限於某些特殊地點之片斷資料。

2. 搜尋功能

本系統可針對實際使用需求，透過如錄放影機之簡易且直接操作的視窗配置，提供物件搜尋功能，可針對路線標示里程或是特殊地點(如橫坑及豎井)進行搜尋。包括利用簡便的里程搜尋、地名搜尋、地址搜尋、或由移動地圖上的箭頭即可簡單地搜尋特定位置。

3. 縮放功能

本系統可結合影像掃描(如TS360或CDS系統)快速記錄成果納入資料庫系統中，針對龜裂或滲漏進行管理，透過視窗之應用軟體直接就影像掃描成果使用拉近或拉遠功能，可更精確的研判目標。

4. 靜態影像測算功能

本系統可針對靜態之影像掃描(如TS360或CDS系統)成果或設計圖等圖面，透過滑鼠於螢幕圖面就任意兩點進行距離及面積計算(詳圖八)，提供管理者基本尺寸計算功能。

5. 影像測算功能

本系統可針對攝影動態影像之圖面，透過滑鼠於螢幕就目標範圍直接進行相關距離、高度及面積計算(詳圖八)，測量之基本誤差在1公尺內。目前該項技術亦可延伸至3D功能，如圖九(本案例尚未納入)。

6. 列印功能

本系統可剪下及貼上影像、照片及地圖，供製作報告、簡報等其他用途，並列印成圖文並茂文件。

7. 比對功能

比對功能有助於損壞原因研判，本系統可於不同季節或不同年份之同一地點以動態或靜態方式，配合自動掃描成果(如TS360或CDS系統)進行特定位置或區段之整體相互比較。

8. 資料收錄功能

本系統可依據資料形態以按鈕方式將各類圖資電子檔(如WORD、Excel、圖像等)收錄於系統內。以往整理及查閱困難之各類施工照片及相關資料，如台帳、設計圖、施工圖、竣工圖、維修資料等，一一收錄於系統內，並施以分層管理，於日後需要時即可快速調閱相關資訊。如隧道管理方面可定期鍵入裂縫量測值、表格相片或相關檢測成果，藉此針對特定點進行定期管理。

9. 攝影功能

本系統尚可提供360度迴轉全景及寬景之攝影技術，有助於管理者對於周遭環境完整之瞭解。

10. 操作功能

本系統之操作功能可詳五、(五)節系統應用成果所述。。

六、結論與建議

應用Video GIS影像地理資訊系統進行維護管理，藉由動態影像及靜態影像畫面，能呈現真實之現況，可節省眾多人力及物力，亦提高了管理上之效率。其同時搭配結合各種地圖、照片、設計及施工資訊或其他資料表格，此對維護管理業務不失為一實用之管理工具，使資料更容易保存及管理。

地下結構物維護管理工作之持續進行實不容易，不僅需耗費相當之人力、財力，傳統以書面方式之片斷資料保存，往往欠缺其完整性，故結合快速檢查方式之電子化維護管理系統，已為日後發展趨勢。

參考文獻

(1)中華顧問工程司，「921地震三義隧道檢測及改善工程隧道檢測及改善建議服務建議書報告」

  臺灣鐵路管理局，2001。

(2)中華顧問工程司，「921地震三義隧道檢測及改善工程隧道檢測及改善建議工作-隧道維護

   管理手冊」，臺灣鐵路管理局，2002。

(3)株式會社日本岩根研究所，「VIDEO  GIS影像資訊系統介紹」，2001。

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