世界最夯的ICT施工技術大解密!各項施工步驟最新科技發展(一)

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工程技術發展

農村發展及水土保持署

世界最夯的ICT施工技術大解密!各項施工步驟最新科技發展(一)

期數 / 第83期

發布日期 / 2023.08.17

主筆 / 李哲宇

責任編輯 / 陳國威

前期第79期 電子報提到現代工程缺工加上少子化與高齡化的問題，直接影響工程施工的效率與品質，因此工程界積極發展ICT施工技術，希望改善此問題的發生；也介紹了日本與台灣針對災害發生時，水土保持工程如何投入ICT施工的實際案例。
本期電子報將延伸ICT的施工步驟，以各項施工步驟為主題，介紹每個ICT施工步驟目前的最新科技發展項目，如何改善我們的作業環境與公共事務討論。

圖1、 XR(延展實境)眼鏡討論建設情形(資料來源:微軟)

ICT施工-現地調查階段

圖2、ICT 施工的現地調查階段 (資料來源: i-Construction with BIM/CIM)

過去在工程的現地調查階段，經常會使用測距儀、水準儀與經緯儀測量工地現場的距離、高程與角度，近年更會使用全站儀、衛星定位儀進行全面向的單點測量；利用大型直升機、車載光達進行大範圍的測繪，但以上儀器會有設備繁重且攜帶不容易、價格昂貴、易有人為誤差與地點不易到達的問題。
自從UAV(無人航空載具)、ROV、USV(水下探測載具、無人水面載具)、SPOT(犬型機器人)等各種無人載具(圖3)(影1)普及化到人們生活周遭開始，發展出一般人也能執行單一區域大範圍的攝影測量與LIDAR測量，精度的驗證與省時省力功效上這幾年更是屢獲文獻驗證與日常採用，相關精彩成果可參考本署技術研究發展平台的 UAV 3D建模頁面(圖4)。

圖3、空中、水面、水中、地面無人載具 (資料來源:中翰國際科技、FB-DARKWATER)

影1、SPOT 實際執行作業情形 (資料來源:Trimble)

圖4、農村發展及水土保持署UAV 3D建模成果 (資料來源:農村發展及水土保持署技術研究發展平台)

三維空間的點雲技術近期受眾人關注，發展出地面掃描儀(TLS)與手持式掃描儀等三維空間掃描工具，近年連一般民眾人手一支的消費品-手機，都可以低門檻隨時隨地進行掃描(詳細資訊請參閱電子報第62期 與第69期)(圖5)；過去使用在建築應用上較佳，近期針對大範圍開闊的戶外空間發展出不錯的效果，各項掃描工具精度亦獲得極佳的評價， 可參考相關文獻(圖6)。
上述各項掃描設備可以搭載在前述提及或更多自行發揮創意的載具、補足過去可能空中無法拍攝到的細節、搭載GNSS真實地理座標，更可藉由軟體將多個維度空間之載具產製的點雲，完美結合成虛擬的點雲世界(圖7)，提供數位孿生、元宇宙後續分析時，擁有強大的基礎資料(圖8)。

圖5、地面掃描儀(左上)、手持式掃描儀(右上)、手機3D掃描(下) (資料來源:FB- Club BLK360)

圖6、地面掃描儀(TLS)、手持式掃描儀、IPhone、單眼相機之 3D模型精度比較 (資料來源:FB-Yass Matsuo)

圖7、UAV搭載相機（ZenmuseP1），UAV搭載LIDAR（ZenmuseL1）和手機掃描器viDocRTKrover 產製點雲在同位置匹配效果(影片參考文章圖號連結) (資料來源: TDR - Takayama Drone Research )

圖8、SPOT掃描現況(左)、掃描後的數位孿生成果(右) (資料來源:FB-建設IT)

ICT施工-規劃設計階段

圖9、ICT 施工的規劃設計階段 (資料來源: i-Construction with BIM/CIM)

過去在工程的規劃設計階段，經常使用測量數值製作成平面三視圖，需一次性攜帶數十至數百張的設計圖，到現場進行說明會、工程會議討論或提供現場工程人員依圖施作，並作為後續管理維護依據；在測量數化過程中可能發生人為誤差、圖紙過於繁重攜帶不易、一般沒有受過三視圖辨識能力的民眾無法參與討論、現場工程人員辨識不易與一來一往的多次重複討論，造成圖紙修改耗時耗力，形成眾多溝通誤差和圖紙長久易損壞遺失的特點。
在「數位孿生」的概念興起後，利用3D圖呈現世界樣貌於虛擬世界的技術百家爭鳴，在ICT施工上發展已久的「BIM/CIM(Building Information Modeling)/Civil Information Modeling)(建築資訊模型/土木資訊模型)」(圖10)概念興起，利用其線上3D圖中內涵各項工程資訊(尺寸、說明、施工配套措施、計算分析、管理等)即時分享給各施工階段，讓各階段的使用者更簡單了解每個環節各項狀況，討論過程中需修改時亦僅需線上修圖即可，做到圖紙線上化，從民眾、承辦人員、設計人員到施工人員均可輕鬆參與，對於公共事務的討論更加有共識，滿意度能大大提升(圖11)。有興趣體驗BIM的讀者可以點選此連結( BIM操作體驗)嘗試體驗。

圖10、BIM/CIM概念圖 (資料來源:BIM GATE)

圖11、BIM的定義 (BM是形狀訊息，是在虛擬空間中建造建築物和構件的行為。 BI是與建築構件相關的性能、規格、尺寸等屬性訊息。 IM 被組織為設置規則的行為，例如連接輸入訊息和參考訊息。) (資料來源: BIM GATE)

若想完成此項理想，完整的資料與功能強大的圖台是十分重要的。例如BIM目前常用的套裝軟體Autodesk Revit、Archicad、vectorworks與Global BIM可發揮相關功能(圖12)；另外線上圖台-日本國土交通省主導的「 PLATEAU 」計畫(影2)，作為許多地方政府、私營企業、各種研究人員、工程師和民眾參與的操作圖台，搭配各 地方政府將前述提到各項工具做出的虛擬點雲上傳成為公開資料的平台「 G空間情報訊息中心 」，致力於利用點雲形成的數位孿生模型解決社會和區域問題，做為未來城市發展的工具，分享智慧、傳播新行動。
實際案例可參考PLATEAU官網內各種精彩的案例(圖13)，其中2021年發生 靜岡土石流的公開點雲資料可在G空間情報訊息中心自由閱覽與下載，以及該事件後續的 勘災應用案例可以PLATEAU觀看。
另外台灣亦也有相關技術發展，可參考內政部國土測繪中心的多維度國家空間資訊服務平台(圖14)，可呈現全台的城市3D模型與多種測量工具；如果關於山坡地相關資訊，則可參考本署的 BigGIS(圖15)，介接全台灣各單位的圖資和工具，並開發出許多應用分析工具，對於山坡地能進行全方位的了解。

圖12、BIM各項套裝軟體 (資料來源: BIM GATE)

影2、PLATEAU 宣傳影片 (資料來源: PLATEAU)

圖13、PLATEAU各項應用案例 (資料來源: PLATEAU)

圖14、內政部國土測繪中心多維度國家空間資訊服務平台 (資料來源: 內政部國土測繪中心)

圖15、農村發展及水土保持署-巨量空間資訊系統BigGIS (資料來源:農村水保署)

當然強大的資料與圖台必須具備強大的硬體工具配合使用。近年發展出 XR (延展實境)眼鏡，內含AR（擴增實境）、VR（虛擬實境）與MR（混合實境）三者功能，配合各軟體公司開發的應用軟體，提供使用者在現實環境中即時獲得現場各項資訊，做出思考與決策。
例如微軟推出的 HoloLens2 (圖16)，應用在民眾說明會討論時，利用日本公司 HOLOLAB開發的軟體torinome彙整預先準備的設計資料，在眼鏡呈現3D視覺化與建設資訊，讓民眾深入其境了解政府人員與設計工程師在規劃時的實際理念，共同參與提出對於規劃事務的想法(圖17)；微軟與Trimble合作開發的Trimble XR10 ，可即時在工地現場顯示設計資料、測量與獲取資訊現場共同討論可能的問題(影3)；HoloLens2另有可開發者的方案，日本廠商Informatix開發衛星接收器模組銜接於Trimble XR10上，連結日本自製準天頂衛星「みちびき」，實現在偏遠山區的水保工程可獲得極佳的訊號(圖18)，將設計資料完整貼合在工地現場，提高現場討論的正確性與效率(影4)。

圖16、HoloLens2(資料來源: 微軟)

圖17、HoloLens2應用在民眾說明會(資料來源: HOLOLAB)

影3、Trimble XR10 在工地現場實際應用 (資料來源: 中翰國際科技)

圖18、Trimble XR10 結合衛星接收器模組之概念 (資料來源: 建設IT)

影4、Trimble XR10 結合衛星接收器模組在工地現場實際應用 (資料來源: 建設IT)

相信藉由上述的科技最新發展，一定能感受到未來各種方法的便利與趨勢，近期筆者亦有幸參與PLATEAU在台灣的相關 實體活動，得到為甚麼要發展相關科技的結論，受到極大的啟發(圖19)，也認為只要大家願意在這堅實穩定的高原上繼續發揮創意，共同努力，對於工程自身發展或公共事務討論，會更加有趣與往前邁進!
本期電子報目前也先介紹現地調查和規劃設計這兩個階段，未來電子報會繼續介紹更多關於施工和管理階段的ICT施工技術!