[營建知訊轉載] 無人飛行載具於BIM之應用案例 康仕仲、楊政玹 (2016.05)

康仕仲 國立臺灣大學土木工程學系 教授
楊政玹 國立臺灣大學土木工程學系 碩士生

無人飛行載具 BIM新利器

測量是土木或建築工程最重要的步驟，因著科技的進步已有大幅的改變。從早期的光學設備、到現在的GPS，無人飛行載具 (UAV)似乎有機會成為下一個測量方式躍進的方法。UAV 具有輕巧、高動性以及低成本的特性，再加上 UAV 可以大範圍的蒐集影像等資料，十分適合被應用於營建產業的資料蒐集與展示，對 BIM來說可算是一大利器。

筆者的研究生在三年前就開始自行設計組裝UAV，並配合水利組卡艾瑋教授，前往高雄布唐布納斯溪與荖濃溪匯流處，蒐集大面積沖積扇的資料蒐集，並搭配影像建模技術，建置出大面積沖積扇的數值地形模型 (Digital Terrain Model, DTM) [3]，雖然系統的穩定性、續航性、以及精準度都還有待改善，但已令人深深地感受到UAV的潛力。

筆者在這篇文章分享了三個 UAV 與 BIM結合的案例，希望能激發更多UAV應用的創意與討論。

案例一：使用 UAV-AR 做 BIM 模型的展示

第一個要分享的案例是由筆者的研究生溫明璋在台大土木研究大樓所做的小規模測試。他結合了UAV與擴增實境技術 (Augmented Reality, AR)，先將裝載攝影機的 UAV 飛至場址上空蒐集場址的照片，並透過計算，找到影片中可以用來定位的AR特徵點。當特徵點全部建置完畢後，再將設計好的 BIM 模型置入。藉此，就能在 UAV 飛行的過程中，即時地在影像中看到該建物與周遭環境的關係(圖二)。由於AR特徵點已經將影片內容加入空間特徵點，我們也可以即時地更換模型，來做不同設計的比較。
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圖一是整個工作的流程，包含UAV的飛行、影像傳輸、產生擴增實境的場境(AR View)，以及三維BIM模型的匯入。圖二是BIM在擴增實境場景的展示。這樣的展示，可以真實地呈現設計與周遭環境的關係，利用UAV輕便容易使用的特性，也大幅壓縮製作時間與成本。

圖一 使用 UAV 與 AR 技術展示 BIM 模型之流程[4]。

圖二 UAV 搭配 AR 技術將 BIM 模型展示在真實環境中 [4]。

​案例二：UAV 與施工資料的蒐集

​第二個案例要介紹的是伊利諾大學Golparvar-Fard教授的研究，他所做的是UAV和BIM資訊在施工階段的應用。隨著 BIM 工具的迅速發展，目前已經成熟到幾乎所有的工程都可以快速地產出 4D 的工程進度模擬，讓施工者不再是只能依循紙本或是 2D 平面圖來完成施工進度。然而，在工程進度查核上卻只能依賴監工者親自到現場進行勘驗，不但效率低，且資料也無法完善的蒐集。Golparvar-Fard教授與他的學生在 2016年所發表的一篇期刊中 [5]，展示未來工地中使用UAV 進行工程進度、品質、安全管理的可能性 (圖三)。文章中說明，工地可以利用搭載相機 UAV 對正在施工中的工地進行照片或影像蒐集，並在日後藉由分析該影像與規劃的 4D 進度進行比較，來檢討施工的進度與品質。此外，在施工過程中，UAV 也可以在工地中做即時監控與溝通，透過現地狀況與既有時程規劃的比較，來與現地工人溝通，以確保當日的施工進度，甚至是工地現場的安全。
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圖三 未來工地可以使用 UAV 進行工程進度、品質與安全的管理 [5]。

​案例三：UAV 與結構健康檢測

第三個要分享的案例是由臺灣交通部運研所所提出，其應用了 UAV 的高機動性來對橋梁結構體進行檢測，並有效地蒐集檢測資料。運研所整合 UAV、定位系統、障礙物偵避、攝影機及平板電腦等資通訊設備及技術，開發了一套「UAV 自動飛行檢測模組」供橋梁檢測人員使用 [7]。橋梁檢測人員可以透過平板電腦設定飛行路徑後，讓 UAV 自動地去蒐集橋梁各結構部位的影像，以分析結構健康。有了該項技術，在橋梁資料的蒐集就能更加地完善，也能提升資料蒐集的效率。

現今BIM 在營運維護階段，大多著重在設施的管理(Facility Management)，因資料蒐集不易，所以較少有專案會將建物本身的結構健康(Structural Health)置入 BIM 中。隨著 UAV 技術普及後，有研究開始使用 UAV 對建物本身進行檢測，如：Sankarasrinivasan 等人在2015年提出使用 UAV 搭配影像處理技術，來檢測建物的外牆，藉著 UAV 輕巧且機動性強的特性，快速地對建物進行裂縫檢測(圖四)[6]。
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圖四 利用 UAV 進行建物外牆裂縫的檢測 [6]。

整合虛實 新結合具潛力

從這三個案例中，我們可以發現UAV與BIM結合的潛力。UAV 具有高機動性、高效率以及低成本等特性，有了 UAV 技術的加入，將會在 BIM 資料蒐集與展示的部分開啟新扉頁，許多過去難以蒐集完善的資料都能透過 UAV 來完成，本文透過三個從建物的設計、施工到營運維護的實際案例，來說明未來 UAV 技術對 BIM 的潛力，希望能拋磚引玉，激發更多的工程實務創意，使用UAV獲取現場資料，並結合BIM的設計資料，進行虛實整合的應用。


參考資料
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1. Institute for Dynamic System and Control, ETH Zürich. Aerial Construction.http://www.idsc.ethz.ch/research-dandrea/research-projects/aerial-construction.html
   
2. JlJl (2015, Jul). Drone being developed to fly autonomously inside Fukushima reactor buildings.The Japan Times. http://www.japantimes.co.jp/news/2015/06/11/national/science-health/drone-developed-fly-autonomously-inside-fukushima-reactor-buildings/#.Vys7CTaFhi8
   
3. M. C. Wen, C. H. Yang, E. X. Sung, T. H. Wu and S. C. Kang (2014, Nov). Optimized Integration of UAVs, Surveys, and Image-based Modeling Strategies for Digital Terrain Model Reconstruction. Proceedings of 14th International Conference on Construction Applications of Virtual Reality (CONVR) in Construction and Islamic Architecture, Sharjah, UAE.
   
4. M. C. Wen and S. C. Kang (2014, Jun). The Application of Augmented Reality and Unmanned Aerial Vehicle for Construction Management. Proceedings of the 15th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering (ICCCBE), Florida, USA.
   
5. Y. Ham, K. K. Han, J. J Lin and M. Golparvar-Fard (2016, Jan). Visual monitoring of civil infrastructure systems via camera-equipped Unmanned Aerial Vehicles (UAVs): a review of related works. Visualization in Engineering, 4(1), doi:10.1186/s40327-015-0029-z.
   
6. S. Sankarasrinivasan, E. Balasubramanian, K. Karthik, U. Chandrasekar and R. Gupta (2015). Health Monitoring of Civil Structures with Integrated UAV and Image Processing System. Procedia Computer Science, Vol.54, 508-515.
   
7. 交通部運輸研究所 (2016 Apr.)。橋梁檢測的新利器～UAV自動飛行檢測。運研所新聞稿。http://www.iot.gov.tw/Modules/News/News-Details?node=62c75437-b0bb-40db-aa77-32e4fc325c3d&id=b0748fab-dfec-479b-8def-5e5e3ee7db3c

(本篇刊載於營建知訊400期第79-83頁)