本研究應用掃描式聲納系統針對高雄市鼓山魚市場周圍之限制性水域進行海床探測與資料分析，探測標的包含場域現況描繪、底床裸露目標物標示（位置、尺度與細部特徵）與沉積物分布情形，並以聲學探測影像為主軸針對場域環境與工程行為進行評估與分析。
　　探測區域內可偵測並標定的裸露目標物共計61件。具體外觀特徵包括：圓形（21件）、線形（11件）、矩形（6件）、大型塊狀物體（3件、長約6公尺）以及不規則物體（20件）。根據目標物特性分析（包含：位置、功能性以及人為介入程度等）顯示，場域中目標物在成因上具有「遺落物」、「拋棄物」與「投放物」等三種屬性。
　　探測區域底床大致平坦，沉積物主要以粉砂質顆粒組成為主。局部區域具有明顯之沖刷特徵，其中，鼓山魚市場南岸之東側與西側轉折處以及新濱碼頭區域分別存在寬度約為5、3.5及11公尺的凹陷。本區域底床沉積物搬運與沖刷的影響因素，根據水動力原理，以潮汐作用以及碼頭結構體位態為主。
　　此外，颱風對於本區域沉積物局部沖刷與搬運作用具有明顯影響，根據有限資料進行的對比顯示：局部底床沉積物之凹陷面積，在一次中度颱風的作用下，擴大為原有凹陷面積的4倍。
　　鼓山魚市場碼頭岸壁平直且完整，局部沖刷作用對結構體之影響有限。新濱碼頭與哨船頭公園所屬岸壁中具有結構不連續特徵，且伴隨大型塊狀物體與局部沖刷凹陷等現象。在水動力作用下，碼頭或岸壁設施具有因沉積物掏刷而衍生下陷的可能性。
　　本研究為掃描式聲納系統應用於限制性場域之評估、底床環境監測與目標物分析等工程應用的實際案例，研究顯示掃描式聲納系統具有描繪水下工程位址細部特徵的具體成效。

Seafloor investigation was conducted at a restricted coastal area near Gushan Fish Market by a mechanical scanning sonar system. The objective of this investigation included seafloor mapping, underwater proud objects detection (i.e., position, dimensions and features) and sediment evaluation. Based on these information, detailed assessments of seafloor characteristics and engineering behavior were conducted in this specific area.
A total of 61 underwater proud objects were detected and listed, which include 21 round shaped objects, 11 line shaped objects, 6 rectangular shaped objects, 3 large blocky structured objects (about 6 m in length), and 20 irregular shaped objects. According to the characteristics of these proud objects, which include position, functionality and degree of human intervention, they were classified into three categories, i.e., “dropped objects”, “discarded objects”, and “deployed objects”.
The seafloor composed of silty sediments was flat. Scour features were detected at specific areas, including about 3.5 and 5 m in width at west and east corner of Gushan Fish Market, and 11 m in width at Xinbin Pire. Base on the hydrodynamic theory, the sediment transport is mainly controlled by tidal current and location of pier structure.
In addition, typhoon can have prominent effects on sediment transport. Base on limited data, an area of scouring phenomena was enlarged to 4 times after the passage of a moderate scaled typhoon.
The pier wall of Gushan Fish Market was intact, which illustrated that local scouring effects caused only limited influence on the pier structure of Gushan Fish Market. The discontinuous pier structure, the large blocky structures and the local scour features indicated that Xinbin Pire and Shaochuantou Park Pier were intended to be degraded by hydrodynamic influences.
The results of this investigation concluded that the mechanical scanning sonar system is effective in seafloor monitoring and evaluation at a restricted underwater construction site.

致謝 i
摘要 ii
Abstract iii
目錄 iv
圖次 viii
表次 xiv
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機與目的 2
1-3前人研究與文獻回顧 3
1-3-1水下探測作業方法 3
1-3-2掃描式聲納系統應用領域及成果 3
1-3-3掃描式聲納系統資料收集 5
1-3-4掃描式聲納系統影像處理流程 9
1-3-5海床結構物沉積物沖刷 12
1-4研究方法概述 14
1-5章節概要說明 15
第二章 研究方法 17
2-1聲學原理概述 17
2-1-1主動式聲納成像原理 17
2-1-2聲波性質對於聲學探測的影響 19
2-1-3環境因素對於聲學探測的影響 20
2-1-4目標物性質對於聲學探測的影響 21
2-2掃描式聲納系統 22
2-2-1掃描式聲納MS1000系統 23
2-2-2掃描式聲納解析度 25
2-3探測作業程序 28
2-3-1探測點位規劃 28
2-3-2底床平面探測 29
2-3-3水體剖面與岸壁平面探測 29
2-4資料處理 30
2-4-1影像擷取 30
2-4-2影像疊加 33
2-4-3影像拼接 34
2-4-4場域重建 39
第三章 探測結果 41
3-1研究場域概況 41
3-1-1選擇依據 42
3-1-2海氣象資料 42
3-1-3海床沉積物 42
3-2資料收集 45
3-3探測成果 49
3-3-1海床環境與地形特徵 49
3-3-2裸露目標物 52
3-4場域重建 55
3-5海床環境監測 56
第四章 討論 65
4-1研究場域背景 65
4-1-1底床裸露目標物種類及來源 65
4-1-2水動力傳遞與消散 71
4-2底床地貌行為分析 77
4-2-1場域底床現況 77
4-2-2局部沖刷之理論估計方法 81
4-2-3底床地貌之現況與估計成果對比 87
4-3底床目標物行為分析 88
4-3-1目標物分布現況 88
4-3-2目標物突出高度 90
4-3-3目標物成因 94
4-4颱風影響 94
4-5綜合討論 96
4-5-1場域現況與環境之關聯性 96
4-5-2碼頭結構損壞機制 97
4-5-3改善方案 100
4-5-4掃描式聲納系統作業優勢 101
第五章 結論、建議與未來研究方向 103
5-1結論與建議 103
5-2未來研究方向 105
參考文獻 107
附錄一 底床沉積物粒徑分析結果 i
附錄二 掃描式聲納影像拼接成果 vii

1. 田文敏（1994）。由大地工程觀點探討人工魚礁的掩埋機制。中華民國第十六屆海洋工程研討會論文集，第D-79至D-92頁。
2. 田文敏（1996）。側向掃描聲納系統之基本原理。國立中山大學海洋環境及工程學系海上實習課程教材。
3. 田文敏（2015a）。水下考古探測與水下工程位址細部特徵評估。海洋及水下科技季刊，第25卷，第4期，第33-42頁。
4. 田文敏（2015b）。南港空難水下失蹤人員搜尋作業探討。海洋及水下科技季刊，第25卷，第2期，第3-15頁。
5. 田文敏（2015c）。海床裸露目標物工程現況與行為分析。中華民國第三十七屆海洋工程研討會論文集，第639-644頁。
6. 田文敏（2017）。水下探測技術於海域執法及巡防救難作業之應用。第24屆水上警察學術研討會論文集，第55-68頁。
7. 田文敏、沈志勇（2014）。水下小型動態目標物長度量測之實驗研究。中華民國第三十六屆海洋工程研討會論文集，第697-702頁。
8. 田文敏、陳柏仰（2017a）水下靜態人工目標物三維化描繪技術之研究。第十九屆水下技術研討會暨科技部成果發表會，第288-293頁。
9. 田文敏、陳詩叡（2017b）。海床場域重建與目標物現況分析。中華民國第三十九屆海洋工程研討會論文集，第601-606頁。
10. 田文敏、曾覺民（2017）。水下小型動態目標物（泰國蝦）監測技術。中華民國第三十九屆海洋工程研討會論文集，第589-594頁。
11. 田文敏、盧禹晉（2015）。水下工程場址之輪廓重建與評估技術。中華民國第三十七屆海洋工程研討會論文集，第633-638頁。
12. 田文敏、陳柏仰、陳詩叡、張紘聞、戴琦珍、洪揚宸、梁馨喻、邱佳貞、呂尚儒（2017）。底床地貌描繪作業探討──以高雄市愛河水域為例。第十九屆水下技術研討會暨科技部成果發表會，第294-300頁。
13. 田楷寅（2013）。以掃描式聲納影像進行水下目標物之分類與分析。國立中山大學海洋環境及工程學系碩士論文，未出版，台灣。
14. 吳沛洋（2016）。海床裸露目標物現況與工程行為研究。國立中山大學海洋環境及工程學系碩士論文，未出版，台灣。
15. 黃材成（1994）。人工魚礁投放衝擊力研究。第十六屆海洋工程研討會論文集，D-67。
16. 黃培鈞（2016）。水下靜態目標物搜尋作業模式之研究。國立中山大學海洋環境及工程學系碩士論文，未出版，台灣。
17. 林柏青、臧效義、周憲德、羅耀財、何良勝（2005）。高雄港港池淤沙調查研究-底泥流動特性研究（編號：MOTC-IOT-H2EB018）。台北市：交通部運輸研究所。
18. 侯和雄、陳吉紀（1996）。重力式及板樁式碼頭漏砂堆測之研究。中華民國第十八屆海洋工程研討會論文集，第790-798頁。
19. 張俊娜、張繼賢、劉喀中（2012）。一種將多幅雷達影像疊加生成stack影像的方法分析。中國科技論文在線精品論文，第5卷，第6期，第585-590頁。
20. 張寶華、王元戰、孫建軍（2010）。船舶尾流作用對於拋石基床沖刷穩定性的影響研究。水道港口雙月刊，第31卷，第5期，第416-420頁。
21. 張憲國（2008）。97年高雄港域波流場數值模擬及特性研究（編號：MOTC-IOT-97-H2EB006）。台北市：交通部運輸研究所。
22. 莊士巧（2005）。高雄港流場與海水交換之數值模擬研究。國立中山大學海洋資源研究所碩士論文，未出版，台灣。
23. 陳桂清、柯正龍、廖振程、張嘉峰、李賢華、簡臣佑、邱信諺、張永昌、林嘉澤（2012）。港灣構造物安全檢查評估之研究（3/1）（編號：101-MOTC-IOT-100-H1DB006b）。台北市：交通部運輸研究所。
24. 陳桂清、柯正龍、張嘉峰、廖振程、李賢華、簡臣佑、邱信諺、張永昌、林嘉澤（2014）。港灣構造物安全檢查評估之研究（3/4）（編號：102-MOTC-IOT-102-H1DB006b）。台北市：交通部運輸研究所。
25. 富昇水泥製品有限公司， http://www.fusen.url.tw/info.html，檢自民國107年5月22日
26. 楊安輝（1998）。永安港外海人工魚礁下沉機制之研究。國立中山大學海洋環境及工程學系碩士論文，未出版，台灣。
27. 廖慶堂、林柏青、葉乃匡、楊台興、葉惟鏞、何良勝（2005）。高雄港港池淤沙調查研究-流況調查分析（編號：94-42-7138 MOTC-IOT-H2EB004）。台北市：交通部運輸研究所。
28. 盧禹晉（2016）。水下工程場址之輪廓重建與評估技術。國立中山大學海洋環境及工程學系碩士論文，未出版，台灣。
29. Althage, J. (2010). Ship-Induced Waves and Sediment Transport in Gota River, Sweden. Master’s thesis, Lund University, Sweden.
30. Asada, A., Kuramoto, K., Tanaka, T., Oimatsu, K., Kawashima, Y., Nanri, M., Oyagi, T., & Hantani, K. (2006). Development of Underwater Security Sonar System. OCEANS, Asia Pacific, pp.1-3.
31. Asada, A., Maeda, F., Kuramoto, K., Kawashima, Y., Nanri, M., & Hantani, K. (2007). Advanced Surveillance Technology for Underwater Security Sonar Systems. OCEANS 2007 – Europe, pp.1-5.
32. Benmebarek, S., Saifi, I., & Benmebarek, N. (2017) Depth factors for undrained bearing capacity of circular footing by numerical approach. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, Volume 9, Issue 4, pp.761-766.
33. Brink, A. J. W, (2014) Modelling scour depth at quay walls due to thrusters. MSc Thesis, Delf University of Technology, Netherlands.
34. Escarameia, M., & May, R. W. P. (1999). Scour around structures in tidal flows, HR Wallington, Report SR 521.
35. Fowler, J. E. (1992). scour problem and methods for prediction of maximum scour at vertical seawall, (Technical Report CERC-92-16), Costal Engineering Research Center.
36. Galarza, C., Masmitja, I., Prat, J., Trullols, E., & Gomariz, S. (2016). obstacle detection and avoidance for Guanay II AUV. 24th Mediterranean Conference on Control and Automation, pp.410-414.
37. Ghazvinei1, P. T., Darvishi1, H. H. & Soon, S. (2018) Effect Method Evaluation of Forecasting Scour by Propeller in Harbours. International Conference on Energy and Environmental Science, 164(2018), 012016. Kuala Lumpur, Malaysia.
38. Hansen, R. E. (2009). Introduction to sonar, Course materiel to INFGEO4310, University of Oslo.
39. Heidarsson, H. K., & Sukhatme, G. S. (2001). Obstacle detection and avoidance for an Autonomous Surface Vehicle using a profiling sonar. IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.731-736.
40. Henderson, J. C. (2017). Using Sector-Scan Sonar for the Survey and Management of Submerged Archaeological Sites, The International Journal of Nautical Archaeology 46.2, pp.330-345.
41. Hong, J. H., Chiew, Y. M. & Cheng N. S. (2013). Scour Caused by a Propeller Jet. Journal of Hydraulic Engineering, pp.1003-1012.
42. Isar, A., Moga, S., & Isar, D. (2005). A new method for denoising SONAR images. International Symposium on Signals, Circuits and Systems, ISSCS 2005, pp.469-472.
43. Kessel, R. T., Hollett, R. D. (2006). Underwater Intruder detection sonar for harbour protection: state of the art review and implications. In: Proc. of 2nd IEEE Conference on Homeland Security and Safety, Istanbul.
44. Khwairakpam, P., and Mazumdar, A. (2009). Local Scour Around Hydraulic Structures. International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol. 1, No. 6, pp.59-61.
45. Kongsberg Mesothch, Ltd. (2006). 1171-series scanning sonar internal compass.
46. Langendoen, E. J. (1990). Laboratory observations of the velocity field in the entrance of a tidal harbor and the exchange of heat between harbor and river (Report no. 5-90). Delf University of Technology, Netherlands.
47. Lee, S. J., Cho, D. W., Chung, W. K., Lim, J. H., & Kang, C.U. (2005). Feature based map building using sparse sonar data. International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.1648-1652.
48. Mallios, A. (2014). Sonar Scan Matching for Simultaneous Localization and Mapping in Confined Underwater Environments. doctoral thesis, Universitat de Girona.
49. May, R. W. P., & Willoughby, I.R. (1990). Local Scour around large obstructions (Report SR 240). HR Wallington.
50. Mazel, C. (1985). Side Scan Sonar Training Manual. Klein Associates Inc.
51. McGovern, D., Ilic, S., Folkard, A. M., McLelland, S. J., & Murphy, B. J. (2014). Time Development of Scour around a Cylinder in Simulated Tidal Currents. Journal of Hydraulic Engineering, 140(6).
52. Rance, P. C. (1980). The potential of scour around large objects. In: Scour prevention techniques around offshore structures. Society for Underwater Technology, London, pp. 41-53.
53. Rijn, L. V. (2018). Local Scour Near Structures, Retrieved May 22, 2018, from https://www.leovanrijn-sediment.com/
54. Robert, D. C., & Robert L. W. (2014). The ROV Manual A User Guide for Remotely Operated Vehicles. 2nd Edition. Elsevier Ltd., United Kingdom.
55. Rocker, K. (1985). Handbook for Marine Geotechnical Engineering, Naval Civil Engineering Laboratory, Port Hueneme, CA 93043, Ch. 4
56. Shepard, F. P. (1954). Nomenclature Based on Sand-Silt-Clay Ratios. Journal of Sedimentary Petrology, 24, 151-158.
57. The Food and Agriculture Organization (FAO). Principles of the Use of the Sonar System for Fish Biomass Estimates. Retrieved May 22, 2018, from http://www.fao.org/docrep/003/x6602e/x6602e02.htm
58. Topczewski, L., Ciesla, J., Mikolajewski, P., Adamski, P., Markowski, Z. (2016). Monitoring of scour around bridge piers and abutments. Transportation Research Procedia 14 ( 2016 ) 3963 – 3971
59. Torsethaugen, K. (1975). Lokal erosjon ved store konstruksjoner modellforsok. Vassdrags-og Havne-laboratoriet, Trondheim, Norway.
60. Urick, R.J. (1983). Principles of Underwater Sound. 3rd Edition. McGraw-Hill, New York.
61. Vilarnau, N. H. (2014). Forward-Looking Sonar Mosaicing for Underwater Environments. doctoral thesis. Universitat de Girona.
62. Whitehouse, H. (1998). Scour at Marine Structures: A Manual for Practical Applications. London: Thomas Telford.
63. Zhao, M., Zhu, X., Cheng, L., & Teng, B. (2012). Experimental study of local scour around subsea caissons in steady currents. Coastal Engineering, 60(1), pp.30-40.
64. Ziomek, L. J. (2017). An Introduction to Sonar Systems Engineering. CRC Press/Taylor & Francis Group.