多尺度數碼城市模型

數碼城市之各項內容建置的優先順序，以重要 性而言，多以地形地貌為先，其次為路網，第三為 建物。高解析衛星影像、航空攝影測量 (Aerial Photogrammetry) 、 光 達 (LIght Detection And Ranging, LIDAR)以及近景攝影測量 (Close-range Photogrammetry) 是獲取大規模地物地貌之原始資 訊的最主要方法。

表示地形起伏之資料格式主要有兩種，分別為

網格資料(Grid)或不規則三角網(Triangle Irregular Net, TIN)，通常都以航空攝影測量或空載光達測量 之方法取得。表現地貌紋理之資料，主要來自已經 正射糾正化(Ortho-rectification)之衛星影像或正射 航空影像，前者之地面像元解析力通常都在2m 以 上，而後者大都在50cm 以內，在都市範圍則多在 10~20cm。至於顯示基本地理意義的路網則採用向 量資料，以利瀏覽、查詢和導航。而建物之三維重 建 的 方 法 也 分 成 兩 類 ， 分 別 是 以 計 算 機 圖 學 (Computer Graphics)為基礎之物件式建物模型，以 及以3D GIS 軟體內建模塑工具為基礎之關聯資料 庫式建物模型。

2.1 以計算機圖學為基礎之建 物模塑

城市模塑之幾何與紋理的原始資料非常龐大，

若不藉由遙測感測器是很難達成大面積與大規模 的資料蒐集。而最常見之三維建物模型的資料結構 大 致 有 兩 種 ， 分 別 為 邊 界 表 示 模 型 (Boundary Representative, B-Rep) 與 建 構 實 體 幾 何 模 型 (Constructive Solid Geometry, CSG)。

2.1.1 邊界表示模型

邊界表示模型 (Huang and Trinder, 1999) 是 以點圖徵來構成線圖徵，進而由線圖徵來構成面圖 徵，再由面圖徵構成建物模型，其特點是位相關係 (Topology)的描述很清楚，因其透過邊界關係而將 各個鄰接圖元(Entity) 連接在一起。這種資料結構 的優點是可以描述外表多變化且細緻的物體，而且 可以描述位相關係，較利於空間分析。惟其資料結 構複雜，資料量較大，且其資料特性不利於直接進 行體積的計算與空間運算。Rau and Chen (2003) 之

「 分 割- 合 併 - 成 型 」 演 算 法 (Split-Merge-Shape, S-M-S) 所使用的資料結構即屬於邊界表示模型，

該方法針對建物部分遮蔽而無法量測的情形亦提 出解決方案。

2.1.2 建構實體幾何模型

建構實體幾何模型之資料結構，則是以布林 (Boolean) 運算組合數個基本實體幾何元件來表達 複合式建物。首先，其必須事先建立基本的實體元 件庫，透過調整元件的比例尺、旋轉和平移，來表 達建物的空間幾何。進而透過這些基本元件的布林 運算，如聯集、交集和差集，來組合成複合建物。

浮測模型法之資料結構 (Tseng and Wang, 2003)，

即屬於建構實體幾何模型。這種資料模型有利描述 結構簡單的三維實體與其體積的計算，但不利於形 狀不規整物體的表示，且因其未描述邊和面，也較 不利於空間分析。

以上這些以計算機圖學為基礎的三維建物資 料模型，若非結構複雜，資料量很大，而不利於體 積的計算與空間的集合運算，就是結構相對簡單，

但不利於形狀不規整之物體的表示與空間分析的 運用。就形狀擬真度、位相關係完整性與資料量簡 約化的種種角度來看，是很難面面俱到的。因此 Gröger and Plümer (2005) 認為從 GIS 的角度來看，

三維位相關係的建置太過於複雜，資料量太過於龐 大，在目前有限的人力、物力和時間之下，真正的 3D GIS 幾乎不可能達到。現階段目標應該是只要 達成 GIS 三維場景的視覺化，在此基礎上維持了 2D 與 2.5D 之位相關係，與其各種 GIS 空間分析功 能。因此，本研究從2D GIS 圖層出發，以施行三 維建物模塑，是現階段最能兼顧三維視覺化與既有 之GIS 功能的策略。

2.2 以三維地理資訊系統為基 礎之仿真建物模塑

3D GIS 之模塑工具乃是藉由二維建物輪廓圖 層中所關連的建物高度、牆面紋理與屋頂型式等屬 性欄位，來達成三維視覺化的模塑，目前主要的 GIS 商用軟體皆具備這樣的三維展示與編修工具，

惟其不具備三維位相關係，還是維持在原來的 2D 與2.5D 位相關係，可以施行同等位相關係之空間 分析。在建物輪廓圖層之屬性表指派樓層欄位，則

可在 GIS 之三維場景中顯示垂直牆面之積木式模 型 (Block Model)；若再賦予指定牆面紋理 (Façade Texture) 的圖片欄位，則可以呈現牆面紋理之模型。

牆面紋理若是來自於材質圖庫，即為所謂之圖庫材 質模型(Generic Texture Model)。牆面紋理若來自實 景 照 片 ， 即 為 本 研 究 之 仿 真 經 濟 模 型 (Photo-realistic Economic Model)。

有些建物因其重要性較高，還可以 GIS 三維 仿真精緻模型 (Photo-realistic Detailed Model)。

由於這些模型的平面幾何是來自於2D GIS 建 中央處理單元 (Central Processing Unit, CPU) 與 圖形處理單元 (Graphic Processing Unit, GPU) 難 以支應，更遑論因精細而暴增的鉅量資料，而造成

LoD 1 City/Site

又稱積木式模型，垂 直牆面和平面屋頂，

無紋理。

平面/高 度 5m

LoD 2 City/Site

垂直牆面且有紋理，

但有不同屋頂結構，

可有植栽。

平面2m / 高度1m

LoD 3 City/Site

有細緻牆面、屋頂和

實務之比例尺所規範的精度來看，應將細緻度與精 度分別獨立，依業主需要來重新組合，這也同樣可 符合 GML3 允許使用者利用綱要表自訂幾何、屬 性與分類的特性。例如：以LoD 0 為例，其建議的 平面精度5 公尺，在臺灣已有不少 1/5,000 精度等 級的DEM 套合地面解析力 0.5 公尺的正射影像實 例，這精度已接近於LoD 2 等級。以 LoD 1 為例，

其要求建物以簡單的積木模型來表示，臺灣多以 1/1,000 地形圖的平面位置，依據其樓層數加以拉 高而成，其高程精度約略符合LoD 1，但其平面精 度卻可達到LoD 3 或 LoD 4。以 LoD 2 為例，臺灣 普遍的頂樓加蓋情形，若依CityGML 之規範來做，

既無意義，且所費也不貲。本研究即按不動場市場 的需要，重新組合其精度與細緻度，以落實數碼城 市的應用和推廣。

2.4 多尺度仿真建物模塑策略

鑒於城市的佔地規模多達十平方公里以上，因 此三維仿真建物的建置必須投入為數可觀的人力、

物力、財力與時間，又加上網際網路頻寬、伺服器 有限的運算能力與使用者端有限的顯示效能，建物 模型的建置不宜鉅細靡遺，也不宜輕重不分，因此，

本研究提出多尺度三維仿真建物的建置策略，以落 實仿真數碼城市的建置，並達成其在Web 3D GIS 展現的可行性。本研究依照建物之重要性的等級來 予以不同精緻度層級的模塑，模型由細緻到粗略分 別為：仿真精緻模型、仿真經濟模型、圖庫材質模 型、與積木式模型等四種，如圖1。

相對於 CityGML LoDs 之嚴格定義建物幾何 特徵與水平和垂直精度，本研究之多尺度屬於建物 紋理與幾何特徵其相對精細程度的概念。仿真精緻 模型是建物之中最精緻者，適用於十字路口與地標 性建物，其模塑難度最高，也最耗硬體資源與網路 頻寬。仿真經濟模型之細緻度雖不如精緻模型，沿 主要道路兩側之建物，乃以仿真經濟模型來建置。

至於其他未臨主要道路之建物，則暫以圖庫材質模 型來建置，以滿足整體視覺的需要。興趣區之外，

則以積木式模型來建置。

就使用者端展示與網際網路傳輸的效能來看，

積木式模型不具備牆面紋理，在顯示器中只有節點 的負荷，其顯示的速率最快；圖庫材質模型，其牆 面所敷貼的紋理來自於共用的材質圖庫，數量相當 有限，圖庫材質常駐於使用者端顯示器GPU 之記 憶體中，其顯示速率僅次於積木式模型。至於仿真 經濟與仿真精緻這兩類模型，其資料量相對地比前 兩類大很多，其材質存放於伺服器之中，其所造成 網路傳輸的負荷也最大。

本研究之各類建物模型因其來自於1/1,000 建 物輪廓圖層，故水平精度都為0.2 公尺，惟建物高 度是依據「樓層數乘上固定樓高」加以拉高而成，

故其垂直精度僅約略符合CityGML LoD1。牆面紋 理貼須按樓層敷貼，以維紋理之正確對位。積木式 模型與圖庫材質模型之幾何特徵和LoD1；仿真經 濟模型則與LoD 2 相當；仿真精緻模型則與 LoD 3 相當 (詳參表 2 )。

表2 本研究多尺度仿真建物模型之特徵和精度與 CityGML LoDs 之比較 模型類別

本研究多尺度建物模型 CityGML LoDs

紋理特徵 幾何特徵 幾何特徵

1 積木式模型 無紋理 垂直牆面和平面屋頂 LoD1

2 圖庫材質模型 屋頂為真實紋理、牆面為圖

庫材質。 垂直牆面和平面屋頂 LoD1

3 仿真經濟模型 真實之牆面與屋頂紋理。 垂直之牆面、側出招牌

與真實屋頂樣式。 LoD2 4 仿真精緻模型

真實之牆面與屋頂紋理、針 對特定地標建物敷貼細緻 紋理。

細緻牆面 (側出招牌、

騎樓、陽台)與真實屋頂 樣式。

LoD3

圖1 本研究之四種不同精細度等級之建物模型

圖2 臺南市安平區地理位置圖