研擬三維地形圖資核心類別測製技術

近年來，由於空拍儀器的普及與影像建模的軟體便利，透過空載或地 面影像建置三維物件與場景的展示方式有逐漸變多的趨勢。但是大比例尺 (千分之一)基本地形圖資可精確地描繪地表物(如道路、人孔蓋等)與地上物 (如人工建物)等的輪廓與位置，亦是目前國內建置三維數位城市的重要來源 圖資之一。因此，若將數位城市以三維化的方式展示時，大多以 Mesh model 或 SolidModel 的類型進行呈現。現今支援 Mesh model 與 SolidModel 的檔 案格式眾多(如 stl、xyz、obj、dae、fbx 等)，在考量模型的屬性、紋理與互 通性等情況下，本項工作為建置試辦區之三維網格網模型(3D Mesh model)，

並以三維地形圖的核心類別(包括房屋及道路模型)為模型建置考量，提出以 三維實體模型(3D Solid Model)建置三維地形圖資核心類別之技術，並分析 此兩種模型之優缺點、適用範疇與發展潛力。

Mesh model 為頂點與多邊形的集合，通常由三角形、四邊形或凹凸多 邊形構成。組成 Mesh model 的基本物件為點、線、面，將兩個頂點(vertices)

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連起來的直線稱為邊(edge)，n 個頂點與 n 個邊組合而成的多邊形則稱為面 (faces)，最後再由多個面組合成模型(model)，Mesh 的概念示意圖如圖 4-2-2-1 所示。由於三角形是幾何模型中最簡單的多邊形，並且能快速地透過電腦 計算出鄰近的邊與面，因此許多 3D Mesh model 的內容描述多由三角形組 合而成，以提升計算、展示效能。

圖 4-2-2-1、Mesh 概念示意圖

前一年度之工作針對三維地形圖資的核心類別進行研究與建模試辦，

本團隊已對 CityGML 格式有深入的研究，且 CityGML 格式具有資料互通性，

因此今年依舊選擇以 CityGML 格式為 Solid Model 的代表類型。CityGML 為一個開放的標準化數據模型與展示三維城市所設計的資料交換格式，以 XML(Extensible Markup Language)格式為基礎的資料編碼標準，並遵循 OGC(Open Geospatial Consortium) [OGC,2012]與 ISO TC211 制訂的 GML (Geography Markup Language)規範所發展之應用模式。CityGML 主要為定 義三維城市中各種類型物件(房屋、道路等)的幾何、屬性與拓樸等資訊，亦

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可以加入顏色和紋理的描述，以便更真實地展示模型的外觀。本項工作為：

(1)建置試辦區之三維網格模型，(2)以三維實體模型建置三維地形圖資核心 類別之技術，(3)分析此兩種模型之優缺點、適用範疇與發展潛力。

一、 試辦區三維網格模型建置：

此部分工作為建置三維網格模型，主要透過 Bentley Context Capture 軟 體進行模型建置，採用 Context Capture 的自動化匹配功能產製三維網格模 型，本次試辦區共使用 20 張大相幅(14144 x 15552 pixel) DMC2 航空影像，

影像方位使用空三平差之成果。經多視角影像密匹配，可建立 3D Mesh 或 內插為規則式網格的 3D Grid，試辨區全區三維網格模型成果如圖 4-2-2-2 所示。

圖 4-2-2-2、試辦區全區網格模型

由於使用影像為未調色之原始航照影像，因此產製之網格模型之外部 紋理色調不一致(不同拍攝航帶造成)，造成圖 4-2-2-2 中下方模型外觀偏暗。

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圖 4-2-2-3 為網格模型展示之成果，圖 4-2-2-3(a)為不含紋理之網格模型展示 成果，圖 4-2-2-3(b)與圖 4-2-2-3(c)為近距離展示試辦區網格模型成果。

(a) 大範圍展示(不含紋理)

(b) 近距離展示-市區

(c) 近距離展示-小巨蛋周邊

圖 4-2-2-3、網格模型成果

透過原始航照影像建置網格模型，在影像特徵不足區域(橋下、遮蔽等)

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建置之模型正確度會較低，而實體模型因具有物件的概念，透過輔助資料 則能快速建置出高架道路。圖 4-2-2-4 為建置之高架道路網格模型案例，地 點位於臺北市大安區光復南路 74 號附近，圖 4-2-2-4(a)為街景影像，圖 4-2-2-4(b)為高架道路模型。

(a) 街景影像 (b) 高架道路

圖 4-2-2-4、高架道路網格模型

二、 以三維實體模型建置三維地形圖資核心類別之技術：分成 LOD1 房屋 模型、LOD2 房屋模型與道路模型三種核心類別之技術進行介紹。

i. 房屋立體化技術(LOD1 房屋模型)：

此部分為自動化建置 LOD1 房屋模型，建置技術概念以千分之一 地形圖為建置 OGC LOD1 房屋模型之材料，分析房屋輪廓線與樓層數 等圖層資訊，自動化產製 LOD1 房屋模型，形成三維地形圖雛形。本 團隊在執行內政部 100 年度「多尺度三維數位城市技術規劃工作案」

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針對建置 LOD1 房屋已有初步成果，後續不斷研發、精進此技術，在 執行內政部 104 年度「三維城市模型與建築等級模型之整合機制工作 案」中，研發出線上自動化建置 LOD1 房屋技術。但此自動化建置技 術對於千分之一地形圖的格式有所限制，限制的原因為早期在製作千 分之一地形圖時並無嚴格的規範，而不同的製圖人員或公司所繪製之 地形圖也可能會有所差異，例如：圖層名稱的訂定、應屬於同一圖層 物件卻分成多個圖層、製圖軟體版本的差異等。為了避免各種因素造 成自動化建置 LOD1 房屋模型錯誤，將各縣市千分之一地形圖版本的 新舊(新舊版本的檔案格式與樓層圖層的定義皆有所不同)納入房屋模 型自動化轉換考量。若是使用舊版的千分之一地形圖格式(dwg 格式) 進行轉檔，則需將房屋與樓層數以外的圖層刪除；若是使用新版的千 分之一地形圖格式(dgn 格式)進行轉檔，則需先行提供房屋圖層的名稱。

由於千分之一地形圖擁有圖層式管理方式，即使是手動刪除不必要之 圖層至多花費在 30 秒左右，之後透過線上自動轉檔系統，每幅圖幅轉 檔約花費時間約 5 分鐘。

圖 4-2-2-5 為自動化建置 LOD1 房屋模型流程，主要分成資料前處 理、高程加值與成果產出三個部分，流程步驟說明：(1)資料前處理，

讀取千分之一地形圖資(房屋圖層)，將線型特徵(polyline)轉換成多邊形 (polygon)，經過合併(merge)及空間連結(spatial join)等前處理，將成果

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轉檔成 Shapefile 形式；(2)高程加值，結合 DTM、千分之一地形圖資(樓 層資訊)與 Shapefile 資訊，將高程資訊與房屋模型進行屬性連結；(3) 成果產出，產製 LOD1 房屋模型，房屋高度以每層樓 3.3 公尺為參考值 (即樓層數*3.3 公尺)，將檔案轉換為通用格式，如 KML (Keyhole Markup Language)檔案。

圖 4-2-2-5、自動化建置 LOD1 模型流程圖

ii. 房屋立體化技術(LOD2 房屋模型)：

此部分為半自動化建置 LOD2 房屋模型，建置技術概念為透過人 工立體量測三維結構線，進而以半自動方式進行房屋模塑及編修，

LOD2 房屋模型相關規格均參考內政部「三維房屋模型建置作業規範草

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案」辦理。由於千分之一地形圖可提供精確之二維房屋輪廓邊界資料，

故將自動化產製 LOD1 房屋模型的成果作為建置 LOD2 房屋模型之基 礎材料，並採用資料整合的策略方式(包括整合空載數位航照影像立體 對或空載光達資料等)，進一步提升 LOD1 房屋模型至 LOD2 房屋模型 等級。

透過本團隊於執行內政部 100 年度「多尺度三維數位城市技術規 劃工作案」(內政部，2011)開發之建模系統，若是使用航照影像進行測 製，則是將房屋模型框架反投影到原始影像上，透過航照影像(1~N 張) 之載入與比對，再由人工進行模型屋頂之判釋與調整等，如圖 4-2-2-6 所示；若是使用空載光達資料進行測製，則透過程式以半自動方式進 行房屋模塑及編修，如圖 4-2-2-7 所示。

圖 4-2-2-6、利用空載數位航照影像立體對建置 LOD2 模型

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圖 4-2-2-7、利用空載光達點雲建置 LOD2 模型

建置 LOD2 房屋模型之工時可分成模型建置與牆面紋理敷貼，作 業包含教育訓練、資料蒐集與數化結構線、影像遮蔽處理等內外業處 理，統計後每幅圖幅約花費 266.3 小時/每人。詳細工時及成本分析介 紹可參閱本團隊執行內政部 100 年度「多尺度三維數位城市技術規劃 工作案」之「工時成本分析」內容。

iii. 彩帶式三維道路模型建置技術：

道路模型主要建置概念為透過千分之一地形圖之道路輪廓線產生 道路中心線幾何線形，建立各路段間之位相關係，完成道路模型，圖 4-2-2-8 為道路建置示意圖。處理步驟可分成：(1)截取道路輪廓線，(2) 產生道路中心線，(3)位相關係連接，(4)產製道路模型。截取道路輪廓

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線部分，分析千分之一地形圖中道路相關圖層(包含平面道路、高架道 路與安全島等)之邊界線，藉由分離與合併輪廓線，以配對走向相似的 道路輪廓線，如圖 4-2-2-8 (a)。產生道路中心線部分，經路寬距離、平 面走向與邊界高程差等條件計算各路段中心線，圖 4-2-2-8(b)中藍線為 處理後之道路邊界，橘線為經配對產生中心線。位相關係連接部分，

將各路段道路中心線相互連接，並建立彼此間之位相關係，經數學模 式平滑化保持高程、坡度與坡度差之連續性，完成路網建立，以描述 道路位相關係，如圖 4-2-2-8(c)所示。產製道路模型部分，為維持既有 的輪廓線形，此部分使用原始邊界線組不規則多邊形，產生三維道路 模型路面，如圖 4-2-2-8(d)所示。最後，使用光達點雲之數值地形模型 與數值地表模型進行路面擬合，建置 LOD1 三維彩帶式道路模型。

a. 道路輪廓線 b.中心線計算 c.路網建立 d. 模型路面產生

圖 4-2-2-8、道路建置示意圖

三、 優缺點、適用範疇與發展潛力：

i. 三維網格模型(3D Mesh model)：

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建置網格模型來源可為空載、地面影像或點雲資料等。優點部分，

近年來透過無人航空載具(UAV)、車載取得影像相當便利，且在不考慮 網格模型的品質下，只要能取得影像資料，即可快速產製出網格模型。

若想建置高品質之網格模型，則需考慮影像之分辨率、清晰度、光影 效果等。網格模型的描述方式對於複雜的幾何形態具有較高的呈現效 果，例如：大範圍如地形、樹木、景觀等，小範圍如玩具、傢俱、雕 像等。

缺點部分，由於建置網格模型之來源影像沒有分門別類或圖層式 的概念，因此建置出之網格模型暫時無法針對同類型物體進行分類或 是物件化的選擇，亦缺乏不同地物的屬性資訊。若建模之影像資訊不 全、重疊辨別度不夠或出現遮蔽等問題，產生之網格模型品質會較差，

甚至是組成錯誤的網格模型；而高品質的網格模型，使用的幾何敘述 也越多，即模型檔案大。使用影像建模時，來源影像之色調、色差應 先調整過，展示出的網格模型外觀紋理部分才會有一致性。

適用範疇與發展潛力部分，若只想快速且大範圍產製三維模型(暫

適用範疇與發展潛力部分，若只想快速且大範圍產製三維模型(暫