大台北地區數位都市現況景觀三維掃瞄資訊系統建構

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

大台北地區數位都市現況景觀三維掃瞄資訊系統建構 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-011-156-

執 行 期 間 ： 96 年 08 月 01 日至 97 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學建築系

計 畫 主 持 人 ： 施乃中

計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：張青堼 碩士班研究生-兼任助理人員：李家宇

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，1 年後可公開查詢

中 華 民 國 97 年 07 月 21 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告

□期中進度報告 大台北地區數位都市現況景

計畫類別：■ 個別型計畫 □ 整合型計畫 計畫編號：NSC96－2221－E－011－156－

執行期間：2007 年 8 月 1 日至 2008 年 7 月 31 日

計畫主持人：施乃中 共同主持人：

計畫參與人員：張青堼、李家宇

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

■出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，■一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立 台灣科技大學建築系

中 華 民 國 97 年 7 月 19 日

1. 前言

各種三維模型建構技術除利用既有資料建構外，潛在的資訊價值在提供一種溝通方式 來滿足使用者需求，特別是建構具體三維都市實質環境的三維模型可提供直覺的資訊閱讀 方式，具有輔助理解都市結構與支援對都市發展、空間分析、及決策機制的用途(Day 1994)。

傳統 3D 都市模型的建構常來自 2D 平面資訊的閱讀與運算，導致後續模型細部描述、影像 貼附處理、行為活動的分析...等現況紀錄的實際執行上耗費時間甚鉅。空照掃描可提供 2.5D 空間資訊，但對於都市現況資料的完整紀錄上常較缺乏。由於都市包含了許多複雜的靜態 與動態景觀資訊，如何提供明確都市現況資訊同時建立可供分析之資訊系統，進一步支援 如中央和當地政府、都市和農村規劃者、環境保育機構、電信和公共事業公司、顧問、建 築師和工程師...等不同使用者需求，在資訊需求形式與運用方式上值得探討。

近年來掃描在建築量測上之運用已經擴大至都市規模，並且包含computer vision、digital photogrammetry 、 computer graphics 等 領 域 [Früh 2004; Ikeuchi 2004; Slabaugh 2004;

Teller2003]。Computer vision軟體工具提供處理、結合及模型建構功能需求[Hartley2000]，

高解析度之digital photogrammetry也提供3D環境重建時正確規劃與確認結果之方法[Triggs et al. 1999]。在建築方面不僅掃描運用到更複雜房屋形體上[Fernández-Martin et al. 2005]，

更需要不同解析度之資訊管理及辨識系統[Fernández et al. 2005; Dick et al. 2004]，近距離雷 射掃描及高解析度資料擷取亦已在發展中[Martinez et al. 2005]。

大範圍都市區域有藉助於車載掃描器於進行中擷取資料以提升效能之方式[Früh 2004]，但是在轉彎遭遇視角重疊交錯時可能導致點雲資訊反轉而必須修正。現今軟體工具 發展已可解決2D range imaging 和3D掃描資訊間轉換及重建問題[Hartley2000]，但觸及一般 3D掃描資訊與細部結果結合上仍有賴未來發展[SanJosé et al. 2005]。

2. 研究目的

本研究以台北市建國南北路，作為都市景觀掃描研究之對象，目的在提供精確的都市

「數位景觀」，以「現況環境資訊」為擷取對象，運用 3D 掃描器記錄後，分析、比對都市 建物、植栽綠地、開放空間等，靜態景觀及人、車、物流路徑動態景觀的模擬資訊，建構 可達 4mm 精度的外觀描述模型，同時，具有物表顏色質感之都市資訊系統，使其具備空間 資訊監測、基本設施系統檢/監測與診斷等功效。計畫將以 1 年至 1.5 年的時間，分別進行 下述議題之研究。

1. 1 年時間（本報告內容部分）

z

z

z

2. 1.5 年時間（來年報告內容部分）

z

z

z

3. 文獻探討

在 Finat[Finat 2005]及相關研究中對小型都市空間操作實例與資訊化系統建構中，將被 記錄對象依照特色、目的、及應用內容分做數個案例，在考量本研究目的後分析如下：

案例一： Soria（都市）

Soria 是一缺乏經濟發展與過去歷史的都市區塊，鄰近的都市皆有市場活動存在，因缺 乏連接的活動而阻礙了更大的市場規模。因此它的區位特色是被安置於沿著市場活動的軸 線上，但又與周圍環境不連續的單一區塊。

z 掃描目的：雖然區塊活動不明顯，但其連接社會與經濟活動的周圍街道卻非常重要且 需藉由掃描資訊取得或呈現。

z 掃描應用：掃描資料具體功效如下

‹ 提供準確的製圖技術、平面測繪、優質的圖像化結果。

‹ 抽取具當地特質的元素，透過原始平面地圖來疊放 3D 掃描模型，如圖 1(左)所示。

‹ 提供立面、剖面自動化，給予客戶端取得而不需透過地誌學任何支援。

z 靜態掃描：有，含街道、景觀、建築立面、道路系統；無植栽掃描。

z 動態掃描；無。

案例二：Salamanca（都市）

為 UNESCO 組織認定的世界文化遺產，由 Churriguera 建造於 1755 年，為巴洛克式設 計風格。封閉的規劃構成大型方正矩型，有豪華的細緻裝飾，立面多以材質本身呈現建築 特色。

z 掃描目的：Churriguera 的都市規劃在其他的作品中充滿華麗裝飾，藉由掃描可呈現與 整合各都市規劃作品的特殊性。

z 掃描應用：

‹ 透過掃描設備分析裝飾元素的細部，如圖 1(右)所示，將都市環境系列的裝飾整合 成資訊。

‹ 將整合資訊疊合分析在其他不同都市規劃作品中。

z 靜態掃描：有，含都市環境的裝飾性元素、都市代表符號；無植栽掃描。

z 動態掃描；無。

圖 1 平面地圖來疊放 3D 掃描模型(左)及裝飾元素的細部(右) 案例三： Valladolid（都市）

建造於十三世紀末期，都市環境呈現複雜而混亂的特色，其雜亂的都市特質共有以下 五種原始建築觀點：

‹ 使用依循歷史發展

‹ 歷史影響辨識：同時有阿拉伯與法國遺跡

‹ 不同歷史上的社會角色與使用定位

‹ 避免賦予單一建築的個性

‹ 每天在不同使用模式（社交、經營、閒暇）中變換

z 掃描目的：五種觀點呈現都市空間複雜的關連性議題，依照都市化連串的發展過程觀 之都不足以代表任一時期的真實平面，因此透過掃描來擷取環境中每個時期的不同建 築觀點，進一步轉化成 3D 模型。

z 掃描應用：

‹ 辨識都市樣貌可在電腦視覺化基礎（computer vision based）下藉由簡單的推論架 構出每一時期的模型。

‹ 計算、偵察、與量化都市的病態（毀壞、盜損、偏斜）現象

‹ 可以快速找出並追蹤具有潛在危險的區塊。

z 靜態掃描：有，含殖民時代歷史遺跡（阿拉伯與法國），如圖 2(左)、(右)所示，主要 為過去人使用行為（如雕塑等藝術品創作）紀錄。

z 動態掃描：有，含定期追蹤潛在危險區塊。為經由時間軸呈現之持續性研究，含現在 人使用行為、未來人使用行為間之比對。

圖 2 歷史遺跡(左)及環境掃描(右)之成果呈現 案例四： The Gorizia Downtown (Italy).

研究係以 15ponit/m²掃描的密度，建立環境的整體資訊，作為環境模型建置時的參考，

提供模型建置所需形式、尺寸依據，建立後的幾何模型，如圖 3(左)所示，可再重新回貼掃 描的貼圖資訊及原始的點雲資料，以呈現更為細緻的現況 3D 模型，如圖 3 (右)所示。

圖 3 城鎮教堂的立面貼圖(左)及點雲(右)的重製貼覆成果(Visintini, 2005)

4. 研究方法

蒐集分析國內、外，數位模擬的研究文獻，回顧當前 3D 雷射掃描技術發展與應用的 情況，作為制訂研究主體之掃描、研究計畫執行時之參考。透過掃描的現況資料，分析建 築、都市及生命週期等，點雲資料的整合、應用。

一、 掃描作業方式

掃描點設置，採取制高點+地面點掃描修補的方式，約相距 100~150 公尺左右，交錯設 立制高點，如圖 4(左)所示，藉由制高點掃描，快速建立起整體的環境架構，再針對取樣不 足或重點對象，架設地面掃描點，加強或補足取樣的點雲，以此可協助掃描記錄人員，可 隨時調整掃描點的設置，以達最大掃描效益。

圖 4 建國ㄧ般區段的掃描路徑設置方式(左)及掃描示意圖說(右) 二、 資料結合與檢驗方式

都市環境中結合球的設立，容易受建築物、橋樑等物體的遮擋，因此，建國掃描資料 的結合，係以既有的物件特徵，代替參考點(結合球)的架設，作為點雲的結合使用。為有效 辨識物件特徵點，使其正確結合，需針對結合用的特徵點，進行高密度的掃描，以提高物 件特徵的辨識度及縮小結合的誤差。對於都市尺度的掃描結合而言，掃描點與結合參考點 的數目較多、較為複雜，且點雲結合後的誤差，相對難以辨識。點雲結合的檢驗方式，係 旋轉結合後的全區點雲，由各個角度查看，如建築立面、路面、隔音板等，點雲資料的重 合，是否出現明顯的殘影或疊影的情況後，再分別切出數個點雲的斷面剖面，檢視細部的 接合度是否完整或錯位，如圖 5(左)、(右)所示。

圖 5 不良的點雲接合(左)與良好的點雲接合(右)結果呈現

5. 掃描成果

本研究總計外出掃描 48 次，架設 68 個掃描點(地面 27 個、制高點 41 個)，進行全區的 環場掃描，其中包含 1148 個結合點的掃描，掃描成果，如圖 7、圖 7 所示。掃描設定密度 以 150 公尺為基準，設定 15 公分ｘ15 公分掃描，一次全景環場掃描的點雲數約為 3 百多 萬點，結合點加強掃描部份，所設定的間距約 2~5 公分，以作為點雲後續結合時使用，相 關掃描作業時間統計，另參照表 1. 掃描操作時間的統計。

圖 6 建國全線的掃描成果呈現

圖 7 建國橋下空間的掃描成果呈現 表 1. 掃描操作時間統計表

外出次數 掃描點架設數 環場掃描時間 結合點掃描數 結合點掃描時間 48 次 68 站 165hr 1148 個 50hr

一、 市民生活的量測記錄 1. 八德傳統市場

由於傳統市場多半潮濕、凌亂，因此，若使用二維的量測儀器，除量測作業費時外，

同時，較容易受限於空間的限制，其中、除了使用拍照攝影的方式，可清楚的記錄現況的 影像呈現外，ㄧ般傳統的量測記錄，難以完整的記錄、呈現傳統市場的既有樣貌，而使用 拍照攝影的記錄方式，之中也缺乏有效尺寸資訊的提供，而較難以作為實際現況的相關分 析，藉助雷射光束的投射，不僅能有完整的量測結果，同時，也解決因現場凌亂而造成量 測的不便，如圖 8(左)、(右)所示

，

圖 8 八德傳統市場的雞攤販售(左)、養殖(中)及魚攤販(右)的掃描結果呈現 2. 加油站、洗車站使用

洗車站的設置來說，由於其危險性較低，因此，仍屬單純，至於加油站的設置，則需 考慮較多的因素，除業者本身區段位置的考量之外，有關都市交通與公共安全部分，尤須 注意，因此，條件的限制也相對嚴苛，對此，透過掃描的記錄，針對既有現存的加油與洗 車站，能作完整的現況記錄外，如圖 9(左)、(右)所示，另可於建國全線量測完成後，日後 欲新設類似的空間使用，便可提供完整的周圍環境資訊，作為設置時的參考資料。

圖 9 洗車站(左)及加油站(右)的掃描結果呈現 3. 特色街景的掃描呈現

都市中，既有的商業活動模擬和呈現，往往無法真實的被記錄或是模擬呈現，而係多 以量化轉換的方式，進行分析記錄，而難以提供可透過直覺化進行解讀的資料，利用數位 影像記錄呈現，雖然可提供上述解讀的方式，然而，其二維影像所能提供的資訊資料，仍 有所限制，而若使用掃描的記錄方式，如圖 10 所示，除可涵蓋數位影像的資訊外，更可 清楚了解空間的組織架構，進而確實的記錄該商業活動的現況使用情形，以做為相關研究 分析，所需的現況數位資訊。

圖 10 建國沿線上重型機車行的掃描(左)及加強掃描(右)結果呈現 4. 人行活動

掃描記錄的路上行人，掃描後呈現的人行點雲，無論是靜止或是行進狀態，皆有其行 為活動的記錄資訊，倘若掃描方向與其行徑方向相同時，則可清楚記錄下人行路徑的軌跡 線，以作為相關人行動線分析的參考，如圖 11(左)、(右)所示，另對於靜止不動的人行來 說，以往相關的人形掃描，係因特殊目的下所進行的掃描量測，因此，一般會於規劃好的 作業空間下，進行量測的作業，然而，於都市環境中所作的人形掃描中，除單純的人形量 測記錄外，同時，也包含了人於環境的行為模式，如圖 12(左)、(右)所示，等候姿勢、人 群關係及環境的對應關係等，以呈現真實景觀中的人行模式記錄。

圖 11 穿越性廊道(左)及人行道(右)的行徑路線量測結果

圖 12 街角等候的人(左)及人群(右)的掃描結

二、 道路現況的記錄

1. 建國沿線重要路口的記錄呈現

目前相關交通影響評估方面，對於單一道路運輸等分析，還算單純，然於道路交匯的 路口，則有多種可能的影響因子，除道路本身所包含的影響因子之外，路口四周的建築使 用、空地留設、行車動線等，皆有其決定性得影響，因此，為能提供完整的道路交口的現 況資料，可利用掃描取樣的點雲資料，以此提供所需範圍的環境資料，作為相關交通研究 與開發影響評估使用。

圖 13 建國與辛亥交匯路口(左)及建國與市民交匯路口(右)的掃描成果 2. 道路現況與變化的記錄呈現

使用 3D 掃描，於都市道路量測中發現，此法、可清楚的掃描記錄下運輸工具行徑動 線及車型，如圖 14(左)所示，小客車行徑動線記錄結果呈現，同時，利用環場掃描記錄的 方式，另如圖 14(右)所示，於建國、信義路口設站掃描後，可清楚的呈現，如圖右下角處，

為道路施工架設的臨時圍籬，及臨時架設的公車車站等，以提供更完整的現況交通運輸資 訊，及周邊相關的道路環境資訊，作為相關資訊分析時使用。

圖 14 車輛行徑間的掃描記錄(左)及臨時公車站的掃描記錄結果呈現(右)

圖 15 基測前(左)與基測時(右)於建國-長安路口的量測結果對照

3. 現況道路施工的數位化呈現

道路常因施工，而縮減了運輸流量，進而衝擊其相關周圍的交通運輸系統，然而，確 實造成的影響，往往難以準確的評估，主要是於施工的過程中，難以用量化的方式，進行 過程的記錄，而導致施工前，所做的相關評估與施工後造成的影響，差異甚大，因此，可 於施工前、後，透過掃描記錄的方式，記錄下現況的環境資訊，作為相關施工影響評估檢 討時的數位模擬資料，另隨施工作業的進行，予以掃描、記錄實際因施工所造成影響情況，

並與先前之結果，進行評估檢討、比對，藉以了解差異之狀況與問題之所在，同時，可將 個案施工前、後比對結果的整理分析，作為日後相關案例的回饋資訊，如圖 16(左)、(右) 所示，建國、信義路口因興建捷運，所進行的道路開挖情形記錄。

圖 16 為建國、信義路口捷運施工現況記錄結果呈現，透視圖(左)及平面圖(右) 三、 點雲資料的整合應用

1. 都市紋理的分析、使用

都市掃描的最直接效益，係可提供完整且數位化的資訊，作為都市研究、分析使用，

以往有關都市的調查、記錄，多半透過訪查、攝影(錄)及測繪的方式，則難以有效且確實的 獲得有利，作為研究、分析時使用，對此，掃描後的點雲，則能提供有效的資訊使用，從 單純的視覺呈現到複雜的資訊整合，藉由資料在連結、使用，以數位化的方式呈現，現有 的都市紋理與脈絡，如都市的天際線、尺度關係、地形地貌等，並以數位保存的方式，如 圖 17、圖 18 所示，以完整保存現有的環境資訊，作為日後各研究、分析時使用。

圖 17 建國-市民路口透視(左)及各項剖立面(右)的點雲呈現

圖 18 建國-南京路口，東側建築立面及都市天際線的呈現

2. 點雲輔助都市斷面的呈現

目前現有的圖說資訊中，對於都市剖、立面等向度的圖說，相對較少，且少以使用垂 直向度的圖說資訊，說明整體都市環境的相互關係，此外，於相關圖面繪製時，則因缺乏 確實的現況資訊，可供圖面的繪製時使用，且難以透過測繪方式進行繪製，因而，在目前 進行的相關都市計劃、都市設計等工作時，仍大多仰賴既有的平面地形圖說，對於都市龐 大的規模尺度來說，僅由單一的向度記錄、分析，實難有完整、確實的了解，掃描量測的 點雲資料，將可彌補此部份之不足，而能切出所需的各向都市斷面圖，如圖 19、圖 20 所 示，使用點雲所切出都市的斷面圖，除可清楚呈現都市的空間層級外，對於植栽、地景、

人、車等，同樣可清楚的加以呈現，因此，藉由點雲所切出的垂直向度圖說，可提供更為 豐富的現況資訊，以補足相關平面資訊的不足。

圖 19 建國-新生路口的點雲剖立面圖(一)呈現

圖 20 建國-新生路口的點雲剖面圖(二)呈現 3. 點雲輔助都市斷面線檔圖檔的繪製

目前可以使用的線檔資料，除數位地形圖說外，尚無垂直立面的圖面資訊，可供使用。

因此，將切出的點雲断面資料，匯入其他的工程、工業軟體，如 Auto CAD 等，可作為線 檔描繪的參考底圖，再以人工的方式，描繪出都市剖、立面等，向度的線檔圖說後，如圖 22、

圖 23 所示，可用與其他相關圖說資料，進行比對，分析，針對圖面繪製的完整度來說，

主要仍取決於掃描的取樣數，是否足以繪製完整的圖說。

圖 21 點雲輔助都市斷面的呈現

圖 22 以點雲作為參考底圖描繪的都市斷面線檔圖說

圖 23 點雲輔助都市剖、立面現檔圖面的描繪呈現 4. 點雲輔助地形圖線檔圖繪製

目前數位地形圖的繪製，如圖 24(左)所示，係以現況量測後，再行套對航照圖說，進 行現況的地形線檔的繪製，於圖檔的建置過程中，除量測時可能產生誤差外，於人工的繪 製過程，則可能又再產生誤差，此外，套對航照圖進行的描繪，則可能因航照的透視效果，

除容易造成描繪時的不便外，描繪時也易產生認知上的差異，因而，便考慮使用掃描量測 的點雲，以此協助相關地形圖檔的繪製，如圖 24(右)所示，係使用點雲作為圖檔繪製的參 考底圖，其資料本身不僅無透視消點的問題，可減少人為認知上的差異。

圖 24 現有的數位地形圖(左)與透過點雲描繪的地形圖(右) 5. 植栽的掃描應用

掃描因具有非破壞性的影像檢測、處理等優點，因此，可以在不影響植物生長的情況 下，可用來量測植物的外觀特徵，對於虛擬植物系統的建構來說，係屬良好的量測紀錄的 工具。另以虛擬效果的擬真性來看，無論是點陣圖十字交錯的模擬，亦或是虛擬實體的模 擬方式，皆不及 3D 掃描點雲模擬來的真實，對於都市之景觀元素可接近真實物體的模擬 效果，亦是我們所期盼達到的結果。

圖 25 不同方式的植栽模擬呈現

隨著電腦科技與 CAD/CAM 的發展，除了電腦繪圖外，其他的新媒材也開始被運用在 建築設計過程中，如 3D Scanner、VR 技術、RP 技術、CNC 技術等。在設計過程中，設計 者同時利用傳統 2D 圖面，實體模型及這些新媒材來創造出多樣性及自由的空間。其中 3D Scanner 技術，克服了重建數位模型的時間消耗，形體複雜的實體模型可以直接被轉換為電 腦的數位模型，讓設計師在設計過程中更輕易得到數位模型來修改設計。相較傳統必須透 過現場測繪，可省去可觀的人力與時間花費。

圖 26 樹形線檔的描繪呈現 6. 點雲輔助地表空間層次的呈現

除上述點雲輔助大尺度的資料使用外，針對小尺度的資訊使用分析，可清楚的呈現地 表變化，及都市空間層次的轉化方式，如圖 27 所示，可看出空間層次轉換較為豐富，對 照的空間轉換，未來可針對既有現況中，經由掃描整理相關模式資料，作為使用、分析或 設計時的參考資料。

圖 27 榮星公園附近集合住宅的地表剖斷面呈現

7. 廣告招牌的效益性分析

牆面或是大型刊版廣告的出租，隨著可視性的遠近、版面大小等，其價格上有明顯的 落差，通常具有遠距可視性高的出租點，出租時，則有良好的價格優勢，然而，隨著都市 的不斷發展、更新，都市中的高樓不斷的建設，原本具有良好視野的刊版的出租，則可能 因周圍的大樓完工後，縮短了原先的可視距離，導致出租價格的滑落，關於此類的研究分 析來說，由於需考量的項目繁多，諸如刊版大小、坐落位置、視野性及附近周圍環境等，

因此，可針對其廣告、刊版等，掃描記錄尺寸大小、可視距離、周圍環境等現況的資訊，

建立其相關資訊的資料庫系統，如圖 28 所示。

圖 28 廣告招牌可視距離的分析 四、 點雲貼圖影像的應用

1. 建築物面貌變化記錄

掃描後的大樓資料，若外觀形體無過大的變化時，可透過重新貼圖的方式呈現變化後 的面貌，而無需重新再進行實地掃描作業，利用照相記錄的方式，拍攝整修後的外觀，如 圖 29(左)所示，該大樓外觀整修後，使用數位相機所拍攝的照片，再行貼附於點雲上加以 模擬、詮釋，即可快速呈現變化後的建築物外觀，而無需重新進行掃描，如圖 29(右)所示。

圖 29 大樓外觀更新前(左)及更新後點雲模擬(右)呈現 2. 廣告設施物的變化記錄

相關招牌、廣告設施物等，掃描後的點雲資料，若透過點雲貼圖處理的方式，便可呈 現變化時的樣貌，而不需重新再進行實地掃描作業，利用數位攝影方式，記錄單位時間內 的變化，透過貼圖處理的方式予以詮釋，可增加點雲的使用性與變化性，掃描器所拍攝的 影像貼圖，如圖 30(左)所示，重新貼圖後的結果，如圖 30(右)所示，除美化貼圖呈現的質 感外，對於時間顯示的變化記錄，僅需以數位攝影的方式，拍攝其現況變化後的情形，即 可快速呈現變化的樣貌。

圖 30 招牌廣告原始影像(左)與影像重新(右)的變化呈現 3. 夜間效果模擬呈現

由於掃描器對於夜間影像拍攝效果較差，欲實際完全符合現況的方式，模擬出夜間的 效果，於目前既有的數位記錄、模擬，於此部份的著墨較少。因而，於此利用白天掃描取 樣獲得的資料，如圖 31(左)所示，貼附其夜間的影像，以此模擬出招牌夜間燈光的效果，

如圖 31(右)所示，經由測試後結果可了解，除一般的點雲影像色彩校正的使用外，針對影 像貼附的相關應用，另可進行其他相關的貼圖測試，如外觀變更前的視覺模擬、建築物表 皮投影等各種應用。

圖 31 招牌廣告原始影像(左)及夜間影像貼附效果(右) 五、 掃描於土地、建築之生命週期的應用

1. 規劃、設計階段：掃描除能提供完整的現況資訊外，同時，可增加規劃、設計的 真實性，避免規劃、設計方案，因與現況不符，導致日後的大幅修改，以致成本 與時數的浪費。

2. 施工階段：利用掃描量測的技術，可於實際施工的現況環境中，將其實際的施工 過程，掃描記錄成數位的三維資訊，並以此回饋作為比對時，前、後對照的資料，

除單純的將施工的現場，轉化成為數位的模型資訊外，同時，可藉由不同時程的 量測記錄，掌握實際現場的施工進度，並可以使用掃描獲得的點雲資料，用於與 設計、施工圖說進行套對，以協助了解實際施作的狀況與設計、施工等圖說的差 異性。

3. 管理及維護階段：使用掃描的方式，可實際比對空間使用前、後的差異性，使其 能有完整的分析資訊，以此，小至單純的空間的改變，大至影響城市風貌的形塑，

透過掃描所建立的整體生命週期資訊，便能對此，提供有效的管理、維護資訊，

如臺北市建築物外牆修繕管理要點，作為長期觀測及研究時的重要資料，如圖 32 所示，定點曠時記錄量測，掃描後的結果呈現。亦或是透過點雲貼圖影像重製的 方式，如圖 29 所示，即時且準確的呈現前、後的差異，以確保資訊更新的時效 性與效益。

4. 拆除階段：隨著都市或建築的消失之後，掃描所保有的原始現況資料，則更顯其 曾真實存在價值意義，也因掃描本身所具有的優點，乃至於即使都市或建築已不 復存在，但仍可透過既有的掃描資料，藉由數位化的方式，還原當時後既有的都 市或建築樣貌，於此係以掃描記錄的最具價值意義之處。

圖 32 2007-11-02 掃描結果(左)及 2007-12-27 掃描結果(右)呈現 六、 建國沿線建築風格樣式的探討

建國沿線由於高架道路的橫越，與其抬高的視野角度關係，使其沿線廣告刊版林立，

此乃其他高架沿線較難以看出，而形成市中心內特有景觀風貌，透過下列幾項原素探討，

使其能更清楚掌握建國的空間尺度，與其周圍環境的關係，亦可建立建國基本的尺寸數據，

作為後續研究、分析時的參考資料。

1. 建築量體：建國沿線隨著土地使用分區、道路寬度與開放空間等，周圍環境的差 異性，形成不同的建築量體差異。建築量體的大小，主要以建築物的高度與面寬 長度二項為主。建國沿線靠近機場部分，因飛航管制之限制，經點雲量測所測得 的高度為不超過 40 公尺，此區段內的建築天際線高度也較為一致。建國沿線最高 的建築物，係位於建國-仁愛路口的帝寶，高度約為 105 公尺，同時也為沿線上，

建築高度落差最多之處，其落差達 75 公尺，如圖 33 所示。建築物面寬部份，單 棟面寬最寬的建築屬台大巨蛋，面寬達 110 公尺，另以建築群體來看的話，屬環 球辦公大樓群，整個建築街廓的面寬長達 210 公尺。

圖 33 仁愛帝寶的沿街立面呈現

2. 建築物高度：建國南路沿線，由於土地使用分區與開發時間的不同，因此，建築 物高度的落差較大，至於建北部分的建築高度則較為平均，高度約為 50 公尺左 右，如圖 34 所示，若以樓高 3.5 公尺換算，樓層數大約 14 層樓。

圖 34 建築高度落差較小的區段

3. 建築物基座：建國沿線某些區段的建築物，於騎樓或建築基座的設計，常見的係 以量體的退縮、立面凹凸、線條與材質的劃分等，作為處理的手法，在整體視覺 高度約在 10 公尺左右，以呼應橋樑的設置高度，如圖 35 所示。ㄧ致性較高的沿 街建築基座，較容易形成心理層面的認同，同時利於人行動線的導引。

圖 35 具ㄧ致性的建築基座呈現

4. 屋頂輪廓：建築物屋頂輪廓線不僅是各別的美觀與否，更是構成城市天際面貌的 重要元素，於既有的管制規定之下，可明顯看出兩種截然不同的詮釋方式，如圖 36(左)所示，屋頂輪廓顯得生硬無變化，相較於圖 36(右)的屋頂輪廓，則顯得較 為律動，對此，可作為未來建國沿線，建築屋頂設計或管制時的重要參考。

圖 36 強烈、生硬的屋頂輪廓(左)及和緩具動感的屋頂輪廓(右)對照呈現

5. 建築物開口：由於建國道路屬南北走向，因此，沿線建築物的配置多以東西座向 為主，故熱得量較大，而為了節能要求，ㄧ般辦公建築的開口率應在 40%以下，

本研究於建國沿線上，挑選 2 處如圖 37(左)、(右)所示，較具代表性辦公建築進 行試算，發現雖然都符合所規定的開口率，然而其開口方式不同，亦會產生不同 的熱得數值，對此，透過建築立面的掃描，可望獲得準確的數據，以便進行詳細 的檢討。

圖 37 分散式(左)與集中式(右)開口類型

6. 鄰棟間距：建國鄰棟間距的留設，隨著建築高度與面寬的不同，呈現不同街廓面 貌聯繫的關係，如圖 38 所示，則為現行都市發展典型的鄰棟留設方式。另則是 呈現疏離狀的鄰棟留設，如圖 39 所示。若鄰棟間距的距離較短時，則可明顯看 出建築的簇群性較高，空間層的變化也較大，如圖 40 所示。

圖 38 等距的鄰棟留設方式

圖 39 疏離性較高的鄰棟留設方式

圖 40 緊密性較高的鄰棟留設方式

7. 建國沿線的空間尺度：建國從南到北隨著不同的土地使用分區，形成沿線不同的 都市天際變化，於建國南端部分，因土地使用多為學校、公園綠地等使用分區，

如台大、龍門國中、大安森林公園等，由於高樓較少，故都市天際線較為開放，

北向部份的土地使用，則多為辦公、住宅等用地，因此，高樓林立天際線較不開 放，空間的圍束性較高，如圖 41(左)、(右)所示，為建國沿線二種典型的天際斷 面。為清楚了解建國沿線的都市断面變化情形，利用點雲描繪出沿線重要的都市 斷面後，以高架為中心進行疊合，如圖 42 所示，可看出沿線左右兩側建築的退 縮關係，亦可了解南北軸向上的天際線變化情形。

圖 41 開放型(左)與圍束型(右)天際呈現

圖 42 建國沿線重要都市斷面的點雲套疊呈現

6. 研究成果

本研究係以 3D 雷射掃描技術，應用於都市景觀的量測記錄，除針對資料的使用與相 關課題提出探討外，掃描所提供詳細現況的數位模擬資訊，未來隨著各領域間，相繼完成 的掃描研究與技術上的進步，將更有助於掃描與數位模擬研究的發展，基此、本研究可獲 下述成果及應用之價值，現分述如下：

一、 研究成果

1. 都市景觀資訊掃描操作經驗的建立：透過掃描經驗的彙整，以利於後續有關都市 景觀的掃描計畫制訂及量測工作的進行。同時，

2. 高精度數位量測方式的建立：以往難以有效呈現真實、準確的數位現況資訊，透 過掃描量測的轉換，單點精度可達 4mm，以此得以獲得解決。

3. 建國沿線環境資料庫之建立：掃描建國全長約為 6.5 公里，包括：高架部份、兩 側建築立面、重要路口、人、車等，透過實地的掃描量測，除可建立其現況景觀 的點雲模型外，並可以此為參考繪製所需的相關圖面。

4. 詳實外觀描述模型的建立：經由掃描擷取的方式，忠實呈現現況之形體與物表顏 色等，並可透過貼圖重製的方式，解決材質變換的問題，滿足其視覺質感與彩色 需求。

5. 具體量測變異之描述資料的建立：經由特徵點結合的掃瞄點雲，經由演算法與人 為比對前後掃瞄重疊結果，使其可具體量化其物體表徵的位移數據。

6. 多用途性資料的建立：以往二維資訊提供，針對實際資訊的記錄，其無法完整、

有效記錄及呈現，掃描所建立的點雲資料，不但具有抽取、置換的功能，同時，

可配合不同的需求使用，協助作為資訊的擷取或圖面的繪製。

二、 應用價值

1. 都市計劃與都市設計方面：以目前建築、都市於規劃、設計來說，其所能獲得的 資訊，對於垂直向度極細部呈現來說，難以提供完整且詳細的現況記錄，導致規 劃、設計時，缺乏有用而難以被加以記錄、呈現的資訊，在此，藉助現況掃描取 樣，獲得的三維點雲資訊，可提供建築、都市在規劃、設計時，完整的數位三維 資訊，以助於相關規劃、設計的資訊使用。

2. 基礎設施和設施服務方面：都市環境當中包含的許多複雜的公共設施，如電信設 施、交通設施等，以往針對相關設施的數位模擬建構時，多數設施於現況量測時 不易清楚記錄，因而，導致模擬時難以完整呈現，透過數位三維的記錄與呈現方 式，除可完整的記錄相關設施的現況情形外，並可透過數位保存呈現的方式，以 有效的掌握及更新設施調查記錄，並可應用於設施資訊系統的建立，以提升設施 管理與服務的品質。

3. 3D 數值化的景觀數位保存資料庫：未來可望透過掃描資料的累積，逐漸建立完整 的都市景觀的數位保存資料庫，並以參考本次研究的成果、經驗予以修正後，結 合學術、產業及公部門的必要協助，加速推動 3D 數值化的景觀數位保存資料庫 的建置。

4. 城市推廣與資訊獲得方面：掃描獲得的三維點雲資料，如在版權許可的狀況下，

可與相關城市文化推廣產業進行結合，利用掃描量測所獲得得資訊，加以整合至 數位都市模擬，結合虛擬實境透過網路媒介的傳輸，促進城市的觀光產業的發展，

如圖 43(左)、(右)所示，同時，亦可製成各種類型的紀念、文宣，如數位台北城 的打造、立體畫刊、明信片、水晶透雕、複刻模型等，使更多人能體驗到台灣的 城市之美。

圖 43 城市推廣與導覽應用範例(Berridge et al. , 2002)

5. 都市、景觀環境災害影響評估方面：都市的發展造就了人們便捷的生活，卻也面 臨人類聚居所產生的問題，如火災、水災、颱風、地震等，在再危及居民的安全 與經濟的損失，有鑑於此，有關單位與團體，投入了相當多心血參與研究，對此，

掃描所獲得之現況模擬資訊，將可作為相關都市、景觀等，環境、災害影響的評 估時的資料。

6. 建築與都市開發交通影響評估方面：目前國內對於交通影響評估，於資料的調查、

分析上，主要著重於流量的記錄分析，未來可將掃描技術，結合相關道路承載量 測設備，除可減少人力成本提高調查效率外，更有助於加速全面性的交通運輸現 況調查，建立相關資訊資料庫系統。

7. 交通運輸現況資料呈現：3D 雷射掃描方式，可確實快速的記錄既有的現況交通資 訊，如：管線設施、運輸系統、施工干擾、車輛類型等現況的記錄，建立數位化 現況交通設施的資料，藉以協助相關交通影響評估之進行，及作為需求預測的基 礎資料。

7. 結論

現況都市環境透過掃描記錄的方式，建立數位化現況都市空間資訊的模擬與呈現，本 研究透過數位科技的協助，重新詮釋都市可模擬的方式，提供最大且可分析使用的數位資 訊，以發揮潛在資訊價值。目前本研究，以完成建國高架沿線的掃描量測，未來可望以此 作為基礎，持續進行相關的研究工作，建立為完整的大台北地區的資料庫，使其獲得更廣 泛的應用與探討。

參考文獻

1. Berridge, P., Brown, A., & Knight, M., “One City to Go: A Multi-modal Approach to Delivering City Data,” Cyberjaya (Malaysia) 18–20, pp. 057-64, Helsinki (Finland), (CAADRIA), April 2002.

2. Finat J., Ordering criteria and information fusion in 3D laser surveying of small urban spaces, University of Valladolid, 47011 Valladolid, Spain, 2005.

3. Früh, C. and Zakhor, A, 2004. “An automated method for large-scale, ground-based city model acquisition”. Intl J. of Computer Vision, 60(1), 5-20.

4. Hartley R. and Zisserman A. Multiple view geometry in Computer Vision. University of Cambridge, UK, 2000.

5. Ikeuchi, K., M.Sakauchi, H.Kawasaki, I.Sato: “Constructing Virtual Cities by using Panoramic Images”, Intl J. of Computer Vision, Vol.658 nº 3, 237-247, 2004.

6. SanJosé J.I., Finat J., Fernández-Martin J.J., Martínez J., M.Fuentes L., Gonzalo M.: Urban lasermetry. Problems and results for Surveying urban historical centres: Some pilot cases of spanish Plaza Mayor, CIPA Symposium, Torino, 2005.

7. Slabaugh,G.G., W.B-Culbertson, T.Malzbender, M.R.Stevens and R.W.Schafer: “Methods for volumetric reconstructions of Visual Scenes”, Intl.J. of Computer Vision, Vol.57, nº 3,

179-200, 2004.

8. Teller, S., M.Antone, Z.Bodnar, M.Bosse, S.Coorg. M.Jetwa and N.Master: “Calibrated, Registered Images of an Extended Urban Area”, Intl. J. of Computer Vision, Vol.53, nº 1, 93-107, 2003.

9. Visintini, D., Fico, B., Cosilla, F., Guerra, F., “A 3D Virtual model of The gorizia downtown (Italy) by matching aerial and terrestrial surveying techniques,” CIPA Symposium, Torino, 2005.

出席國際學術會議心得報告

計畫編號 NSC-96-2221-E-011-156

計畫名稱 大台北地區數位都市現況景觀三維掃瞄資訊系統建構 出國人員姓名

服務機關及職稱 施乃中 台灣科技大學建築系 教授 會議時間地點 2007.9.17-20　 義大利 Florence 市

會議名稱 SPIE's 2007 International Symposium on Remote Sensing

發表論文題目 The construction of as-built digital urbanscape - from building components to a city

一、參加會議經過

本次Remote Sensing 2007研討會在義大利Florence市舉行，由the International Society for Optical Engineering (SPIE)主辦，地點在Palazzo degli Affari Conference Centre，時間為 9/17-20，共為期四天。本人以國科會補助專題研究-「數位都市景觀現況紀錄-從建築構件 至城市」(NSC 96-2221-E-011-156)內容「The construction of as-built digital urbanscape - from building components to a city」一文發表，而本次參加經費亦由專題研究中經費補助。

本研討會事實上是結合 Remote Sensing 及 Security+Defense 二會，二者均參加要加不少錢，

但現場似乎無嚴格把關，所以時間允許也可聽到不同領域之演講。而少見的是註冊費竟然 要加 20%稅，令人無法相信。以下是相關議題：

6743: Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, and Large Water Regions 2007

6750: Lidar Technologies, Techniques, and Measurements for Atmospheric Remote Sensing 6745: Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere

6744A: Sensors, Systems, and Next-generation Satellites

6747: Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems

6749: Remote Sensing for Environmental Monitoring, GIS Applications, and Geology 6746: SAR Image Analysis, Modeling, and Techniques

6748: Image and Signal Processing for Remote Sensing

6742: Remote Sensing for Agriculture, Ecosystems, and Hydrology

6744B: Global Earth Observing System of Systems, Implementation Strategies and Applications 本研討會計有歐、亞、非、美洲國家參加，論文發表者計 65 篇文章，另有 57 篇海報。研 討會分成下列子項進行：

Session 1: Remote Sensing and Archaeology I Session 2: Remote Sensing and Archaeology II

Session 3: Environmental Monitoring I Session 4: Environmental Monitoring II Session 5: Environmental Monitoring III Session 6: Processing Methodologies I Session 7: Urban Remote Sensing I Posters—Tuesday

Session 8: Urban Remote Sensing II Session 9: Urban Remote Sensing III Session 10: Processing Methodologies II Session 11: Processing Methodologies III Session 12: Sensors and Platforms I Session 13: Sensors and Platforms II

Session 14: Geology and Hazard Monitoring Session 15: Volcanic Monitoring

每日議程均由 keynote/invited speech 開場，同一時間在不同地區分成數場舉辦，因此常因興 趣、專長必須交錯選擇聽取。本人在第三日 Session 8: Urban Remote Sensing II 中發表。以 下就有趣、先進之發表介紹：

在 session 1: remote sensing and archaeology I 中，Techniques for improving the detection of archaeological features from satellite imagery 一文介紹使用 5-8m 解析度的 Corona / Ikonos imagery 及用 linear 和 enhancement 方式於 edge detection，contrast type 有 direct 及 proxy measurement 二種，最高 image resolution 可小於 1m。目的在於瞭解 local condition 及 contrast different usages over time。同 session 中 Beck 有二篇文章，竟然是預先錄製現場播放，第二 篇介紹在印度 Sanchi 基地古蹟保存工作，目的有二：prospection、time change。另介紹現 有衛星影像資料庫多種，各有不同解析度，連帶影響判讀難易、精確度，如 low cost images 之 Labdsat(15-30m)、Aster、Spot(4-15m)、Corona (3m)、SRTM 均是。高解析度影像有 Quickbird 及 Corona (0.6-2m)，所以也做了一資源在當地適用性比較。

在 unmanned/unattended sensors and sensor networks IV 中

Carapezza 是 invited speaker，該文介紹未來科技，這是我聽過最有趣課題之一，有點像是 科幻電影情節，或是 Discovery 頻道介紹的未來科技。內容是運用動物本能發展人用科技，

以戰爭為對象，可見本研討會領域非常寬廣。實例如下：

1. 步兵荷重 100lb vs. 40lb：希望可由 100lb 減至 40lb。這已經操越材料科技可解決問題 範疇，而必須更進一步仰賴網路、偵測科技協同運用方可從本質上達成。

2. 戰車 70+噸 vs. 無人載具：配合 network 以使後者取代前者。

3. humblebee, dragonfly, humming bird：每種昆蟲都有其因演化而造成獨特適應於大自然 之感測及飛行機制，如 humming bird 是唯一可在原地平穩盤旋的鳥類。蜻蜓四翼可獨 立運動，殺人蜂整合複眼與飛行器官，在追蹤氣味同時可以迴避障礙物。

這在現有人類發明物中鮮有如此精巧者。因次也有需多學習空間，所謂 sensor fusion 便是，

希建構 micro autonomous system (MAST) 。本 session 很有趣，可惜本人發表的 session 與其 同時進行，只是晚 50 分鐘開始，因次只好忍痛離開。

我的 session 第一位介紹影像運算，SAR 影像一般是經過過濾運算後使用，這在被測物位騰 空時或許沒問題，但 Schutz 團隊發表研究顯示：懸空物體如吊橋常因影像不確實，增加判 讀正確性，原因來自於下方水面之一次、二次、及三次反射。反射會造成多條且與正確橋 面位置平行的線條。為解決此問題，該團隊運用拍攝角度與平行線間距推測、甄別多餘反 射線。現場圖片顯示的確有很淡的線產生。

該研究與我在操作雷射掃描時有類似狀況，3D 掃描反射主要來自玻璃，一般是內/外窗有 玻璃部分均有可能因一次反射而在窗後形成不存在之點。平滑水面(河、湖)均有可能，因此 在判讀上要有經驗，但較不易由軟體或演算法來控制。

衛星影像有其範圍廣、可運算優點，因此 Fusilli 及其同儕用來監測石綿瓦屋頂的分布及退 化後釋出有害人體物質之狀況，以義大利為例。據他報告約有 3g/m3 有害物質會釋出。雖 然用意很好，誠如現場一位聽眾提出問題所示，衛星影像仍有解析度限制，雖然在其他場 次提及可到 1 m 解析度，但他們所使用解析度並未達最高程度。1 m 解析度雖然資料量大，

但較不會估算錯誤或是發生監測不到的問題，因為到底一般屋頂面積不大。

我的掃描報告也引起聽眾的興趣，現場提問之一是否可與 Google Earth 結合供大眾使用？

我的回答分二部分：3D 掃描是 3D 長時間的操作，時程上要分階層以方便與過去資料比對 差異性，在此 Google Earth 未必支援。另本研究有委託單位(如國科會)，必須研擬適用的數 位版權開放方式及收費標準後開放外界使用。現有的方式(保安宮實例)5-20 萬點可讓使用 者觀看、量測，更精細、高解析度 3D 資料下載則必須申請。我方保護另一方式是在網路 上用其他格式呈現以提高顯示效率，使用者即使下載也無法編輯使用。

在展示方面有許多安全監控(如 IR)器材元件與系統廠商參與，有不同波長及夜視功能，多 在 Security+Defense 方面。我拿了資料也給了一些名片作為聯繫之用。

日本衛星影像取得上似乎有政府大力支援，因為一般主要應用對象就是自己國家，與國土 相關資料是非常敏感的。光是本研討會 Japanese session 就佔二場，再來才是美國 session 一 場。據報告日本計畫分為三期，以利解析度提高到不同程度，可見度到 2012 年，投資大，

可見其用心。可是報告完後不知是大家覺得趕不上還是其他原因，現場無人發問。

二、與會心得

以上僅介紹部分論文，綜觀發表成果非常多元化，Remote Sensing 從國防自古蹟保存已經 涵蓋建築及相關領域，領域間合作、技術交流已經是應用與理論發展必須條件，研究多元 化就是本次研討會最大收穫。我個人非常希望能跨領域參加不同形式之研討會，藉機與不 同領域學者交流，聽聽建議，方不至於在建築單一框架內故步自封。

三、考察參觀活動 無。

四、攜回資料名稱及內容

本研討會攜回摘要 CD-ROM 一份、未來相關研討會 DM、及設備廠商 DM 多種。論文集及 註冊費收據分別於會後三週及五日內寄送。

五、其他

承蒙國科會補助參加，自感獲益良多，在此致謝。

The construction of as-built digital urbanscape - from building components to a city

Naai-Jung Shih

Department of Architecture,National Taiwan University of Science and Technology 43, Keelung road, section 4 Taipei, 106, Taiwan ROC

ABSTRACT

The purpose of this research is to build digital urban landscape (or urbanscape), based on as-built environmental information. A long-range 3D laser scanner is used to record buildings, plants, and open spaces in static configuration, plus the records of pedestrians, vehicles, objects in dynamic form. Studies have extended to the record of 3D geometries into following information related issues, such as digital contents definition, land registration, urban element integration, characteristic abstraction, and scan “noise” made by pedestrians or vehicles for circulation system evaluation. In order to manage and display large amount of as-built data, the information system is made by 3D database, web pages with measuring function, as well as editing works for different data types and service possibilities.

Keywords: Virtual city models, urban information system, 3D urban modeling

INTRODUCTION

The purpose of 3D modeling, in addition to create volumetric data, is to provide a way of communication among different users. This is particular true in creating 3D urban models which not only provides an intuitive way for visual communication, but also facilitates and supports the comprehension structure in urban development, spatial analysis, and decision-making mechanism. Traditional 3D urban models mainly come from the input and computation of 2D information, which needs additional efforts to create details, map images, and analyze activities.

Aerial photos provide 2.5D information but lack detailed description of urban as-built forms. Due to large amount of complicated static and dynamic information, the need for urban as-built information is obvious. The information system can be used by government departments, urban and rural area planners, environmental protection agencies, telecommunication companies, and by other expertise in consulting, architecture, and engineering. The demand types and application patterns are of concern.

In Finat’s study [3] of small towns and midsize urban spaces, the space information system and the case studies were

categorized based on the characteristics, purposes, and contents of subject. For a historical but economic missing

region like Sonia, the streets which connect the social and economic activities are very important and have to be

scanned to retrieve the characteristic elements of local area. The scan data, which are used to create 2D drafting and

survey drawings, are also overlapped with regional plans to integrate 2D and 3D relationship together. Streets,

landscape, facades, circulation systems are included in scans. In the scan of Salamanca, elaborate façade decorations

around the large city square were scanned to be part of the urban environmental information for future analysis and

planning reference. In Valladolid, the scans helped measure the damaged or missing parts of structure. Chronological

scans were also conducted to compare the behavior between the past and the future. In a small village like Palencia, plants were scanned as part of the large-scaled 3D model.

Recent scan application in architectural survey has been enlarged to urban scale and be integrated with computer vision, digital photogrammetry, and computer graphics [4,6,9,10]. Computer vision software now facilitates 3D modeling with registration function [5]. High resolution digital photogrammetry also provides 3D environment reconstruction function with correct method to confirm result [11]. In architecture, 3D scan has been used toward more complicated building configuration [2], and information management and verification system for different resolution is needed [1,2]. Close-range laser scan and high resolution data retrieval is also under development [7].

Car-loaded scanner can be used in large urban area with higher efficiency [4], however, cloud data need to be justified on corner where scan lines cross each other. Current software development tools interchange and rebuild data between 2D range imaging and 3D data [5], but the integration between general 3D scan information and details still needs future development [8]

Research purpose

The purpose of this research is to build digital urban landscape (also called urbanscape), based on as-built environmental information. A 3D long-range laser scanner is used to record buildings, plants, and open spaces in static configuration, plus the records of pedestrians, vehicles, objects in dynamic form. As the scan tolerance can be controlled in less than 4 mm, the final urban information management system is made of precise objects description with colors and textures included. The system is feasible for infrastructure monitoring.

Digital urbanscape

3D urban models are usually created using satellite images or government land records. The former has accuracy up to 1 m, and the latter uses field measures to define property boundary. Most source data are in 2D and subject to additional field measures or retrieval of original design data to create 3D models. For as-built description of environment, even more on-site measures have to be made to ensure the existing data are updated with accuracy.

While the urban spaces are contributed by different government departments, the integration of urbanscape subjects has to consider the format fragmentation, backup sites, or editing agents. So in addition to the demanded sources, the mechanism which defines the inter-relationship between source providers is in great demand.

The “digital urbanscape” is contributed by static and dynamic scenes of environments. While an environment is scanned, in the mean time the behaviors of users or occupants are also recorded. Traditional scan usually categorizes the interference of plants, pedestrians, vehicles as “noise” which has to be deleted afterward. In this study, instead, the “noise” becomes part of dynamic scenes to be used as an evidence of human-environment interaction for the evaluation of circulation system and the allocation of openings.

The contents of urbanscape scan are listed as follows.

1. Static urbanscape: a static-like view of environment. Although in a long run the environment can be changed by new construction, renovation, old structure addition, demolition, or growth (plants), the urbanscape remains static or close to static during each scan. The scans retrieve as-built data as cloud models (made by point clouds) and polygon models (made from point clouds). Two major contents of urban as-built digital models are:

z Buildings: including original design and additions (for example, advertisement panels, neon lights, satellite disks, GSM antennas, window grills) modified afterward;

z Plants: the types, shapes, special features of plants. Comparing to the appearance of CAD symbols, scan data

illustration.

2. Dynamic urbanscape: As the scan data are capable of recording exact locations of objects, the scanned routes made by human beings, vehicles, cargos are used to illustrate the result of interaction with the openings and circulation systems inside a region, an open space, or in front of a building (Fig. 1). The records include movements, stops, or intermediate actions (for example, open a door, take a bus, sit) along with scenes of particular activities (festivals, celebrations, parades). The static background environment can be scanned before activities take place. Scans usually have to be conducted at the same place several times to possibly include whole activity sequences. Comparing scans with/out activities is a way to observe a space and evaluate its post-occupied usage.

Fig. 1. People movements in front of a temple (left) and inside the entrance (right)

System framework

In order to manage and display large amount of urban as-built data, the information system is made by following parts.

1. 3D database: in SQL language with keyword search available. Considering data amount and display speed, scan region is divided the same as map coordinates. Individual scans in different periods are registered and divided into overlapping 3D blocks of point clouds and models. Whole regional model is used as a “3D map” to show relative location among buildings.

2. Web pages with measuring function: the construction and maintenance of urban models. In order to provide an interactive browsing webpage, large files of point clouds are in OCT format for display efficiency. The point models are in full scale, so the distance between any two points can be measured in a browser mode. In reality, the measuring function reduces potential field trip for dimensioning. The models which are browsed with real color and dimensions, combines as-built data and virtual reality interface.

3. Editing: In order to combine individual scans for regional display, the registration and hole-filling of 3D data have to be conducted. On-site scans of building facades are usually full of holes due to the interference of pedestrians, vehicles, and plants. The holes are filled using the scans made from complementary directions or using software by referring to the curvature around holes.

4. Data types: in 3D point clouds and polygon models. The former is the original data to be maintained and will be referred by consequent scans or studies. Another version of original point clouds also have to go through “noise reduction” and “sampling” process for manipulation efficiency. While the file size is usually very large, the number of points and polygons has to be reduced with appearance altered more in structural details and less in texture details. The creation of vector drawings is not included in this study.

5. Service: The scan data, with digital copyright, will be placed on internet and open to public with restriction to

Subjects

Scan of single historical building and neighborhood environment has been conducted in former studies (Fig. 2). In order to increase the feasibility of as-built data in a broader perspective, this project enlarges scan area and starts the

“digital landscape” scans of local main streets as the first step to build a scan information management system.

Fig. 2. Plafond and the entrance of Long-Shan temple (top) and the Taipei Confucius temple (bottom)

Buildings

In addition to record a component’s 3D configuration, scan data are also used to analyze embedded composition. A very special study was made to compare two plafonds designed and engineered by the same person based on as-built geometries (Fig. 2). Although the two plafonds were built under different spatial constraints, the comparison tries to find if the two plafonds shared the same design principles. Plafonds are made by complex wood bracket system as part of ceiling decoration. With the original design data missing and the joints are hidden after being assembled, traditional plafond study emphasizes analogical description of component layout. The as-built geometries are difficult to measure and to co-relate in 3D. Under this restriction, co-relating two plafonds engineered by the same person or different ones is even more challenging.

The reference-line model is similar a network (Fig. 3) which is made by the intersections of components as nodes and the components as links. The model is created after all the point clouds are registered. Three kinds of procedures were applied in the overlapping comparison: point clouds overlapping, one-dimensional scaling, and details comparison. The smaller plafond was enlarged horizontally (Fig. 4). Both plafonds share the same depth, but the Confucius’s has opening 1.205 wider than the Long-Shan’s due to the space available above and the manner of integration with wood main frame. The reference-line models of the both temples are close-related under the similar rules of composition and vertical segregation.

Buildings and components were usually scanned on the same period using different types of scanners (Fig. 5).

Building scans help define the relative location between components, in the mean time, to create as-built 3D

computer model. Chinese temple for digital preservation is the first exemplification (Fig. 6). The model has to

combine temple exteriors and interiors to show the double-eave mountain-styled roof structure on both sides. The

entire temple and its components have to be browsed on Internet up to the size of 200,000 points. The database also has to meet the specification of metadata. The preservation presents a reversed model construction process to integrate fragmental temple parts used to be retrieved individually.

The second case goes to old Japanese houses which are located in downtown area for over 50 years (Fig. 7). As the urban renewal has picked up pace rapidly in neighborhood, house owners intended to sell properties for apartment or commercial use. The environment impact caused by increased density forced original residents to reconsider the potential influence of these old houses. A new development scheme was proposed to maintain houses with small open spaces and lanes reorganized into an “urban oasis.” The environment survey, which includes the scan of remaining old houses and neighborhood apartments, becomes very important in defining the solid and void volume in this region. The scan records included a pine tree which is classified as endangered species.

Fig. 3. Wireframe model of Long-Shan temple (left) and Confucius temple (right)

Fig. 4. Plafond appearance and two overlapping slices of clouds

Fig. 5. Temple interior (left), detail scan (middle), and close-range scanner (right)

Fig. 6. Temple section and bell tower

Fig. 7. Old Japanese house in polygon representation

Historical district

A historical district in Northern Taiwan was scanned for its temple, residential houses, and public buildings (Fig. 8).

The oldest house was built in 1832. The historical buildings are all allocated within a street block. This peaceful