期末報告(定稿)

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內政部

107年度

三維地形圖資技術發展工作案

（案號：107SU0217）

期末報告(定稿)

主辦單位：內政部

執行單位：國立中央大學太空及遙測研究中心國立交通大學土木工程學系

台灣世曦工程顧問股份有限公司

計畫期程：自 107 年 3 月 31 日至 107 年 11 月 16 日

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摘要

大比例尺(千分之一)基本地形圖是國內最重要的基本圖資之一，也廣泛應用於不同領域。目前大比例尺地形圖仍為二維圖資，雖然有精確的二維坐標，但缺乏精確完整的三維資訊。空間資訊的應用由傳統二維平面逐漸往三維模型、室內外整合及多時序發展，並且與物聯網等新興技術結合，

以達到智慧城市發展與應用。內政部自 95 年起陸續推動三維數位城市模型發展相關研究，對於三維房屋與道路模型建置、技術規劃與發展、模型更新、不同等級模型整合等已累積相當程度成果。隨著智慧城市的議題逐漸受到重視，如何擴充及立體化現有大比例尺基本地形圖，成為三維立體數值基本地形圖，作為新一代空間資訊基礎圖資，以滿足日趨複雜的智慧城市相關應用需求已成為刻不容緩的重要課題。

本計畫目的為分析、精進三維地形圖資技術發展與應用需求，並研發三維地形基礎圖資測製技術，以及整合三維地形圖資與物聯網並進行應用服務試辦，以期推廣、加值三維地形圖資成果。在技術發展與應用方面，

本計畫工作包含：(1) 提出以三維網格模型及三維實體模型(3D Solid Model) 建置三維地形圖資核心類別模型建置之技術，並分析前2項模型優缺點、適用範疇與發展潛力；(2) 提出精進三維地形圖資測製技術自動化程度或品質方案；(3) 由航空攝影俯視角度取得空間資料延續至由地面視角取得街景之

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影像資料及點雲資料，進而增加三維地形圖資核心類別模型之尺度資訊與建置效能；(4) 發展三維室內外模型與物聯網標準之整合平台與試辦。

在推動與評估方面，本計畫工作包含：(1)蒐集國內外三維地形圖資測製及其測製成果物件化、三維空間資料結構與編碼及三維地形資料庫等研究、技術文件及各國發展與應用情形並提出分析；(2) 依試辦結果研擬三維地形圖測製及檢核作業技術文件指引；(3) 於期末報告提出三維地形圖資之

「測製成果物件化、三維空間資料結構與編碼之策略與建議」與「測製技術之成本分析、應用領域及成果效益」；(4) 探討三維地形圖資測製中遭遇之困難或三維地形圖資技術發展需克服之問題並提出可能之解決方案；(5) 了解物聯網標準之開發與介接技術；(6) 配合內政部辦理106年度行政院災害防救應用科技方案(第2期)，協助災後快速製圖技術研發相關作業。透過本計畫的執行，不僅可以整合與強化國內三維地形圖資技術發展，落實科技紮根，對於三維地形圖資應用的推廣和人才培育等也有正面貢獻，進而提昇相關產業與國家整體的競爭力。

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Abstract

Large-scale (1/1000) topographic map is one of the important geo-spatial data in Taiwan and it has been extensively applied to different domains.

However, traditional 2D topographic map only provides planar coordinates and limited information about height, e.g. the number of building floors. In order to develop the necessary infra-structure in geoinformatics for smart city applications, the Ministry of Interior has been promoting 3D cyber city and related studies since 2006, including 3D building modeling, 3D road modeling, 3D model updating, technical planning and multi-scale model integration.

Therefore, it has a great potential to extend the existing 2D topographic map and city models to 3D topographic map.

The core objectives of this project include: (1) analysis of the demand of 3D topographic maps; (2) development of the 3D mapping techniques; (3) value-added applications using developed 3D topographic maps.

The major works in technical developments and applications are: (1) developing and comparing 3D mesh- and solid-based topographic mapping methods for the critical targets; (2) improving degree of automation or efficiency for 3D digital topographic mapping; (3) increasing multi-scale information and performance for the critical targets using aerial and terrestrial remote sensing data; (4) developing and applying the platform of integrating 3D in- and out-door building models with Internet of Things (IoT).

The major works in promotions and validations are: (1) collecting and analyzing the related literatures, (2)proposing the procedure and guideline, (3) proposing the strategies and cost analysis, (4) highlight the challenges and

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and interconnection technologies; (6) supporting the disaster-related projects.

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圖目錄

圖 1-1-1、複雜三維建物與道路 ... 4

圖 4-1-1、試辦區範圍 ... 19

圖 4-1-2、試辦區 LOD1 房屋模型 ... 20

圖 4-1-3、試辦區 20 公尺道路資訊 ... 21

圖 4-1-4、試辦區 20 公尺道路近景影像部分拍攝成果 ... 21

圖 4-1-5、LOD2 牆面紋理成果 ... 22

圖 4-2-2-1、Mesh 概念示意圖 ... 28

圖 4-2-2-2、試辦區全區網格模型 ... 29

圖 4-2-2-3、網格模型成果 ... 30

圖 4-2-2-4、高架道路網格模型 ... 31

圖 4-2-2-5、自動化建置 LOD1 模型流程圖 ... 33

圖 4-2-2-6、利用空載數位航照影像立體對建置 LOD2 模型 ... 34

圖 4-2-2-7、利用空載光達點雲建置 LOD2 模型 ... 35

圖 4-2-2-8、道路建置示意圖 ... 36

圖 4-2-3-1、改良版通用紋理流程圖 ... 41

圖 4-2-3-2、房屋內部的多邊形之溶解處理 ... 42

圖 4-2-3-3、房屋牆面臨界值分布圖 ... 42

圖 4-2-3-4、房屋牆面中心點示意圖 ... 43

圖 4-2-3-5、試辦區測站搜尋成果 ... 44

圖 4-2-3-6、取得測站與牆面之方位角示意圖 ... 45

圖 4-2-3-7、街景影像下載之測試案例 ... 46

圖 4-2-3-8、三點共線條件示意圖 ... 47

圖 4-2-3-9、AOI 切割樓層示意圖 ... 48

圖 4-2-3-10、AOI 切割樓層-最高樓層成果 ... 48

圖 4-2-3-11、牆面影像分析 ... 49

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圖 4-2-3-13、牆面影像與對應之改良版通用紋理分析成果 ... 50

圖 4-2-3-14、道路模型重建流程圖 ... 51

圖 4-2-3-15、三維點雲形塑平面之示意圖 ... 52

圖 4-2-3-16、道路模型重建成果 ... 53

圖 4-2-3-17、LOD1 重建成果之比較 ... 55

圖 4-2-4-1、房屋騎樓建置流程圖 ... 58

圖 4-2-4-2、半自動化系統介面 ... 58

圖 4-2-4-3、模型高度調整前後與街景影像之對照 ... 59

圖 4-2-4-4、道路區域示意圖 ... 61

圖 4-2-4-5、道路標線訓練資料示意圖 ... 61

圖 4-2-4-6、道路標線成果示意圖 ... 62

圖 4-2-4-7、成果套疊比較圖 ... 63

圖 4-2-4-8、成果分析示意圖 ... 63

圖 4-3-2-1、3D CityDB 之主要流程 ... 66

圖 4-3-2-2、3D CityDB 之主要流程 ... 68

圖 4-3-2-3、房屋模型之階層式架構 ... 69

圖 4-3-2-4、房屋模型之幾何資訊 ... 70

圖 4-3-4-1、大規模影像匹配需以人工除錯提高正確率 ... 80

圖 4-3-4-2、三維網格模型側面資訊不足 ... 80

圖 4-4-1-1、第二版 OGC SensorThings API 資料模型 ... 83

圖 4-4-1-2、所測試之三種物聯網裝置 ... 84

圖 4-4-2-1、物聯網架構 ... 85

圖 4-4-2-2、 OGC SensorThings API 第一版資料模型 ... 86

圖 4-4-2-3、物聯網裝置自動註冊與資料傳輸程序 ... 87

圖 4-4-2-4、oneM2M 資料模型 ... 88

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圖 4-4-2-6、SensorThings API 與 oneM2M 整合範例 ... 93

圖 4-4-2-7、物聯網試辦之裝置佈設位置，黑點為裝置、紅星符號為閘道器... 97

圖 4-4-2-8、物聯網裝置佈設照片 ... 97

圖 4-4-2-9、物聯網 6 號裝置之時序感測資料 ... 98

圖 4-4-2-10、三維模型與物聯網物件之整合平台 ... 98

圖 4-5-1、國際事務推動及技術交流-澳門 ... 100

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表目錄

表 1-1-1、往年計畫摘要 ... 2

表 3-1-1、各期程工作項目彙整 ... 14

表 3-2-1、預定工作進度表 ... 16

表 3-3-3-1、成果繳交項目及日期 ... 18

表 4-2-2-1、影像建模軟體比較 ... 38

表 4-2-2-2、網格模型與實體模型比較表 ... 40

表 4-2-2-3、LOD1 三維地形圖模組之對應圖層... 54

表 4-3-2-1、房屋類別屬性代碼 ... 72

表 4-3-2-2、房屋屋頂型態屬性代碼 ... 72

表 4-3-2-3、房屋裝置類別屬性代碼 ... 73

表 4-3-2-4、交通類別屬性代碼 ... 74

表 4-3-2-5、交通功能及用途屬性代碼 ... 74

表 4-3-3-1、房屋模型建置成本分析比較表(依作業方式) ... 75

表 4-3-3-2、三維道路建置成本比較表 ... 77

表 4-3-3-3、密匹配點雲計算硬體規格表 ... 78

表 4-3-3-4、臺北市密匹配點雲計算及資料產出時間 ... 78

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第一章前言

1.1計畫背景與目的

內政部自 105 年起推動「空間測繪應用研究發展計畫」，規劃於既有先進航遙測技術基礎上，深化我國自主性之測繪科技研究，擴大各項測繪技術本土研發能量，進而吸引國內投入測繪科技之研發人才與經費，厚植測繪軟硬體實力。「空間測繪應用研究發展計畫」以分年延續工作方式，

提出三維空間資訊之未來願景，延伸自主研發三維街景影像接合、三維地理資訊系統、智慧城市房屋街道建模、自動導航物件辨識等技術，配合實景影像地圖技術，調整現有地圖標準，訂定新型態的資料格式，建立國家三維地形基礎圖資架構，開創全新的業務應用，為資料鏈注入新的生命；

除可作為智慧城市實踐重要基礎外，並提供各界運用普及化行動裝置及未來物聯網(Internet of Things, IoT)架構，快速推展智慧優質生活服務。

現行數值二維地形圖資是國家重要的基礎圖資，其包含有許多圖層，

並提供都市等級的民生建設資訊。在這些圖層中，房屋與道路為最重要且數量最多的民生設施。然而，房屋與道路屬於三維物件，礙於早期設備與視覺呈現問題，必須將三維測製結果以二維方式顯示。隨著電腦軟硬體設備進步，以及過去數年內政部及其他單位相關計畫的研發成果，已達到推動直接測繪並保存三維物件的適當時機，亦是本計畫提出三維數值基本地

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形圖的初衷。

內政部過去數年相關計畫主要著重三維地形、房屋及道路模型的建置、

轉換、更新與應用。表 1-1-1 詳列往年計畫之技術發展、應用項目及主要貢獻。經過多年來的研發，數位城市模型建置技術已趨於成熟。相對以往以現成圖資產製三維模型的角度，前(105)年與去(106)年度計畫著重三維地形圖資發展，探討三維房屋與道路模型作為三維數值基本地形圖主要基礎內容之可行性，並了解產、官、學界的需求，進而推廣國家基礎圖資和後端應用之可能性。在需求面上，人造物日益複雜，都市中將會有更多立體交叉物件，如圖 1-1-1 展示國內外複雜的人工建物。為有效利用都市土地，以及減少土地、建造物間的紛爭，三維地圖可解決一個位置對應複數個地上物的現象，亦呈現出三維地形基礎圖資於實務面的價值。

表 1-1-1、往年計畫摘要

年度 技術發展項目 應用項目 主要貢獻

100 1、建置三維地形、房屋、道路模型及其屬性

2、三維房屋模型精度驗證分析 3、工時及成本分析

展示三維房屋模型及其屬性

建立三維地形、OGC 房屋及道路模型建置技術基礎，但道路模型仍未考慮多尺度情形。

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101、102 1、發展三維房屋模型變遷偵測及更新技術

2、三維房屋模型更新效益分析 3、提出三維房屋模

型更新標準作業程序與手冊 4、發展多尺度道路

模型建置技術。

5、提升三維房屋及道路模型建置技術自動化程度及開發人機介面

1、以道路模型及空間分析輔助消防車派遣

2、開發三維防災地圖

針對三維房屋模型，以更新策略代替重測概念，希冀節省建置成本。

而道路模型方面，已發展多尺度建置技術。

103、104 1、發展建築等級模型與 OGC 三維房屋模型之轉換技術及驗證分析 2、發展近景攝影測

量建置室內模型技術

3、發展室內定位技術

1、室內定位技術應用研究 2、開發雲端建置 OGC LOD1 三維房屋模型系統

3、開發臺北車站導覽導航系統

不同往年以空間資料建置三維房屋模型，此利用現成建築等級模型直接轉換；沒有建築等級模型的地方，則以近景攝影測量技術建置之。

105 1、分析三維地形圖資技術發展與應用需求

2、發展三維地形基礎圖資技術 3、發展三維地籍圖

資技術

4、發展三維圖資災害管理應用技術

1、 LBS 試辦 - 停車位導航導覽

2、 AR 試辦-結合室內模型、管線與環景影像展示

發展建立三維數值地形圖所需的技術(包含大比例尺地形圖、地籍圖、

建物成果圖、牆面紋理影像、數值地形模型、數值地表模型、定位技術、適地性服務技術、擴增實境技術等)，提出相關作業程序、資料格式、相關系統、平台等規劃與建議。

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106 (延續)

1、三維地形圖資測製規範與應用需求評估

2、發展三維地形基礎圖資測製技術 3、三維地形圖資與

物聯網之整合及應用

三維地形圖資與物聯網之整合應用服務試辦 - 臺北市政府都發局與地政局辦公室

研擬國家三維製圖之發展策略，提出資料加值與直接製圖兩種策略，

並針對作業程序、自動化程度、品質及效率等進行分析。開發近景攝影測量密匹配點雲等資料精進 LOD1 模型，使其符合現狀；開發以光達點雲資料自動化或半自動化將 LOD1 模型提昇為 LOD2 等級房屋模型，包括平頂、山形、及斜頂屋等類別之房屋模型，並進行精度評估。探討開放式物聯網標準、物聯網標準之開放與介接等主題。

(a)複雜建築物: 京華城 (b)建物二樓走廊與平面道路重疊：Prague

(c)建物與道路立體交叉：日本 Gate Tower Building

(d)道路立體交叉範例：五楊高架路段

圖 1-1-1、複雜三維建物與道路

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本計畫目的為分析、精進三維地形圖資技術發展與應用需求，並研發三維地形基礎圖資測製技術，以及整合三維地形圖資與物聯網並進行應用服務試辦，以期推廣、加值三維地形圖資成果。在技術發展與應用方面，

本計畫工作包含：(1) 提出以三維網格模型及三維實體模型(3D Solid Model) 建置三維地形圖資核心類別(至少包括房屋及道路模型2項)模型建置之技術並分析前2項模型優缺點、適用範疇與發展潛力；(2) 提出精進三維地形圖資測製(至少包括房屋及道路模型2項)技術自動化程度或品質方案；(3) 由航空攝影俯視角度取得空間資料延續至由地面視角取得街景之影像資料及點雲資料，進而增加三維地形圖資核心類別(至少包括房屋及道路模型2項)模型之尺度資訊與建置效能；(4) 發展三維室內外模型與物聯網標準之整合平台與試辦。

在推動與評估方面，本計畫工作包含：(1)蒐集國內外三維地形圖資測製及其測製成果物件化、三維空間資料結構與編碼及三維地形資料庫等研究、技術文件及各國發展與應用情形並提出分析；(2) 依試辦結果研擬三維地形圖測製及檢核作業技術文件指引；(3) 於期末報告提出三維地形圖資之

「測製成果物件化、三維空間資料結構與編碼之策略與建議」與「測製技術之成本分析、應用領域及成果效益」；(4) 探討三維地形圖資測製中遭遇之困難或三維地形圖資技術發展需克服之問題並提出可能之解決方案；(5) 了解物聯網標準之開發與介接技術；(6) 配合內政部辦理106年度行政院災

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害防救應用科技方案(第2期)，協助災後快速製圖技術研發相關作業。透過本計畫的執行，不僅可以整合與強化國內三維地形圖資技術發展，落實科技紮根，對於三維地形圖資應用的推廣和人才培育等也有正面貢獻，進而提昇相關產業與國家整體的競爭力。

1.2計畫內容

本計畫為分年延續工作，今(107)年度為第三年，計畫目標是發展建立三維數值地形圖所需的技術，研擬並精進相關作業程序、文獻與技術文件分析蒐集、系統平台整合等等的規劃與建議。此外，也進行試辦區試作以及應用試辦。

1.2.1技術建立

計畫中整合各式空間資料及技術，包含大比例尺地形圖、數值地形模型、數值地表模型、光達或遙測影像點雲、物聯網介接等技術，發展三維地形圖資測製技術，並透過物聯網技術進行整合與應用。此外，本計畫亦針對發展之三維地形圖資與測製技術進行試辦作業，以突顯三維地形圖資技術發展之成效。

1.2.2試辦區試作

在國內選定 100 公頃以上區域，於內政部同意後，進行三維地形圖資

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建置試辦，試辦區宜涵蓋不同型態建物類型(如大廈、公寓、辦公大樓、學校等)。詳細請見 4.1 節。

1.2.3應用服務試辦

本計畫將針對三維地形圖資技術與發展，進行試辦應用作業，以提升三維地形基礎圖資測製技術之價值，應用試辦包括：(1)規劃三維地形基礎圖資測製試辦；(2)規劃三維室內外與物聯網標準之整合平台應用服務試辦。

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第二章背景分析

為因應全球都市人口快速增長，智慧城市是全球發展趨勢之一(Smart City Expo, 2014)。就複雜的城市運作而言，完整且優質的資訊，配合高效率視覺化環境，將對決策者提供最佳支援。由於都市的使用者對基礎設備及其提供的服務需求日趨急迫，國際間許多政府、組織、和企業均投入資源於智慧城市的發展，隨著新一代資通技術(Information and Communication Technologies, ICT)的發展與啟用，智慧城市亦將會是國家發展政策的主軸之一。

三維空間資訊是建置智慧城市不可或缺的重要基礎元素，為了提升都市規劃、設計、建設、及經營管理之效能，有必要於電腦系統中建置城市的基礎空間資訊。據此，一個重要決策之前，可進行模擬並檢視其成效，

再進行決策。為提升智慧城市的應用領域，建置高細緻度的空間資訊模型是一項必要的工作。

近年來，三維測量(3D surveying)及三維服務(3D services)的需求日益成長(POB, 2015)，其中三維地形測繪(3D topographic mapping)的需求成長達 69%，預估在 2020 年 3D mapping 及 3D modeling 的市場可達 169.9 億美元 (Marketsandmarkets, 2015)。就資料面而言，數值地形圖是國家空間資訊的基礎建設，亦是建置三維空間資訊的主要材料。因此，投入三維地形測繪

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為國家重要且必要的發展工作。

現有的大比例尺地形圖圖資產製程序中，多使用航空測量技術進行三度空間量測，以描繪地形圖目標物之三度空間關係。因產製程序之三維資料不易直接進行三度空間之加值處理，且受限於傳統二維紙圖/螢幕輸出之限制，地形圖以二維地形圖方式輸出為主。隨著科技的進步及應用需求，

有必要將地形圖之目標物立體化(Prechtel, 2015; Stoter and Salzmann, 2003)，

反應目標物真實的樣貌，因此必須發展三維地形基礎圖資之建置技術。

國際上三維測繪與應用服務目前方興未艾，與此領域相關的國際組織，

例如 FIG (Federation Internationale des Geometres)及 OGC (Open Geospatial Consortium)等，也積極的推動此一方面的發展與應用，並提出許多規範、

標準與其他相關文件。內政部自民國 95 年開始推動三維城市模型發展，陸續有計畫地逐步研擬數位城市的建置機制與規範、成本分析與實務應用。

先期研究計畫「三維數位城市模型先期建置工作」(內政部，2007)對三維房屋多重細緻度模型之建置及紋理貼圖進行技術研發，建立數位城市符合 OGC CityGML LOD1 及 LOD2 房屋模型的重建、紋理貼圖及動態瀏覽之技術，並研訂作業規範及標準格式(草案)。民國 100 年執行「多尺度三維數位城市技術規劃工作案」(內政部，2011)，針對不同建物型態區域，規劃多尺度三維房屋及道路模型之建置技術，整合各式空間資料，包括大比例尺數值地形圖、空載及近景數位影像、空載及地面光達點雲、數值地形模型、

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高解析衛星影像等。另探討各尺度模型建置及技術之工時及成本，並進行模型精度驗證分析。民國 101、102 年執行「三維城市模型技術發展與更新機制工作案」(內政部，2012；內政部，2013)，探討三維房屋模型更新效益及分析，加速城市模型與實際現況的同步一致性，降低資料維護成本與管理效益。另提升現有技術的自動化程度與人機介面系統，並建置標準作業程序與作業手冊。民國 103、104 年執行「三維城市模型與建築等級模型之整合機制工作案」(內政部，2014；內政部，2015)，探討建物資訊模型(Building Information Modeling, BIM) 轉換至 OGC (Open Geospatial Consortium) CityGML LOD1 至 4 的轉換機制，並建立標準作業流程與室內空間資料標準(IndoorGML)轉換技術。對於沒有 BIM 的室內場景，進行近景攝影測量(多重環景攝影)建置室內模型之先期研究。為了推廣三維城市模型建置技術的普及性與自動化程度，開發使用者圖形化網頁介面，並藉由上傳指定通用格式的地形圖透過網路建置 OGC CityGML LOD1 三維房屋模型。針對室內定位技術與室內外模型整合應用，調查與探討現有室內定位技術的原理並比較硬體設備。選擇適用於公共區域的行動裝置與定位技術為研發重點，

並整合試辦區室內外模型，開發行動裝置的擴增實境導覽與跨平台之室內外環景導航導覽介面。

綜觀歷年計畫，民國 102 年以前著重 LOD1~2 房屋(室外)及道路模型建置的技術研發，民國 103 年至民國 104 年重點在 BIM 模型轉換至 LOD1~4

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房屋(室內外)的技術研發。自前(105)年開始執行「三維地形圖資技術發展工作案」分年計畫(內政部，2016)，探討房屋與道路模型作為三維基本地形圖圖資之可行性，進行需求訪談以及整合資訊科技和物聯網技術，進而推廣國家基礎圖資和後端應用之可能性；民國 106 年為「三維地形圖資技術發展工作案」延續性計劃案(內政部，2017)，除了精進前(105)年度後續相關之研究，研擬三維地形圖資測製規範(草案)，分析三維地形基礎圖資建置策略並提昇建置自動化程度，研發以點雲資料輔助發展三維地形基礎圖資測製之技術，並進行可行性及精度評估，皆有利於提升三維地形圖資技術發展與推廣。

從國家空間資訊基礎建設的觀點出發，三維地形圖資將會是未來智慧城市建置與應用的基礎，也會對相關施政、產業、與民生應用產生極大的助益。而三維地形圖資技術的研發以及相關系統與應用的規劃、試辦與探討則是現階段必要的課題與工作。從上述相關背景分析可以得知，本計畫之急迫性、重要性與必要性。

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第三章工作項目

3.1工作項目

本團隊由國立中央大學太空及遙測研究中心、國立交通大學土木工程學系、及台灣世曦工程顧問股份有限公司地理空間資訊部所組成。107 年度計畫期程自簽約日次日起至 107 年 11 月 16 日止，分為三個期程完成下列七項工作，表 3-1-1 為各期程工作項目彙整，各項工作項目之說明如下。

一、工作計畫書：本團隊於簽約日次日起 30 日曆天內，就以下各項工作事項進行規劃並繳交「工作計畫書」。並應依工作計畫書核定方式（或更優）方式辦理相關工作，並依科技部規定之主要績效指標詳列本案產生之績效內容。

二、研擬並精進三維地形圖資測製技術

(一) 三維地形圖資測製文獻蒐集與分析。

(二) 研擬三維地形圖資核心類別測製技術。

(三) 提升三維地形圖資核心類別測製效率或品質。

(四) 增加三維地形圖資尺度資訊。

(五) 整合前三項技術試辦三維地形圖資測製。

(六) 配合內政部辦理 106 年度行政院災害防救應用科技方案(第 2 期)，

協助災後快速製圖技術研發相關作業。

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三、研擬三維地形圖資測製技術文件並提出應用領域與成本評估 (一) 研擬三維地形圖測製及檢核作業技術文件指引。

(二) 規劃三維地形資料庫發展策略。

(三) 三維地形圖資測製技術成本與分析。

(四) 三維地形圖資測製待克服之問題討論。

四、研發三維地形圖資與物聯網之整合及應用 (一) 物聯網標準之開發與介接技術。

(二) 開放式物聯網基礎建設之技術發展。

(三) 發展三維室內外模型與物聯網標準之整合平台。

五、研究成果發表、協助國際事務推動及技術交流

(一) 提送國內外期刊或研討會論文文稿至少 3 篇，且其中 1 篇需提送國際期刊（SCI/EI 等級）。

(二) 參與年度計畫成果發表活動：配合內政部舉辦空間測繪應用相關之年度計畫成果發表（含研討會方式）活動，就本案工作相關成果及研究議題，規劃辦理至少 3 小時議程（包含主持人、與談人、

主講人、議程題目與內容等），所需講者出席費由廠商負擔，至於活動主題、場地、日期與議程等細節，需適時配合內政部作業。

(三) 製作成果介紹短片：成果介紹影片長度約 3~5 分鐘，含中英文介紹，無須字幕。

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(四) 協助國際事務推動及技術交流:依內政部需求協助推動國際測量事務交流合作。

六、成果效益評估:

依據科技計畫績效管考平台（http://stprogram.stpi.narl.org.tw/）提供格式，配合內政部辦理本案計畫「科技發展計畫績效評估作業」自評作業需求，參考內政部提供之相關績效作業範本，填寫本案相關成果效益報告書、績效指標、佐證資料、政府科技發展計畫績效評估；另配合將本案各期資訊登載政府研究資訊系統（GRB,

https://www.grb.gov.tw/），且將登載結果繳附於各期工作成果，並適時接受諮詢。

七、工作會議:

廠商應自行定期召開工作會議，並適時接受諮詢。其中2次需邀請有三維地形圖資應用需求之產或官或學界之使用者至少2名(名單需先與內政部討論）參與交換意見，並作為後續應用方向或執行參考，所需費用由廠商負擔。

表 3-1-1、各期程工作項目彙整

工作項目第一期第二期第三期

一、工作計畫書與各期報告

完成工作計畫書繳交期中報告繳交期末報告

二、試辦區選定完成試辦區選定

(28)

15

工作項目第一期第二期第三期

三、研擬並精進三維地形圖資測製技術

1、研擬三維地形圖資核心類別測製技術，並分析此兩種模型之優缺點、適用範疇與發展潛力

2、蒐集國內外三維地形圖資測製文獻

3、三維彩帶式道路模型形塑

4、改良牆面通用紋理產製

1、提升牆面通用紋理自動化敷貼

2、透過影像與點雲資訊等輔助資料，增加模型之尺度資訊，亦或提升建置模型之效能

3、分析國內外三維地形圖資測製文獻

4、提升三維彩帶式道路模型細緻度

四、研擬三維地形圖資測製技術文件並提出應用領域與成本評估

蒐集三維地形圖測製及檢核作業技術文件資料

1、三維地形圖測製及檢核作業技術文件指引 2、規劃三維地形資料庫

發展策略

3、針對試辦區建置三維地形圖資，進行成本分析

4、探討三維地形圖資測製中遭遇之困難、或技術發展需克服之問題，並研究解決方案五、研發三維地形

圖資與物聯網之整合及應用

1、開發 OGC

SensorThings API 網路服務第二版實作雛形

2、提出基於 OGC

SensorThings API 標準之閘道器層與裝置層通訊協定

1、完成 OGC

SensorThings API 網路服務第二版實作

2、提出 OGC

SensorThings API 與 oneM2M 標準之整合方案

3、試辦三維室內外模型與物聯網標準整合之應用

六、成果發表投稿國內外期刊或研討會

論文文稿 1 篇

投稿國內外期刊或研討會論文文稿 2 篇(其中 1 篇須為 SCI/EI 等級國際期刊)

(29)

16

3.2工作期間及進度

表 3-2-1、預定工作進度表

項

次

工作項目 4

月 5 月

6 月

7 月

8 月

9 月

10 月

11 月

12 月

1 工作計畫書與各期報告工作計畫書

期中報告期末報告

2 研擬並精進三維地形圖資測製技術三維地形圖資測製文獻蒐集與分析研擬三維地形圖資核心類別測製技術提升三維地形圖資核心類別測製效率或品質

增加三維地形圖資尺度資訊

整合前三項技術試辦三維地形圖資測製配合內政部辦理 106 年度行政院災害防救應用科技方案(第 2 期)，協助災後快速製圖技術研發相關作業

3 研擬三維地形圖資測製技術文件並提出應用領域與成本評估

研擬三維地形圖測製及檢核作業技術文件指引

規劃三維地形資料庫發展策略三維地形圖資測製技術成本與分析三維地形圖資測製待克服之問題討論

(30)

17 項

次

工作項目 4

月 5 月

6 月

7 月

8 月

9 月

10 月

11 月

12 月

4 研發三維地形圖資與物聯網之整合及應用

物聯網標準之開發與介接技術

開放式物聯網基礎建設之技術發展

發展三維室內外模型與物聯網標準之整合平台

5 研究成果發表

提送國內外期刊或研討會論文文稿至少 3 篇，且其中 1 篇需提送國際期刊（SCI/EI 等級）

參與年度計畫成果發表活動製作成果介紹短片

協助國際事務推動及技術交流

3.3繳交成果及繳驗時程

3.3.1進度報告

每月定期舉行工作進度會議，討論前一個月工作要項、進度、遭遇困難、需協調事項等。本計畫工作進度會議紀錄經計畫主持人簽章後將附於各期報告內備查。

3.3.2期中報告及期末報告

本計畫之執行包含期中報告及期末報告，期中報告初稿於 107 年 6 月

(31)

18

15 日前繳交，期末報告初稿於 107 年 11 月 16 日前繳交，俟內政部指定期限內，依審查意見修正後於分別繳交期中報告及期末報告定稿。

3.3.3成果繳交格式、項目、日期及地點

一、成果繳交地點：內政部地政司。

二、工作計畫書、期中報告及期末報告，成果繳交格式：以 Microsoft WORD 格式編製，版面採用 A4 直式橫書、編目錄、章節、頁次、

並加封面裝訂成冊，電子檔含 Microsoft WORD 及 PDF 格式。

三、成果繳交項目及日期如表 3-3-3-1 所示。

表 3-3-3-1、成果繳交項目及日期

期別成果繳交項目及份數成果繳交期限

第 1 期「工作計畫書」書面資料 2 份及電子檔 1 份。

簽約日次日起 30 日曆天內。

第 2 期 1. 期中報告書初稿 10 份（包含本案各項工作預定繳交資料）。

2. 國內外期刊或研討會論文文稿 1 篇。

107 年 6 月 15 日前繳交。

左列各項書面資料初稿經審查後，廠商需於內政部指定期限內，繳交修正後期中報告定稿書面資料 3 份及其電子檔 1 份。

第 3 期 1. 期末報告書初稿 10 份（包含本案各項工作預定繳交資料）。

2. 國內外期刊或研討會論文文稿 2 篇。

107 年 11 月 16 日前繳交。

左列各項書面資料初稿經審查後，廠商需於內政部指定期限內，繳交修正後期末報告定稿書面資料 5 份及其電子檔 1 份。

(32)

19

第四章實施方法

4.1試辦區選定

本計畫選定臺北市小巨蛋與其附近區域為試辦區域，此區域面積約為 110 公頃。試辦區涵蓋範圍北以南京東路四段、南以忠孝東路四段、東以光復南路與光復北路、西以敦化北路與敦化南路為界，範圍如圖 4-1-1 所示。

預計使用圖資為千分之一地形圖(圖幅編號為 N4344 ~ N4346、N4444 ~ N4446)、正射影像、原始航照影像、數值地形模型(包含數值高程模型與數值地表模型)。試辦區範圍涵蓋不同型態建物類型(如住宅、辦公大樓、學校等)，在進行服務試辦時，亦有更多發展、應用空間。此外，試辦三維地形圖資測製所需之相關資料、申請證明文件如附件 D。

圖 4-1-1、試辦區範圍

(33)

20

針對試辦區內房屋模型，產製 LOD1 及 LOD2 房屋模型。LOD1 房屋模型部分，主要透過千分之一地形圖進行產製，房屋高度以每層樓 3.3 公尺為參考值(即樓層數*3.3 公尺)。試辦區涵蓋 6 幅圖幅，透過線上系統自動將千分之一地形圖轉檔為 kml 格式，每幅圖幅耗時皆在 5 分鐘之內，LOD1 房屋模型成果如圖 4-1-2 所示，紅色區域為本次試辦區範圍，綠色積木式模型為 LOD1 房屋模型。圖 4-1-2(a)為大範圍展示 LOD1 房屋模型，圖 4-1-2(b) 為近距離視角。

(a) LOD1 房屋模型-全區

(b) LOD1 房屋模型-近距離

圖 4-1-2、試辦區 LOD1 房屋模型

(34)

21

LOD2 房屋模型部分，針對面臨道路 20 公尺之房屋進行 LOD2 房屋建模，此部分模型牆面敷貼真實紋理影像，其餘牆面則敷貼通用紋理影像。

試辦區 20 公尺道路如圖 4-1-3 所示，黃色區域為試辦區域，藍色線段為 20 公尺道路(亦為拍攝路段)。拍攝影像部分成果如圖 4-1-4 所示，牆面貼圖成果如圖 4-1-5 所示。

圖 4-1-3、試辦區 20 公尺道路資訊

圖 4-1-4、試辦區 20 公尺道路近景影像部分拍攝成果

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22 (a) 臺北市大安區忠孝東路 179 號 (b) 臺北市大區忠孝東路四段 329 號

(c) 臺北市大安區敦化南路一段 179 號 (d) 臺北市松山區市民大道四段 213 號

(e) 臺北市松山區八德路三段 10 號 (f) 臺北市松山區八德路三段 132 號

圖 4-1-5、LOD2 牆面紋理成果

(36)

23

4.2研擬並精進三維地形圖資測製技術

4.2.1三維地形圖資測製文獻蒐集與分析

本項工作蒐集國內外三維地形圖資測製之相關規範文獻，本年度工作重點為各國三維地形圖技術文件之文獻蒐集與分析，核心分析工項為三維地形圖之測製方法、三維地形圖之測製成果物件化、三維地形圖之資料結構、三維地形圖之編碼、三維地形圖之資料庫等。

受限於各國採用的不同語言及技術文件的公開性，本次報告蒐集之各國三維地形圖技術文件包含新加坡 3D National Map (Singapore Land Authority, 2013)、香港 3D Spatial Data(Hong Kong Land Department, 2012)、

瑞士的 swissTLM3D(Schmassmann 2010)、荷蘭的 IMGeo (Information Model Geography) (Geonovum, 2017)技術文件。

一、三維地形圖之測製方法：建置三維地形圖的主要方式是使用二維地形圖延伸至三維地形圖，例如芬蘭對原本的 National Topographic Database (NTDB)擴充建立三維地形圖；荷蘭對原本的 2D IMGEO 擴充建立三維地形圖 3D IMGEO；瑞士對 2D 產品 swissTLM 等擴充建立 swissTLM^3D等三維產品。雖然香港的 3D Spatial Data 不必然從二維資料產生，但仍使用千分之一分幅管理。因此，國家是三維地形圖測製方法主要使用現有二維圖資進行三維化，也就是使用網格式數值

(37)

24

高程模型或光達三維點雲提供高程資訊給現有二維圖資，採用自動化形塑演算法，以滿足大範圍三維地形圖產質的需求(Elberink et al., 2013)。

另一個應重視的重要發展為深度學習(Deep Learning)於自動化三維建模的發展，例如 DigitalGlobe 採用大量高解析衛星影像(如 30cm WorldView-3)及數值地表模型(如 50cm Vricon 3D surface model)，以 AWS 雲端運算自動化建置全美國的房屋輪廓封閉多邊形 (Ecopia Building Footprints 產品)，雖然產品的水平精度約為 4 公尺(90% circle error)，但可大範圍且全自動化重建。

二、三維地形圖之測製成果物件化：三維地形圖應包含地下物、地表物、

地上物等不同尺度的不同物件（核心類別），可依不同方式對三維地形圖進行分類：

第一個方式，使用 CityGML 的 Thematic Model，核心類別為 Relief, Building, Transportation, Bridge, Tunnel,CityFurniture, Vegetation, WaterBody Modules 等(Soon and Khoo, 2017)，瑞士的三維地形圖產品即採用這種分類方式，每一個類別是各自獨立的產品，只針對需求較高的二維產品進行三維化，不需要將所有二維產品三維化。

第二個方式，使用 CityGML 的細緻度(Level-of-details)，可分類為 LOD0, LOD1, LOD2 等(Geonovum, 2017)，將相同尺度的物件依細緻度合併在

(38)

25

同一產品中，第二個方式仍包含第一個方式的主題模型，例如 LOD0 產品應包含 2.5D 地形、2.5D 交通區域、2.5D 水體區域、2.5D 房屋地面輪廓等；LOD1 產品均使用平頂量體模型(Solid Model)表示，例如平頂房屋、橋樑橋面、立方體隧道、平頂植物域等；LOD2 產品則是具有頂部幾何形狀的模型。這個方式的精神類似比例尺的概念，不同尺度的物件不會混在一起，但是不同細緻度著重在三維的差異，不同細緻度的二維幾何仍要一致，例如 LOD0、LOD1 及 LOD2 的房屋模型的二維輪廓要一致。此一繼承的概念也適用於精度，如 LOD0 二維房屋輪廓來自二維地形圖，因此 LOD0 二維房屋輪廓應繼承二維地形圖的精度要求，同理 LOD1 也應滿足 LOD0 的精度要求。

三、三維地形圖之資料結構：現今三維地形圖之資料結構主要採用 OGC CityGML 標準(Stoter et al., 2001)，多數國家都使用 CityGML，對於

CityGML 不足的地方，則是使用 Application Domain Extension (ADE) 擴充，例如荷蘭 3D IMGEO-CityGML。採用 CityGML 的主要優點是滿足易於交換的 OGC Open Standard，且定義豐富的語義標籤。

CityGML 現已發展至 2.0 版，有越來越多的軟體支援此格式，提供更好的資料使用環境。

由於 CityGML 採用 GML 為基礎，GML 的檔案通常都較大且複雜，

因此發展了以 JSON 為基礎的 CityJSON，以克服另一個檔案大小的

(39)

26

問題。CityJSON 的目標是提供 CityGML 的 GML 編碼的替代方案，。

CityJSON 是一種使用 JavaScript Object Notation（JSON）編碼 CityGML 資料模型（版本 2.0.0）的格式。CityJSON 文件表示城市的幾何和語義特徵，例如建築物，道路，河流，植被和城市家具等。CityJSON 旨在易於使用，可用於讀取及寫入資料，因此可以快速構建對應的工具和 API。CityJSON 目前為 v0.8 版，即延續了 CityGML 的語義又提升了資料讀寫的便利性，是一個具有發展潛力的資料結構。

四、三維地形圖之編碼： CityGML 對不同物件類別的編碼可參考 http://www.sig3d.de/codelists/standard/，雖然 CityGML 提供大量的物件編碼，但各國已有特定圖層編碼對應不同圖徵，無法直接與 CityGML 的 codelist 對應，必須建立現在編碼與 CityGML Codelist 的對照表，為一重大工程。

五、三維地形圖之資料庫：三維地形圖可使用各類不同資料庫(Database Management System, DBMS)，本計畫主要在探討支援 CityGML 的資料庫，現有支援 CityGML 的資料庫包含 GeoRocket(https://georocket.io) 及 3D City Database(http://www.3dcitydb.org)，GeoRocket 可支援多種資料格式(例如 CityGML、GML、GeoJSON 等)，用於高性能的空間數據存取，並可應用於雲端服務。3D City Database 是一個開放空間資料庫，

用於三維城市模型在標準空間資料庫（PostGIS 和 Oracle）的存儲、展

(40)

27

示和管理，現已有許多實作案例。3D City Database 的主要功能是定義 CityGML 幾何及語義的 schema，以便使用者將 CityGML 匯入及匯出空間資料庫，一方面有效管理 CityGML 資料，另一個優點是採用空間資料庫中進行空間分析功能，加強 CityGML 的分析應用。

4.2.2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)

(41)

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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(暫不論模型品質)，可以考慮使用網格模型，但若是想建置出高品質的模型(可近距離觀看)，且後續要能針對模型、屬性資訊進行應用，現階段的網格模型則不一定適合。使用網格模型之時機，建議在非都市區、

無千分之一地形圖資之區域、有快速且大範圍建置需求或地形地貌較

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特殊之地區等。由於 OGC i3s 是一個以 scene layer 為基礎的格式，適用於 Integrated Mesh，具有很好的三維資料展示效能，因此網格模型格式標準建議參考 OGC i3s 規範。目前較常被用來線上展示網格模型(電腦、手機可直接瀏覽)的網站為 Sketchfab (https://sketchfab.com/)，但前提是必須先將資料上傳至 Sketchfab 網站上才能瀏覽模型。現今已有許多軟體支援利用影像建立網格模型的功能，如付費軟體： PhotoScan(Agisoft)、Pix4D mapper(Pix4D)、ContextCapture (Bently)等，

比較如表 4-2-2-1；免費軟體：透過 VisualSFM 產生影像點雲，再搭配 MeshLab 建置網格模型等。這些軟體的出現降低建置網格模型的門檻，

進而提高網格模型的使用率。

表 4-2-2-1、影像建模軟體比較

Pix4D mapper PhotoScan ContextCapture 輸出格式 GeoTiff、OBJ、

LAX、XYZ 等

OBJ、PLY、VRML、DAE、

FBX、3DS、PDF 等

3MX、I3S、OBJ、FBX、

STL、DAE、OSGB、

Cesium 等人工操作自動化高，

成果錯誤率略高

自動化高，

成果錯誤率中

自動化高，

成果錯誤率低模型精細

程度中中高

人工修復

處理工作高中低

ii. 三維實體模型(3D Solid Model)：

建置實體模型資料來源為二維地形圖。優點部分，LOD1 房屋模型

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39

部分，已有自動化建置 LOD1 房屋模型之技術，且模型之輪廓精度準確；若要求屋頂之精度，則可透過人工將 LOD1 房屋模型提升為 LOD2 房屋模型。實體模型為針對屋角點等輪廓進行建置，幾何敘述部分較單純，即檔案較小。由於在繪製二維地形圖之各物件時，可針對各物件進行圖層式的分類，故建置模型時，可針對不同圖層進行三維實體模型之建置，甚至重複性高之物體可用物件化的方式直接產製；加上各物件具有豐富的屬性資訊，在建置的過程中能保留屬性資訊，或透過 ArcGIS 等軟體進行屬性加值分析，最後將模型與屬性進行連結。

缺點部分，由於資料來源為二維地形圖，在現有的技術下，若無地形之圖資則無法自動產製模型；若圖資過舊，則需進行重測、變遷偵測等處理。必須明確規範定義從二維數值地形圖建置三維數值地形圖標準，在建置、展示三維實體模型才能有所依據。若無地形圖資或參考圖資，則需重新測製以建置實體模型。目前只支援 LOD1 模型自動化建置，LOD2 模型以上之層級仍需人工介入處理。

適用範疇與發展潛力部分，由於 OGC CityGML 已定義出模型之標準、架構等規範，在建置模型時參考規範作為建置依據，也可根據模型外觀之細緻度分層級(LOD 概念)建置模型。由於 OGC CityGML 主要為定義三維向量式模型，並以 GML 為基礎，具有豐富且詳盡的標籤資訊，適用於資料交換，因此模型標準可參考 OGC CityGML 規範。使

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用實體模型之時機，建議以都市區為主，再根據使用需求依層級建置對應之模型。由於建置之模型有規範可供參照，因此不同細緻度之模型間之轉換展示則不會太顯突兀，對於室內外模型之應用也較適合。

目前可透過 Google Earth Enterprise(GEE)、Cesium 等平台進行線上展示實體模型。綜合以上論述，將兩種模型以列表方式進行比較，如表 4-2-2 所示。

表 4-2-2-2、網格模型與實體模型比較表

網格模型 實體模型

來源資料空載、地面影像或點雲資訊等二維地形圖優點 1.資料取得便利

2.適用於複雜的幾何形態 3.具有高細緻的呈現效果

4.多套軟體支援影像建模，大幅降低建模門檻

1.可自動化快速建置 LOD1 房屋模型 2.模型輪廓精度準確

3.模型幾何敘述較單純(檔案 size 小) 4.具有模型細緻度分級規範

缺點 1.無法進行圖層分類 2.無物件化概念 3.缺乏屬性資訊

4.若影像資訊不全，模型品質會較差

5.需調整來源影像之色調、亮度等，模型外觀才有一致性

6.模型由網格組成(檔案 size 大)

1.需要二維地形圖才能進行模型建置 2.LOD2 以上之模型無快速建模技術 3.必須明確規範定義從二維數值地形

圖建置三維數值地形圖標準

線上展示平台 Sketchfab Google Earth Enterprise 、 Cesium 、 Unity3D 等

適用範疇與發展潛力

1.適合非都市區建置模型 2.地形地貌較特殊區域

3.模型可參照 OGC i3s 規範，以提升展示效能

1.適合都市區建置模型 2.室內外應用較連貫

3.模型可參照 OGC CityGML 規範，以利資料交換

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4.2.3提升三維地形圖資核心類別測製效率或品質

本項工作為針對 4.2.2 節中提出之核心圖資(包括房屋及道路模型)測製技術進行精進，精進的方向為：(1)提升房屋紋理細節、及(2)三維道路模型重建的精進。

一、提升房屋紋理細節(通用紋理品質)

本項工作主要任務為建置一個可提升房屋紋理品質之程序圖 4-2-3-1 為改良版通用紋理流程圖。詳細步驟如下：

圖 4-2-3-1、改良版通用紋理流程圖

i. LOD2 房屋模型：圖資來源為 4.1 節產製之試辦區房屋模型。

ii. 房屋屬性與街景測站分析：本步驟主要是藉由(1)將房屋內部的多邊形做溶解處理(如圖 4-2-3-2)，濾除雜點降低測站搜尋的資料量；(2)分析 LOD2 房屋模型的房屋屬性資料，計算房屋屋角點坐標(圖 4-2-3-3)；

(3)計算試辦區域內各方位牆面中心點坐標(如圖 4-2-3-4)等三個部分的前處理，取得位置參數，最後使用 Google Street View Image API 的

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中繼資料功能(輸入位置參數)，查詢特定位置附近是否有測站資訊，

圖 4-2-3-5 為查詢後的測試區測站分布。

(a)內部的多邊形溶解前之示意圖 (b)內部的多邊形溶解後之示意圖

圖 4-2-3-2、房屋內部的多邊形之溶解處理

圖 4-2-3-3、房屋牆面臨界值分布圖

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圖 4-2-3-4、房屋牆面中心點示意圖

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圖 4-2-3-5、試辦區測站搜尋成果

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iii. 下載街景影像：本步驟流程包含下列二個部分：

(1) 在 Google Street View Image API 透過輸入 HTTP 要求的 URL 參數，查看 Google 街景車與第三者在街道提供的街景影像。

(2) 取得測站與牆面之方位角(Heading):利用測站到牆面中心點位置與正北方向取得的影像都為傾斜影像，為了盡可能從測站取得建物正面影像，

首先計算測站到房屋牆面的投影點，再計算測站到投影點與正北的角度為方位角，如圖 4-2-3-6 所示。另外假設影像傾角(Pitch)與視角(Field Of View, FOV) 分別為 0°和 120°，使用 Google Street View Image API 取得街景影像。

以測試案例而言，牆面 ID1 可找到最近的測站為測站 ID2，經由 Google Street View Image API 輸入 HTTP 要求的 URL 參數，取得街景影像，如圖 4-2-3-7(d) 所示。

(a)測站到牆面投影點 (b)計算正北與測站到牆面投影點的方位角

圖 4-2-3-6、取得測站與牆面之方位角示意圖

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46 (a)試辦區中的測試案例(粉紅色區塊) (b)世界大樓示意圖

(c)世界大樓原始影像 (d)街景影像下載的成果

圖 4-2-3-7、街景影像下載之測試案例

iv. 影像分析：本步驟主要流程為(1)計算房屋角點在街景影像之坐標；(2) 感興趣區域。步驟流程說明如下：

(1)計算房屋角點在街景影像之坐標：關於房屋角點在街景影像中的坐標，

以攝影測量中的共線條件方程式取得影像的坐標，圖 4-2-3-8 為三點共線示意圖。共線條件方程式起初推導源自式(4.2.3.1)，利用已知測站(Station)坐

期末報告(定稿)

內政部

107年度

三維地形圖資技術發展工作案

期末報告(定稿)

主辦單位：內政部

執行單位：國立中央大學太空及遙測研究中心 國立交通大學土木工程學系

台灣世曦工程顧問股份有限公司

計畫期程：自 107 年 3 月 31 日至 107 年 11 月 16 日

摘要

Abstract

目錄

圖目錄

表目錄

第一章前言

第二章背景分析

第三章工作項目

第四章實施方法

執行單位：國立中央大學太空及遙測研究中心國立交通大學土木工程學系