• 沒有找到結果。

中 華 大 學

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "中 華 大 學"

Copied!
128
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

中 華 大 學 碩 士 論 文

題目:三維擬真校園建置績效之研究

系 所 別:土木與工程資訊學系碩士班 學號姓名:M09404034 陳建凱 指導教授:邱垂德 博 士

中華民國 九十六 年 七 月

(2)
(3)
(4)
(5)
(6)

誌謝

由衷感謝恩師 邱垂德教授於學生求學期間的悉心教導,並於論 文研究期間給于學術上的指導與建議。在求學及研究過程中常常遇到 很多問題,而「研究生要有面對問題與解決問題的能力」這句話,真 的讓學生在這兩年來學習到很多,不僅養成獨立思考的能力,更獲得 許多寶貴的處世待人經驗,僅此致上最誠摯的敬意與祝福。

同時,感謝 黃怡碩教授與 李麗雪教授於百忙之中撥空蒞臨指 導,使本文疏漏之處得以斧正,也給于寶貴的意見使學生論文更加詳 實與完備,在此由衷的感激並致上最誠摯的謝意。

於論文研究期間,感謝台灣世曦地理資訊部的管長青協理、鄭宏 逵副理、林耀宗組長及各工程師在專業領域的熱心指教,讓論文研究 得以順利完成,同時也感謝仲琦科技的建民兄與宏遠儀器有限公司的 阮筱雯小姐,在軟硬體技術上的協助,在此一 致上最高的謝意。另 外,感謝同窗好友楷霖、毓翰、俊奇、奕祥、美雯及君瑋在課業上相 互支持與鼓勵;學弟偉鈞、偉成、福民及政雄在研究過程中的大力協 助,在此一 獻上千萬分感謝。

最後感謝我最親愛的家人與一直在身旁陪伴的達筠,由於您們對 我的關愛與包容,給我支持鼓勵,讓我在人生的道路上倍感溫馨,對 我而言,您們都是我心裡最重要也是最愛的人,在此致上我最深的謝 意,感謝您們一直以來的付出與支持。

陳建凱 謹誌於中華大學土木所

(7)

中文摘要

三維城市模型的建置為目前空間資訊發展的重點所在,藉由系 統資訊中複製真實城市的空間資訊及相關屬性資料,不僅提升都市規 劃、建設及管理效率,並可應用於相關領域的研究分析上,作為人們 決策的工具。隨著建模技術的發展,三維城市模型的建置也更加多 元,但對於模型資料的精細程度、實際現況的表達及透過電腦模擬於 視覺上的感受,因建置方法及資料來源的不同而有所影響。

本研究以中華大學為測試區,蒐集此區地面解析度 20cm × 20cm 及 40cm × 40cm 的 航 照 影 像,透過航空攝影測量技術以影 像自動匹配及人工量測繪製的方式製作數值高程模型,並搭配正射 影像產生三維地形模型,建物方面則利用航測及三維製圖技術進行 三維建物的重建,並配合紋理的敷貼產生三維建物模型。從建置作 業中比較各種製作方法所需的技術,再將各種建置成果以動態影片 展示,並請平時生活在測試區內的人對各種建置成果給予評分,最 終依各種建置成果的評分、所需人力、資源及技術加以探討與闡 釋,試圖找出建置三維擬真校園最有績效的方法。

研究結果顯示,在建置過程中需花費大量的人力資源在三維建 物模型的製作上,而利用航測技術進行三維建物的重建可比三維製 圖技術節省約六倍的人力使用,三維地形模型製作以影像自動匹配 後再加以編修的方法較具效率,另外較高解析度的航照影像對於三維 擬真校園也有較佳的建置成果及績效表現,根據本研究的作業流程及 方法,可作為往後三維擬真城市建模之參考。

關鍵詞:三維成市模型、航空攝影測量、航照影像、績效評估

(8)

Abstract

The main focus of this research is the usage and implementation of information of an area to the construction of three dimensional city models. But in accordance to model information and quality, the feel of the actual representations and computer models differ because they use different sources for information and procedures to create.

Using Chung Hua University as our testing grounds, the resolutions of the aerial photos taken were 20 cm x 20 cm and 40 cm x 40 cm. Through the process of aerial photogrammetry, both automated and manual calibrations were used to create high resolution models. Creating three dimensional models through the use of aerial calculations and three dimensional drawing skills, in accordance to the detail in creating the models, also added photographs to aid in authenticity. After building a model, the model is put into a movie clip for display, and is finally shown to people who regularly live in the tested area to review it and give a general consensus of the authenticity of the model. In the areas of the final score, required manpower, resources and skill required in producing the product, these will find the best way to produce realistic three dimensional models.

The results of the testing show a large amount of manpower was needed in the creation of the three dimensional models. Aerial photogrammetry requires six times as much man power to use than three dimensional modeling skills. Creating three dimensional models and then using automated calibrations to further fix the model proved to be much more efficient. Although, using aerial photogrammetry to create three dimensional models proved to have better reactions than others. It can be concluded from the research that each method and application of creating three dimensional models proves to be fruitful which can be used by later researchers for reference.

Key Word:Three-Dimension City Model, Aerial Photogrammetry, Aerial Image, Performance

(9)

目錄

誌謝... I 中文摘要...II Abstract ...III 目錄... IV 表目錄...VIII 圖目錄... IX

第一章 緒論...1

1-1 研究背景 ...1

1-2 研究動機 ...1

1-3 研究目的 ...2

1-4 研究流程 ...3

第二章 文獻回顧 ...5

2-1 三維城市模型建置 ...5

2-1-1 三維城市模型建置與關鍵技術 ...5

2-1-2 三維城市模型的建置內容 ...8

2-1-3 三維城市模型的建置方法 ...9

2-1-4 三維城市模型建置之相關研究 ...11

2-2 航空攝影測量技術 ...13

2-2-1 遙感探測技術與航空攝影測量...13

2-2-2 航空攝影測量基本原理...16

2-2-3 航空攝影測量於三維城市建模之應用 ...22

(10)

2-3 地形及建物模型製作方法...24

2-3-1 數值地形模型的來源...24

2-3-2 數值地形模型的取得方式...26

2-3-3 三維建物模型製作方法...29

2-3-4 三維景觀之影像紋理敷貼...30

2-4 三維景觀之視覺化與電腦視覺模擬...33

2-4-1 三維景觀之視覺化...33

2-4-2 電腦視覺模擬...34

2-4-3 景觀評估...37

第三章 研究方法 ...39

3-1 研究內容與方法流程 ...39

3-1-1 實驗區選定...39

3-1-2 軟硬體資源使用...40

3-1-3 航照影像與建物資料來源...42

3-1-4 研究方法與流程...43

3-2 三維地形模型製作方法...46

3-2-1 三維地形模型製作流程...46

3-2-2 影像自動匹配製作方法...48

3-2-3 人工量測繪製方法...50

3-2-4 地面紋理影像製作...52

3-3 三 建物模型製作及三維校園模型整合方法...53

3-3-1 航空攝影測量製作方法...53

(11)

3-3-2 三維繪圖軟體製作建物模型的方法 ...55

3-3-3 建物影像萃取與紋理敷貼...57

3-3-4 三維校園模型整合方法...62

3-5 三維擬真校園建置績效之評估方法...62

3-5-1 人力使用評估方法...63

3-5-2 軟硬體資源使用及建置技術評估方法 ...64

3-5-3 建置成果評分方法...65

第四章 實驗成果及分析 ...68

4-1 實驗區介紹 ...68

4-1-1 地理環境及校區介紹...68

4-1-2 實驗區建置範圍介紹...70

4-1-3 實驗區數值環境及整合設定...72

4-2 建置作業探討 ...73

4-2-1 三維地形模型製作探討...73

4-2-2 三維建物模型製作探討...75

4-2-3 航照影像解析度之影響探討...76

4-2-4 系統整合探討...78

4-3 建置成果展示 ...79

4-3-1 三維地形模型製作成果...79

4-3-2 三維建物模型製作成果...84

4-3-3 三維擬真校園建置成果...86

4-4 建置績效評估 ...93

(12)

4-4-1 人力使用記錄...93

4-4-2 軟硬體資源使用及所需技術評估...96

4-4-3 三維擬真校園建置成果之評分結果 ...100

4-4-4 三維擬真校園建置績效評估...101

第五章 結論與建議 ...105

5-1 結論 ...105

5-2 建議 ...107

參考文獻...108

附錄一、三維擬真校園建置成果問卷調查表...111

附錄二、三維擬真校園建置成果問卷調查結果...112

附錄三、問卷調查之統計分析結果...113

(13)

表目錄

表2-1 不同電腦模擬方法之比較表...36

表3-1 軟體資源介紹 ...41

表3-2 硬體資源介紹 ...42

表3-3 航照影像與建物資料說明及來源...43

表3-4 三維擬真校園建置需用人力項目表...64

表3-5 建置作業所需的資源及技術評估項目表...65

表4-1 中華大學校區建物分類表...71

表4-2 三維擬真校園建置內容說明表...87

表4-3 三維擬真校園建置成果說明表...87

表4-4 三維地形模型製作所需人力使用記錄表...93

表4-5 三維建物模型製作所需人力使用記錄表...95

表4-6 三維擬真校園其它建置作業所需人力評估表...96

表4-7 三 維 地 形 模 型 製作所需資源及相關技術評估表...97

表4-8 三 維 建 物 模 型 製作所需資源及相關技術評估表...98

表4-9 三 維 景 觀 模 型 製作及系統整合所需資源紀錄表...99

表4-10 問卷調查流程及時間表 ...100

表4-11 三維擬真校園建置成果評分表 ...100

表4-12 三維擬真校園建置績效評估表...102

(14)

圖目錄

圖2-1 中央大學三 維 數 碼 校 園 示 意 圖 ...12

圖2-2 中興大學三維校園景觀模型示意圖...12

圖2-3 立德管理學院之三維校園環境模擬示意圖...13

圖2-4 透視投影與正射投影 ...17

圖2-5 ω-φ-κ 外方位...18

圖2-6 立體觀察之視差角 ...20

圖2-7 浮測標之原理示意圖 ...22

圖2-8 以航空攝影測量製作數值地形模型流程圖...27

圖2-9 以空載雷射掃瞄方式製作數值地形模型流程圖...28

圖3-1 三維擬真校園模型建置績效之研究流程圖...45

圖3-2 三維地形模型製作流程圖...48

圖3-3 影像自動匹配再以人工編修的 DEM 製作流程圖...50

圖3-4 立體像對以人工測繪 DEM 製作流程圖...52

圖3-5 以航空攝影建置三維建物模型流程圖...55

圖3-6 以三維繪圖軟體建置三維建物模流程圖...56

圖3-7 紋理遮蔽處理前後比較圖...58

圖3-8 紋理光影處理前後比較圖...59

圖3-9 空間關係示意圖 ...59

圖3-10 三 正向貼圖示意圖 ...60

圖3-11 影像材質的製作示意圖 ...61

圖3-12 三維擬真校園建置績效評估流程圖...63

圖3-13 建置成果評分流程如圖 ...66

圖4-1 中華大學校區平面圖 ...68

圖4-2 航照圖套疊等高線之地形示意圖...69

(15)

圖4-3 三維地形模型製作範圍 ...70

圖4-4 共同三維景觀及次要建物模型示意圖...72

圖4-5 人工量測繪製之數值高程模型製作成果圖...80

圖4-6 影像自動匹配方法產生之數值高程模型製作成果圖...81

圖4-7 地面紋理影像製作成果圖...82

圖4-8 影像解析度 20cm × 20cm 三維地形模型製作成果...83

圖4-9 影像解析度 40cm × 40cm 三維地形模型製作成果...83

圖4-10 以航空攝影測量方式製作之三維建物模型成果...85

圖4-11 以三維繪圖軟體製作之三維建物模型成果...86

圖4-12 三維擬真校園建置成果俯視圖...88

圖4-13 三維擬真校園建置成果圖-以校門口為例...89

圖4-14 三維擬真校園建置成果圖-以工程一館為例...90

圖4-15 三維擬真校園建置成果圖-以學生活動中心為例 ...91

圖4-16 三維擬真校園建置成果圖-以操場及停車場為例 ...92

(16)

第一章 緒論

1-1 研究背景

隨著科技的進步,空間資訊的表達從傳統二維圖紙的平面表 達,演進到二維數值的電腦視窗平台展示。數值式的圖資比起傳統 紙圖具有更多的優點,不僅容易更新、呈現的方式與應用的領域及 用途也更加多樣。因此,數值式的圖資使用也日漸普及,無論一般 的生活使用(衛星導航、電子地圖)或專業領域的使用(設計藍圖、施 工圖說),都因為數值式的圖資而更加便利。

由於二維的資訊表達能力有限且逐漸不能滿足現代需求,因此 三維空間資訊的表達儼然成為現今的發展趨勢。三維城市模型的建 置為目前空間資訊發展的重點所在,透過三維城市模型的建置,模 擬真實三度空間之場景,產生三維視覺化的效果,大幅提高人類的 視覺感受,並更完整地表達出實際的空間資訊。此外,三維城市模 型包含各式地表及地物的數值資訊,亦將地表形態及覆蓋於地表的 自然物體或人類活動設施建構於其中,透過互動式視景的擬真環 境,不僅可將其內容完整地表達,亦能作為空間分析、應用與決策 的工具。

1-2 研究動機

隨著電腦科技的發展以及對空間資訊表達的要求,數碼城市 的建立已成為近年來各界所注視的重點。數碼城市是於系統資訊中 複製真實城市的空間資訊及相關屬性資料,藉此提升都市的規劃、

建設及管理效率,並可應用於城市導覽、災害防治模擬及相關領域

(17)

的分析研究。結合遙測、航測、地理資訊系統、影像處理和電腦等 技術所建立之虛擬或類比城市,具有空間實體的特性和明確的空間 關係,再經由屬性資料的建立,可應用在資源管理、災害防治、都 市規劃與工程建設等領域上。數碼城市建立的過程,最為關鍵的內 容在於三維視覺化的地理空間模型建置,其中包括空間資料的獲 取、編輯、處理,以及三維空間實體的模型建立、影像資訊與重現 方法等。而數碼城市除了城市模型外亦包含其他的生活資訊,例如 交通、通訊、購物、旅遊等等,透過這些資訊的建立能使數碼城市 的應用更為廣泛。

三維城市模型(Three-Dimension City Models)為建構數碼城市 主要的核心所在,在空間資訊領域中,被視為一個重要的研究課 題,且提供的應用範圍相當廣泛,無論在都市規劃、景觀設計、環 境評估或土木工程的應用上,都可透過數值式的三維空間資訊,以 電腦視覺模擬的方式加以表達。基於三維城市建模的重要性及其廣 泛的應用領域,本研究嘗試將其建模概念套用在擬真校園的建置 上,以期建立一套三維擬真校園的建置流程。

1-3 研究目的

三維城市模型的建置,內容包含數值地形模型製作、建築物之 三維重建、三維景觀重建、影像獲取及紋理敷貼等工作。隨著半自 動化或自動化的建模方式出現,數值地形模型與三維建物模型已經 可以大量的生產,並提供給各界使用。不過在模型的精細程度、實 際現況的表達及透過電腦模擬於視覺上的感受,可能因建置方法及 資料來源的不同對模型的擬真程度有所影響。本研究以中華大學為 測試區,蒐集此區之航照影像與相關圖資,透過航空攝影測量技術

(18)

與三維製圖技術,建構三維擬真校園,並對其中可能遭遇的問題做 相關探討。本研究之主要目的可歸納如下:

1、 藉由三維擬真校園的建置實作,比較不同建置方法之差異,並 依模型品質與建模效率,提出一套較佳的建模流程。

2、 比較並探討不同建置方法在 3D 場景表現、資源耗費、三維幾 何特徵與紋理獲取方法之差異,以作為三維城市建模的參考。

3、 利用像片紋理鑲嵌於三維模型上,使其數位化資料的表現更符 合人類的視覺與直覺,期望在數值三維空間環境中,可得到較 以往傳統顯示為佳的效果。

4、 藉由三維校園模型之建立,提供後續數碼校園的發展基礎,進 而擴大到空間資訊的應用領域上。

1-4 研究流程

本研究經由國內外相關文獻的蒐集,瞭解三維城市建模的內 容、航空攝影測量技術的應用方法與電腦模擬視覺化的相關資料,

針對本測試區進行三維擬真校園的建置研究,從中找出一套較佳的 建模流程並對過程中可能遭遇的問題加以探討,最後依研究結果提 出結論與建議,進行流程如圖1-1 所示。

(19)

圖1-1 本研究之流程圖

(20)

第二章 文獻回顧

將一個城市或某一區域的地理空間數據製作成三維可視化的地 理資訊系統,在現今有著非常重要的意義。應用攝影測量的技術取得 實際的地理空間數據及紋理影像,加上擬真技術的應用展現建物及地 貌的三維可視化,並且充分利用電腦相關軟體的發展在系統中建立地 物屬性查詢、統計及分析等功能,這些系統建立技術為GIS 領域的發 展及研究重點[1]。本研究之文獻回顧整理,依 GIS 發展的重點及三 維擬真建模的技術,分為三維城市模型建置、航空攝影測量技術、地 形及建物模型製作方法及三維景觀之視覺效果評估等四部份,分節敘 述如下。

2-1 三維城市模型建置

本節將說明三維城市模型建置的關鍵技術、建置內容、建置方法 及相關的建置研究。

2-1-1 三維城市模型建置與關鍵技術

三維城市模型(Three-Dimension City Models,3DCM)是指實際的 城市建物,藉由空載遙測、近景攝影、電腦繪圖軟體及地理資訊系統 等軟體與技術,將其城市建物建置成具有空間資訊的數位式三維模 型。目前三維城市模型在各國許多大城市中,正逐漸發展及建置且應 用領域廣泛,例如都市計劃、環境影響評估、土木工程建設、運輸規 劃、三維地理資訊系統、虛擬實境三維瀏覽與查詢、三維電子地圖等 都應用三維城市模型來幫助問題解決並提供相關的資訊服務。

三維城市模型的研究對象為城市中的建物、道路、橋樑等三維景 觀實體,以及城市的地形與地貌,強調三維的資訊及三維景觀實體間

(21)

空間關係的表達,因此有必要對其作進一步的建模研究[2]。相關文 獻指出三維虛擬城市模型建置所涉及的關鍵技術有數據獲取技術、三 維實體快速建模技術、擬真技術、檔案轉換技術及系統整合技術[1]。

1.數 據 獲 取 技 術

指研究區域的基礎資料,利用現地測量、航空攝影測量、空載光 達等方法,獲取該區域的地理數據,包括數值高程模型、建築物外表 架構、紋理數據與其他空間資料。目前的作業方式大多以航空攝影測 量技術為主,取得地形地貌的相關影像後再進一步製作或繪製數值高 程模型、建物、道路及其他空間資料。在數據獲取方面,相關文獻如 邱瑩潔於 2004 年提出的「航空影像中道路標線萃取於路網建構之研 究」,該研究主要以像比例尺約為1/3000 影像,經由影像掃描器將像 片連框標一起以 20μm 之解析度掃描成地面解析度 6 公分之數位影 像,對道路標線進行處理,以道路標線特徵的萃取及道路線形的幾 何,希望藉由航空影像萃取出完整的道路模型[3]。

2.三 維 實 體 快 速 建 模 技 術

根據獲取到的數據,利用建模軟體或其他的建模方式以最有效率 的方式建立各種地理實體,如建築物、地形、道路、水面、樹木、草 地等模型建置。目前 GIS 的相關軟體可從二維的圖資檔案,藉由第三 維的數據輸入直接建立簡單的三維模型,另外航測作業軟體也可以透 過航空照片所組成的立體相對,對於實際建物的高程進行量測工作及 建物輪廓線繪製進而產生三維建物模型。另外可利用專門的3D 建模 軟體(如:3D MAX),根據所獲取的資料進行更細緻的三維實體建模。

(22)

3.擬 真 技 術

指透過實地影像擷取方式或電腦軟體建立虛擬的擬真環境,展現 原本研究區域的真實樣貌。藉由擬真技術可使三維城市模型更加具有 真實感,讓使用者有身歷其境的感受。為了使三維城市模型更加擬 真,通常會利用專業的電腦建模軟體將其模型繪製的更精細並貼上素 材,或者將實際影像的紋理敷貼到模型中達到擬真效果。搭配實際影 像紋理建模的相關文獻如饒見有等人於 2005 年提出的「建構像真城 市模型之研究」,研究中透過近景攝影測量技術、電腦繪圖技術、利 用現場拍攝的數位影像、相機率定參數設定等方式,快速有效的建構 三維城市模型中建築物外牆紋理的貼圖,使三維城市模型的在視覺感 受上更加真實[4]。

4.檔 案 轉 換 技 術

包括向量數據與網格數據的資料轉換,或者三維模型的檔案格式 與整合平台的格式轉換等。三維城市模型的建模參考數據來源可能來 自二維圖資、現地測量數據、航空攝影影像等,除了需將這些資料轉 換成城市建模可用的格式外,將三維城市模型中的空間數據匯出成標 準通用的資料格式亦為三維模型建置的關鍵技術所在。

5.系 統 整 合 技 術

指將遙感探測、GIS 系統與 VR 系統等各種不同系統進行整合的 技術。三維城市模型建置所需的資料來源可能來自航空攝影資料、

GIS 系統、CAD 圖資等地方,藉由不同系統的整合不僅可以獲取更 多元的資料,完善的系統整合更可發揮三維城市模型的效用,應用在 更廣泛的領域。

(23)

2-1-2 三維城市模型的建置內容

三維城市模型的建置內容大致上可分為幾合建模(geometrical modeling)與紋理建模(texture mapping)兩部份。而具體三維城市模型 的組成,可分為三維地形、三維建物與其他三維景觀地物或植被等三 部份。三維地形可由航空攝影之正射影像與數值高程模型組成,三維 建物則藉由建物的幾何模型搭配紋理資訊所構成。而其他三維景觀地 物或植被部分由於幾何形狀較為複雜且種類較多,可藉由專門的 3D 建模與繪圖軟體在其平台下建置後再匯入場景之中[1]。由於三維城 市模型建置的目的及其資料來源不同,因此模型建置的方式及最後展 現的成果也有所不同。但就整體的三維城市模型建模而言,仍可從幾 合建模與紋理建模兩個部份深入探討。

幾何建模部份包括數值地形模型(DTM)的建立、建物幾何特徵的 數據取得,以及相關三維景觀地物的輪廓線萃取。目前DTM 的取得 大多以航空攝影測量技術為主,利用航空立體像對自動匹配,或者由 專業繪圖人員繪製數值等高線透過軟體解算取得。三維建物的幾何表 達與重建,為三維城市建模的研究重點,藉由航空攝影、近景攝影及 光達等技術,以自動化或半自動化的方式,取得或重建三維幾何訊 息,為目前幾何建模的發展方向。

紋理建模部份乃指數值地形模型和建物模型表面的紋理貼圖,由 於航空攝影技術的進步及正射影像製作技術日趨成熟,地形模型的紋 理製作可由航空攝影的正射影像直接取得。另外建物模型的紋理,屋 頂點可藉由航空影像取得,而建物側面可利用地面的近景攝影或影像 萃取方式取得。在影像取得後,藉由彼此空間的幾何轉換或投影方 式,完成紋理建模的作業。

(24)

2-1-3 三維城市模型的建置方法

經由相關文獻的整理,綜觀三維城市模型的研究歷史,其資料模 型建構採用的方法可以分為三類:基於DEM 與影像的方法、基於規 則幾何形體與二維GIS 的方法及基於三維資料模型的方法[5、6]

1.基於 DEM 與影像的建模方法

藉由航空影像與數值高程模型的套合,可生成地形景觀表達出地 形的起伏及其紋理樣貌。隨著資料獲取技術的進步(如航空攝影、光 達等遙感探測技術),可以快速並大量地獲取數值地理模型以及空照 影像,因而可以有效率地建立出大範圍的地形模型與三維景觀模型 [5]。目前在地形部份可利用相關的航測軟體,將獲取的數值地表模 型(Digital Surface Model,DSM)進一步解算出與實際地形較為相符的 數值高程模型,或將航空影像以立體相對呈現的方式利用人工繪製等 高線生成數值高程模型。在三維建物部份,藉由立體像對的影像,透 過軟體作建物高程差之量測及建物形狀的繪製可產生三維建物模 型。但由於這種方式只能簡單的表達建物形狀且缺少建物側面紋理,

因此這種建模方式較適合於建立簡單的三維城市模型。

2.基於規則幾何形體與二維GIS的方法

三維城市模型以建構真實城市的三維景觀為其主要目的,與目前 發展較為成熟的二維GIS 有所不同。三維城市模型必須建立三維的環 境平台,包括資料顯示及資料查詢等功能,均需要三維資料模型的支 援。目前二維GIS 系統本身包含大量三維城市模型所需的空間資料,

因此可利用這些資訊建構出三維的城市模型。如二維GIS 的屬性資料 記錄了建物的樓層數,藉由每一樓層高度的假設可建立出三維的建物 模型。另外城市中大部分的建物大多具有規則的外形,因此可利用長

(25)

方體、三稜體等幾何物件的組合來表達建物模型。目前三維重建的主 要內容為城市中較為規則的實體建物,利用上述的方式可以快速建置 大範圍的三維城市模型,但由於這種方式僅能表達較為規則的建物,

難以重建較為複雜的景觀實體,再加上缺少紋理及準確的建物高度資 料,因此建置出的模型較為缺乏真實感,且對於景觀資訊的表達亦較 為不足[5]。

3.基於三維資料模型的方法

隨著數位攝影測量的發展與高解析度衛星影像的出現,三維資料 大量且快速獲取成為可能,因而也迫切需要ㄧ個真三維的資料模型來 管理及組織這些資料,以便建立一個具有管理機能及操作功能的 3DCM 系統。大部分學者利用 CAD 系統進行三維城市模型的建模工 作,但由於 CAD 系統本身資料管理機制有限,並不容易有效地管理 大量三維空間資料並對其作空間的操作與分析。對於三維城市模型而 言,建立一個良好的真三維空間資料模型是必要的,基於三維資料模 型的建模方法,可綜合分析三維物件的相關資訊,也具有物件間之空 間關係的表達,使其更接近三維 GIS 應具備的功能[5]。這方面的相 關文獻如:Peng 於 2006 年提出的“In-situ 3D concept design with a virtual city”,文中提到隨著時代進步及 Web 的發展,資訊更應該相互 往來及分享,在一個已完成的虛擬城市伺服器架構中,他們提供了一 個軟體平台供都市規劃或建築設計等人員,藉由虛擬的三維城市模型 進行相關設計及規劃作業。使用者可從事3D 建模及編輯的工作,並 藉由 Web 伺服器的連結及 Java 程式,將模型建置在正確的位置上,

發揮其三維城市模型的模擬功能,以視覺瀏覽方式讓使用者查看到設 計規劃的成果[7]。

(26)

2-1-4 三維城市模型建置之相關研究

目前三維城市模型在歐、美、日本等國許多大城市,正逐漸普及 與實際應用中。其應用領域廣泛,例如都市計劃、大比例尺製圖、環 境影響評估、三維地理資訊系統、三維電子地圖、虛擬實境地景三維 瀏覽與查詢等。因此可以看出,三維城市模型建置的成果在管理面、

決策面及應用面上有相當大的幫助。由於三維城市模型的建置所涵蓋 的範圍太大,所需建置的模型數量太多,因此大多數的研究都針對於 特定區域的三維數值模型建置或是三維校園模型建置研究。經由相關 的文獻整理,目前國內對於三維校園模型的建置研究主要有國立中央 大學的三維數碼校園、國立中興大學的真三維校園模型及立德管理學 院的三維校園環境之模擬。

1.國 立 中 央 大 學 之 三 維 數 碼 校 園

國立中央大學的三維數碼校園建置為國內三維校園模型建置之 先驅,三維數碼校園的組成主要分為空間資訊、屬性資料庫、以及地 物材質資訊等三種。所建置的三維校園模型大多藉由航空攝影技術配 合其他半自動化或全自動化的技術加以建置,於建物模型的外表上採 用真實影像的紋理,建構為像真校園模型。在屬性資料庫方面也完整 的建立各種建物及相關設施的屬性資料,並利用相關程式的開發將三 維數碼校園應用在更廣泛的領域上,中央大學三維數碼校建置成果如 圖2-1 所示[4]。

(27)

圖2-1 中央大學三 維 數 碼 校 園 示 意 圖 [4]

2.國 立 中 興 大 學 之 三 維 校 園 景 觀 模 型

國立中興大學的三維校園模型建置,主要偏重於三維校園模型的 視覺化技術,以CCGIS(Cyber City GIS)三維建模軟體建立三維校園景 觀模型。建置內容包含DEM 及正射影像的取得,在建物模型部分則 是利用3D MAX 軟體設計模型,之後利用 VRModel 三維建模與編輯 平台,產生三維地形與建物模型。其他三維校園景觀模型包含植物、

路燈及公佈欄等景觀模型,在地面紋理部分考量到影像解析度不足,

因此也以實際的影像紋理加以敷貼製作,建置及研究重點著重於三維 模型的視覺化及真實的視覺感受,中興大學三維校園景觀模型建置成 果如圖2-2 所示[5]。

圖2-2 中興大學三維校園景觀模型示意圖[5]

(28)

3.立 德 管 理 學 院 之 三 維 校 園 環 境 模 擬

立德管理學院之三維校園環境的建置主要是利用具有圖形/屬性 之建置與管理功能的 ArcGIS 軟體,3D 模型建構所需的 Google SketchUp 軟體及 3D 地球模型之展示平台 Google Earth 軟體加以建置 並展示。三維校園環境的建置內容保含建築物、圍牆、樹木運動場、

球場、草坪、水體、路燈及交通指示等部份。其建置及研究重點主要 著重於3D GIS 及 Web 化的思維,並將三維資料透過網際網路進行發 布與共享,將建置的校園模型從GIS 轉移到 Google Earth 平台中,立 德管理學院之三維校園環境模擬建置成果如圖2-3 所示[8]。

圖 2-3 立德管理學院之三維校園環境模擬示意圖[8]

2-2 航空攝影測量技術

本節將對航空攝影測量技術、基本原理及在三維城市模型建置的 應用加以說明。

2-2-1 遙感探測技術與航空攝影測量

遙感探測(Remote Sensing)又簡稱為遙測,一般定義為利用感測 儀器偵測目標物反射或放出的電磁波來判別其物理性質的技術。感測 系統透過人造衛星或飛機的搭載,可自一段觀測距離,以末直接接觸 目標物的方式,記錄和蒐集地球表面及接近地表的環境資料。依感測 系統載具的不同可區分為太空攝影測量(Space Photogrammetry)及

(29)

航空攝影測量(Aerial Photogrammetry),而航空攝影測量就是將攝影 機或感測器裝置於空載飛機上(一般為小型飛機並載有長焦距的特殊 航測專用鏡頭),在確定目標及做好規劃後,依照特定的航線拍下一 連串的照片。藉由這種方式獲取所需影像或光譜資料,而依目的不 同,這些照片也有特定的拍攝高度、角度與快門間隔。

攝影測量(Photogrammetry)是指經由像片攝影、輻射電磁波或其 他方式來記錄、測量及判讀等處理程序,進而取得目標物及周圍環境 資訊的一種藝術、科學及技術。因此攝影測量包含了目標物的紀錄、

量測所記錄目標物的影像,以及將量測取得的資料轉換成可再加以應 用的形式等三部份[9]。目前藉由攝影測量取得資訊的方式,除了傳 統的像片攝影外,雷達影像、輻射電磁波之偵測及 X-光攝影等方式 都算是攝影測量的一種。

攝影測量依其獲取資訊之不同,而有不同的規劃及拍攝方式,但 就 其 最 終 拍 攝 目 的 而 言 可 區 分 為 量 度 的 攝 影 測 量(Metrical Photogrammetry)及像片判讀(Photograph Interpretation)兩大部分[9]。

1.量 度 的 攝 影 測 量 (Metrical Photogrammetry)

主要是對所獲取之影像進行量的量測,藉此獲得地面的相關資 訊,這類攝影測量大多以地形為目的,如點位、高程、距離、面積或 體積等量測,進而繪出平面圖、地形圖或等高線等圖資。

2.像 片 判 讀 (Photograph Interpretation)

藉由輻射或不同波段所組成的影像,對其影像進行質的分析與評 估,這類攝影測量大多以非地形為目的。例如,水質之監檢測、土壤 分類、作物辨識、崩塌地分析與地貌變遷等判讀作業。雖然依其目的 分為量度的攝影測量與像片判讀,但實際上攝影測量必須考慮到量測

(30)

與判讀的結合。例如,從事地圖繪製的量測工作也會考量到地貌辨別 的判讀需求,而進行影像判讀分析時也有可能因為量化的需求而考慮 到量測的需要。

航空攝影測量的發展已有一段時間,隨著各時代攝影工具、製圖 儀器及電子相關儀器搭配的演進,其航測技術的發展大致可分為以下 三個時期:

1.類 比 航 測 時 期

早期的航測,被稱作「類比航測」。由於當時電子相關儀器發展 不如現在,航測作業必須透過光學機械操作。這種操作,使用由機械 光學系統所組成且操作複雜的類比製圖儀,操作時必須手腳並用,因 需要相當的協調性,因此繪圖員需有長期的訓練與相當的繪圖經驗才 能勝任。

2.解 析 航 測 時 期

為一個機械與電腦並存的過渡時期,稱之為「解析航測」,這時 期所使用的儀器為解析製圖儀。解析製圖儀亦須倚賴手腳的協調,進 行實際的航照測量作業,以解析的方法及數學模式來描述像間與物間 之幾何關係,同時藉由計算之結果轉換成必要之修正量,透過工作站 電腦做後續的修正處理,完成自動化方位判定,以建立立體模型。

3.數 值 航 測 時 期

隨著電腦科技的發展成熟,航空測量便開始進入「數值航測」時 代。掃描的影像檔或數位相片取代了傳統照片,透電腦的發展、大型 製圖儀的改良、相關航測軟體的研發及立體成像系統的演進,以往操 作複雜的製圖儀器,現在透過數值航測的電腦製圖不僅操作較為簡單 且效率提昇,在其他航測相關的附加應用也更為廣泛。

(31)

2-2-2 航空攝影測量基本原理

本小節將針對航空攝影測量的基本原理加以說明,主要分為像片 之基本幾何性質及立體成像原理兩部份。

1. 像片之基本幾何性質

因為像片本身具有幾何性質再加上拍攝時的空間訊息,藉由像片 所涵蓋的資訊,我們得以用數學方式及光學原理回推並重建實際的現 況並將像片應用在更廣泛的領域上。而在航空像片的幾何性質大致可 分為以下幾項:投影、像間與物間之區分、內方位、外方位與重疊像 片等[9]。

a.投 影

在航空攝影測量中,由航照像機所拍攝的照片屬於透視投影的一 種,而後續的地圖或平面圖則藉由正射投影的方式製作而成。所謂的 透視投影(Perspective Projection)或中心投影(Central Projection)是指地 表上所有的點都經由同一個中心點投影於參考面上。在航空攝影測量 中的感光底片被置於參考面上,將地表的樣貌透過中心投影方式投影 到底片上,近一步提供給後續的航測作業使用。由圖2-4 所示,圖中 的A、B、C、D、E 五點經由一透視中心的投影,投影至底片上成為 a、b、c、d、e 五個像點,但經由中心投影且因各點高程不同,所以 投影後的某兩段像點距離比與地表上相對應的某兩段水平距離比會 有所不同。而航測中的正射投影(Orthographic Projection)是指地表上 的每一個點均垂直投影於同一參考面上,投影後兩段距離的比值與地 表相對應的兩段水平距離的比值相同,在投影面上某一點與任意兩點 之間所量測的角度,與地表上該點設置經緯儀對地表相應的兩點作量 測所測得的水平角亦相同。如圖 2-4 所示,正射投影後像點距離比 ab/bc 會等於實際點位的水平距離比 A1B1/B1C1。

(32)

圖2-4 透視投影與正射投影 b.像 空 間 與 物 空 間 之 區 分

像片本身為一透視投影,而攝影機的光學中心則為透視中心。攝 影測量中用來拍攝物體之透鏡,其前後節點有一小段距離,若將這兩 點視為同一點,則透視中心與像片間的範圍稱之為像空間(Image Space),而被拍攝物體所屬的範圍與其所包含的參考座標則稱之為物 空間(Object Space) [9]。

c.內 方 位

像片之內方位(Interior Orientation)是指決定由透視中心到物間點 位之光束型態。這種型態可由各項點位置對透視中心各光束間的角度 來表示,因此透視中心在像片座標系的座標(x0,y0,f )可用來表示 內方位的幾何元素。另外,內方位元素還包含了透鏡畸變差,但其可 藉由計算方法加以消除[9]。但是對於像平面坐標系而言內方位之幾 何元素為(x0,y0),所謂恢復內方位的計算,就是將量測得知的影像 坐標系(框標坐標)轉換對應至檢定的像平面坐標系而像平面坐標系

(33)

統則根據相機框標來決定[10]。

d.外 方 位

像片的外方位(Exterior Orientation)是指像片在空間座標系內的 位置與方位,像片的位置可由透視中心的空間座標(X,Y,Z)來表示,

而像片的方位則表示攝影瞬間攝影機的狀況。換句話說,外方位表示 空間座標系與相片座標系之間的相互關係[9]。在攝影測量中,較常 用來表示像片方位之系統及相機姿態參數為ω、φ 及 κ,其分別為繞 X、Y 及 Z 軸的旋轉角。因此可藉其像片方位系統再加上透視中心 的空間座標,由這六個元素(X、Y、Z、ω、φ、κ)來表示像片的外方 位,如圖2-5 所示。

圖2-5 ω-φ-κ 外方位 e.重 疊 像 片

像片是以二維影像的方式來表示三維的物體,在拍攝的時候損失 了第三維的空間資訊。因此,不太可能藉由單張像片來決定其所涵蓋 範圍的三維資訊。單張相片上的像點由共線的條件只能決定經攝影站 通過該像點光束的方向,而不能決定該光束的終點位置。如果可以在 另一張影像上該像點的共軛像點(Conjugate Point),而共軛光束的方向

(34)

也可決定,則該像點的空間位置可藉由此兩條共軛光束的交點而找 出。所以,想求得一個點位的三維空間資訊,則該點必須由兩個以上 不同的攝影位置來拍攝,這也是航拍像片重疊的主要功能[9]。航空 攝影測量就是利用航拍相機的參數資料、內方位及外方位資訊以像片 重疊的方式組成立體像對,透過製圖儀器取得三維的空間資訊。

2.立體成像原理

航空攝影的立體成像原理及說明主要可分為立體觀察、視差原理 及浮動測標原理等三部份。

a.立 體 觀 察

當一個人以左右雙眼同時分別注視由兩個不同攝影位置對同一 地 區 所 拍 攝 之 像 片 時 , 他 會 看 到三 維 的 立 體 影 像 。「 立 體 觀 察 (Stereoscopy)」即是描述上述自然現象的術語。而正常的雙眼視覺是 立體觀察中的必要條件,而在立體觀察中主要包括以下三種情形[9]:

第一種為雙重影像之現象,如將一支藍筆握於眼前 12~15 英吋間 (約 300~375mm),並凝視遠處牆壁上之某點,此時會出現兩個藍筆的 影像,其中右邊的影像由左眼之視覺所形成,而左邊的影像則由右眼 視覺所形成。如果此時凝視點仍固定於牆上,再將藍筆朝牆的方向移 動,則這支藍筆在牆壁前面之某一個位置雙重影像會消失,即使牆面 與藍筆離眼睛的距離不同,但這兩者仍被視為單一的影像,這種現象 稱之為「雙眼視覺清晰單一影像之景深」,這對於立體觀察及航空攝 影中立體量測的應用相當重要

第二種是當物點距離雙眼於不同距離時,雙眼到物點之視線的交 會角度亦不同:由於距眼睛不同距離的兩物點,視線交會的角度(視 差角)不同,在眼睛視網膜上的成像位置亦不相同,因此視神經則以

(35)

這兩個角度的差異來辨別這兩個物點距離的遠近,如圖2-6 所示。

圖 2-6 立體觀察之視差角[9]

第三種是近距離或遠距離立體觀察時,由於正常的眼睛無法在小 於 10 英吋的距離內舒適聚焦,因此若要在這麼近的距離進行立體觀 察需借助透鏡的幫助。另外立體觀察的景深感覺通常無法超過700 公 尺,由於目標物距離過遠其相對應的視差角太小而使雙眼無法分辨出 距離的遠近,若想讓視覺景深能超過700 公尺,則必須增加兩眼間的 距離並藉由望眼鏡的協助,或者藉由立體像對的成像方式,在間隔較 遠的兩個地方對同一個目標或方向拍攝,使其左眼看左像,右眼看右 像的方式重建立體影像達到遠距離的立體觀察。

b.視 差

視差(Parallax)是指觀測點移動時,一個固定的目標影像相對於另 一個固定目標影像的移動量。例如:火車在高速行駛時,窗外的景物 橫過車窗移動。當我們注視車窗外的時候,可以發現離火車較近的電 杆相對於車窗往後移動速度會比幾百公尺外的建築物快,而幾百公尺 外的建築物相對於車窗的往後移動速度又比幾公里外的景物來的 快。因此這些物體相對於車窗的相對位移即為視差,且在固定的時間

(36)

內,近距離的物體較遠距離的物體有著較大的視差。綜合以上討論可 以提出兩點結論[9]:第一,連續兩個不同的攝影站對同一地區進行 攝影作業,地面上每一個相應的像點均會產生一個固定的位移量,而 這些位移量的大小則與該點的高程有關。第二,想觀察像片所涵蓋區 域之立體影像,則兩張連續的像片之重疊的部份最好在50%以上。因 為進行立體觀察時,除了左眼看左像,右眼看右像以外,仍需確保相 應像點的視線能在空間中交會,即相應像點之間無縱視差(Vertical Parallax)的存在。因此,為了可以方便消除縱視差,所以兩張連續像 片的重疊至少應要在50%以上。

c.浮 動 測 標 原 理

ㄧ個人可藉由立體成像儀器觀察到立體影像,主要是因為點與點 間之視差有些微差異。基於此原理,可利用ㄧ特定之標形(通常為十 字標或是×型標),使其漂浮於立體影像空間中,利用浮標在立體影像 空間中的移動,進行立體影像的三維量測,這個標稱之為浮動測標 (Floating Mark),簡稱為浮測標或測標[9]。如圖 2-7 所示經由正確定 位後的像對,在左右兩邊的影像上,因為浮標位置不同透過立體觀察 會產生浮標在立體影像空間中的所在位置不同。例如,當右像浮標在 1 號點時,進行立體觀測會覺得浮標浮在立體影像空間中的 A 點,而 將右像浮標移動到 2 號點時,透過立體觀測會覺得浮標在 B 點位置 且會有越來越貼近地面C 的感覺。最後右像浮標移到 3 號點位置時,

透過立體觀測,會產生浮標貼於立體影像空間 C 點位置,這時兩個 標即表示了共軛像點的正確位置。因此,可利用水平方向的移動來表 示標的視差,使浮動測標在立體影像空間中作上下移動,進而達到三 維量測的目的。

(37)

圖2-7 浮測標之原理示意圖

基於浮動測標原理,目前相關的立體觀測軟體,可選擇以單一測 標並利用像對中左右兩張影像的平行移動的方式,達到立體觀測及浮 標三維量測的目的。應用這個原理,可使觀測者進行地形之等高線繪 製、數值地形模型之編修或航空攝影測量建物模型建置等作業,為三 維擬真校園建置的核心技術及原理之ㄧ。

2-2-3 航空攝影測量於三維城市建模之應用

攝影測量為目前提供三維空間資料最有效率的方法之一,因其可 以快速的產生具有拓撲結構的幾何數據,並且記錄三維資訊,對於明 顯輪廓的地物,能夠提供很高的三維重建精度,藉由影像分析的運 用,達到地物識別及三維重建的目的[11]。從文獻回顧中,可發現航 空攝影測量應用於三維城市建模上,大致可分為以下四個部份。

1.數 值 高 程 模 型 (DEM)之 製 作

數值高程模型的製作不僅能增加三維城市模型中地形視覺化的

(38)

效果,也藉此表達三維城市模型中地形的高程起伏,使其重現實際的 樣貌。利用數值航空影像的立體像對藉由數學計算可自動匹配出數值 地表模型(DSM),再以人工量測的方式從立體像對中量測並繪製出數 值高程模型。

2.地 面 影 像 之 取 得

數值高程模型僅能表達出地形起伏的狀況但缺乏地面的紋理,藉 由航空攝影的方式可取得大範圍的大地影像,因拍攝方式屬於透視投 影所以須量測控制點並利用控制點提供的條件建立物空間與像空間 之轉換函數,並配合數值地形模型,使其產生的正射影像不但校正了 幾何變形、擁有地面座標也能表現出地面的紋理現況。

3.三 維 建 物 重 建

藉由航空攝影測量,從影像中測繪建物的三維空間資訊不僅減少 現地測量的人力資源,也增加建物資訊獲取的效率。目前三維建物的 重建大多倚靠航空攝影技術快速大量地取得相關的資訊,而透過航測 全自動或半自動化的影像輪廓線萃取也成為目前建物重建的研究重 點。由於航空攝影測量的發展,三維建物的重建也更加便利更有效率。

4.三 維 城 市 建 模 中 其 他 空 間 資 訊 的 獲 得

在三維城市模型的建置中,不單單只有建物的重建工作亦包含其 他空間資訊的表達,如道路、土地界址、水系分佈及植被分布等。透 過航測技術利用完成空中三角且方位已知的像片重組之立體模型,藉 由人工立體觀測上機測繪的方式,能完整地描述並展示城市各種建設 的面貌提供至三維城市建模時使用。

(39)

2-3 地形及建物模型製作方法

本節主要說明目前三維地形模型及三維建物模型的取得方式及

製作方法,分成數值地形模型的來源、數值地形模型的取得方式、三 維建物模型製作方法及三維景觀之影像紋理敷貼等四部份加以說明。

2-3-1 數值地形模型的來源

廣義的定義,「數值地形模型是指任何以數位的或數值的方式,

來表現地球表面的資料模式」。狹義的來說,「數值地形模型是一個結 構化的資料庫,以X、Y、Z等三維坐標來表現地形表面」[12]。所 以數值地形模型(Digital Terrain Model, DTM)可以說是任何表達地 形的方法,由於使用目的、取得方式及地形呈現的精細度不同,所以 數 值 地 形 模 型 可 分 為 數 值 高 程 模 型 (Digital Elevation Models, DEM)、數值等高線模型(Digital Contour Model, DCM)及不規則三 角網(Triangular Irregular Network, TIN)等三種表達方式。

1.數值高程模型(Digital Elevation Models, DEM)

DEM 一詞源自美國地質調查(U. S. Geological Survey, USGS)所 生產的網格式高程資料。DEM 亦泛指規則網格式的 DTM,其沿著一 組垂直正交的網格上,量取每一網格上的高程,將高程登錄成一個規 則矩陣的結構,而點與點之間的距離亦表示其資料解析度的大小 [13]。因此 DEM 的高程值就資料獲取、儲存及產生方式均與基本地 形圖不同,所以DEM 資料可視為一種抽樣的結果[14]。

2.數值等高線模型(Digital Contour Model, DCM)

DCM 的格式類似於傳統地圖上的等高線,但不同的是,在電腦 中的等高線是由一連串離散的點所組成,而不是像地圖上類比式的連 續曲線。因此,這種資料實際上是以一連串的X,Y坐標值加上點位

(40)

的高度值來表現地形[13]。數值等高線模型可藉由立體測繪的方式在 像對中繪製具三維資訊的等高線、斷線及高程點的量測,再藉由電腦 的演算加以求得。

3.不規則三角網(Triangular Irregular Network, TIN)

在地形表現上,TIN 是以鄰近點所圍成的一個三角面來代表地形 起伏。一個TIN 實際上由節點、線段和面這三部份組成,節點為 TIN 的基本元素,線段由兩個相鄰的節點連接而成,而面則是由相鄰的三 條線段所圍成。換句話說 TIN 是由一組離散點形成之連續但不重疊 的不規則三角形面片組成,藉此來表示地形,其特點是能夠根據觀測 點的疏密以不同的精度來表示地形。與規則網格數值高程模型 DEM 相比,TIN 較能表示復雜的地形且在這方面具有較高的精度,使得 TIN 模型較能合理的描述各種地形形態並表現出地形架構的脈絡如 山脊線、山谷線及邊界等地形[13]。

數值地形模型的三種資料型態中,數值高程模型 DEM 具有較完 備的分析功能,而資料結構也較簡單明確,但表達地形的能力較不如 TIN。而數值等高線模型 DCM 的格式較不易於電腦的應用分析,因 此大多做為資料轉換或暫存的格式。不規則三角網 TIN 的資料結構 較能有彈性且完整的表現地形,不過在 TIN 資料建立時有其實行上 的問題。因此,數值地形模型的建立方式得由使用目的、應用分析及 地形表達之精細度程度等方面,加以考量選擇。另外,還有一種涵蓋 地表覆蓋物的數值地形模型稱之為數值地表模型(Digital Surface Model, DSM)。DSM 是指將整個地表面包覆的模型,其中包含了完整 的地形起伏、建物與植被等資訊為 一地 表 三 度 空 間 的 數 值 模 型 。 DSM 可 藉 由 立 體 測 繪 及 自 動 匹 配 產 生 , 或 者 由 空 載 雷 射 掃 瞄 (Airborne Laser Scanning System)的方式取得。立體測繪需要專業人員

(41)

對於地表上的建物、道路或植被逐點量測,因其較為麻煩,所以對於 大範圍的區域而言工作量會相當大。因此,可改採自動匹配的方式進 行,但由於自動匹配的方式難以顧及建物邊緣的不連續情況,而會與 四周產生平滑的狀況發生[15]。

2-3-2 數值地形模型的取得方式

DTM 的資料的取得方式經由相關文獻整理後主要可分為地面測 量(Ground Survey)、航照資料獲取及空載雷射掃瞄方式取得。[12、

13、15]。

1.地面測量

地面測量是以人工方式進行實地的量測作業,將測得的點位資料 及座標,加以彙整並透過軟體解算產生數值地形模型。ㄧ般來說地面 測量所得的數值地形模型精度較高,但由於是以人工進行量測所以在 整體精度上會有所差異。

2.航照資料獲取

攝影測量為目前提供三維資料的最有效率的方法之一,能快速地 產生具有位相結構的幾何數據,並記錄三維資訊。從數值航空影像立 體像對可以測得數值高程模型,並根據數值高程模型對中心投影的航 照影像進行糾正處理,產生數位正射影像。正射影像所包含得空間資 訊遠遠超過數位向量地形圖,藉由糾正處理,可得正確的比例尺及座 標位置[12、15]。以目前的作業方式而言,大部分數值地形模型都是 藉由航照資料加以取得,取得的方法及流程如圖2-8 所示。

(42)

圖2-8 以航空攝影測量製作數值地形模型流程圖[16]

3.空載雷射掃瞄方式

空載雷射掃瞄作業包含 LiDAR 系統率定、飛航規劃、佈設地面 GPS 控制點、雷射掃瞄資料獲取及資料前處理。經由上述步驟後即 可得到雷射點的座標,將不合理的雷射點去除後,於精度分析及後續 的 DTM 製作才有較好的結果,利用空載雷射掃瞄方式取得之 DTM 與DSM 的處理流程如圖 2-9 所示[16]。

(43)

圖2-9 以空載雷射掃瞄方式製作數值地形模型流程圖[16]

地面測量方式取得的 DTM 資料相較於其他二者較為精確,但其 耗費的成本較高,若要大範圍的獲取DTM 資料不僅得耗費大量的人 力資源,也必須考量到量測區域人員是否容易到達。空載雷射掃描法 有不錯的製作效率,但在資料取得方面還是以航照資料取得較為容 易。以目前而言,大部分DTM 資料的取得仍依賴航空攝影的航照資 料,因其取得 DTM 的方式較為便利且相較於其他方式來的更有效 率。在電腦中DTM 的數值格式可以用不同的色階、打光、暈染及透 明度來加以表示,並且能以垂直放大、圖層套疊及放大縮小等方式加 以呈現,針對不同的需求而以不同的方式表達。

(44)

2-3-3 三維建物模型製作方法

在三維城市模型的建置中,包含三維地形、三維建物與其他三維 景觀地物或植被等三部份,其中三維建物的重建作業可視為三維城市 模型建置的重點所在,依相關文獻彙整後歸內文以下四類。

1.以現有圖籍建置法

此為最簡易且快速的三維建物重建方法,藉由二維的圖籍資料及 圖籍中建物的高程資料,進行三維建物的重建作業。這種建模方法是 利用數位化的二維圖資,由建物四周輪廓線形成的一個平面,給予該 建物實際高程資料將其平面拉高形成一個立體的建物模型[17]。由於 這種建置方法之X.Y.二維平面資訊是以建物的輪廓為依據,往上拉高 的平頂式建物模型,因此無法表達建物的懸空結 構 以 及 非 平 面 式 的 屋 頂 面 , 對 於 建 物 的 三 維 資 訊 無 法 做 一 個 完 整 的 表 達 。 2.空載雷射掃描法

空載雷射掃描系統(Airborne Laser Scanning System)或稱光達 (Light Detection And Ranging)的發展起源於 1970 年[18],此系統以航 空機具為載台,結合雷射系統、GPS、與慣性導航系統(INS),將其技 術整合並經由解算後,可獲取掃描點位的 XYZ 座標值。由於獲取的 點位量大且相當密集,一般以點雲資料稱之,利用點雲資料從中進行 建物區塊的偵測,確認建物位置,萃取出可能是建物的點位資料。之 後執行建物共面分析或配合建物向量資料、航拍影像等相關資訊,找 出建物平面的輸廓線,重建出建物的三維模型。

3.航空攝影測量法

攝影測量藉由攝影的方式收集拍攝範圍的影像資訊,影像中包含 建物的幾何資訊並提供人工判讀的訊息。利用影像從中萃取出建物的

(45)

幾何資訊,並藉由攝影測量的理論計算求出共軛像點的三維坐標,重 建建物的三維模型[17]。攝影測量包括近景攝影測量與航空攝影測 量,主要是藉由方位重建的方式,重現每張影像的拍攝情況,將相互 的空間關係重新建立,從中獲取空間資訊。透過航空攝影所拍攝的航 照影像,可從中萃取出建物輪廓線,藉此獲取建物的平面資訊,並藉 由航拍立體像對進行立體量測,求得建物的高程,重建出建物的三維 模型。

4.三 維 繪圖軟 體 製 作 法

藉由三維繪圖軟體進行建物重建作業,可以獲得更精細更接近實 際建物的三維模型。此種建模方式是利用已有的建物資料,透過資料 數化及檔案轉換的方式,將資料匯入至建模軟體中,進行三維建物的 重建。三維繪圖軟體建置法主要是以人工作業為主,建物重建的精細 程度因為使用者需求與建置目的而有所不同。ㄧ般而言建物透過 3D 繪圖軟體進行重建,可以獲得較為精細的三維幾何模型,再經由材質 或實際影像的紋理敷貼,增加建物模型的擬真程度。

對於擬真校園的建置而言,以現有圖籍建置法的建置方式,因其 模型較為簡單且單調而無法達到擬真校園的建置要求。空載雷射掃描 法因目前雷射掃描範圍有限,且資料不易獲取。因此,本研究暫時不 考慮此項建物重建方法,而改用資料較為普遍且容易取得的航空攝影 影像及建物工程圖資,進行攝影測量及 3D 建模軟體的建物重建研 究,對於這兩種建置方式的績效及相關問題進行更深入的探討。

2-3-4 三維景觀之影像紋理敷貼

三維景觀模型的表面材質若採用以實地拍攝的像片紋理,不僅可 以表現出真實世界的樣貌也使得三維景觀模型有更直觀的表達,使其 數位化資料的展現更符合人們的直覺與視覺。而相片紋理所提供的資

(46)

訊,不僅可以表現環境目標之間的幾何關係,亦可對其表面屬性建 檔。利用三維像片擬真模型藉由電腦技術實現環境的視覺化,對於複 雜的城市之空間環境進行評估,有很大的幫助[11]。藉由實地影像的 支援,三維景觀模型之視覺感受得以更加真實,因此影像的獲取亦成 為城市建模中不可或缺的部份。在三維城市模型的建置過程中,實際 的景觀影像獲取可分為地形景觀影像以及建物影像兩大部分。地形景 觀影像由於範圍大,且地面攝影的取得方式會受到地表建物或植被的 遮蔽,因此地形景觀影像的獲取大多藉由航空攝影的方式取得。透過 航照像片經由正射化處理,不僅可以取得地形的景觀影像,同時也包 含了建物屋頂面的影像獲取。而建物側面的影像的獲取,目前大多藉 由地面攝影或近景攝影的方式加以取得。

建物表面影像的萃取,可藉由影像的外方位元素與建物側面區塊 及角點的關係,進行影像自動化的萃取。藉由影像拍攝的方式從中萃 取出建物表面區塊所對應的影像,進而使用在模型的紋理敷貼。

但受到攝影距離及攝影方式等因素的影響,建物模型表面區塊常常 無法同時完整的出現在一張影像上。因此,建物表面某區塊的完整影 像,可能需要多張的影像加以組合而成。依相關文獻指出影像萃取的 方法,可分為區塊萃取法以及正射萃取法[10]。

1.區塊萃取法

建物側面區塊通常由屋頂角點與地面屋腳點所組成的矩型區 塊,當這區塊的四個角點,能由同一張影像拍攝取得,則表示由單張 影像萃取該區塊的影像。但事實上想藉由單張影像取得建物側面的區 塊影像並不容易,顧及影像解析度及建物遮蔽問題,一棟建物的區塊 可能需要多張影像才能涵蓋,因此要萃取該區塊的影像必須在多張影 像中,找到對應的影像再萃取出來。區塊萃取法,利用區塊的角點坐

(47)

標,與全部影像進行判斷,如果區塊影像無法由單張影像萃取時,則 對該區塊進行垂直分割或水平分割,分割後再將兩個新的小區塊,透 過影像對應的方式將小區塊影像,糾正並且合併成原來的區塊影像。

2.正射萃取法

正射萃取法的萃取原理同於航空攝影正射像片的製作原理。將建 物模型區塊所對應的這些數值影像,先在影像處理系統中進行正射糾 正的計算與再取樣的處理,然後再由處理過的正射影像進行區塊影像 的萃取。影像的正射糾正,是利用地面坐標系、像片坐標系及影像坐 標系三者之間的空間轉換加以進行。藉由四參數轉換建立影像坐標與 像片坐標的轉換關係,並利用框標影像位置的量測及框標的率定資 料,求得轉換參數,作為兩者之間的坐標轉換。

藉由實際影像的獲取,透過空間座標的轉換應用於三維城市模型 的表面紋理上,不僅在視覺上增加整體三維景觀的真實性,藉由紋理 的敷貼亦可在視覺上表達出原本建物模型所欠缺的細部幾何。因此,

影像紋理的獲取與敷貼在建模中是必要的,藉由影像紋理的表現可使 三維城市模型的建置更加完善。

(48)

2-4 三維景觀之視覺化與電腦視覺模擬

本節將對三維景觀之視覺化、電腦視覺模擬及景觀評估等三方面 加以說明。

2-4-1 三維景觀之視覺化

藉由三維城市模型的建置可將一個城市或某一區域的地理空間 製作成為三維的可視化系統,應用前面所述的航空攝影測量可取得實 際的空間資料進而建立模型,並藉由紋理的敷貼應用及擬真技術將各 實際地物以視覺化的方式加以呈現。「視覺化(Visualization)」是在 20 世紀 80 年代後期由美國科學家提出並發展的一項新興邊緣技術。藉 由視覺化之技術,人們可在三維圖形世界中,利用電腦直接對具有形 體的物件進行操作。如今,視覺化已成為人們用來分析和駕馭資訊的 有力工具。藉由視覺模擬,人們在建造環境的過程中,從構想、規劃 到設計階段或工程完工前,可利用模型的建置來表達與瞭解四周環境 的情況。這種環境的視覺模擬,有利於人們溝通表達與規劃及決策 [19、20]。早期的視覺模擬,大多借助三度空間的實體模型來表達,

讓人們得以瞭解工程完工後的樣貌及其四周的環境影響。但這種方式 的視覺模擬效果有限,因為若是大範圍的工程或自然環境的視覺模 擬,三度空間的實體模型勢必會縮小模型尺寸或無法完整表達實際的 自然環境景觀。隨著電腦科技的進步及電腦本身強大的演算能力,透 過電腦視覺模擬,不僅可以模擬各種建造過程的環境景象,甚至可以 模擬出日照效果的光線變化、建物色彩及紋理置換的模擬。藉由電腦 視覺模擬,不僅可以隨意改變行動視角及預設飛行(行走)模擬路徑,

對於大範圍的工程或自然環境的視覺模擬都可以完整表達並達到身 歷其境的視覺感受。目前大多透過3D 飛行模擬的方式,藉由預設的

(49)

路徑表達出三維景觀模型與四周環境的視覺模擬,不僅具有視覺臨場 效果也結合了設計與環境,藉此表達各種工程建設也提供分析與決策 參考。

2-4-2 電腦視覺模擬

電腦視覺模擬是指透過電腦將某特定地區之場景,建置於電腦 中,並藉由行動視角的移動變化,以影像表現的方式,讓人有如身歷 其境的感覺,並藉此體驗視覺感受[21]。換言之,以電腦的操作及運 算所做出的視覺模擬效果,包含電腦動畫、數位錄影、電腦影像合成、

或虛擬實境等以電腦軟體處理之各種技術模擬皆可稱為電腦視覺模 擬[22]。由於電腦設備的普及與其功能更加多元,電腦視覺模擬也逐 漸成為都市規劃設計之必要工具。在電腦視覺模擬研究的相關文獻 中,有人認為電腦視覺模擬可作為都市成長管理系統的評估機制,也 有許多人透過電腦視覺模擬的方式,將其應用在都市各種規劃設計 中,例如景觀道路之視覺模擬、歷史街道之景觀設計或某特定區域的 規劃設計等。相關文獻中指出以往的模擬技術大多僅限於圖紙的平面 表達或實際模型的製作。但隨著電腦及光學儀器的普及,再加上多媒 體的展現技術的發展,藉由電腦進行視覺模擬的方式也更為多樣,常 用的電腦視覺模擬技法大致可分為以下幾種方法[23]。

1.電腦透視圖法

藉由電腦的操作繪製某一地區或建築物的視域圖,再經由電腦中 不同視角的設定及觀測點來觀看此一視域圖,以特定格式輸入建物、

地形及觀測位置等數據,透過電腦解算便可繪畫出多種不同角度的透 視圖,此種方法主要是以線架構之型態以靜態模擬方式來表達。

(50)

2.電腦影像編修法

此方法是將相機所拍攝到的影像,轉換成數位影像圖檔之後,再 透過影像編修軟體(如Photoshop、PhotoImpact 等影像處理軟體)進 行表面材質、色彩或影像編修特效處理等元素置換之模擬。這種方法 所編修之影像,可以真實反應出欲模擬之景觀中的環境及景象,但仍 然是屬於靜態的模擬表達方式。

3.電腦繪圖與 3D 模型

此方法是利用 3D 繪圖軟體(如:3D Studio MAX)繪製出 3D 模 型,並配合一些特定屬性的設定,例如色彩、材質、光線或動態模擬 路徑等功能設定,可藉此模擬任何真實環境中的場景,亦可針對特定 項目進行日照陰影等模擬,藉由互動平台整合或影片匯出的方式可達 動態模擬之效果。

4.電腦模型與相片合成

此方法是將 3D 電腦模型輸出成影像圖片,再透過影像處理軟體 與真實照片加以合成及修飾。因其能兼具速度以及真實感的考量,可 模擬出工程前後之視覺景觀,在評估設施物對環境景觀造成之衝擊影 響有ㄧ定效益。

5.錄影電腦模擬法

利用攝影機或數位錄影機,依據事前劃定之視域圖與觀景路線進 行實地的錄影作業,將所錄製之影像轉換成可供電腦讀取之影片格 式,再經過剪輯,呈現出一個動態連續性並接近視覺體驗之實景影片。

6.虛擬實境

虛擬實境(Virtual Reality,VR)即是利用電腦模擬一個三度空 間之虛擬環境,並提供一個擬真的感官模擬,使人置身於此虛擬環境

(51)

有如真實世界一般,其系統之特色在於其交談式即時動畫顯示。藉此 提供使用者或設計者自由操作,並從任何角度或位置全方位的觀看或 移動。由於一般人對於三維空間的感受能力往往比二維的體驗要來得 容易,因此可以達到更佳的視覺模擬效果。

經由相關文獻整理[24],不同電腦模擬方法依擬真性、操作性、

時效性、適用性與工具設備等條件,加以比較後可整理出以下的結果。

表2-1 不同電腦模擬方法之比較表[24]

電腦模擬方法 擬真性 操作性 時效性 適用性 工具設備

電腦透視圖法

電腦影像編修法

電腦繪圖及3D模型

電腦模型及影像合成

錄影模擬法

虛擬實境

註:★表示佳 ○表示尚可 △表示差

由表 2-1 可以看出,電腦模型及影像合成方法與錄影模擬法,可 以達到較佳的擬真效果,其中電腦模型及影像合成方法在擬真性、操 作性、時效性、適用性及工具設備各方面都有不錯的表現。但電腦模 型及影像合成法屬於靜態的模擬,在三維展示效果上有限。而錄影模 擬法雖然是動態的模擬展示,但對於影像中的景物也只是被動式的攝 影,無法對其進行主動式的編輯或修改。電腦繪圖與 3D 模型技法,

雖然在擬真程度上不及真實影像,但透過三維模型的建立,可廣泛的 應用在各領域的視覺模擬以及三維空間的分析模擬上。

參考文獻

相關文件

The continuity of learning that is produced by the second type of transfer, transfer of principles, is dependent upon mastery of the structure of the subject matter …in order for a

• Note: The following slides integrate some people’s  materials and viewpoints about EM including Kevin materials and viewpoints about EM, including Kevin 

This study aimed to establish the strength models of High-Performance Concrete (HPC) using Nonlinear Regression Analysis (NLRA), Back-Propagation Networks (BPN) and

The results revealed that the levels of both learning progress and willingness were medium, the feeling of the learning interesting was medium to high, the activities

Through the structure of the array and the adjacent matrix to establish shift patterns; Furthermore, through depth-first search and backtracking to find the cycle solution of

In this Research, the Analytic Hierarchy Process and Case Study Method are used, from which three main factors affecting the work progress were obtained: “Encountering of

This study evaluates the service quality gap of leisure farms through the consumers' ideas, and applies Kano’s two-dimensional quality analysis to not only explore service

To combine advantages of stock selection models and market timing models, that is, to avoid the decline period and make the performance during holding period higher than the