来源：第三维度
    作者： 蔡富安、张智安、张桓、陈良健、陈杰宗

    摘要：三维数字城市为现今空间信息领域发展之重要议题，其中人造建筑之三维房屋模型乃是最为重要之基础对象之一。本研究结合航遥测科技、数字摄影测量、计算机图学等领域之技术，针对台湾地区房屋的特性，研发出符合OGCCityGML所定义的LOD1、LOD2及LOD3之房屋模型建置方法，并评估所建置三维模型的质量。研究中使用的数据报括：大比例尺数值地形图、空载及近景数字影像、空载及地面光达点云、数值地形模型、高解析卫星影像等。本研究另将现今多数三维展示系统主要使用的LOD1及LOD2等级之房屋模型，记录与分析个别数据成本及建置成本。此研究之成果可作为未来进行大规模三维房屋模型建置以及相关应用重要的参考依据。

    1. 前言

    三维数字城市的建置、更新与加值应用为近年来各国政府、民间企业发展之趋势与着重的项目，数字城市可加值应用于国土管理、都市规划、防灾、环境影响评估等领域。目前在三维数字城市房屋模型相关之研究与应用上，已有相当可观的成果出现，最受注目的就是GoogleEarth(GoogleEarth,2013)，这套系统整合了全球数值地形模型、全球卫星影像(部分地区为高解析卫星影像)、部分都会区三维房屋模型、部份地区之道路、地址、行政边界与特殊景点等空间信息，形成数字地球(DigitalEarth)。其中最主要的基础资料之一，三维房屋模型的建置需要耗费大量资金与人力，之后才能由相关产业进行加值应用，进而带动商机。因此，本研究特别针对国内现有空间信息来源、相关应用需求，以及我国房屋之特性，开发有效率、低成本及高精度之数字城市三维房屋模型重建技术。

    我国内政部于95年度办理科技计划「三维数字城市模型先期建置工作」，已完成三维数字城市模型的重建、纹理贴图及动态浏览之技术建立，并研订规范及标准格式(草案)(内政部，2009)。藉由此基础与规范，为进一步发展及整合建置三维数字城市模型之相关技术，并特别针对不同尺度三维数位房屋模型之建置研拟最佳技术及策略规划，以利后续大规模进行相关建置时能提升效率与效益。本研究整合各式空间数据，包括大比例尺数值地形图、空载及近景数字影像、空载及地面光达点云、数值地形模型、高解析卫星影像等，发展多尺度三维数字城市之三维房屋模型重建技术。所开发之演算法依据OpenGeospatialConsortium(OGC)CityGML(Grögeretal.,2008;OGC-CityGML,2013)所定义的LOD1、LOD2、LOD3房屋模型规范逐一建立系统性的建置流程，并选定台北市共336公顷都市区作为多尺度三维房屋模型建置之测试例。另外对于各层级建置所需的成本，依房屋几何模型建置与墙面纹理敷贴这两部份分别进行了记录与分析。

    三维房屋几何模型的重建，目前有研究是利用数值航测系统以人工辨识的方式进行屋角点的立体量测，进而产制三维房屋模型(Leica,2013)。但由于相当耗费人力成本，因此国际上相关研究主要分为「全自动」与「半自动」两种策略。由于房屋几何模型的复杂度与多样性相当高，因此从商用化的角度而言，利用航遥测数据进行全自动三维房屋几何模型重建之方法目前尚未达到实用的阶段，而「半自动化」方式目前则有几个代表性的研究成果，已经达到可商用化的程度(CyberCity3D,2013;Inpho,2013;GrünandWang,2001;Gülch,etal.,1997)。近年来，由于空载光达可产生大量的地表物三维点云信息，加上其质量提升与成本降低，相关研究乃试图利用此数据直接以自动化方式产生三维房屋模型。然而，由于空载光达数据对建物边界的描述不够明确，尚无法达到三维制图的目标，从大量生产运作的角度而言，此种方式仍无法达到商业化的程度。因此，本研究考虑国内可能取得的的航遥测资源，以及考虑制作效率、成本与精度等因素，发展多尺度重建三维房屋模型相关技术研发。

    在墙面纹理贴图方面，主要目的为弥补利用几何无法或不易描述之建物细部几何结构与建物表面之材质与色彩等。最直觉的作法，就是在建物正前方拍摄照片，逐一进行几何形变纠正，同时选取套合控制点，以最简单的仿射转换进行纹理贴图，此种作法所耗费的人力与时间成本相当可观。因此，在航遥测领域多重摄影测量角度出发，求解相机方位参数，再以自动化方式产生墙面纹理贴图是较合适的作法。然而遮蔽现象终究无法避免，因此本研究研发影像修补的技术，于贴图程序上进行改良，以减少人力并达到提升质量之成效。

    2.研究方法

    2.1 LOD1等级房屋模型建置

    本研究依据CityGMLLOD1等级房屋模型规范，建置重点着重于房屋轮廓之平顶房屋模型，使用大比例尺数值地形图之房屋轮廓线可有效的进行重建，故此阶段以数值地形图为主，航照立体对影像为辅。主要建置流程包含：(一)萃取数值地形图中之房屋图层及楼层图层；(二)由房屋轮廓线产生房屋多边形；(三)将跨图幅之多个多边形合并为单一房屋多边形；(四)由楼层数估算房屋概略高度；(五)使用数值地形模型计算房屋屋脚高及屋顶高度。航照立体影像的加入能改善楼层数估算高度与真实高度之差异，藉此提升房屋模型在高程重建的精度。另外，将房屋多边形反投影至航照立体影像，即可比对模型与影像之差异，对模型进行房屋高度调整，使LOD1模型的高度更为精准。

    本研究同时提出了以数值地形图重建LOD1房屋模型之作业程序，主要工作分为分析资料格式，与萃取及编修相关房屋图层两部分。其中，搜集建置房屋模型所需之资料，包含數值高程模型、房屋輪廓线与樓层數。由于大比例尺數值地形图中的房屋图层，在仅有一层楼层数的房屋多边形表示时，不会标示樓层數的信息，故易与房屋中庭、或是任意房屋多边形所围成之非建物封闭多边形造成混淆。因此，地形图中的房屋图层需先行处理，以获取相对应的房屋輪廓线及樓层數资料。模型高程则是藉由坐标建立樓层數与模型间的空间关系，经撷取目标区數值高程模型，供后续建模时产生樓高的參考基准面。上述之图层分析与萃取过程如图1所示。

圖 1 LOD1 等級房屋模型重建流程

    利用房屋輪廓线产生封闭多边形之房屋区块，其工作内容包含：(一)輪廓线编修；(二)輪廓线封闭；(三)位相关系建立。輪廓线编修部份，因地形图數化时，跨图幅区的房屋輪廓会有重复边界线与被切割成多块的问题，如图2(a)所示，此现象会导致最终模塑成果不正确，故该重复线段于此部份经与图幅边界判断后，自动濾除；悬挂物件(dangle)经判断后延伸或切除，并使各线段端点密接(snap)。輪廓线封闭部份，为将上述处理后的房屋輪廓线，经拆解与連接，并去除过短线段，以新产生之边界线描述房屋封闭区块，如图2(b)所示。

圖 2 資料前處理程序

    最后，位相关系处理部份，图2(c)则是经过判断各边界线位相关系，最后去除过小区块，获取完整之二维房屋輪廓区块。为使房屋模型更为拟真，纹理贴图包含屋顶及墙面两部分，采用空载影像可有效的获取屋顶纹理，因此针对屋顶纹理皆使用航照影像进行敷贴，将屋顶多边形反投影至影像中截取对应纹理，墙面纹理则使用纹理数据库进行自动化墙面贴图，贴图时以房屋大小及高度做为自动化贴图的依据。

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