来源：第三维度     作者：谢福来,许明斌,张鹏修,蔡宜真     单位：国立台北大学土地与环境规画研究中心         高雄市政府地政局(台湾)         高雄市政府地政局测量科(台湾)         内政部地政司中部办公室(台湾)         国立台北大学土地与环境规画研究中心
    摘要：智慧城市为目前国际上竞相推动的课题，智能城市包含了数字城市、物联网与云端技术的建置，近年来，由于三维科技的发展已被认定是最能满足视觉的感受，所以，由二维化的数字城市转为三维数字城市的发展，亦是国土信息推动之 重要方向。
    三维城市可展现信息甚广，建置的成本亦高，若无特定之应用目标，恐只能 作浏览之功用，因此，三维城市之发展应有配套之主题进行，方可发挥其效用。 近年来，随都市化的发展，土地使用越来越复杂，城市土地朝向垂直方向的立体 化利用，由于传统二维地籍无法精确的描述三维空间的权属信息，因此，三维地 籍的应用发展已为国际测量师联合会正积极推动之研究。
    内政部地政司与高雄市政府自 2010 年起推动多目标地籍立体图资建置计划，利用产权登记时制作之建物测量成果图，转换为以产权为标的之三维建物细致模型，再整合了地籍图、正射影像数据、数值地形模型以及具纹理之三维建物近似模型数据，利用 Skyline 与 Google Earth 的三维网络平台，建立了多目标地籍应用之三维虚拟城市系统，本系统除可进行三维城市之导览外，还可以进行三维土地与建物之产权管理，地价、不动产价值、使用分区等查询，并可加值进行公 有建物之室内导览等便民服务功能。
    本文说明此以高雄市为示范区之虚拟三维城市系统的功能架构，作业成果等，以为后续发展三维城市多目标应用作业之参考。
    前言
    智慧城市为目前国际上竞相推动的课题，智能城市包含了数字城市、物联网与云端技术的建置，近年来，由于三维的展现随科技的发展已被认定是最能满足视觉的感受，所以，由二维化的数字城市转为三维城市的发展，亦是国土信息推动之重要发展方向。
    三维城市(cyber city)即是以三维空间数据来表现城市的地理信息，着重以城市为范围的地物类别，即建物、交通、城市设施、土地、界线等，除了重现真实世界中城市的地形、建物、交通、城市设施等各项对象的位置及几何轮廓与外观之外，更包括城市的活动与机能。诸多资料当中又以建筑物为三维城市中最主要之地物类别，因所有居住、财产、生活、视觉都与建筑物有着密切的关系，因此三维建物模型为三维城市重要的基础空间信息。
    由于建筑物数据从巨观到微观的可视性与数据内涵之管理与应用差异甚大，数据建置之内容亦有所不同，因此，国际开放空间信息协会(Open Geospatial Consortium，OGC)在 2008 年订立了城市地理标记语言(City Geographic Markup Language，CityGML)的格式标准，期望达到三维城市的数据共享。CityGML 将三维建物模型在可视化上依建物细致程度(Level of Detail，LOD)分为五个等级，从LOD0 到 LOD4，能反映不同应用领域的数据搜集过程与需求，并提高系统运作的效能及数据的分析应用。
    LOD0为三维地形面，无建筑物表现，LOD1为整栋建筑物外部轮廓模型，LOD2为整栋建物模塑后加入屋顶结构与纹理，LOD3为建筑物具外部结构体（如门、窗、柱等）、LOD4为包含建筑物内部细致性结构(如内墙、天花板、楼梯等)。
    整体来说LOD1~LOD2为具有整栋建物外观纹理结构之基础建筑物，适合巨观型作为城市景观、都市规划、灾害防救、三维汽车导航等。LOD3~LOD4为具建物内部细致性数据以户为单位之建筑物，适合微观型作为财产管理、不动产买卖、室内导览与建筑物安全管理等，更可接合门牌号与户政系统、警政系统结合。
    近年来随着都市化的发展，城市人口密度增加，土地使用越来越复杂，都会区的建筑型态越趋复杂且密集，城市土地朝向垂直方向的立体化利用，地表、地上及地下空间可分层开发并有不同权属，此种土地利用方式的三维空间权利范围界定与管理成为重要的议题，有鉴于传统二维地籍无法精确描述三维空间的土地权属信息，因此，三维地籍已经成为当前土地资源管理的一个迫切需要解决的重大技术问题。
    三维地籍是国际测量师学会(FIG)自 2001 年起积极推动之工作，结合第三委员会「空间讯息管理委员会」和第七委员会「地籍测量与土地管理委员会」专门成立了三维地籍工作组，并自 2010 起办理工作研讨会进行国际性成果资交流。三维地籍可以是包含在三维地理信息系统之应用领域中，三维地籍着重在建物及土地的权利范围及产权管理，并与属性数据关联，作为地籍管理之依据，对于日趋复杂的土地利用方式必须透过三维地籍来管理土地的立体化利用，并清楚界定三维空间权利范围。三维地籍包括三维土地及三维地籍建物，三维土地包含平面地籍图及数值地形模型的整合；三维地籍建物则是依产权(Rights)、责任(Responsibility)、限制(Restriction)来管理空间数据关系。亦即除了建物外观的可视性之外，还包含产权管理，是三维地籍中最重要的一环，盖与民众之财产、都市的发展均有着密切的关连。
    内政部地政司与高雄市政府地政局自 2010 年起推动多目标地籍立体图资建置计划，利用产权登记时制作之建物测量成果图数据，转换为以产权为标的之三维建物细致模型数据，再整合了地籍图、高精度之航空正射影像数据、数值地形模型以及具纹理结构之三维建物近似模型数据，利用 SKYLINE 与 Google Earth 的三维因特网平台，建立了多目标地籍应用之三维虚拟城市的「多目标地籍图立体图资建置服务网」，本系统除可进行三维城市之导览外，还可以进行三维土地与建物之产权查询、地价查询、不动产价值查询、使用分区查询，并可加值进行公有建物之室内导览等便民服务功能。
    本文提出以高雄市为重要示范区之多目标地籍虚拟三维城市系统的规划架构，数据准备与作业成果范例说明，以为后续发展三维城市多目标应用作业之参考。
    系统环境与功能规划
    一、系统环境规划
    内政部为促使多目标地籍图立体图资之虚拟三维城市展示平台，具有多元平台之转换能力以降低系统维运负担及风险，将系统建置于 Skyline 与 Google Earth 平台，运用了 Terrsoft API 与 Google Earth API 及自行建立之三维地籍图资进行平台的开发及建置。故虚拟三维城市展示系统具有 Skyline 与 Google Earth 的平台可供选择操作。
    「多目标地籍图立体图资建置服务网」建置于内政部地政司中部办公室机房，运用的服务器包括系统主要的 Web Server、ÁP Server 及「虚拟三维城市公众服务系统」之 Web Server，透过 Internet 与外部图资发布服务器及凭证验证服务器连结，取得图资及验证民众身份，网络架构图如下。

图 1 「多目标地籍图立体图资建置服务网」架构图
    (一)虚拟三维城市系统 Skyline 平台
    Skyline 展示平台系使用 SkylineGlobe 套件开发建置，包括以TerraExplorer Viewer 为图资展示工具，内嵌于使用者端 Microsoft Explorer中；以 TerraExplorerPro 处理展示工具需要图资，如近似化建物模型（LOD2）、三维地籍建物（LOD3~4）、地籍图、村里界图、土地使用分区图、地价区段图、路网数值图等，处理为 TerraExplorer Viewer 可支持之格式；以 TerraBuilder处理每一县市数值地形模型成.mpt 档案，再透过中华电信 ShowTaiwan 之Skyline 图资串流平台 TerraGate 发布图资存服务。SkylineGlobe 套件整体作业流程如下图。

图2 Skyline Globe 套件整体作业流程
    (二)Google Earth 平台
    Google Earth 平台系采用免费的 Google Earth API 及 Google Earth 图资开发建置。Google Earth 为 Google 公司开发的跨平台虚拟地球软件，可观看卫星图像、地图、地形图、3D 建筑物、海洋等信息，该平台目前搜集了全世界主要地区及城市的卫星影像或航空照片、地图、地形、3D 城市建物，因其独特的串流技术，使得因特网使用者得以浏览过去认为只能在单机程序使用的高分辨率影像及三维地形地貌，通过使用 Google Earth 插件及该程式之 JavaScript API（统称 Google Earth API），就可于网页中嵌入 Google Earth 基本功能及呈现其搜集的三维信息。本计划之 Google Earth 平台是以JSP/Servlet 方式作为后端，结合 JavaScript 作为前端使用，利用 JavaScript语言中的 AJAX(Asynchronous JavaScript And XML)技术传送后端数据给予Google Earth API 加以执行。3D 地籍建物要于 Google Earth 平台展示必需进行批次转文件作业，将建物细致模型(.skp)转换为 Google Earth 平台可读取格式（.kmz 檔）。
    二、系统功能设计
    虚拟三维城市展示平台规划设计之功能架构如图 3，提供多种图资定位查询、地政信息查询（包括土地及建物之属性及地籍图、建物平面图等）、使用分区及开发区信息查询、三维立体图资及相关应用查询等，查询结果主要以三维模式呈现建筑物的精细外观及详细属性数据（登记及使照信息），并可藉由地段建号关联呈现建物权属分布及平面图配置。

图3 系统功能架构
    (一) 图资查询
    提供以门牌（已登记建物门牌）、交叉路口（指定两个路口）、地物设施（重要地标）、坐标（经纬度坐标）等数据，进行 3D 地图定位，预设背景图资为 ShowTaiwan 之数值地形并套迭本案之近似化建物模型及精致建物，并以 3D 方式于图上标注检索位置。
    (二)地政服务
    提供以地段地号或地段建号，查询地籍数据功能，查询的数据由中办之全国土地基本数据库读取，主要为土地及建物标示部数据、其他登记事项数据、地籍图等，并于 3D 地图中标示单笔宗地范围。本年度作业也因应高雄市县市合并措施，纳入了原高雄县地区之地籍图资，提供使用者可以原高雄县管辖地段及地号或建号，检索及浏览三维建物及地籍图。
    (三)三维地籍
    提供以地段建号、建物门牌或建物名称，查询三维地籍建物功能，可以栋的观念检视建物属性数据、亦可以建号为单位检视之建物楼层平面、及建物内部精致塑模数据等。三维地籍查询是本系统之核心功能，并开发三维土地空间管理、三维地价及不动产实价登录数据查询功能。可检索立体土地使用分区图资、地价区段图资及不动产实价登录资料。
    (四)三维应用
    提供三维数字城市面向之三维数据应用功能，包括建筑规划、动线导览、不动产加值等功能。以实时绘制 3D 线及面数据方式，仿真三维空间新增建筑结构体之样貌、三维空间人或车辆前进时之城市景观等。
    (五)开发规划
    提供以虚拟三维城市展示土地开发相关业务信息查询，包括开发区范围及属性数据查询、土地使用分区数据查询等。
    考虑虚拟三维城市展示平台提供了土地及建物地籍数据、建物楼层平面三维资料（依据建物测量成果图绘制）等需付费才可取得之数据查询，且部分功能开放民众免费浏览使用，因此，系统针对各项数据的查询及异动功能，划分用户角色及权限。部分系统功能如三维土地空间管理、三维地价及不动产实价登录数据查询功能，因牵涉未对民众公开之业务单位图资，故仅提供以地政单位人员身分登入者使用。用户可查询的图资项目角色划分规划如表 1。

表 1 多目标地籍虚拟三维城市系统权限 
    系统数据准备
    多目标地籍图立体图资之虚拟三维城市展示系统主要使用数据如表 2，包含了二维的国土信息系统基础数据，以及本系统所建立之三维数据等，兹说明本系统所准备建立 LOD1~LOD2 及 LOD3~LOD4 之三维数据的方法。

表2 多目标地籍虚拟三维城市系统使用数据
    (一) LOD1~LOD2 三维建物近似模型建置
    LOD1~LOD2 三维建物近似模型提供本系统区域建物可视化之效果，为考虑运作成本下，利用现有建物外廓图形建立建物之近似化模型(牺牲建物部份细节，但颜色及材质类似于实际外观)。整体架构及处理流程如图 4 所示，地形图建物图层之建物外廓与楼层数据用来产生建物之三维建物立面模型，屋顶纹理贴图则利用正射影像，并运用影像辨识技术修正因倾斜摄影所造成之建物屋顶位移问题，进行更精准之屋顶纹理贴图，墙面纹理则是利用 Google Streetview API 获取建物对应之街景影像，搭配事先建好之材质影像库，运用影像检索技术，比对出最相似之材质来进行近似化墙面纹理贴图。 
 
图 4 LOD1~LOD2 三维建物近似模型作业步骤
    作业成果如图 5 所示。

图 5 LOD1~LOD2 建物三维近似模型
    为有效针对此巨量数据进行呈现上之管理，本作业先将整个建物图层依地形图图幅作「分幅」处理，如此可对较小范围内的建物进行显示管控。每一图档内所含之模型再依其体积予以「分层」处理，然后再利用 Region/LOD 机制来控制各等级建物之显示时机。此机制可使得视点离地面较远时只加载部份体积较大之建物，视点渐接近地面时才将较小型建物或建物细节加载。如此，加载较少量数据可提升建物模型显像之效率与质量。

图6 利用 Region/LOD 机制控制建物之显示时机范例
    (二) LOD3~LOD4 三维建物细致模型建置
    LOD3~LOD4 建物三维细致模型是多目标地籍虚拟三维城市系统之重要数据，提供以建号(产权)为单元之建物信息，数据源主要是利用地政单位于建物产权登记时绘制之建物测量成果图，建立向量式之建物楼层平面图数据，再利用建物竣工图之楼层数及楼层高度，依所设计之建物内部对象如门、窗、柱与隔间等位置之绘制，产生具产权属性之三维化地籍建物模型，最后，再转出如 sketchup 格式之建物模型，进行建物外部纹理之、内部空间之加值处理，成为一栋美观的细致性建物模型数据。其作业程序如图 7，成果数据例如图 8。

图 7 LOD3~LOD4 三维细致建物模型
    为建立此类型成果，本计划自行开发了数据建置系统，并依地号与建号连接地政信息系统之相关属性数据，进行三维地籍之多目标应用。

(a)楼层平面图建立范系统展示

(b)三維地籍基礎建物建置

(c)三維細緻建物模型建置
圖8 三維產權建物模型成果
    依前节所规划之系统环境与功能架构，建置了示范区之数据后，本计划利用中华电信公司Show Taiwan 三维网络平台上开发了「多目标地籍图立体图资建置服务网」的虚拟城市系统，提供地政人员与一般民众进行业务应用与导览。本系统在远距离情况下提供导览性数据检视，以LOD1~LOD2模型显现，在近距离时，则以LOD3~LOD4模型显示，为让两者能无界切换，本系统同样利用了Region/LOD原理，LOD1~LOD2模型设定在[64,Z]区间作显示， LOD3~LOD4模型则是设定在[Z,]；在此设定下，LOD1~LOD2模型显示时机为针对该模型所设Region占图面范围大于64*64 pixels时，当Region占图面Z*Z pixels时即作两类模型之切换动作，依本系统测试LOD3~LOD4模型之显示效率，建议将Z设定为「200」，同时约可显示约6个LOD3~LOD4模型。图9显示其成果。系统示范例成果如图10~图16。

图 9 利用Region/LoD机制作模型之切换动作

图10 系统画面与城市景观导览

图 11 地号与建号数据查询

图12 房产权属数据查询与三维实价登录定位展示

图 13 土地使用分区与三维土地使用容积展现

图 14 区段地价三维展现

图 15 城市路线导览与建物建筑景观仿真


图 16 建物室内布置与导览
    结论
    随着网络与计算机科技的快速发展，城市的景观随着Google Earth 的推出以及Google街景车的活动，三维化的需求与发展在全球掀起一股热潮，加上物联网与云端服务的兴起，更带动起智慧城市的建置，成为研究发展的重要课题。
    三维城市的建置因数据复杂，数据量庞大且所需花费的成本亦高，因此，必须有效的结合业务作业与便民服务的应用，才能提高其效益。三维地籍的发展正是因应城市的快速成长，所推动之土地与建物产权管理的重要措施。利用地形图建物外廓数据建立建物具纹理三维近似模型，以建物产权登记时绘制之建物测量成果图数据，建立出具权利范围之三维地籍细致模型，因建物具有建号、门牌号、使用执照号，因此，除可以进行三维地籍管理外，还可进行户政系统、建筑管理等之串联，达到以户为单元之三维建物信息，可进行如不动产估价、精致看房、学区分配、物产管理、物流配送，亦可作为建筑物防救灾系统与室内导览等，即可完成多目标应用之蝴蝶效应。
    三维地籍虚拟城市系统之建置，已成功的验证结合地形图建物数据与地政单位之建物测量成果数据所模塑出之虚拟三维城市模型，除能提供业务单位进行必要性之地政信息管理外，亦能提供出多样态之加值服务，可做为发展与推动智慧型三维城市之参考，后续仍将朝三维地籍的法制层面与管理层面进行研究探讨。
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