航空傾斜相機於三維智慧城市應用

彭德熙 測量技師

數值地形圖為許多工程應用的基本圖資，隨著時代的變遷，因舊有的2D地形圖圖資，已無法全面滿足各項需求，如都市設計審議、災害防治管理等應用上，更需要3D GIS圖台，進行全視野的查詢決策。傳統上建置三維城市，需耗費大量的人力及時間，不論是時間及成本上，都已經不符合現代工程的潮流。為配合行政院打造智慧國土及大數據分析等政策，因此現在已採用許多高科技技術(如傾斜相機、影像密匹配等)，來完成三維數位城市資料建置，透過三維城市的建置，完成智慧國土的規劃。

本研究透過國內最新最高規格商用高解析度傾斜相機AOS-One X5，如圖1，共計5個方向拍攝取像，進行三維城市建置，如圖2。藉由該相機的三大優點，完成前置基本資料蒐集。

　1.   採用量測型Phase One相機，天底相機畫素高達8000萬畫素，四方向畫素達5000萬畫素，相較於市面上常見之單眼機型，如Canon 5D2(約2000萬畫素)，或NIKON D800(約3600萬畫素)等機型，畫素解析度及像幅大小至少為單眼2倍，且透過完善率定可得到較佳的成果品質。

　2.   搭載空載高精度等級GPS/IMU系統，相較市面上微機電等級(MEMS)，可獲取高精度影像方位成果，以利後續三維模型建置。

　3.   搭載最佳穩定平台，避免高空飛行時受側風影響，造成影像重疊不足，無法順利完成後續影像密匹配。

圖1  傾斜相機AOS-One X5		圖2  傾斜攝影各角度取像

目前市面上已有許多影像密匹配軟體如Bentely ContextCapture by Acute 3D等，原理為利用高解析度高重疊率航拍影像，進行影像密匹配，藉此產製三維模型、點雲資料等，作業流程如圖3。本研究採用目前最佳影像密匹配軟體-Acute3D進行匹配建置，透過多視角所拍攝之照片，藉此獲得更完整建物側面資訊，可大幅降低影像變形造成之扭曲，快速產製三維城市模型(如105台南地震災情，成功大學測量系即以此技術原理，快速完成災後三維場景建置)。
		圖3  三維模型建置流程圖

本次作業區域為新竹市中心及台中七期重劃區，作業面積約各為500公頃，傳統上若採用人工方式進行三維城市建置，至少需半年以上的時間，且所需之金額至少千萬等級，本研究利用傾斜相機搭載影像密匹配技術，可於短時間內(約一週)，完成大範圍城市建置，不論是時間及成本都大幅降低，且成果品質經過地面控制檢核，於裸露平坦地均可達1/1000製圖等級精度，如圖4。目前此項技術已可成熟運用，國外亦以傾斜攝影測量建置三維城市模型(如Google、Apple地圖均已採用)，大陸亦在2016年選擇重點100城市，進行三維城市模型建置。

圖4  傾斜攝影三維模型精度檢核		圖5 三維城市模型建置成果 (台中歌劇院-台中市政府-新竹市政府旁)

三維城市模型成果透過3D GIS，可完整呈現模擬概況，傳統上淹水模擬分析，以動畫或2D潛勢圖方式呈現，使用者有時無法清楚與現地狀況比對，透過三維城市模型及3D GIS輔助(如圖6)，可提供相關基礎圖資，予防災決策小組帷籌運用。除此之外，以往崩塌地土方運算受限於基礎圖資，使用者往往只能從數據搭配2D圖資進行想像，透過三維城市模型的建置，可進行720度無死角視野分析。

三維城市模型成果，未來更可與BIM模型進行套疊分析，透過城市週邊的真實面貌，提供完整且貼近現實生活的模擬狀態，紀錄完整工程生命週期，透過完善的生產履歷及豐富的現地資料，逐步邁向真正的智慧工程及智慧城市的發展。

圖6  三維城市淹水模擬分析		圖7  三維城市土石崩塌量計算
圖8 三維城市結合BIM模型