台北市航測地形圖更新、數值地型製作及
歷史圖資影像建置
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航測部 經 理 |
鄧曜輝 |
航 測 部正工程師 |
鄭宏逵 |
摘 要
都市計畫係政府為改善居民生活環境，針對一定地區內有關都市生活之經濟、交通、環境等各項市政設施作有計畫之發展。關於都市計畫之規劃，其基本作業資料為地形圖資。由於測量技術之發展，可說是日新月異，進步非常快速。台北市政府有鑑於各項重大建設的開發及都市計畫、各類管線、水土保持、建管、地政等市政建設多元化，並為增進市府業務推動與執行順暢，於91年度起全面實施航空攝影測量，製作大比例尺彩色正射影像、錄製4米網格數值地型資料，並分年度修測地形圖以符合現況；掃描歷史圖資，建檔保存及建置完成等高線資料庫，提供各單位使用。
一、前言
由於重大工程建設的開發及地政、都市計畫等市政建設多元化，同時配合市府消防局對防洪、防災各項規劃管理需求，於九十一年度起分年度辦理台北市數值地形圖修測、圖檔編修及屬性資料庫建置暨數值地形模型(DTM)補建工作，全面實施航空攝影、建置高精度DTM、製作大比例尺正射影像及國內首次航空測量修測更新地形圖。
本年度(九十二年度)將延續第一期的業務，辦理地形圖更新、建置文山區完整連續等高線資料，提供各項地理資料系統(GIS)使用，同時掃描民國58年類比地形圖、建立歷史資料檔、提供數位保存方式及結合新舊地形圖資影像資料，方便查詢與比對。
本工程司有幸參與八十四年度地形圖測製、九十一年度之修測及DTM等業務，期間與台北市政府都市發展局良性互動，秉持以往辦理交通建設之航空測量豐富經驗，密切配合業方需求，提供最佳技術服務，並獲肯定續辦九十二年度業務。
台北市政府都市發展局推動本工程業務預計達成下列計畫目標：
1. 業務多元化，更替圖資符合現況
由於市政建設業務的多元化，包括都市計畫、各類管線工程、水土保持、環境影響評估，以及建管、地政等相關業務，對於地形圖之使用需求頻仍，原本使用的地形圖資因重大工程建設開發，以致有些與現況不符，為增進市政府業務推動與執行順暢，全面實施航空攝影，辦理地形圖的修測實有其必要性與急迫性。
2. 建立全區高精度數值模型
使用全區航空攝影像片，建置一套完整的DTM資料，除提供市政建設及3D立體影像建立外，對往後防洪、防災各項規劃、管理與決策的優良能力與品質，將能提供更正確詳實的資料。
3. 製作彩色正射影像
製作大比例尺彩色正射影像圖檔，建立台北市都市發展變遷之歷史資料庫，支應各項建設參考使用及提供快速查詢現況影像資訊。
4. 建立歷史地形圖影像資料
針對許多市府珍貴歷史地形圖資，因時遷物移、紙圖的保存環境不易保持及使用查詢管理不便，本計畫將民國58年完成台北市地形圖資料(膠片)，以高精度掃描儀製作歷史地圖資料檔，提供影像數位保存方式，並可檢視台北市不同時期之地圖，瞭解該地區環境、社會與文化變遷情形及發展差異。配合未來電腦化管理，結合新、舊地形圖資影像資料庫，達成影像保存及歷史圖資方便查詢、比對等目的。
5. 等高線資料庫建置
依據台北市政府都市發展局九十一年度完成數值地形模型(DTM)資料，建置文山地區三維等高線完整連續資料，除補充修正原地形圖外，可提供各項地理資訊系統應用之基本資料，支應坡度、坡向、土方計算及水土保持等各類工程建設使用。
三、工作範圍
計畫作業範圍包括台北市全區，面積約272平方公里。主要作業包括全區航空攝影、數值地形模型(DTM)測製、彩色正射影像製作、全區數值地形圖修測更新、調繪補測、圖檔編修、民國58年類比地形圖歷史影像掃描及等高線資料庫建置作業。
四、內容概述
1. 地面控制測量
(1) 已知點檢測。
(2) 航空標佈設。
(3) 航空標控制測量。
2. 航空攝影
(1) 航線設計。
(2) 空中垂直攝影。
3. 空中三角測量。
4. 1/1000立體測圖更新。
5. 調繪補測。
6. 地形圖編製。
7. 1/1000彩色正射影像製作。
8. 數值地形模型測製。
9.等高線資料庫建置。
10.類比地形圖資掃描。
(一)第一期建置成果
主要成果項目如下：
1. 地面控制測量成果
2. 空中三角測量平差成果
3. 航空攝影像片及影像檔
4. 1/1000地形圖更新成果檔(內湖地區)
5. 1/1000彩色正射影像檔
6. 數值地型DTM檔
(二)地面控制測量
1. 作業方式
採GPS衛星定位方式實施控制測量，同時使用9台GPS定位儀以相定位靜態基線測量方式，將三角點、已知點及空標點聯成網狀，採用蛙跳式觀測，分區進行接收仰角大於15度及四顆以上衛星雙頻載波及電碼，每一時段至少觀測40分鐘以上。GPS觀測量經過週波脫落、電離層等修正處理，做網形平差計算TWD97座標成果，並轉換TWD67座標。
2. 成果內容
完成已知點佈標222點及新設空標151點，全區之佈標控制點分佈詳如圖三台北市數值地形圖修測作業航標點展點位置圖
(三)空中三角測量平差
1. 作業方式
掃描像片成為影像檔，於影像工作站內做影像匹配，自動產生像片連接點，建立像片與像片間重疊關係，以地面控制空標點進行定位，用光束法共線原理，依最小二乘平差法同時解算各像片投影中心位置、三軸傾斜參數(X、Y、Z、ω、φ、κ)及連接點大地座標。
2. 成果內容
台北市全區共計拍攝40條航帶，總計1,122模，考量作業時程分南北二區整體平差，各航線投影中心詳如圖四航線及像片投影中心索引圖。
(四)航空攝影像片及影像檔內容
完成攝影像片及掃描檔數量共計1228片，像片比例尺1/4700∼1/5000，掃描解析度20μm，相對於地面解析度9∼10公分， 每個檔案大小約400M byte。
(五)1/1000地形圖更新成果內容
第一期作業範圍包括：內湖地區基隆河截彎取直、環東快速道路及重劃區，總計修測46幅，面積约1020公頃。圖五所示為基湖路重劃區之地形變化。
(六)1/1000彩色正射影像檔
1. 作業方式
採用影像工作站，以地面高程模型DTM進行正射影像微分糾正，重新投影成像，各像片做正射鑲嵌時，擷取接近像主點影像，減少高差位移之投影誤差，選擇道路、河川等天然界做鑲嵌接縫使圖面美觀合理，最後再進行色差勻化工作。
2. 成果內容
台北市全區正射影像檔共計677幅，以TIFF格式儲存，每像素(Pixel)為12.5公分(GSD) ，每個檔案大小約95Mbyte。(詳圖六)
(七)數值地型DTM檔
1. 作業方式
數值地型製作方式為在精密解析測圖儀內建立之航測模型量取等間距規則網格點、地形特徵線、結構線(山脊線、山谷線)、地形斷線(地面傾斜角度劇烈變化處)及重要點獨立點(山頂、山窪、鞍部等)，以組成不規則三角網(TIN)方式內插數值地型DTM。(詳圖七)
2. 成果內容
完成台北市全區DTM檔共計677幅，儲存格式為X、Y、Z(ASCⅡ格式)，提供不同間距10M*10M及4M*4M之67 座標系統與97座標系統。(詳圖八)
(一) 立製修測地形圖
1. 作業準備
依據台北市政府都市發展局提供修測範圍之地形圖檔，套合於91年度(第一期)完成之彩色正射影像，判識修測地區、地形、地物變化情形，對變化較大地區依據作業經驗，在50%以上有明顯改變區域，於航測立體模型內重新立測。變化較小的區域以現地調繪補測方式補充之。須重新立測範圍的標定方式以街廓、巷道、河流等為界，立測範圍線內刪除原地形地物應儘量整體，避免後續接邊與編修的問題。
2. 修測作業環境建立
(1) 本工程司在影像工作站內建置一套完整修測作業環境，依據市府發展局提供之圖式規格表，分別建立各類地形測繪編輯功能之工具列(Tool Bar)，可以在工具列上點選功能或數位功能板上按鍵選擇所需測繪地形物，內容包括道路、房屋、河川、植被、等高線、各種人孔、獨立高程點及註記等。
(2) 作業人員僅需依立測項目功能點選工具鈕，測繪作業系統會自動切換至所需數化地形物的圖層及其規定之線型、線寬、顏色、圖例等，無需人工介入，可以避免人為錯誤。 ( 詳圖九)
3. 修測地形圖圖元特性分類
(1) 地形圖圖元分類非常多元，依據其圖式常有不同表示方法，因此為配合作業一致性，及圖形有效整理，節省儲存空間，增加圖形處理速度，必須根據現有圖檔圖元特性作適當分類，圖十為根據點、線、面及註記等圖元特性之分類表：
(2) 現有之台北市地圖檔為2D型態儲存格式，為使部份地形圖例能作有效運用，例如獨立高程點、等高線、建物等圖形，附有相關高程或樓層數之屬性，為有助於未來相關GIS處理應用及提供SEF標準交換格式，因此有必要作屬性註記關聯，圖十一為根據不同圖元及特性之關聯分類表。
1. 採用原始量測資料(網格點、地形斷線、特徵點)，以不規則三角網(Triangulated Irregular Network，簡稱TIN)進行內插計算，產生等高線檔。 等高線計算時，加入房區之封閉閉合線資料(dead area)，使計算之等高線不通過房屋封閉平面區塊，以沿房屋線繞行通過，可以減少編修之人工作業量。圖十二表示加入房屋封閉區塊及未加入房屋封閉區塊的情形。
2. 於等高線計算時，多幅同時進行，產生之等高線檔應逐幅與地形圖套合編修，注意跨越圖幅地區的編修合理，避免切割圖幅後造成接邊問題。新算等高線轉為2D檔後再進行套合現有地形圖檔，等高線之屬性需加標籤，標籤值即為等高線高程，獨立高程點符號作標籤顯示，高程值即為標籤屬性。
1. 類比地形圖數位化的緣由
由於市府發展局過去所使用地形圖膠片已屆物理年限，使用查詢不方便，因此分年度將珍貴的歷史圖資進行掃描數位化後保存。未來這些數位化成果可提供下列好處：
(1) 地形圖圖面數位化後，電腦圖檔將比圖紙的保存時間更長。
(2) 可以檢視不同時期之地圖，獲取環境、社會、文化變遷及發展差異。
(3) 節省圖櫃空間，增大辦公室作業空間。
(4) 配合電腦化管理，將可快速搜尋出所需圖面。
(5) 數位化後之圖面更便利與已建立之資料庫連結。
2. 地形圖圖面掃描建檔流程詳圖十三。
3. 作業方式
(1) 採用掃描儀器
儀器採用Oce 9800高速原稿輸入，Oce 9800為等比例接觸掃描之儀器，可確保一次掃描原稿範圍之影像，整批掃描自動編號建檔，資料格式為Tiff。
(2) 掃描作業步驟
a. 原稿掃描
以一次掃描原稿方式，設定300dpi以上解析度來掃描，膠片掃描面積約為70cm * 50cm，故可獲得的像素為488萬畫數的影像檔，單一檔案約為46.5MB。，以1/1200比例尺來計算，相對地面解析度可達0.10 (公尺/像素)。
b. 地形圖影像圖面編修作業
掃描所得之影像檔，運用影像軟體(GTXRasterCAD)並依據該圖廓四角座標及方里線內交點等相對數值之關係，校正影像圖面的傾斜及清除影像雜點。
主要校正及編修內容包括:
(a) 影像圖面的雜奌清除
(b) 影像圖面的傾斜轉正
(c) 影像縱橫軸尺度校正
(d) 影像框除和重定範圍
c. 座標轉換及GeoTiff圖檔格式製作
經由以上的步驟，修正了歷史地形圖影像因掃描所產生之各項誤差，而恢復影像本身相對的幾何關係，然而必須將其轉換至共同的地面座標(採用TWD67)才能納入地理資訊系統應用。
為了將圖幅之區域座標轉換至TWD67座標系統，本計畫以全市樁位共同點(如都市計畫樁、三角點及歷史建物、古蹟等自然點)，分別比較六參數轉換(Affine Transformation)與最小二乘配置法(Least Square Collocation)座標轉換方法之優劣，並估計原區域座標系統之系統性誤差，再以平差偵錯(Data Snooping)方法，剔除不可靠之共同點，擇優計算出轉換參數與適合之分區，各圖幅轉換至TWD67座標系統，並經套疊一千分之一數值地形圖比對相同地物，視相對關係無誤後，製作成geotiff格式影像。
4. MrSID軟體壓縮作業
(1) MrSID是由Lizard Tech公司出品的高畫質影像壓縮軟體，能使檔案較大的影像在保持高品質原則下，做高壓比的壓縮，並確保影像能在數秒內呈現在使用者的眼前，並 完成縮放平移的動作。
(2) 類比的圖面使用高解析度掃描後，再壓縮成原來的5%(壓縮比20：1)。除壓縮一般的掃描影像格式外，亦可壓縮具有地理坐標系統的影像格式，例如GeoTiff、Image、ERDAS、USGS、DOQ等格式。
(3)台北市全區963幅1/1200類比地形圖以MrSID軟體分幅壓縮後，賦予其原始膠片圖號之主檔名，錄存於光碟片或等效儲存媒體，壓縮前全部圖檔約45GB，經壓縮後約為2.2GB。
七、結論
台北市為國內首要都市，市府發展局為打造台北市為世界級首都，研擬二十一世紀台北發展藍圖，建構台北市都市空間發展架構，形塑台北具備山水都市、活力都市、合作都市、健康都市的多元面貌。為建構廿一世紀的世界級首都，辦理各項台北市綜合發展計畫修訂、研擬未來發展藍圖及願景，均需建立在良好數值地形圖及高品質數值地型等圖資。
近年來數位地球科技突飛猛進，向來供市府各項建設規劃並為資訊應用之基本圖資料，而原成果圖面記載資料距今已屆十年，與實地資料差距甚大，無法滿足市府各項建設規劃需求。故於九十一年度起連續四年編列此項經費，已完成全市四公尺間距數值地形模型、677幅正射影像圖檔，並持續推動分年修測地形地物變動區域之數值地形圖及修正全市之等高線模型。
由於測量技術發展日新月異，測量產品已由類比圖資走向數位影像，高解析的衛星影像以及掃描數化的空照影像，其解析力高，都已朝向數值影像製圖發展。未來影像地圖將會取代傳統地圖，以電子影像地圖方式發展，三維地形圖資搭配正射影像也將朝向3D城市建模及網路資料庫管理方向發展。
參考文獻
(1) 「台北市數值地形圖修測、圖檔編修及屬性資料建置(第一期)暨數值地形模型(DTM)補建
工作」 服務建議書，2002年5月。
(2) 「台北市數值地形圖修測、圖檔編修及屬性資料建置(第二期)」服務建議書，2003年3月。
(3)「台北市數值地形圖修測、圖檔編修及屬性資料建置」作業規範。
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