新竹科學工業園區在航空測量之數位發展
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地 資 部 正工程師 |
陳振文 |
摘 要
由於高科技產業的發展一日千里，科學園區管理局為因應園區業務之多元化，持續推動各項公共設施規劃與設計，而採用航空測量方式製作全區高品質地形圖資，已成為獲取數位化空間資訊快速的有效工具。
中華顧問工程司歷年來為新竹科園辦理了多次的航空測量工作，而分別採用了類比航測法，解析航測法及數值航測法，正與航測技術的發展軌跡相契合，本文除了敘述此段航測數位化的過程外，亦比較其作業方法之異同。以作為日後研發的依據。
本文同時說明航測產品數位化後加值之應用，如彩色正射影像的製作及三維城市景觀模擬……等，並探討科學園區未來在"衛星影像製圖"及"三維可視化工程設計"應用的可行性及目前初步的研發成果。
一、前 言
新竹科學工業園區自民國69年12月15日成立以來，即以建設優良的投資環境，吸引高科技人才，引進高科技投資為宗旨，目標在促進台灣產業升級。經過多年的努力，新竹科學工業園區已成為發展成功的科學園區典範，亦為經濟學及城鄉發展學者探討的範例。
正因為新竹科學園區在開發的過程中，舉凡地籍整理，都市計畫與都市設計、開發工程的設計施工、各項設施的維護管理…等等都需要高精度的測量資料及空間資訊配合，因此於民國74年、83年及91年委由財團法人中華顧問工程司實施了1/1000地形圖航空測量，分別採用了類比製圖儀（Kern PG2）、解析製圖儀（Wild BC3）以及影像工作站（Leica DPW），此一過程正與航空測量作業的數位技術發展的軌跡是一致的。(詳圖一)
而本文除了說明航測技術在科學園區的發展及各項空間資訊的加值應用外，亦將探討科學工業園區在航測空間資訊應用之未來發展。
二、航測作業技術在科學工業園區之應用
新竹科學工業園區為因應分期開發之需要，共辦理了4次的大規模測量作業：
(一)民國68年之施工測量
國科會委託林務局農林航空測量所進行園區第一期開發範圍航拍，主要成果為第一期發展地區面積約300公頃地形圖。
(二)民國74年1/1000地形圖航空測量
委託中華顧問工程司辦理，主要成果為都市計畫特定區面積2300公頃地形圖。
(三)民國83年1/1000地形圖航空測量
委託中華顧問工程司辦理，主要成果為新竹科學城面積5300公頃地形圖及新竹科學城鑲嵌圖。
(四)民國91年1/1000地形圖航空測量及相關調查
委託中華顧問工程司辦理，主要成果為新竹科學城面積5300公頃地形圖、1/5000彩色正射相片圖以及土地使用及植栽地理資訊系統。
除第一次的小面積開發測量外，其餘均為大範圍的航空測量作業為主，其作業內容及比較如表1所示；由航測儀器及使用方法的比較可以看出航測技術進步的軌跡可以說電腦化（無紙化）或說是數位化的歷程。
三、航測技術在科學工業園區之加值應用
由於數值航測法作業下之成果均為數位化之影像或資料（其作業流程及成果詳見圖二所示），而數位化之特性有利於後續資料處理應用，更容易加值為其他數位化產品，可針對不同之應用層面作客制化的服務，以延長其空間資訊產品之生命週期。
目前在新竹科學園區，常使用之航測加值產品有下列各項：
1. 數值地型（DTM）應用（如圖三所示）
(1)等高線圖及三維（3-D）透視圖的製作
(2)縱橫斷面及土方計算
2. 正射影像之應用（如圖四所示）
(1)彩色正射影像製作
(2)3D城市景觀模擬
(3)3D動畫瀏覽器製作
現以彩色正射射影像及3D城市景觀模擬為例，說明其作業方法：
(一)正射影像之製作
原始的航測影像含有像片傾斜移位及比例尺不一的誤差，而若將這些誤差消除則可得到正射影像(Orthophoto)。如圖五所示，原始影像屬於中心投影，此投影模式中所有真實地物和影像中相對地物之連線會相交於一點，而正射影像屬於平行投影，在此投影模式中所有真實地物和影像中相對地物之連線均是平行線，簡單說正射影像就是在無限遠的上方往下看所得之影像，而一般的地圖就是屬於平行投影。
由於一般之航測像片受限像紙大小及精度的要求(航高受限)，皆為小範圍的區域像片，若要大範圍的像片，只能以拼接的方式製作。在傳統的作法上，鑲嵌圖是將具有重疊之航攝像片(一般是利用垂直攝影之像片或經過正射後之影像差異像片)，切去其邊緣與重複部份，使之互相拼接而成一大範圍之連續像片，稱之為航攝鑲嵌圖，如圖六、圖七及圖八所示。
若以數值影像之方法製作正射影像鑲嵌圖，有以下的優點：
1. 各像片之灰度值可以調整，免去沖洗相片時的困擾。
2. 不須以人工接邊，消除人工接邊的痕跡。
3 .可依照客戶需要加註資料，訂做特定用途之電子地圖。
4. 可利用繪圖機或印刷輸出，數量與品質容易控制。
(二)三維城市景觀模擬
航空攝影像片全都是近似垂直攝影的中心透視投影，亦可說是鳥瞰圖。現在因為數值影像處理之進步，我們可以利用中心透視投影之數學模型，另定義觀測點(Eyepoint)及目標點(Aim Point)，如圖九所示，用以對原始的地形、影像作另一角度的檢視。
而再利用現有之數值地形圖中之建築物資料配合中央大學遙測中心發展之SMS演算法，利用最少人力組成三維城市模型，加上正射影像資料，可模擬3維城市景觀（如圖十），並可利用影像漫遊系統（如適普公司之3D Browser系統），利用搖桿、滑鼠、鍵盤控制路線方向，可作任意路徑之三維城市景觀模擬。
四、科學工業園區在航空測量未來之展望
科學園區管理局為園區的建設與管理，對測量新技術的研發非常重視支持，並期望率先在實務上應用，以下將列舉近期新竹科學園區在航空測量之研究發展方向：
1. 衛星影像製圖
依照（闕文鏈,陳微鈞，中華顧問 2003）針對新竹科園及台北市所作研究顯示，現有的捷鳥（QuickBird.）衛星影像以單像糾正技術製作衛星影像基本圖時，在各種地形條件下均可達到1/5000製圖之精度，且其處理時間快速（一~二天），影像涵蓋範圍大且色彩柔和均勻，圖十一即為新竹科園特定區範圍之捷鳥衛星影像圖。
2. 三維可視化之工程設計
三維可視化之工程設計即是將“影像地圖”與“DEM” 有效地結合起來，建立的具有比地圖還要强的量測功能，又具有三維可視化功能的設計環境（不需立體測圖儀），可讓工程規劃設計人員在三維環境下直接量測及設計。
三維可視化的主要原理即將 DEM 高程轉化為視差值，引入 “正射影像”產生“立體配對片”（stereo-partner），在生成“正射影像”的同時，用另一張航空影像按圖十二之規則同時自動生成“立體配片”，這樣的“正射影像”與相應的“立體配對片”所構成的立體，不僅能恢復“地形”的立體，而且能恢復“房屋”、“樹木、森林”、“輸電塔”等一切高出地面的人工建築物的立體，即保留了所有的“立體資訊”，同時也具有“正射影像”的特性，再將一組立體配對片以影像處理組成立體模型即可作立體觀測、量測，甚至可以直接在立體觀測的環境下作工程規劃與設計。
圖十二、圖十三即利用紅綠分色融合後之立體像對例，而戴上紅綠眼鏡（即一般觀賞立體電影所用）後，即可作立體觀測。
五、結 語
新竹科學工業園區已成全球發展的特定園區成功之典範，在台灣經濟發展上也將轉型為全球高階產品製造及研發中心，藉著北、中、南部科學園區及其周邊衛星基地的開發，逐步擴散產業科技於台灣全島，引領我國邁入高科技發展國家之列，因此，掌握園區現況圖資及數值管理自動化，將有助吸引廠商投資設廠及區內公共設施之管理。
由於測量技術發展日新月異，空間資訊擷取已由傳統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已為空間資訊取得之最佳途徑，而後製過程也可朝向數值影像製圖發展，電子地圖將會取代傳統地圖，配合數位影像地圖管理，後續管理局可將科學園區建置為Cyber城市及網路資料庫管理方向發展。
另一個可期許之目標為地理資訊系統(GIS)之發展，測量資料與地理資訊系統同屬於空間資訊成果上下游關係，共有其知識型產業之特質，而因應測量成果及技術之進步，空間資訊應用之多元化，科學園區在測量與GIS等數位資訊的發展，亦將有良好之發展基礎。為建構廿一世紀的世界級科學園區空間發展架構，後續園區在辦理各項綜合發展計畫修訂、研擬未來發展藍圖及整合性地理資訊系統開發等，都將以數值地形圖及高解析度數位影像為藍圖，並為台灣各科學園區發展提供相關經驗。
六、誌 謝
感謝政治大學何維信教授、文化大學伍肇雄教授及交通大學黃金維教授對新竹科學園區航測計畫的指導及未來GIS空間資訊多元化應用的建言。
參考文獻
(1) 饒建有,陳良健(2002)“ 利用都市區大比例尺數值航測地形圖重建三維房屋模型,” 第二十一屆測量及應用研討會,63-72.。
(2) 中華顧問工程司.(2003)“新竹科學工業園區1/1000地形圖航空測量及相關調查工作成果”。
(3) 劉新達,林舜經.(2000)“數值航測影像工作站功能之介紹”中華技術,44,95-101.。
(4) 闕文鏈,陳微鈞.(2003)“高解析度衛星影像製作正射影像—以QuickBird捷鳥衛星影像為例”中華顧問工程司,91年度研發計畫期末報告。
(5) 張祖勛,張劍清,鄭順義.(2002)” 工程設計三維可視化平台的摄影測量原理”, 工程設計三維可視化研討會。
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