以 MircoDEM 製作地形模擬飛行動畫探討

Fly-by Animation with MicroDEM

賴子銘1 史天元2

Zi-Ming Lai 、Tian-Yuan-Shih

摘要

以數值高程模型(DEM)提供三維架構，由影像提供畫素材質，製作地形模擬動畫以視覺方式展現，能提供使用者藉由動畫快速地理解地形資訊與空間架構。

MicroDEM 唯一公共域之免費軟體，可以結合 DEM 資料、影像資料，進行資料格式轉換與地理對位的編輯，將影像敷貼於地形上提供材質資訊，加以飛行參數

與視角的設定，將地形模擬的結果以動畫方式輸出。本研究以 MicroDEM 作為處理軟體，將真實地形與影像資料進行實作模擬，對參數的選擇與作業方式進行

探討，並與其他視覺化軟體進行比較。 關鍵字：視覺化、數值高程模型、地形模擬

ABSTRACT The digital elevation model provides the three dimensional structure of terrain.

With the texture derived from aerial photos or other digital images, the terrain could be presented in an interactive manner through terrain animation. MicroDEM is a public domain freeware which provides various functionalities for terrain analysis. The elevation and images could be integrated and animated with different viewing angles and other parameters for fly-through operation. This study utilizes MicroDEM. With practical experiments, the strategy of parameter selections is explored. Keyword: Visualization、 Digital Elevation Model、Terrain Animation 1交通大學土木工程學系碩士生 2交通大學土木工程學系教授

一、 前言

GIS 基本的功能之一，是將地理事物和現象的空間分配在地圖上最直覺地反應出來，即是地理視覺化(林傑斌、劉明德，2002)。 視覺化的主要目的不在於產生漂亮的圖形，而在於如何與使用者溝通。而地形模擬則是以虛擬實境的技

術，將影像之資料與數值高程資料進行整合，配合視覺化的 3D 成像技巧，模擬出虛擬的地形景觀，讓地形資料可以脫離二維製圖的限制而可以容易解讀。飛行

動畫提供使用者一個非及時互動的虛擬地理環境。藉由飛行動畫，讓一般使用者

可以方便的解讀地形資訊，是極具親和力一種溝通方式。 目前市面上 GIS 商業軟體及遙感探測影像分析軟體大都提供了地形視覺化

的功能，甚至提供了產生地形模擬飛行動畫的模組，同時亦有一般動畫之軟體亦

可達相同之功能，TEC (2003)之調查報告中，涵括五百餘種軟體。本研究所採用的 MicroDEM，由美國海軍學院教授 Peter Guth 所撰寫，定位為以科學與教育目的公共域免費軟體(Guth，2003)。MicroDEM 可以處理數值製圖資料如數值高程模型，衛星影像，與向量圖等資料，進行展示，套疊與地形分析等操作，在視覺

化部分的功能以免費軟體而言相當齊全。本研究使用的版本是 MicroDEM / terrabase II 6.02，為了驗證此一製作方法的可行性，與商業軟體Arcview 3.2 (ESRI, 1996)為基礎的 3D Analyst 延伸模組所製作的動畫成果進行比較。

圖一：MicroDEM 介面

二、 製作方法

製作地形模擬飛行動畫至少需要兩種空間資料，分別是數值高程模型(DEM)與航空影像或衛星影像，並以飛行動畫製作軟體，如 MicroDEM，3DEM (Horne, 2003)等可進行圖形產生與動畫輸出。數值地形模型資料提供地形的骨架，而由影像提供地表的色彩與材質資訊，尤以上兩者之結合，經由三維電腦圖學之計

算，產生飛行動畫。涉及的技術主題包含 DEM 編修處理，影像預處理，地理對位(geo-encoding) 與影像敷貼（drape），攝影機的飛行路線與視角設定等。

圖二：飛行動畫製作流程

2.0 資料準備

需要的 DEM 與影像資料，在空間解析度上應盡量相近，本文採用的是40m 平面解析度的 DEM。幾乎所有的航空、衛星影像皆可以拿來製作飛行動畫，唯一要注意的是，通常影像的空間解析力會高於 DEM 之解析力，以高解析力的影像敷貼在低解析力的 DEM 上，會浪費了影像的資訊而無法達到好的效果。當然影像以彩色為佳，只要有可見光的三個波段之影像，我們

可以藉由影像的預處理擷取彩色影像。 2.1 DEM 編修處理

由於空間資料格式的多樣性，使用的 DEM 資料必須先經過格式轉換處理，而 MicroDEM 可以支援的 DEM 格式包含 USGS ASCII，USGS SDTS，NIMA DTED，ASCII XYZ，GeoTiff 等。作業中視需要將多個 DEM 進行接合，編修，投影轉換等，必須確認輸出的 DEM 之投影系統與影像相同。值的注意的是，DEM 與影像的解析力不能相差過大，才能輸出較佳品質的動畫，建議的作法是將 DEM 之解析度內插取樣至與影像解析力相同。 2.2 影像預處理

目的是為了要輸出彩色影像，才能提供較佳的視覺效果，以影像增顯進

行，色彩與亮度調整，當使用多光譜影像時，如本文使用之 Aster 影像，需

先取出可見光的三個波段，進行色彩合成的處理。建議輸出成一般常用的影

像格式如 TIFF 或 JPG 檔以便後續敷貼。 2.2 影像敷貼與地理對位

敷貼(drape)，又稱為紋理映射(texture mapping)，是將影像與 DEM 做一對一的對應，提供每個地形單元的色彩與材質資訊值。

圖三：敷貼後的 DEM

地理對位(georeferencing)的目的是提供正射影像相對應地表的空間資

訊。在進行敷貼之前，需要將影像進行地理對位，賦予各像元的空間資訊，

如此軟體依照這些資訊建立起 DEM 與影像的空間關係，將影像與地形資料進行套合。在 MicroDEM 中是以編輯 ASCII 格式的 world file 來進行影像的地理對位。world file 檔裡面包含數個控制點的影像座標與地面座標，以這些控制點來進行座標轉換。

使用之影像為正射影像時，若已有地理對位資訊，如以 GeoTiff 格式儲存之正射影像，則不需另外編輯 world file。而使用非正射影像時，則需編輯另外 world file，但是未經糾正，高差位移與傾斜位移問題依然存在，此 world檔僅為了敷貼 DEM 而作，不具真實地理意義。 影像座標 地面座標

圖四：MicroDEM World file 範例

2.4 規劃航線與視角參數設定

規劃航線在於設定攝影機的位置，形成一連續的飛行曲線。飛行航線的

規劃以能表現地形重點資訊與主題為要。多半在或平面圖或影像上以滑鼠將

飛行軌跡繪出，再設定飛行速度與以攝影姿態參數定義出各動畫分鏡的攝影

機三維位置與設定飛行時攝影姿態。 一般飛行參數大多包含下列幾項：

‧ Flight Height：設定飛行高度，又可分為絕對高度與相對地表高度，絕對高度是將攝影機固定在一固定航高飛行，相對高度則是設定攝影機固定於

地表上若干高度飛行。 ‧ Declination：傾角，描述攝影機俯視角度。 ‧ Right/left：描述攝影機的旋角。 ‧ Frame Separation：設定每一動畫分鏡的攝影位置間距，可已由每秒畫格數

換算成模擬飛行速度，例如每秒 16 格，每格相距 5 公尺的話，速度為每秒 80 公尺。

圖五：MicroDEM 飛行參數視窗

三、 實作

3.1 MicroDEM 實作 以九份二山地區的資料為實例，製作由 Aster 影像合成的彩色衛星影像，其 空間解析力為 15 公尺，搭配農航所 40 公尺的 DEM 進行飛行動畫的實作測試。

A.實作步驟： 1.先以 Surfer (Golden Software, 2003)將 40 公尺的 DEM 內插成 15M 的 DEM。 2.開啟 MicroDEM 之 data manipulation 視窗，進行 DEM 格式轉換。讀入 ASCII

格式的 DEM 資料 92m15.xyz 並設定地圖投影參數，輸出成 MicroDEM 內定格式 92m15.dem。

3.回到 MicroDEM 中以 open DEM 讀入 92m15.dem。 4.在 c:\mapdata\sats 目錄編輯 92mcolor.xy，一個與影像同名的.xy 檔，此即

World file 檔。 6.在 92mcolor.xy 輸入四個註冊點的影像座標與地面座標，完成地理對位。 7.以 Open Image 讀入處理好的彩色影像 92mcolor.jpg。 8.點選 Live flying 按鈕，在影像上拉出飛行航線，使用自由飛行模式。 9.設定飛行參數。 10.在 Flight Control 面版中，可自由改變傾角(pitch)，旋角與航向參數，這裡

以自由飛行模式進行飛行動畫之生成。 11.進入 PETMAR Trilobites BMP Movie Maker，將擷取的 JPG 格式之動畫分

鏡，輸出 AVI 格式的飛行動畫。 B.飛行參數設定

‧ 航高：2000M ‧ 垂直誇張係數：2 ‧ 畫格間隔：100M ‧ 輸出動畫像數：300x300 ‧ 畫格數：199 ‧ 航線與攝影姿態由自由飛行模式中自由調整

C.實作結果

圖六：九份二山地區飛行模擬

3.2 Arcview 3D Analysis 實作 以 Arcview 3.2 為基礎，使用相同的資料，搭配 3D Analyst 與 Flyby Animation Builder Extension，進行動畫分幅影像的輸出，再以 fast movie processor 將輸出的每幅圖片接成電影檔輸出之。

圖七：以 Arcview 3.2 為基礎的飛行模擬

四、 結論與建議

本研究使用 MicroDEM 製作飛行動畫，只需要有適當的資料，即可快速地進行動畫製作，經由實作測試，MicroDEM 可以結合數值高程資料與影像資料進行地形模擬飛行動畫之製作，而且在效率上優於以 Arcview 3.2 為基礎的商業軟體套件，在簡單的測試中，同樣一組 300 幅的動畫分鏡，MircoDEM 只需兩分鐘，而 Arcview 3.2 則需 30 分鐘的處理時間。在畫質上兩者相差無幾，MicroDEM 所

產生的畫質較為清晰而 Arcview 3.2 則較為柔和。MircoDEM 則提供了自由飛行模式，可以自行調整飛行方向與視角，在飛行過程中自動錄製為動畫分鏡，並可

以直接進行動畫輸出，這一點非常有利於增加製作時的彈性。而 Arcview 在飛行動畫模組的功能則缺乏了這些功能，只能依照內定的飛行參數進行製作。以軟體

成本，執行效率，操作彈性等觀點而言 MicroDEM 均是良好的飛行動畫製作方法。

參考資料

劉明德、林傑斌，2002。地理資訊系統 GIS，初版，文魁，台北，第 6-39 頁。 周天穎、鄧偉傑，1999。GIS 技術大觀園，初版，松崗，台北，第 4-60 頁至第

4-82 頁。 ESRI, 1996, Environmental Systems Research Institute, INC. Using Arcview 3D

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http://www.goldensoftware.com/products/products.shtml Guth, Peter, 2003. MicroDEM, Oceanography Department, U.S. Naval Academy.

Url: http://www.usna.edu/Users/oceano/pguth/website/microdem.htm。 Horne, Richard，2003。3DEM, Visualization Software LLC,

Url:http://www.visualizationsoftware.com/3dem.html。 TEC, 2003. Survey of Terrain Visualization Software, U.S. Army Topographic

Engineering Center, Topography, Imagery and Geospatial Research Division, Data Representation Branch. Url: http://www.tec.army.mil/TD/tvd/survey/