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昔之臺江大員與今之台南安平的3D虛實再現
- 1. 1 昔之臺江大員與今之台南安平的3D虛實再現 Re-exhibition of 3D Virtual Reality from the Past of Taijiang Tayouan to the Current of Tainan Anping 3DVL 小組1,$ 李宗仰2 林妤蓁3 3DVL Team Tzong-Yeang Lee Yu-Chen Lin 摘要 19世紀以前，台灣西南部的沿海有一汪洋浩瀚的內海水域，史稱「臺江」，它 是一個南北兩端尖窄而中間寬闊的瀉湖。臺江西緣，環列大小不一的沙汕，兩汕 間有港道及海門以通外洋，其中在北線尾嶼的南端，隔著「大港」(大員港)與對岸 之大員(安平)相望。從荷蘭、明鄭、清代、日本及戰後至今，此一區域的面貌及景 觀的變化是豐富且多元的。安平是台灣歷史的源點，四百年來的軌跡與痕跡，在 許多地方被保留下來，但亦有許多已逐漸消逝。本研究旨在將數位文化結合地理 資訊系統(GIS)、3D建模及虛擬實境(VR)等技術，從文獻中的各種圖像，嘗試重建 荷據及現今兩個時代的景象，藉由模擬昔日之臺江大員與今日之台南安平的三維 景觀，可讓吾人以不同時間軸及各種角度去體驗當時的部份情境。藉由多種數位 科技的支援，經由互動式的視覺化呈現，或可重新拾回或深化已逐漸逝去的安平 映象。 關鍵詞：3D、GIS、虛擬實境、臺江、大員(安平)。 Abstract Before the 19th century, there are inner sea areas along the coast of southwestern Taiwan, called “Taijiang” in history. It is a lagoon that is sharp and narrow on the northern and southern ends and wide in the middle. The west edge in Taijiang, there are many sand bars. Between the sand bars, there are waterway and gateway to pass the ships. In the south of Beixianwei islet, it is in opposition to the Tayouan (Anping) and separated by “Dagang” (Tayouan harbor). From Holland, Mingzheng, Qing Dynasty, Japan and after the war so far, the appearance of this area and change of landscape were abundant and plural. Anping is a source point of history in Taiwan, the histories over the past 400 years, are kept in a lot of places, but there are many to disappear gradually. This research is to combine the digital culture and geographical information system (GIS), 3D modeling, virtual reality (VR) technologies and so on. Various maps and pictures in literatures are used to rebuild the scenes of Holland and present age. To simulate the 3D landscape from Taijiang Tayouan in the past to Tainan Anping in the current, we can experience the situation of with temporal axis and viewing angle. Using several digital technologies to support the visualization by interactive mode, it may pick up or reinforce the progressively vanishing image of Anping. 1 立德大學資訊科學與應用學系學士生 $ 周逸涵、陳敏君、潘家慈、王佳鈴、李淑惠 2 立德大學資訊科學與應用學系所助理教授 3 立德大學資源環境學系所助理教授
- 2. 2 Keywords: 3D GIS, Virtual Reality (VR), Taijiang, Tayouan (Anping). 一、前言 綜觀古今歷史四百年，荷蘭在台南短短38年的政權，隨著民族英雄鄭成功開 江臺島，揮軍登陸北汕尾鹿耳門進而趕走荷蘭人收復台灣，而在施琅率領清兵攻 台之下，台灣被納入清朝的版圖，隨後在各方勢力競逐與形塑之下落入日本之手。 台灣的誕生伴隨著百年的滄桑改寫台灣的歷史及命運。如今，回到歷史的現場、 回到台灣文化的搖籃，本研究藉由先民所遺留下的名勝古蹟及文獻，動態模擬昔 日臺江大員的地形變遷到今日台南安平的三維景觀演變(魏英滿，2001；鹿耳門史 蹟研究會，2002&2005；詹伯望，2006)。 由於文物與歷史的詮釋是觸發讀者對於歷史的理解與感受之主因，透過文字 的陳述可以激起讀者的想像，然而對照昔今地理文物的演變，往往是以圖形代替 文字來表示，本文認為文化歷史的傳達方式不該僅是如此。本研究將文化歷史與 數位科技結合虛擬實境(VR)重塑臺江一帶古蹟的原始風貌，以時間軸展現荷蘭及 現今的地形與景觀演變。 檢視目前數位文化所帶來的改變，視覺化動態呈現所處的真實世界，互動的 擷取地理空間屬性或資訊，因此地區性三維景觀模型之計畫與服務似乎不能不考 慮此一環境、需求與地形上之變遷及所建立的時間點。本研究評估國內以安平地 區為主的6個網站主題，分別是：安平追想1661-奪城情緣(digitalarchives.tw)、安平 追想起-國姓爺與荷蘭人戰爭特展(web.cca.gov.tw)、安平古堡(tourism.ezgo.tw)、安 平港國家歷史風景區-數位安平(anping.tncg.gov.tw)、安平港國家歷史風景區-王城 再現(anping.tncg.gov.tw)及戀戀安平-魅力小鎮(anping.lstar.com.tw)。主要性質為歷 史回顧、觀光導覽及學術研究這三類，而呈現方式則以動畫、數位影像及三維景 觀作為展示。本研究以Web化為目標，但在此之前，為能呈現建置區域之昔今的虛 實再現，因此特別強調下列兩點： 使用者的參與及交互探索－不同時期的地形圖及3D量體，可由使用者來設 定，並與其進行互動及探索。 呈現對象之定位－昔今之所有欲呈現的對象，均對其進行定位，使其具有 地理坐標資訊，並使用地理資訊系統(GIS)予以整合。 真實與想像可能只是一線之隔，因此本文認為互動的過程中能夠將對於遠古 安平的想像，以實際的操作得以實現並感到印象深刻，以虛實來體現出昔今的變 化。舉例來說，使用者很難想像荷據時期的熱蘭遮城聳立於現今安平的樣貌，在 此，便可藉由3D景觀建物自行配置及座落的時間點，模擬昔今不同之處並揣摩其 意境。 二、景觀維度與建置範圍 2.1 景觀維度 在二維空間僅止於平面瀏覽(x、y軸)，以傳統的鳥瞰式、透視式、圖畫等來傳 達地理資訊，然而二維的空間不具有地形地物的高度(z軸)，無法真實傳達建物應 有的高度及深度，即使如此二維地理資訊系統卻是最直接、簡單及容易被記錄的 表達方式(施鴻志及李宗仰，2006)。 囿於往昔之技術及歷史更疊，文獻資料(含地圖等)中少有地形或地物之高度值 (地理參數z值)，同時亦無法準確地標示各式量體(如建築物等)的坐標相位，僅能以 圖畫描繪或文字描述方式來得知地理位置的演變及量體的外觀。地形的高低起伏
- 4. 4 > 一般建築物：如民房等 > 其他：如城牆殘跡、街景、斷頭台及古井等。 虛擬類 > 交通工具：如船及車等 > 植物：如樹及草皮等 > 天空：如天際線等 > 人物：如古(荷據)今人物等 所謂實體類是指圖中的物件實際存在且空間位置明確者(如建物等)，即使現今該物 件已不復存在。而所謂虛擬類是指該物件並不需要在一個絕對「正確」的固定位 置上，該物件在當時代是存在過，但是應屬於輔助性質或呈現之重要性不如實體 類，此類物件多半能襯托真實景觀的自然表象，如所述之交通工具及人物等。本 研究以實體類圖資作為主要的空間資訊表達及呈現，再適度加入虛擬類景觀元素 或物件予以輔助。 不論實體或虛擬，地形、建築物、交通工具及人物等會隨著年代不同有所不 同的面貌及改變，表1條列了量體分類中之項目及在建置上的主要時間分布情形。 依據文獻資料建置屬於該時間點的景觀面貌或物件。就安平地區而言，顯著模擬 的建物古蹟項目分別為：安平古堡(涵蓋荷據、日治、戰後至今)、億載金城、德記 洋行、永漢民藝館及安平開台天后宮等，當中並配合著歷史事件的關連性，一併 將赤崁樓及億載金城納入建置古蹟的項目中。 表1 量體項目及年代分佈表 年 代 量體項目 荷據 現今 平面地形 ◎ ◎ 特別建築物 ◎ ◎ 一般建築物 － ◎ 其他$ ◎ ◎ 交通工具 ◎ ◎ 人物 ◎ ◎ $ ：城牆殘跡、街景、斷頭台及古井 三、技術採用與工具 3.1 GIS技術與ESRI ArcMap軟體 地理資訊系統(GIS)是管理與分析地理空間資料的平台，基本功能是地理空間 資料的輸入、處理、儲存、分析與輸出等。資料的描述在GIS需有所區分，如二維 平面圖及三維景觀模型在表現上就有所差異，另需涵蓋空間資料及描述這些地理 實體的屬性資料。然而在一個三度空間內，藉由GIS來整合空間資訊及視覺化 (Visualization)模擬，可解決使用傳統地圖上的困境，亦打破量性地圖資料的限制。 GIS所創造的數位化三維地圖，不但克服量性困難，更是一種兼具量性及質性空間 資訊的視覺化之思維操作平台。 本文在先前已論述了研究的內容細節，首先是需要達成古今相關地圖的對照 與套疊，同時在特定年代的平面地圖上標示重要的物件及其屬性，另外亦需在其 上嵌入各式的三維物件。為了達成所述要求，GIS技術是一個合適的工具，它能完
- 5. 5 成空間對位、套疊、對照、屬性、三維物件嵌入及互操作等任務。 ArcGIS是美國ESRI公司所推出的GIS軟體，而其桌上型的最新版本為ArcMap 9.X。該軟體能夠快速建立地圖(空間)資料與屬性(非空間)資料，亦可整合CAD圖 檔，掃描影像及遙測影像等，進而予以管理、查詢、分析及展示。本研究選擇ArcGIS 軟體中的ArcMap及ArcScene兩個應用程式。ArcMap為ArcGIS的核心應用程式，為 2D地圖製作的主要軟體，可完成本研究除了三維以外的大部分作業。至於ArcScene 軟體，將於稍後描述。 3.2 景觀物件與Google SketchUp軟體 景觀模型之建立可簡單分為建模(面向行為之目的)及景觀(面向對象之目的)， 建模意旨針對對象進行表現，景觀則是指物質世界，包括像植物、天氣、道路及 建築物等。由於吾人所居住的現實世界中，景觀包括各種類型的結構體(如建築物、 橋樑及汽車等)及動植物等，而動植物的活動對景觀功能及視覺效果至關重要(Ervin and Hasbrouck 2001；施鴻志及李宗仰，2006)。 三維模型之存儲格式的選擇必需考量後續發展及應用的相容性。就本研究而 言，使用ArcGIS軟體進行地理資訊統管理與分析的應用，在3D Symbol方面有多種 格式可以採用，又該等格式可由其它3D模型製作軟體來輸出。至於景觀建模中所 產生的方式，可分為幾何式(Geometry-Based)與影像式(Image-Based)兩種，本研究 配合不同需求與目的，兩者均予以使用。 在景觀物件的建構方面，本文採用Google公司的SketchUp軟體，採用該軟體的 原因，除了其包含3D物件的繪製能力外，亦可在ArcGIS下來安裝Plugin軟體，使 得ArcGIS能與SketchUp來進行溝通。再者，不論是ArcGIS或SkethUp軟體，均可輸 出成提供三維數位地球展示的標記語言，亦即KML(Keyhole Markup Language)格式 檔，其優異處在於它可提供給許多網際網路用的數位地球平台(如Google Earth或 ArcGIS Explorer等)來使用。 3.3 景觀合成與ESRI ArcScene軟體 在安平地方各項景觀的合成方面，由於架構在GIS的平台上來進行，因此該小 節描述完成整個成果所需流程，如圖2所示。針對圖2的建模流程，予以詳細說明 如后(李等，2006)： (a) 蒐集安平地區昔今之各類圖資及材質等，萃取重要元素及相關資訊，以作 為後續建模及定位等作業之用途。 (b) 依照景觀對象的特性及外觀，利用SketchUp軟體製作3D模型，拼貼該模型 所相應的材質。 (c) 利用ArcMap軟體建立安平景觀的平面配置圖，先行以二維平面方式展示空 間資訊，該等圖資可由ArcSence讀取利用。 (d) 將完成定位之實體類的三維模型嵌入至ArcScene圖層中，進行第一次景觀合 成。 (e) 將虛擬類之三維模型予以適當配置至ArcScene圖層中，進行第二次景觀合 成。 (f) 對三維模型進行細部調校處理，並進行相關的參數設定(如光源等)，完成景 觀總合成。 本文以多視景的概念作為可視化的基礎，在3D GIS的可視化環境下呈現大範 圍的臺江區域(二維)、大範圍的代表性地標(二維)及景觀物件(三維)，圖3分別顯示 了在3D GIS環境下之大範圍的二維視圖及小範圍的三維視圖。至於所述的3D GIS
- 6. 6 軟體，是採用ArcScene，它是一個快速瀏覽3D、可進行互動及分析之應用程式， 主要是配合ArcMap強大的二維圖形與屬性之編輯功能，可協助由2D的圖形轉化成 3D的立體圖。 圖2 三維安平景觀之建模流程 (a) 臺江地區之大範圍 (b) 安平地區之小範圍 圖3 在3D GIS環境下之大範圍的二維視圖及小範圍的三維視圖 四、實作成果說明與討論 針對所收集之不同年代的臺江地區地圖，經由掃描、定位及數化之三個程序， 即可獲得各該時期的海岸線向量圖，經套疊後如圖4所示。同圖中曲線之變化及交 錯盤結，即可約略得知該區域地形的劇烈變化，此區是「滄海桑田」的典型例子。 在黃文博(2004)主編的「南瀛探索-台南地區發展史」一書中，述及該區域變遷的 重要因素，依據相關文獻紀錄，台灣西南沿岸自古以來即因為自然或人為的影響， 因此造成海岸地形不斷變化，尤其又以自然的影響為劇，19世紀初更是因為幾次 大雨造成山洪爆發加速了臺江河口沿岸泥沙的淤積，至19世紀中葉，臺江內海幾 乎淤塞成陸，海岸線在20世紀初大致定型為現今的樣貌。
- 7. 7 圖4 不同時代之臺江地區的海岸線套疊 前文已述及本研究在臺江這個大區域範圍，是採用在3D GIS中的平面透視來 加以呈現，主要原因是在這樣地廣大區域中，欲重建荷據時期的各種量體有其困 難性，特別是各種量體的空間對位問題，然而此一平面透視的表現方式，亦能在 小範圍提供許多的訊息互動，例如圖5是將臺江區域之大範圍放縮至台南安平這樣 一個較小區域，圖上套疊了17世紀的地形圖、現在的衛星影像、現在的道路、現 在的河流及現在的建築物，從圖中可約略看出其海洋陸化、河道變遷及城市發展 的一些脈絡。 圖5 台南安平地區昔今地圖套疊之透視圖 接下來，吾人將聚焦於台南安平古今的三維景觀重建與對照，此一對照並非 是古今兩個量體的獨立(分開)顯示，而是帶有地理資訊(坐標)的時間軸呈現，因此 古今所關注的量體必需進行空間對位或定位作業，而當今所遺留下來的量體殘蹟 或考證文獻之記載，將是成功的關鍵之ㄧ。以現今之安平古堡為例，圖6(a)中央處 所標示者是經考證並定位後的熱蘭遮城之城廓，地圖是已定位之古地圖，套疊之 後與古地圖上繪製(標示)的熱蘭遮城相當一致，同時形狀亦相當接近，差異處在於
- 8. 8 古地圖之熱蘭遮城的長寬大於考證的熱蘭遮城者，然這或許可以理解或解釋成地 圖繪製者將重要量體放大(誇大)之效果。至於圖6(b)則是將圖6(a)再套疊現今的房 屋與道路的邊線，結果可從現存之殘蹟驗證得定位之可靠度及一致性。由於此一 驗證之結果，將能確保建構3D模型大小及擺放3D模型所在位置的正確性。 古地圖上的熱蘭遮城 經考證後的熱蘭 遮城之城廓 現存之重要古蹟位置 (以點表示) 經考證後的熱蘭 遮城之城廓 現今之 安平古堡 現存之重要古蹟位置 (以點表示) (a) 與古地圖套疊 (b) 與現代電子地圖套疊 圖6 熱蘭遮城遺址與古今地圖之套疊顯示 當所需之古今的各種平面圖及各式3D模型(含實體及虛擬者)均整合及合成於 3D GIS的ArcScene軟體中時，藉由圖層的開關及組合，即可創造出各種景觀或情 境。然基於本研究之論文標題須包含荷據之「臺江大員」及現今之「台南安平」， 因此採用了這兩個時代的三維合成景觀，如圖7所示。雖然圖7(a)顯示了安平古堡 鄰近範圍的三維景觀，但由於量體之取得不易或甚至已不存在，同時量體亦需經 過考證及定位，因此無法充分且完整地呈現出豐富之情境。這似乎是無法避免且 須面對的問題，然其可與使用者的互動性，以及不同圖層及3D模型的組合所創造 出的映像，將是一種全新的感受。 (a) 古地形圖+熱蘭遮城 (b) 今地形圖+安平古堡 圖7 以安平古堡鄰近範圍為例之昔今的三維景觀重建 再者，本研究將呈現另一種因系統建置完成後所產生的附加映象，特別是因 正確定位所創造出的價值。圖8(a)是模擬現在的安平古堡地區之南城壁(為荷據之 熱蘭遮城)的遺蹟樣貌，圖8(b)則是以相同角度所拍攝之現今實地照片，可以想像 圖8(b)就是吾人到現場並經由眼鏡所看到的圖像，然而此僅存的城壁在荷據時代的 完整結構體之樣貌為何？在現場將無法由吾人的雙眼及想像來合成景觀，圖8(c) 使用了本研究之數位科技予以達成，而且任何角度、位置及方位均可瀏覽，達成 了三維虛實再現之目標。
- 9. 9 (a) 模擬現況之南城壁樣貌 (b) 現地拍照之南城壁樣貌 (c) 模擬荷據南城壁之全貌 圖8 外城(熱蘭遮城)南城壁之現存遺蹟及其與原建物疊合的虛擬實境視圖 西元1624年，荷蘭東印度公司在明帝國許可下，據有台灣，而以大員做為貿 易站，因此大員港及鄰近地區的開墾與建設相繼展開，建設之實況有多幅歷史畫 來加以呈現(李子寧及吳佰祿，2007)。圖9(a)是西元1670年在荷蘭阿姆斯特丹出版 的《荷蘭東印度公司在大清及沿海活動紀錄》一書中的插圖，圖之中央處插有旗 子者即是熱蘭遮城，此圖的方位大約為自北線尾朝南的鳥瞰方式，又與該圖之景 觀類似者有多幅，雖然其版本略有差異(國立台灣博物館/主編，2007)。圖9(b)是一 張約略方位的虛擬實境圖，該圖是以一張17世紀的地形圖作為底圖，該底圖經過 空間對位，並在其上置放熱蘭遮城的三維模型，因此可從任何距離、方位及高度 來檢視其景觀或情境，此舉已經跳脫了觀賞古畫的行為模式，延伸至古畫的框架(圖 畫的四個邊界)之外。 (a) 插圖 (b) 虛擬實境 圖9 熱蘭遮城及大員附近海灣景象之數位化模擬 五、結論與展望 本研究結合了資訊科技與文化產業，資訊科技是指地理資訊系統、三維模型 及虛擬實境等技術，而文化產業是指臺江-安平的歷史背景。從較大範圍的臺江至 較小範圍的安平，在3D GIS的可視化環境下，以二維平面地形圖配合三維模型來 建構一個昔日之臺江大員及今日之台南安平的三維景觀，主要目的是鮮明人們對 於安平過去模糊的記憶。 由於所有圖資與模型(物件)被整合在一個單一框架的坐標系統，因定位而使得 模型在空間及時間上可以被比較，乃至於可以被重新或任意組合，除了依據歷史 的景觀可以再現之外，更可以創造「時空交錯」的探索可能。再者，古畫中已經 固定的視角，可藉由本研究所採用的技術予以「重建」之外，更可予以延伸至其 它視角。 此一區域的面貌及景觀的變化約略可從荷蘭、明鄭、清代、日本及戰後五個 時期來予以劃分，本文目前僅著重於荷蘭及戰後的兩個時期，欲全面重建隨著時
- 10. 10 間軸移動的代表性或重要性的景象，是一項不小的工程，然而藉由模擬各時期的 三維景觀，可讓吾人去體驗當時的情境。 利用資訊系統來呈現三維景觀，一般是透過滑鼠(或鍵盤)之輸入及顯示器螢幕 輸出來與使用者互動，若能適度地在視覺化及操控介面上予以強化，例如在輸入 方面使用三維滑鼠(3D Mouse)及輸出方面使用立體顯示(Stereo Display)，則在場景 的操控及真實的感受上，將更能發揮至淋漓盡致。 致謝 本研究成果為國科會所支持之「3S技術於台江地區能源與環境系統之建置研 究」(NSC 95-2745-H-426-005-HPU)的延伸，其為整合型計畫「台江地區能源與環 境永續發展系統之研究」之第四個子計畫。 參考文獻 李子寧、吳佰祿 (2007)，國立臺灣博物館藏16、17世紀臺灣對外關係資料介紹， 地圖臺灣：四百年來相關臺灣地圖，國立台灣博物館主編，南天書局，台北 市。 李宗仰、林淑真、3DS小組 (2006)，以GIS為基礎之校園景觀三維可視化模擬，第 二屆全國數位內容學術研討會，台南市。 李宗仰、林淑真、翁雅欣 (2007)，探索Google Earth於三維校園環境之模擬，第五 屆數位地球國際研討會，台北市。 施鴻志、李宗仰 (2006)，虛擬立德-從CAD至GIS到Web化的三維數位校園，城市 地理資訊服務及共享平台論文集，第九屆海峽兩岸城市地理資訊系統學術論 壇，嘉南藥理科技大學，台南縣，第A-1-A-18頁。 國立台灣博物館/主編 (2007)，地圖臺灣：四百年來相關臺灣地圖，南天書局，台 北市。 黃文博/總主編 (2004)，南瀛探索-台南地區發展史(上冊)，台南縣政府，台南縣新 營市。 鹿耳門史蹟研究會 (2002)，認識鹿耳門‧鹿耳門小志，正統鹿耳門聖母廟管理委 員會出版發行，台南市。 鹿耳門史蹟研究會 (2005)，正統鹿耳門聖母廟沿革誌，正統鹿耳門聖母廟管理委 員會出版發行，台南市。 詹伯望 (2006)，半月沉江話府城：一個關於台灣府城的故事，台灣建築與文化資 產出版社，台南市。 趙文榮 (2006)，南瀛內海誌，台南縣政府，台南縣新營市。 魏英滿 (2001)，安平映象，二版，安平鎮文史工作室出版，台南市。 Ervin, S. M. and H. H. Hasbrouck (2001). Landscape Modeling - Digital Techniques for Landscape Visualization, McGraw-Hill Companies, Inc.