魁北克森林數位孿生：115,000 張正射影像
發布於
一切之前的基礎
魁北克發布超過 115,000 張每像素 20 至 30 cm 的正射影像圖磚，總量達數百 GB，而我們將它們全部放到同一個連續的 3D 地形上。這些工作幾乎沒有涉及 3D，而是合併彼此不共用投影的圖磚、填補圖磚之間的缺口，以及匹配不同感測器和拍攝年份之間的色彩。
這是沒有人展示的部分，也是決定其上所有內容能否運作的部分。在底層資料連續之前，3D 視圖、從省級尺度縮放到地塊，以及所有領域計算，都只是建築在沙地上。這篇文章是這個階段的進度報告，應用範圍是魁北克。
TerraLab 管線：一個場景，整合每個來源
TerraLab-Twin 是一個行星級虛擬地球儀。它的工作是在即時狀態下，將異質的地理空間來源（公共正射影像、高解析度無人機正射影像、數值地形模型、向量圖層、衛星影像）融合到同一個可導航的 3D 地形上，從行星尺度一路到地塊層級。
我們鎖定的技術前沿由三項特性定義：
- 尺度連續性：從整個魁北克（對角線長達 10,000 km）縮放到 50 m 地塊，中間沒有中斷、沒有坐標參考系統（CRS）變更，也沒有行政邊界接縫。
- 動態多來源融合：品質和解析度各異的多個來源共存於同一個地形上，並根據區域、要求的解析度和資料可用性即時選取。
- 完整的上游抽象化：終端使用者不會看到檔案格式、EPSG code 或 MTM 區帶。他們只需要進行導航。
以下描述的所有工作，都是為了在一個具體案例中實現這三項特性：魁北克的領土。
MRNF 圖磚由 TerraLab WorldMapServer 融合。連續地形，原始圖幅之間沒有可見接縫。
魁北克資料的獨特之處
魁北克為這類工作提供了北美最豐富的公共資料集之一。魁北克自然資源與森林部（MRNF，前身為 MERN）發布超過 115,000 張正射影像圖磚，資料總量達數百 GB，原生解析度為每像素 20 至 30 cm。這比作為補充資料使用的 Sentinel-2 衛星影像，大約精細三十倍。
魁北克森林區域的 MRNF 正射影像，原生解析度為 20-30 cm。
這種豐富性也伴隨自身的挑戰：異質的地圖投影家族、多種檔案格式，以及跨越數年和不同季節拍攝的影像。這正是虛擬地球儀的設計用途，而傳統 GIS 工具會要求使用者選擇投影、季節和格式，並承擔由此產生的後果。
**而且我們知道如何處理這種規模。**115,000 張圖磚、數百 GB、混合格式、多年份資料：TerraLab-Twin 架構的設計就是要原生吸收這樣的資料量，在開發者工作站上運作，不需要任何特殊基礎設施。
20 cm 的原始 MRNF 圖磚。在任何處理之前，樹木、道路和地塊都清楚可見。
最棘手的部分：地圖投影
我想在這一點停一下，因為對任何做過地理空間工作的人來說，這是作業上的惡夢。
魁北克的公共資料並不是以單一投影交付。它來自一系列 NAD83 變體：某種 Quebec Lambert（EPSG:32198）、較現代的 CSRS 變體，以及將領土依歷史製圖原因劃分的十個 MTM 區帶（Modified Transverse Mercator）。實際上，每張圖磚都可能以不同的坐標參考系統交付。
工具是問題的另一半。每個基準都有自己的陷阱，而地理空間鏈中的每個工具，都帶有圍繞 PROJ 函式庫 的歷史行為。在正式環境中，管線因過時的安裝而靜默失敗非常常見，因為它回傳的轉換結果可能偏移十公尺以上。
這正是虛擬地球儀抽象化的部分。TerraLab-Twin 只知道一個最終投影：行星橢球體上的 WGS84。所有投影複雜性都在上游的資料匯入管線中被吸收。終端使用者不會看到 EPSG code。他們看到的是連續、可導航的 3D 領土，從整個魁北克一路到單一森林地塊，在區帶邊界處不會中斷。
一旦這個棘手的問題解決，其他一切都將成為可能：多來源融合、連續導航、即時 3D。
內部圖磚工具：每個來源都會重新投影至 WGS84，接著合成到 3D 場景中。
為什麼虛擬地球儀使用 WGS84，以及這為何重要
在橢球體上選擇 WGS84 並非任意。傳統地圖投影從設計上就是一種取捨：它將 3D 物件（地球的橢球體）壓平到 2D 平面上，因此必然會在角度、面積、距離，或三者之間引入變形。在小尺度下可以接受，在洲際尺度下卻無法容忍。
虛擬地球儀透過全程維持 3D來避開這個問題。引擎使用真實橢球體，而不是平面投影。對使用者而言，直接的結果是：您可以自由地從整個魁北克縮放到 50 m 地塊，不需要切換 CRS，不會在 MTM 區帶邊界出現接縫，不會有極區拉伸，也不會有邊緣對齊偽影。這就是導航能夠連續的原因，也是任何傳統 2D GIS 工具都無法提供的能力。
色彩校正與融合：視覺上的挑戰
投影處理完成後，下一個挑戰是視覺層面。魁北克的 3D 數位孿生 融合的不是一個，而是三個互補的影像來源：
- MRNF 航空正射影像：優先順序 1，20-30 cm，細節圖層
- Sentinel-2 衛星影像：優先順序 2，10 m，填補沒有航空涵蓋的區域（通常是沿海地區）
- Blue Marble 行星底圖：最終備援，確保任何區域都不會空白
這三個來源各自都有自己的色彩特徵：不同感測器、不同取得條件、不同拍攝日期，以及不同的上游處理方式。挑戰不只是把它們顯示在一起，而是確保邊界對肉眼不可見，並讓相鄰圖磚共用相同的色彩範圍。
部分 MRNF 圖磚也不完整：在航測批次的邊緣，航空涵蓋範圍會在圖磚中間停止，留下 NoData 區域。如果不進行處理，這些缺口會在 3D 地形中顯示為黑色帶狀區域。這也是管線必須融合多個來源的另一個原因：只要航空正射影像不足，就用 Sentinel-2 填補這些缺口。
部分涵蓋的 MRNF 圖磚。管線會自動使用 Sentinel-2 填補缺口。
在 Sentinel-2 方面，我們在固定反射率範圍上使用多日期中位數進行合成：這會移除離群值（雲、陰影、異常日期），並確保所有圖磚共用相同的校正方式。
2015 年航測的藍色色偏
在魁北克這一側，部分較早的航測批次（尤其是2015 年）呈現系統性的藍色色偏。資料提供者沒有記錄這項缺陷的確切來源，但異常偏高的藍紅比（B/R ~1.30，而正常批次約為 ~0.88）影響了該年份的大量圖磚。管線會按季節篩選（選擇夏季取得的資料，以保持一致的綠色色調），但對於只有 2015 年圖磚的區域，問題仍然存在。
這些區域有幾種可能的處理方式：自動色彩校正（匹配相鄰圖磚之間的直方圖），或改用衛星影像（優先使用 Sentinel-2，10 m 且免費，或使用 Airbus Pleiades 和 Maxar 等商業來源以取得更精細的解析度，但成本可觀）。這些選項沒有任何一個單獨理想。最可能的組合，是按資料年份篩選，並為沒有替代方案的區域搭配 Sentinel-2 備援。
時間對我們有利。MRNF 持續定期發布新的航測批次，而2023 和 2024 年的正射影像已經以開放資料形式提供給部分區域。只有缺陷 2015 年圖磚涵蓋的區域，很可能會被更新且校正更好的資料取代。
上：帶有藍色色偏的 MRNF 2015 年圖磚（B/R ~1.30）。下：色彩正常的 2016 年圖磚（B/R ~0.88）。
帶藍色色偏的 2015 年圖磚緊鄰正常校正的圖磚：可見的拼接痕跡破壞了地形的同質性。
魁北克正射影像與 Sentinel-2 的交界
在兩個來源的邊界處，幾何轉換是無法察覺的。然而，在部分沿海區域，色彩轉換仍然可見。
這道色彩接縫是刻意做出的取捨。沿數百公里的海岸線進行像素級混合，其處理成本高於視覺收益，尤其是在 數位孿生常見的導航尺度下。管線優先考慮邊緣地區的涵蓋範圍與連續性，而不是追求外觀上的完美。
上：只有 Sentinel-2。下：魁北克 + Sentinel-2 合成影像。沿海岸線可見混合區域。
管線包含色彩匹配步驟，用於平滑這些轉換。以下來自里維耶爾迪盧區域的範例展示了差異：沒有色彩匹配時，魁北克正射影像與 Sentinel-2 之間的邊界清楚可見。進行色彩匹配後，轉換變得細微許多。
里維耶爾迪盧。上：沒有色彩匹配。下：有色彩匹配。
加斯佩半島廣域視圖。青色區域（左側）= 帶藍色色偏的 2015 年圖磚；陸地 = 魁北克正射影像；海洋 = Sentinel-2。
目前進度
截至 2026 年 4 月 7 日，我們正按計畫進行。NAD83 家族已在上游被吸收，資料匯入管線也正在逐步處理約 115,000 張 MRNF 圖磚。
**目前的領土涵蓋範圍仍不完整。**已處理的區域（例如加斯佩半島）可以使用魁北克正射影像進行導航，而其他區域則暫時以 Sentinel-2 填補。三個圖層的合成已在加斯佩海岸完成驗證，資料量也能在標準開發者工作站上舒適地運作。
目前解析度
引擎目前輸出為每像素 10 m。這是第一次迭代的刻意選擇：先以全球尺度工作，讓我們能在逐區提高解析度之前，驗證整個管線（投影、融合、色彩校正、資料量）。原始 MRNF 資料的 20-30 cm 解析度仍然存在。降至30 cm的精細化處理，將由需求驅動，逐案進行。
高程
在高程方面，3D 地形依賴 SRTM（太空梭雷達地形測繪任務）數值高程模型。它不是現有最精細的來源，但涵蓋整個領土，並讓我們能夠驗證完整鏈路。對優先區域而言，切換至更精確的魁北克 DTM 是可行的。
以下是目前的結果：10 m 的魁北克正射影像貼覆在 SRTM 地形起伏上，沒有 3D 植被，也沒有向量資料。這是所有其他內容將建立其上的原始地形基礎。
魁北克的第一批 3D 視圖。10 m 正射影像 + SRTM 地形起伏。由上至下：大氣散射、直接光照、無光照。
一項重要的結論是：渲染品質不可能超過來源資料品質。在 MRNF 資料乾淨且校正正確的地方（2015 年後的航測批次），結果非常出色。在資料存在缺陷的地方（帶藍色色偏的 2015 年航測批次），管線無法憑空創造正確的色彩校正。
目前已上線：
- 魁北克航空正射影像（MRNF）與 Sentinel-2 融合
- 透過 SRTM 提供 3D 地形起伏
- 在加斯佩海岸完成驗證的完整管線
接下來：
- 近距離縮放時提供 20-30 cm 解析度
- OSM 魁北克向量資料
- 魁北克領土範圍內的 3D 樹木
