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Modelo de ciudad en 3D

El modelo 3D de Berlín permite a los espectadores ver la ciudad como es ahora, como fue y como la ciudad en la que podría convertirse en el futuro.

Un modelo de ciudad en 3D es un modelo digital de áreas urbanas que representa superficies de terreno, sitios, edificios, vegetación, infraestructura y elementos del paisaje en escala tridimensional, así como objetos relacionados (por ejemplo, mobiliario urbano) pertenecientes a áreas urbanas. Sus componentes se describen y representan mediante datos espaciales bidimensionales y tridimensionales correspondientes y datos georreferenciados. Los modelos de ciudad en 3D respaldan las tareas de presentación, exploración, análisis y gestión en una gran cantidad de dominios de aplicación diferentes. En particular, los modelos de ciudad en 3D permiten "integrar visualmente geoinformación heterogénea dentro de un único marco y, por lo tanto, crear y gestionar espacios de información urbana complejos". [1] [2]

Almacenamiento

Para almacenar modelos urbanos en 3D se utilizan tanto métodos basados ​​en archivos como en bases de datos. No existe un esquema de representación único debido a la heterogeneidad y diversidad de los contenidos de los modelos urbanos en 3D.

Codificación de componentes

Los componentes de los modelos de ciudad en 3D se codifican mediante formatos de intercambio y archivo comunes para datos SIG basados ​​en ráster 2D (por ejemplo, GeoTIFF ), datos SIG basados ​​en vectores 2D (por ejemplo, AutoCAD DXF ), modelos 3D (por ejemplo, .3DS , .OBJ ) y escenas 3D (por ejemplo, Collada , Keyhole Markup Language ), como los que admiten las herramientas y sistemas de CAD , SIG y gráficos por ordenador . Todos los componentes de un modelo de ciudad en 3D se deben transformar en un sistema de coordenadas geográficas común .

Bases de datos

Una base de datos para modelos de ciudades en 3D almacena sus componentes de una manera multiescalar y estructurada jerárquicamente, lo que permite una gestión de datos estable y fiable y facilita tareas complejas de modelado y análisis de SIG. Por ejemplo, la base de datos de ciudades en 3D es una base de datos geoespacial gratuita para almacenar, representar y gestionar modelos de ciudades virtuales en 3D sobre una base de datos relacional espacial estándar. [3] Se requiere una base de datos si los modelos de ciudades en 3D tienen que gestionarse de forma continua. Las bases de datos de modelos de ciudades en 3D forman un elemento clave en las infraestructuras de datos espaciales en 3D que requieren soporte para almacenar, gestionar, mantener y distribuir contenidos de modelos de ciudades en 3D. [4] Su implementación requiere el soporte de una multitud de formatos (por ejemplo, basados ​​en formatos múltiples FME ). Como aplicación común, se pueden configurar portales de descarga de geodatos para contenidos de modelos de ciudades en 3D (por ejemplo, virtualcityWarehouse). [5]

CiudadGML

El Consorcio Geoespacial Abierto (OGC) define un formato de intercambio explícito basado en XML para modelos de ciudades 3D, CityGML , que admite no solo descripciones geométricas de componentes de modelos de ciudades 3D sino también la especificación de información semántica y topológica. [6]

CiudadJSON

CityJSON es un formato basado en JSON para almacenar modelos de ciudades en 3D. [7] Sigue principalmente el modelo de datos CityGML, pero pretende ser fácil de usar para desarrolladores y usuarios evitando la mayoría de las complejidades de su codificación GML habitual. Debido a su codificación simple y al uso de JSON, también es adecuado para aplicaciones web. [8]

Construcción

Nivel de detalle

Los modelos de ciudades en 3D suelen construirse con distintos niveles de detalle (LOD) para ofrecer nociones de múltiples resoluciones y en distintos niveles de abstracción. Otras métricas, como el nivel de coherencia espacio-semántica y la resolución de la textura, pueden considerarse parte del LOD. Por ejemplo, CityGML define cinco LOD para los modelos de edificios:

También existen enfoques para generalizar un modelo de ciudad 3D detallado mediante generalización automatizada. [9] Por ejemplo, una red de carreteras jerárquica (por ejemplo, OpenStreetMap ) se puede utilizar para agrupar los componentes del modelo de ciudad 3D en "celdas"; cada celda se abstrae agregando y fusionando los componentes que contiene.

Datos SIG

Los datos SIG proporcionan la información de base para construir un modelo de ciudad en 3D, por ejemplo, mediante modelos digitales del terreno, redes viales, mapas de uso del suelo y datos georreferenciados relacionados. Los datos SIG también incluyen datos catastrales que se pueden convertir en modelos 3D simples, como, por ejemplo, en el caso de las huellas de edificios extruidas. Los componentes principales de los modelos de ciudad en 3D forman modelos digitales del terreno (DTM) representados, por ejemplo, por TIN o cuadrículas.

Datos CAD

Las fuentes de datos típicas para el modelo de ciudad en 3D también incluyen modelos CAD de edificios, sitios y elementos de infraestructura. Proporcionan un alto nivel de detalle, posiblemente no requerido por las aplicaciones de modelos de ciudad en 3D, pero se pueden incorporar exportando su geometría o como objetos encapsulados.

Datos BIM

Los modelos de información de construcción representan otra categoría de datos geoespaciales que pueden integrarse en un modelo de ciudad 3D proporcionando el mayor nivel de detalle para los componentes del edificio.

Integración a nivel de visualización

Los modelos complejos de ciudades en 3D suelen basarse en distintas fuentes de geodatos, como los geodatos de SIG, los modelos de edificios y sitios de CAD y BIM. Una de sus propiedades principales es establecer un marco de referencia común para datos geoespaciales y georreferenciados heterogéneos, es decir, no es necesario fusionar o combinar los datos en función de un modelo o esquema de datos común. La integración es posible compartiendo un sistema de coordenadas geográficas común a nivel de visualización. [10]

Reconstrucción de edificios

La forma más simple de construcción de modelos de edificios consiste en extruir los polígonos de huella de los edificios, por ejemplo, tomados del catastro, mediante el cálculo previo de alturas promedio. En la práctica, los modelos 3D de edificios de regiones urbanas se generan a partir de la captura y el análisis de nubes de puntos 3D (por ejemplo, muestreadas mediante escaneo láser terrestre o aéreo ) o mediante enfoques fotogramétricos . Para lograr un alto porcentaje de modelos de edificios 3D geométrica y topológicamente correctos, las herramientas de reconstrucción automatizada de edificios, como BREC, requieren superficies de terreno digitales y polígonos de huella 2D. [11] Un desafío clave es encontrar partes de edificios con su geometría de techo correspondiente. "Dado que la comprensión de imágenes completamente automática es muy difícil de resolver, generalmente se requieren componentes semiautomáticos para al menos respaldar el reconocimiento de edificios muy complejos por parte de un operador humano". [12] Los enfoques estadísticos son comunes para la reconstrucción de techos basados ​​en nubes de puntos de escaneo láser aéreo. [13] [14]

Existen procesos totalmente automatizados para generar modelos de edificios LOD1 y LOD2 para regiones grandes. Por ejemplo, la Oficina Bávara de Topografía e Información Espacial es responsable de unos 8 millones de modelos de edificios en LOD1 y LOD2. [15]

Visualización

La visualización de modelos de ciudades en 3D representa una funcionalidad fundamental necesaria para aplicaciones y sistemas interactivos basados ​​en modelos de ciudades en 3D.

Representación en tiempo real

Proporcionar una visualización de alta calidad de modelos urbanos tridimensionales masivos de una manera escalable, rápida y rentable sigue siendo una tarea difícil debido a la complejidad en términos de geometría y texturas tridimensionales de los modelos urbanos tridimensionales. La renderización en tiempo real proporciona una gran cantidad de técnicas de renderización tridimensional especializadas para modelos urbanos tridimensionales. Algunos ejemplos de renderización tridimensional especializada en tiempo real incluyen:

El proyecto de terreno virtual enumera algoritmos de representación en tiempo real y estructuras de datos. [23]

Representación basada en servicios

Las arquitecturas orientadas a servicios (SOA) para visualizar modelos urbanos en 3D ofrecen una separación de preocupaciones en gestión y renderización y su provisión interactiva por parte de aplicaciones cliente. Para los enfoques basados ​​en SOA, se requieren servicios de representación en 3D [24] , cuya funcionalidad principal representa la representación en el sentido de renderización y visualización en 3D. [25] Los enfoques basados ​​en SOA se pueden distinguir en dos categorías principales, que actualmente se discuten en el Consorcio Geoespacial Abierto :

Visualización basada en mapas

Una técnica basada en mapas, el enfoque de "mapa inteligente", tiene como objetivo proporcionar "modelos masivos de ciudades virtuales en 3D en diferentes plataformas, a saber, navegadores web, teléfonos inteligentes o tabletas, por medio de un mapa interactivo ensamblado a partir de mosaicos de imágenes oblicuas artificiales". [27] Los mosaicos de mapas se sintetizan mediante un proceso automático de renderizado en 3D del modelo de ciudad en 3D; los mosaicos de mapas, generados para diferentes niveles de detalle, se almacenan en el servidor. De esta manera, el renderizado en 3D se realiza completamente en el lado del servidor, simplificando el acceso y el uso de los modelos de ciudad en 3D. El proceso de renderizado en 3D puede aplicar técnicas de renderizado avanzadas (por ejemplo, iluminación global y cálculo de sombras, renderizado ilustrativo), pero no requiere que los dispositivos cliente tengan hardware de gráficos 3D avanzado. Lo más importante es que el enfoque basado en mapas permite distribuir y usar modelos de ciudad en 3D complejos sin tener que transmitir los datos subyacentes a los dispositivos cliente: solo se envían los mosaicos de mapas pregenerados. De esta manera, "(a) La complejidad de los datos del modelo de ciudad 3D se desvincula de la complejidad de la transferencia de datos (b) la implementación de aplicaciones cliente se simplifica significativamente ya que la representación 3D se encapsula en el lado del servidor (c) Los modelos de ciudad 3D se pueden implementar y utilizar fácilmente por una gran cantidad de usuarios simultáneos, lo que conduce a un alto grado de escalabilidad del enfoque general". [27]

Aplicaciones

Los modelos urbanos en 3D se pueden utilizar para una multitud de propósitos en un número cada vez mayor de dominios de aplicación diferentes. Ejemplos:

Véase también

Referencias

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