modelo de ciudad 3D

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

Un modelo de ciudad 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 ciudades en 3D admiten tareas de presentación, exploración, análisis y administración en una gran cantidad de dominios de aplicaciones diferentes. En particular, los modelos de ciudades en 3D permiten "integrar visualmente geoinformación heterogénea dentro de un solo marco y, por lo tanto, crear y administrar espacios de información urbana complejos". [1] [2]

Almacenamiento

Para almacenar modelos de ciudades en 3D, se utilizan enfoques basados ​​en archivos y bases de datos. No existe un esquema de representación único y único debido a la heterogeneidad y diversidad de los contenidos del modelo de ciudad en 3D.

Codificación de componentes

Los componentes de los modelos de ciudades en 3D están codificados por archivos comunes y formatos de intercambio para datos GIS basados ​​en ráster 2D (p. ej., GeoTIFF ), datos GIS basados ​​en vectores 2D (p. ej., AutoCAD DXF ), modelos 3D (p. ej., .3DS , .OBJ ) y escenas 3D (p. ej., Collada , Keyhole Markup Language ) como las compatibles con CAD , GIS y herramientas y sistemas de gráficos por computadora . Todos los componentes de un modelo de ciudad en 3D deben transformarse en un sistema de coordenadas geográficas común .

Bases de datos

Una base de datos para modelos de ciudades en 3D almacena sus componentes de forma jerárquicamente estructurada y multiescala, lo que permite una gestión de datos estable y fiable y facilita tareas complejas de modelado y análisis SIG. Por ejemplo, la base de datos de ciudades en 3D es una base de datos geográfica en 3D gratuita para almacenar, representar y administrar modelos de ciudades en 3D virtuales además de una base de datos relacional espacial estándar. [3] Se requiere una base de datos si los modelos de ciudades en 3D deben administrarse continuamente. 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 el almacenamiento, la gestión, el mantenimiento y la distribución de contenidos de modelos de ciudades en 3D. [4] Su implementación requiere el soporte de una multitud de formatos (por ejemplo, basado en FMEmultiformatos). Como aplicación común, se pueden configurar portales de descarga de geodatos para contenidos de modelos de ciudades en 3D (p. ej., virtualcityWarehouse). [5]

CiudadGML

El Open Geospatial Consortium (OGC) define un formato de intercambio explícito basado en XML para modelos de ciudades en 3D, CityGML , que admite no solo descripciones geométricas de componentes de modelos de ciudades en 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 y de desarrollar, 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 generalmente se construyen en varios niveles de detalle (LOD) para proporcionar nociones de múltiples resoluciones y en diferentes 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 construir modelos:

  • LOD 0: huellas 2.5D
  • LOD 1: Edificios representados por modelos de bloques (generalmente huellas extruidas)
  • LOD 2: Modelos de construcción con estructuras de techo estándar
  • LOD 3: Modelos de construcción detallados (arquitectónicos)
  • LOD 4: modelos de construcción LOD 3 complementados con características interiores.

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

Datos SIG

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

datos CAD

Las fuentes típicas de datos 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 ciudades 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 se pueden integrar en un modelo de ciudad 3D que proporciona el más alto nivel de detalle para los componentes de construcción.

Integración a nivel de visualización

Los modelos complejos de ciudades en 3D generalmente se basan en diferentes fuentes de datos geográficos, como datos geográficos de GIS, 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, los datos no necesitan fusionarse o fusionarse 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 un modelo de edificio consiste en extruir los polígonos de la huella de los edificios, por ejemplo, tomados del catastro, mediante el cálculo previo de las 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 construcción 3D geométrica y topológicamente correctos, las herramientas de reconstrucción de edificios automatizadas como BREC requieren superficies de terreno digitales y polígonos de huella 2D . [11]Un desafío clave es encontrar partes de construcción con su geometría de techo correspondiente. "Dado que la comprensión de imágenes completamente automática es muy difícil de resolver, los componentes semiautomáticos generalmente se requieren 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 en el aire. [13] [14]

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

visualización

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

Renderizado en tiempo real

Proporcionar visualización de alta calidad de modelos masivos de ciudades en 3D de manera escalable, rápida y rentable sigue siendo una tarea desafiante debido a la complejidad en términos de geometría 3D y texturas de los modelos de ciudades en 3D. El renderizado en tiempo real proporciona una gran cantidad de técnicas de renderizado 3D especializadas para modelos de ciudades en 3D. Ejemplos de renderizado 3D en tiempo real especializado incluyen:

  • Representación 3D en tiempo real de redes de carreteras en modelos de terreno de alta resolución. [dieciséis]
  • Representación 3D en tiempo real de superficies de agua con diseño orientado a la cartografía. [17]
  • Representación 3D en tiempo real de los fenómenos del cielo diurno y nocturno. [18]
  • Representación 3D en tiempo real de modelos de terreno basados ​​en cuadrículas. [19]
  • Representación 3D en tiempo real utilizando diferentes niveles de abstracción, que van desde vistas de mapas 2D y vistas 3D. [20]
  • Representación 3D en tiempo real de vistas multiperspectivas en modelos de ciudades 3D. [21] [22]

Los algoritmos de representación en tiempo real y las estructuras de datos se enumeran en el proyecto de terreno virtual. [23]

Representación basada en servicios

Las arquitecturas orientadas a servicios (SOA) para visualizar modelos de ciudades en 3D ofrecen una separación de preocupaciones en la gestión y el renderizado y su provisión interactiva por parte de las aplicaciones del cliente. Para los enfoques basados ​​en SOA, se requieren servicios de representación 3D [24] , cuya funcionalidad principal representa la representación en el sentido de representación y visualización 3D. [25] Los enfoques basados ​​en SOA se pueden distinguir en dos categorías principales, actualmente discutidas en el Open Geospatial Consortium :

  • Servicio web 3D (W3DS): este tipo de servicio maneja el acceso a geodatos y el mapeo a primitivos de gráficos de computadora, como gráficos de escena con modelos geométricos 3D texturizados, así como su entrega a las aplicaciones cliente solicitantes. Las aplicaciones cliente son responsables de la representación en 3D de los gráficos de escena entregados, es decir, son responsables de la visualización interactiva utilizando su propio hardware de gráficos en 3D.
  • Servicio de visualización web (WVS): este tipo de servicio encapsula el proceso de renderizado 3D para modelos de ciudades 3D en el lado del servidor. El servidor genera vistas de la escena 3D o representaciones intermedias basadas en imágenes (p. ej., panoramas virtuales o mapas de cubos de G-buffer [26] ), que se transmiten y cargan a las aplicaciones cliente que las solicitan. Las aplicaciones cliente se encargan de reconstruir la escena 3D a partir de las representaciones intermedias. Las aplicaciones cliente no tienen que procesar datos de gráficos en 3D, pero proporcionan administración para cargar, almacenar en caché y mostrar las representaciones basadas en imágenes de escenas en 3D y no tienen que procesar el modelo de ciudad en 3D original (y posiblemente grande).

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, como navegadores web, teléfonos inteligentes o tabletas, por medio de un mapa interactivo ensamblado a partir de mosaicos de imágenes oblicuas artificiales". [27]Los mosaicos del mapa se sintetizan mediante un proceso de renderizado 3D automático del modelo de ciudad 3D; los mosaicos del mapa, generados para diferentes niveles de detalle, se almacenan en el servidor. De esta forma, el renderizado 3D se realiza completamente del lado del servidor, lo que simplifica el acceso y el uso de los modelos de ciudades en 3D. El proceso de renderizado 3D puede aplicar técnicas de renderizado avanzadas (p. ej., iluminación global y cálculo de sombras, renderizado ilustrativo), pero no requiere que los dispositivos cliente tengan hardware de gráficos 3D avanzado. Lo que es más importante, el enfoque basado en mapas permite la distribución y el uso de modelos complejos de ciudades en 3D sin tener que transmitir los datos subyacentes a los dispositivos de los clientes: solo se envían los mosaicos de mapas generados previamente. De esta manera, "[27]

Aplicaciones

Los modelos de ciudades en 3D se pueden utilizar para una multitud de propósitos en un número creciente de dominios de aplicaciones diferentes. Ejemplos:

  • Sistemas de navegación : los mapas de navegación en 3D se han vuelto omnipresentes tanto en los sistemas de navegación para automóviles como para peatones, que incluyen modelos de ciudades en 3D, en particular, modelos de terreno y modelos de edificios en 3D, para mejorar la representación visual y simplificar el reconocimiento de ubicaciones. [28]
  • Urbanismo y arquitectura : Para configurar, analizar y difundir conceptos y proyectos de urbanismo, los modelos de ciudad en 3D sirven como medio de comunicación y participación. [29] Los modelos de ciudades en 3D brindan medios para la comunicación de proyectos, una mejor aceptación de los proyectos de desarrollo a través de la visualización y, por lo tanto, evitan pérdidas monetarias por retrasos en los proyectos; también ayudan a prevenir errores de planificación. [30]
  • Infraestructuras de datos espaciales (SDI): los modelos de ciudades en 3D amplían las infraestructuras de datos espaciales y respaldan la gestión, el almacenamiento y el uso de modelos 3D dentro de las SDI; no solo requieren herramientas y procesos para la construcción inicial y el almacenamiento de modelos de ciudades en 3D, sino que también deben proporcionar una gestión y distribución de datos eficientes para respaldar los flujos de trabajo y las aplicaciones. [31]
  • GIS : GIS admite geodatos en 3D y proporciona algoritmos computacionales para construir, transformar, validar y analizar componentes de modelos de ciudades en 3D.
  • Gestión de emergencias : para los sistemas de gestión de emergencias, riesgos y desastres, los modelos de ciudades en 3D proporcionan el marco computacional. En particular, sirven para simular incendios, inundaciones y explosiones. Por ejemplo, el proyecto DETORBA tiene como objetivo simular y analizar los efectos de explosión en áreas urbanas con alta precisión para respaldar la predicción de los efectos sobre la integridad estructural y la solidez de la infraestructura urbana y la seguridad. preparación de las fuerzas de rescate. [32]
  • Análisis espacial : los modelos de ciudades en 3D proporcionan el marco computacional para el análisis y la simulación espacial en 3D. Por ejemplo, se pueden usar para calcular el potencial solar para superficies de techos 3D de ciudades, [33] análisis de visibilidad dentro del espacio urbano, [34] simulación de ruido, [35] inspecciones termográficas de edificios [36] [37]
  • Geodiseño : en el geodiseño, los modelos 3D virtuales del entorno (p. ej., modelos de paisajes o modelos urbanos) facilitan la exploración y la presentación, así como el análisis y la simulación.
  • Juegos : los modelos de ciudades en 3D se pueden usar para obtener datos básicos para escenas virtuales en 3D que se usan en juegos en línea y de video.
  • Patrimonio cultural : se aplican herramientas y sistemas de modelos de ciudades en 3D para tareas de modelado, diseño, exploración y análisis en el ámbito del patrimonio cultural. Por ejemplo, los datos arqueológicos se pueden incrustar en modelos de ciudades en 3D. [38]
  • Sistemas de información de ciudades: los modelos de ciudades en 3D representan el marco para los sistemas de información de ciudades en 3D interactivos y los mapas de ciudades en 3D. Por ejemplo, los municipios aplican modelos de ciudades en 3D como plataforma de información centralizada para el marketing de ubicación. [39]
  • Gestión de propiedades : la tecnología de modelos de ciudades en 3D puede ampliar los sistemas y las aplicaciones que se utilizan en la gestión inmobiliaria y de propiedades.
  • Sistemas de transporte inteligentes : los modelos de ciudades en 3D se pueden aplicar a los sistemas de transporte inteligentes. [40]
  • Realidad aumentada : los modelos de ciudades en 3D se pueden utilizar como marco de referencia para aplicaciones de realidad aumentada. [41]

Véase también

Referencias

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