3D city model
3D- модель города — это цифровая модель городских территорий, которая представляет поверхности местности, участки, здания, растительность, инфраструктуру и элементы ландшафта в трехмерном масштабе, а также связанные с ними объекты (например, городскую мебель), принадлежащие городским территориям. Их компоненты описываются и представляются соответствующими двух- и трехмерными пространственными данными и данными с географической привязкой. 3D-модели городов поддерживают задачи представления, исследования, анализа и управления в большом количестве различных областей приложений. В частности, 3D-модели городов позволяют «визуально интегрировать разнородную геоинформацию в единой системе и, следовательно, создавать сложные городские информационные пространства и управлять ими». [1] [2]
Хранилище
[ редактировать ]Для хранения 3D-моделей города используются как файловые, так и базовые подходы. Не существует единой, уникальной схемы представления из-за неоднородности и разнообразия содержимого 3D-модели города.
Кодирование компонентов
[ редактировать ]Компоненты 3D-моделей городов кодируются общими форматами файлов и обмена для 2D-растровых данных ГИС (например, GeoTIFF ), 2D-векторных данных ГИС (например, AutoCAD DXF ), 3D-моделей (например, .3DS , .OBJ) . ) и 3D-сцены (например, Collada , язык разметки Keyhole ), например, поддерживаемые инструментами и системами САПР , ГИС и компьютерной графики . Все компоненты 3D-модели города необходимо преобразовать в единую географическую систему координат .
Базы данных
[ редактировать ]База данных для 3D-моделей городов хранит свои компоненты в иерархически структурированном, многомасштабном виде, что обеспечивает стабильное и надежное управление данными и облегчает сложные задачи ГИС-моделирования и анализа. Например, база данных 3D City Database — это бесплатная 3D-база данных геоданных для хранения, представления и управления виртуальными 3D-моделями городов поверх стандартной пространственной реляционной базы данных. [3] База данных необходима, если необходимо постоянно управлять 3D-моделями города. Базы данных 3D-моделей городов образуют ключевой элемент в инфраструктурах 3D-пространственных данных, которым требуется поддержка хранения, управления, обслуживания и распространения содержимого 3D-моделей города. [4] Их реализация требует поддержки множества форматов (например, на основе FME мультиформатов ). В качестве обычного приложения можно настроить порталы загрузки геоданных для содержимого 3D-модели города (например, virtualcityWarehouse). [5]
ГородGML
[ редактировать ]Открытый геопространственный консорциум (OGC) определяет явный XML -формат обмена для 3D-моделей городов, CityGML , который поддерживает не только геометрические описания компонентов 3D-модели города, но также спецификацию семантики и топологической информации. [6]
ГородJSON
[ редактировать ]CityJSON — это формат на основе JSON для хранения 3D-моделей городов. [7] В основном он следует модели данных CityGML, но стремится быть удобным для разработчиков и пользователей, избегая большинства сложностей обычного кодирования GML. Благодаря простоте кодирования и использованию JSON он также подходит для веб-приложений. [8]
Строительство
[ редактировать ]Уровень детализации
[ редактировать ]3D-модели городов обычно создаются с различными уровнями детализации (LOD), чтобы обеспечить представление о множестве разрешений и на разных уровнях абстракции. Другие показатели, такие как уровень пространственно-семантической связности и разрешение текстуры, можно считать частью LOD. Например, CityGML определяет пять уровней детализации для построения моделей:
- LOD 0: 2,5D следы
- Уровень 1: Здания, представленные блочными моделями (обычно вытянутыми контурами).
- LOD 2: Модели зданий со стандартной конструкцией крыши.
- Уровень 3: Детальные (архитектурные) модели зданий.
- LOD 4: модели зданий LOD 3, дополненные внутренними элементами.
Существуют также подходы к обобщению заданной подробной трехмерной модели города посредством автоматизированной генерализации. [9] Например, иерархическую дорожную сеть (например, OpenStreetMap ) можно использовать для группировки компонентов трехмерной модели города в «ячейки»; каждая ячейка абстрагируется путем агрегирования и слияния содержащихся в ней компонентов.
данные ГИС
[ редактировать ]Данные ГИС предоставляют базовую информацию для построения 3D-модели города, например, с помощью цифровых моделей местности, дорожных сетей, карт землепользования и соответствующих данных с географической привязкой. Данные ГИС также включают кадастровые данные, которые можно преобразовать в простые 3D-модели, как, например, в случае вытянутых контуров зданий. Основные компоненты 3D-моделей городов образуют цифровые модели местности (DTM), представленные, например, TIN или сетками.
САПР-данные
[ редактировать ]Типичные источники данных для 3D-модели города также включают CAD- модели зданий, объектов и элементов инфраструктуры. Они обеспечивают высокий уровень детализации, что, возможно, не требуется для приложений 3D-моделей города, но могут быть включены либо путем экспорта их геометрии, либо в виде инкапсулированных объектов.
BIM-данные
[ редактировать ]Информационные модели зданий представляют собой еще одну категорию геопространственных данных, которые можно интегрировать в трехмерную модель города, обеспечивая высочайший уровень детализации компонентов здания.
Интеграция на уровне визуализации
[ редактировать ]Сложные трехмерные модели городов обычно основаны на различных источниках геоданных, таких как геоданные из ГИС, модели зданий и площадок из CAD и BIM. Одним из их основных свойств является создание общей системы отсчета для разнородных геопространственных и геопривязанных данных, т. е. данные не нужно объединять или объединять на основе одной общей модели или схемы данных. Интеграция возможна за счет использования общей системы геокоординат на уровне визуализации. [10]
Реконструкция здания
[ редактировать ]Самая простая форма построения модели здания заключается в вытягивании полигонов контуров зданий, например, взятых из кадастра, путем предварительного вычисления средних высот. На практике 3D-модели зданий городских районов создаются на основе захвата и анализа трехмерных облаков точек (например, полученных с помощью наземного или воздушного лазерного сканирования ) или фотограмметрических подходов. Для достижения высокого процента геометрически и топологически правильных 3D-моделей зданий необходимы цифровые поверхности местности и 2D-полигоны контуров с помощью автоматизированных инструментов реконструкции зданий , таких как BREC. [11] Одной из ключевых задач является поиск деталей здания с соответствующей геометрией крыши. «Поскольку полностью автоматическое понимание изображений очень сложно решить, полуавтоматические компоненты обычно требуются, по крайней мере, для поддержки распознавания очень сложных зданий человеком-оператором». [12] Статистические подходы являются общими для реконструкции крыш на основе облаков точек воздушного лазерного сканирования. [13] [14]
Существуют полностью автоматизированные процессы создания моделей зданий LOD1 и LOD2 для крупных регионов. Например, Баварское управление геодезии и пространственной информации отвечает за около 8 миллионов моделей зданий на уровнях LOD1 и LOD2. [15]
Визуализация
[ редактировать ]Визуализация 3D- моделей города представляет собой основную функциональность, необходимую для интерактивных приложений и систем, основанных на 3D-моделях города.
Рендеринг в реальном времени
[ редактировать ]Обеспечение высококачественной визуализации массивных 3D-моделей города масштабируемым, быстрым и экономически эффективным способом по-прежнему остается сложной задачей из-за сложности 3D-геометрии и текстур 3D-моделей города. Рендеринг в реальном времени предоставляет большое количество специализированных методов 3D-рендеринга для 3D-моделей городов. Примеры специализированного 3D-рендеринга в реальном времени включают:
- 3D-рендеринг дорожной сети в реальном времени на моделях местности высокого разрешения. [16]
- 3D-рендеринг водных поверхностей в реальном времени с картографически-ориентированным дизайном. [17]
- 3D-рендеринг явлений дневного и ночного неба в реальном времени. [18]
- 3D-рендеринг в реальном времени сеточных моделей местности. [19]
- 3D-рендеринг в реальном времени с использованием различных уровней абстракции, от 2D-карты до 3D-изображений. [20]
- 3D-рендеринг в реальном времени многоперспективных видов 3D-моделей города. [21] [22]
Алгоритмы рендеринга в реальном времени и структуры данных перечислены в проекте виртуального ландшафта. [23]
Рендеринг на основе сервисов
[ редактировать ]Сервис-ориентированные архитектуры (SOA) для визуализации 3D-моделей городов предлагают разделение задач на управление и рендеринг, а также их интерактивное предоставление клиентскими приложениями. Для подходов на основе SOA сервисы 3D-изображения [24] необходимы, основная функциональность которых представляет собой изображение в смысле 3D-рендеринга и визуализации. [25] Подходы на основе SOA можно разделить на две основные категории, которые в настоящее время обсуждаются в Открытом геопространственном консорциуме :
- Веб-3D-сервис (W3DS): этот тип сервиса обеспечивает доступ к геоданным и сопоставление с примитивами компьютерной графики, такими как графы сцен с текстурированными трехмерными геометрическими моделями, а также их доставку запрашивающим клиентским приложениям. Клиентские приложения отвечают за 3D-рендеринг доставленных графов сцен, т. е. за интерактивное отображение с использованием собственного оборудования 3D-графики.
- Служба веб-просмотра (WVS). Этот тип службы инкапсулирует процесс 3D-рендеринга 3D-моделей города на стороне сервера. Сервер генерирует виды 3D-сцены или промежуточные представления на основе изображений (например, виртуальные панорамы или карты кубов G-буфера). [26] ), которые передаются в потоковом режиме и загружаются в запрашивающие клиентские приложения. Клиентские приложения отвечают за реконструкцию 3D-сцены на основе промежуточных представлений. Клиентским приложениям не нужно обрабатывать данные трехмерной графики, но они должны обеспечивать управление загрузкой, кэшированием и отображением представлений трехмерных сцен на основе изображений, и им не нужно обрабатывать исходную (и, возможно, большую) трехмерную модель города.
Визуализация на основе карты
[ редактировать ]Техника, основанная на картах, подход «умной карты», направлен на создание «массивных виртуальных трехмерных моделей городов на разных платформах, а именно веб-браузерах, смартфонах или планшетах, с помощью интерактивной карты, собранной из искусственных плиток наклонных изображений». [27] Фрагменты карты синтезируются посредством автоматического процесса 3D-рендеринга 3D-модели города; фрагменты карты, созданные для разных уровней детализации, хранятся на сервере. Таким образом, 3D-рендеринг полностью выполняется на стороне сервера, что упрощает доступ и использование 3D-моделей городов. Процесс 3D-рендеринга может применять расширенные методы рендеринга (например, глобальное вычисление освещения и теней, иллюстративный рендеринг), но не требует, чтобы клиентские устройства имели современное аппаратное обеспечение 3D-графики. Самое главное, что картографический подход позволяет распространять и использовать сложные трехмерные модели городов без необходимости потоковой передачи базовых данных на клиентские устройства — отправляются только предварительно сгенерированные фрагменты карты. Таким образом, «(a) сложность данных 3D-модели города отделена от сложности передачи данных (b) реализация клиентских приложений значительно упрощается, поскольку 3D-рендеринг инкапсулируется на стороне сервера (c) 3D-модели города можно легко развернуть для и использования большим количеством одновременных пользователей, что приводит к высокой степени масштабируемости общего подхода». [27]
Приложения
[ редактировать ]3D-модели городов можно использовать для множества целей во все большем количестве различных областей применения. Примеры:
- Навигационные системы : 3D-навигационные карты стали повсеместными как в автомобильных, так и в пешеходных навигационных системах, которые включают в себя 3D-модели городов, в частности, модели местности и 3D-модели зданий, для улучшения визуального изображения и упрощения распознавания местоположений. [28]
- Городское планирование и архитектура . Для создания, анализа и распространения концепций и проектов городского планирования 3D-модели города служат средством общения и участия. [29] 3D-модели городов предоставляют средства для коммуникации проекта, лучшего принятия проектов развития посредством визуализации и, следовательно, позволяют избежать денежных потерь из-за задержек проекта; они также помогают предотвратить ошибки планирования. [30]
- Инфраструктуры пространственных данных (SDI): 3D-модели городов расширяют инфраструктуры пространственных данных и поддерживают управление, хранение и использование 3D-моделей в рамках SDI; им требуются не только инструменты и процессы для первоначального построения и хранения 3D-моделей города, но также необходимо обеспечить эффективное управление данными и их распространение для поддержки рабочих процессов и приложений. [31]
- ГИС : ГИС поддерживает трехмерные геоданные и предоставляет вычислительные алгоритмы для построения, преобразования, проверки и анализа компонентов трехмерной модели города.
- Управление чрезвычайными ситуациями . Для систем управления чрезвычайными ситуациями, рисками и стихийными бедствиями трехмерные модели города обеспечивают вычислительную основу. В частности, они служат для моделирования пожаров, наводнений и взрывов. Например, проект DETORBA направлен на моделирование и анализ последствий взрыва в городских районах с высокой точностью, чтобы обеспечить прогнозирование последствий для структурной целостности и устойчивости городской инфраструктуры и безопасности. подготовка спасательных сил. [32]
- Пространственный анализ : 3D-модели городов обеспечивают вычислительную основу для трехмерного пространственного анализа и моделирования. Например, их можно использовать для расчета солнечного потенциала трехмерных поверхностей крыш городов. [33] анализ видимости в городском пространстве, [34] имитация шума, [35] термографическое обследование зданий [36] [37]
- Геодизайн : В геодизайне виртуальные 3D-модели окружающей среды (например, модели ландшафта или городские модели) облегчают исследование и представление, а также анализ и моделирование.
- Игры : 3D-модели городов можно использовать для получения базовых данных для виртуальных 3D-сцен, используемых в онлайн- и видеоиграх.
- Культурное наследие : инструменты и системы 3D-моделирования города применяются для задач моделирования, проектирования, исследования и анализа в сфере культурного наследия. Например, археологические данные могут быть встроены в 3D-модели городов. [38]
- Информационные системы города: 3D-модели города представляют собой основу для интерактивных 3D-информационных систем города и 3D-карт города. Например, муниципалитеты применяют 3D-модели городов в качестве централизованной информационной платформы для локационного маркетинга. [39]
- Управление недвижимостью : технология 3D-моделирования города может расширить системы и приложения, используемые в управлении недвижимостью.
- Интеллектуальные транспортные системы : 3D-модели городов можно применять в интеллектуальных транспортных системах. [40]
- Дополненная реальность : 3D-модели городов можно использовать в качестве эталонной системы для приложений дополненной реальности. [41]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Й. Дёлльнер, К. Бауманн, Х. Бухгольц: Виртуальные 3D-модели города как основа сложных городских информационных пространств . 11-я международная конференция по городскому планированию и пространственному развитию в информационном обществе (REAL CORP), (Манфред Шренк, изд.) , CORP – Центр компетенции городского и регионального планирования, стр. 107–112, 2006 г.» (PDF) . Проверено 16 мая 2020 г.
- ^ «Пример видео для 3D-моделей городов как сложных информационных пространств» . Ютуб . Проверено 16 мая 2020 г.
- ^ «Веб-сайт базы данных 3D City www.3dcitydb.org» . Архивировано из оригинала 31 мая 2016 года . Проверено 16 мая 2020 г.
- ^ «база данных виртуального города для 3D-моделей городов и ландшафтов» . Май 2018.
- ^ «Склад виртуального города» . Архивировано из оригинала 31 мая 2014 г. Проверено 28 июля 2014 г.
- ^ TH Kolbe: Представление и обмен 3D-моделями города с CityGML . 3D геоинформационные науки, Дж. Ли, С. Златанова , В. Картрайт, Г. Гартнер, Л. Мэн и М. П. Петерсон, ред. Springer Berlin Heidelberg, 2009, стр. 15–31.
- ^ «Главная страница CityJSON» . ГородJSON .
- ^ Леду, Х., Арройо Охори, К., Кумар, К. и др. CityJSON: компактная и простая в использовании кодировка модели данных CityGML. Открытые геопространственные данные, программное обеспечение. стоять. 4, 4 (2019). https://doi.org/10.1186/s40965-019-0064-0
- ^ Т. Гландер, Дж. Дёлльнер: Методы обобщения геометрии зданий сложных виртуальных 3D-моделей города . Достижения в области 3D геоинформационных систем (Питер ван Остером и Сиси Златанова , Фрисо Пеннинга и Эльфрида М. Фендель, ред.), Конспекты лекций по геоинформации и картографии, Springer, стр. 381–400, 2008 г.
- ^ Дж. Дёлльнер, Б. Хагедорн: Интеграция городских данных ГИС, САПР и BIM с помощью виртуальных 3D-моделей городов на основе сервисов . Управление городскими и региональными данными: Ежегодник UDMS 2007 (Массимо Румор и Фолькер Курс и Эльфрида М. Фендель и Сиси Златанова , ред.), Taylor & Francisco Ltd., Штутгарт, Германия, стр. 157–170, 2007.
- ^ «Цифровые города на базе CityGML» . Май 2018.
- ^ Н. Хаала, М. Када: Обновленная информация об автоматической 3D-реконструкции зданий . Журнал фотограмметрии и дистанционного зондирования ISPRS 65 (2010), 570–580.
- ^ Х. Хуанг, К. Бреннер, М. Сестер: 3D-реконструкция крыши здания из облаков точек с помощью генеративных моделей . ГИС 2011: 16-24.
- ^ Хаммуди, Карим (2011). К. Хаммуди: Вклад в 3D-моделирование города: реконструкция 3D-модели многогранных зданий по аэрофотоснимкам и 3D-моделирование фасадов по наземным 3D-облакам точек и изображениям . доктор философии диссертация по обработке сигналов и изображений, Université Paris-Est, 234 стр., 2011 (Диссертация). дои : 10.13140/RG.2.1.2269.8000 .
- ^ «Баварский модельный проект здания LOD2» . Архивировано из оригинала 31 мая 2014 г. Проверено 28 июля 2014 г.
- ^ М. Ваараниеми, М. Трейб, Р. Вестерманн: Высококачественные картографические дороги на ЦМР высокого разрешения. Журнал WSCG 19(2):41-48, 2011.
- ^ А. Семмо и др.: Визуализация водных поверхностей в реальном времени с помощью картографически-ориентированного дизайна . Труды Международного симпозиума по вычислительной эстетике в графике, визуализации и визуализации (CAe), стр. 5–14, 2013 г.
- ^ Д. Лимбергер и др.: Однопроходная визуализация явлений дневного и ночного неба . Материалы семинара по видению, моделированию и визуализации 2012 г., Ассоциация Еврографика, стр. 55–62, 2012 г.
- ^ Ф. Лосассо, Х. Хоппе: Геометрические вырезки: рендеринг ландшафта с использованием вложенных регулярных сеток . АКМ Транс. Графика (SIGGRAPH), 23(3), 2004.
- ^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : Интерактивная визуализация обобщенных виртуальных 3D-моделей городов с использованием LoA-переходов (EuroVis 2012) . Ютуб .
- ^ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine : Мультиперспективные виды для карт . Ютуб .
- ^ http://www.hpi.uni-potsdam.de/doellner/publications/year/2014/2390/PSTD2014.html Многоперспективные виды для 3D-моделей городов.
- ^ «Опубликованные статьи Terrain LOD» .
- ^ «3D Portrayal IE | OGC» .
- ^ Дж. Климке, Дж. Дёлльнер: Сервис-ориентированная визуализация виртуальных трехмерных моделей города . Журнал Directions, 2012. http://www.directionsmag.com/articles/service-ориентированная-visualization-of-virtual-3d-city-models/226560
- ^ Дж. Дёлльнер, Б. Хагедорн: Серверный рендеринг больших 3D-сцен для мобильных устройств с использованием карт кубов G-буфера . Web3D '12 Материалы 17-й Международной конференции по 3D-веб-технологиям, стр. 97–100, 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б Дж. Климке и др.: « Масштабируемое мультиплатформенное распространение пространственного 3D-контента ». 8-я конференция ISPRS по 3D GeoInfo и семинар WG II/2, 27–29 ноября 2013 г., Стамбул, Турция, (У. Исикдаг, ред.), vol. II-2/W1, Анналы ISPRS, ISPRS, стр. 193–200, 2013 г.
- ^ М. Ваараниеми и др.: Интеллектуальная приоритизация и фильтрация меток на навигационных картах . Журнал WSCG, 2014.
- ^ «Э. Бен-Джозеф и др.: Городское моделирование и светящаяся таблица планирования: преодоление разрыва между цифровым и материальным . Журнал планирования образования и исследований 21 (2), 196-203, 2001» (PDF) . Проверено 16 мая 2020 г.
- ^ «GSDI - Главная» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 31 мая 2014 г. Проверено 30 мая 2014 г.
- ^ «Инфраструктура пространственных 3D-данных» (PDF) . виртуальные городские системы . Архивировано из оригинала (PDF) 13 октября 2017 г. Проверено 14 апреля 2022 г.
- ^ DETORBA. Архивировано 31 мая 2014 г. в Wayback Machine.
- ^ К. Карнейро и др.: Солнечное излучение над городской структурой: данные LiDAR и методы обработки изображений для анализа окружающей среды в масштабе города . 3D геоинформационные науки, 319–340, 2008.
- ^ Дж. Энгель, Дж. Дёлльнер: Подходы к визуальному 3D-анализу цифровых ландшафтов и его приложениям . Труды по цифровой ландшафтной архитектуре, 2009 г., стр. 33–41, 2009 г.
- ^ Лансель, Марсель; Феллнер, Дитер (2004). «Текущие проблемы 3D-моделей городов» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 03 июля 2019 г. Проверено 03 июля 2019 г.
- ^ Иващук, Дорота; Хёгнер, Людвиг; Стилла, Уве (2011). «Сопоставление 3D-моделей зданий с ИК-изображениями для извлечения текстур». Совместное мероприятие по городскому дистанционному зондированию , 2011 г. стр. 25–28. дои : 10.1109/jurse.2011.5764710 . ISBN 978-1-4244-8658-8 . S2CID 30422462 .
- ^ Л. Хёгнер и др.: Автоматическое извлечение текстур из последовательностей инфракрасных изображений и интеграция баз данных для 3D-моделей зданий . PFG Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation, 2007(6): 459-468, 2007.
- ^ М. Трапп и др.: Colonia 3D - Передача виртуальных 3D-реконструкций в общественных местах . Международный журнал наследия в цифровую эпоху (IJHDE), том. 1, нет. 1, стр. 45–74, 2012.
- ^ «3D модель города» . Архивировано из оригинала 31 мая 2014 г. Проверено 30 мая 2014 г.
- ^ «Общество интеллектуальных транспортных систем IEEE» . ИИЭЭ . Архивировано из оригинала 26 мая 2020 года . Проверено 16 мая 2020 г.
- ^ «К. Порталес и др.: Дополненная реальность и фотограмметрия: синергия для визуализации физической и виртуальной городской среды . ISPRS J. Photogramm. Remote Sensing, 65, 134-142, 2010» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 марта 2012 г. Проверено 27 июля 2011 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Системы и инструменты для 3D-моделей городов Компоненты управления и инфраструктуры для 3D-моделей городов.
- Визуализация 3D-моделей городов на основе карт. Компоненты для приложений 3D-моделей городов.
- OGC 3D Portrayal IE Эксперимент по совместимости 3D-изображений Открытого геопространственного консорциума.
- 3D-модель города Берлина Пример массивной 3D-модели города для городской территории.
- 3D-модель города римского Кёльна Пример 3D-модели города для целей культурного наследия.