Un modelo de ciudad en 3D es un modelo digital de áreas urbanas que representan 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 gestión en una gran cantidad de dominios de aplicaciones diferentes. En particular, los modelos de ciudad en 3D permiten "integrar visualmente geoinformación heterogénea en un solo marco y, por lo tanto, crear y gestionar 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 3D están codificados por archivos comunes y formatos de intercambio para datos GIS basados en raster 2D (p. Ej., GeoTIFF ), datos GIS basados en vectores 2D (p. Ej., AutoCAD DXF ), modelos 3D (p. Ej., .3DS , .OBJ ) y escenas en 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 de múltiples escalas, lo que permite una gestión de datos estable y confiable y facilita tareas complejas de modelado y análisis GIS. Por ejemplo, 3D City Database es una base de datos geográfica en 3D gratuita para almacenar, representar y administrar 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 deben 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, administrar, mantener y distribuir los contenidos de los modelos de ciudades en 3D. [4] Su implementación requiere el soporte de una multitud de formatos (por ejemplo, basado en múltiples formatos FME). Como aplicación común, se pueden configurar portales de descarga de geodatos para contenidos de modelos de ciudades en 3D (por ejemplo, virtualcityWarehouse). [5]
CityGML
El Consorcio Geoespacial Abierto (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] En su mayoría sigue el modelo de datos CityGML, pero tiene como objetivo ser amigable para el desarrollador y el usuario al evitar 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 se construyen típicamente 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. [9] Por ejemplo, CityGML define cinco LOD para modelos de construcción:
- 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 mediante la generalización automatizada. [10] 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 componentes contenidos.
Datos GIS
Los datos GIS proporcionan la información base para construir un modelo de ciudad en 3D, por ejemplo, mediante modelos digitales de terreno, redes de carreteras, mapas de uso de la tierra y datos relacionados con referencias geográficas. 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 en 3D que proporciona el más alto nivel de detalle para los componentes de la 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 centrales es establecer un marco de referencia común para datos geoespaciales y geo-referenciados heterogéneos, es decir, no es necesario fusionar o fusionar los datos en base a un modelo o esquema de datos común. La integración es posible compartiendo un sistema de coordenadas geográficas común a nivel de visualización. [11]
Reconstrucción de edificios
La forma más simple de construcción de modelos de edificios consiste en extruir los polígonos de la huella de los edificios, por ejemplo, tomados del catastro, mediante el cálculo previo de las alturas medias. En la práctica, los modelos 3D de edificios de regiones urbanas se generan basándose en la captura y análisis de nubes de puntos 3D (por ejemplo, muestreados por 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 . [12] Un desafío clave es encontrar piezas de construcción con su correspondiente geometría de techo. "Dado que la comprensión de imágenes completamente automática es muy difícil de resolver, generalmente se requieren componentes semiautomáticos para al menos apoyar el reconocimiento de edificios muy complejos por parte de un operador humano". [13] Los enfoques estadísticos son comunes para la reconstrucción de techos basados en nubes de puntos de escaneo láser en el aire. [14] [15]
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 edificios en LOD1 y LOD2. [dieciséis]
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 una manera escalable, rápida y rentable sigue siendo una tarea desafiante debido a la complejidad en términos de geometría y texturas 3D 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 especializado en tiempo real incluyen:
- Representación 3D en tiempo real de redes de carreteras en modelos de terreno de alta resolución. [17]
- Representación 3D en tiempo real de superficies de agua con diseño orientado a la cartografía. [18]
- Representación 3D en tiempo real de fenómenos del cielo diurno y nocturno. [19]
- Representación 3D en tiempo real de modelos de terreno basados en cuadrículas. [20]
- Representación 3D en tiempo real utilizando diferentes niveles de abstracción, que van entre vistas de mapas 2D y vistas 3D. [21]
- Representación 3D en tiempo real de vistas multiperspectivas en modelos de ciudades 3D. [22] [23]
Los algoritmos de representación en tiempo real y las estructuras de datos se enumeran en el proyecto de terreno virtual. [24]
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 las aplicaciones del cliente. Para los enfoques basados en SOA, se requieren servicios de representación 3D [25] , cuya funcionalidad principal representa la representación en el sentido de representación y visualización 3D. [26] Los enfoques basados en SOA se pueden distinguir en dos categorías principales, que se discuten actualmente en el Consorcio Geoespacial Abierto :
- Servicio Web 3D (W3DS): este tipo de servicio maneja el acceso y mapeo de geodatos a primitivas de gráficos por computadora, como gráficos de escena con modelos de geometría 3D texturizados, así como su entrega a las aplicaciones cliente solicitantes. Las aplicaciones cliente son responsables de la representación 3D de los gráficos de escena entregados, es decir, son responsables de la visualización interactiva utilizando su propio hardware de gráficos 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 (por ejemplo, panoramas virtuales o mapas de cubos de búfer G [27] ), que se transmiten y se cargan en las aplicaciones cliente solicitantes. 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 3D, sino proporcionar administración para cargar, almacenar en caché y mostrar las representaciones basadas en imágenes de escenas 3D y no tienen que procesar el modelo de ciudad 3D original (y posiblemente grande).
Visualización basada en mapas
Una técnica basada en mapas, el enfoque de "mapa inteligente", tiene como objetivo proporcionar "modelos de ciudades virtuales en 3D masivos 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". [28] 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 manera, la representación 3D se realiza completamente en el 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 (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 complejos de ciudades en 3D con la necesidad de transmitir los datos subyacentes a los dispositivos del cliente; solo se envían los mosaicos de mapas pregenerados. De esta manera, "(a) la complejidad de los datos del modelo de ciudad en 3D se desacopla de la complejidad de la transferencia de datos (b) la implementación de las aplicaciones cliente se simplifica significativamente ya que la representación 3D se encapsula en el lado del servidor (c) los modelos de ciudad en 3D se pueden implementar fácilmente para y utilizado por un gran número de usuarios concurrentes, lo que lleva a un alto grado de escalabilidad del enfoque general ". [29]
Aplicaciones
Los modelos de ciudades en 3D se pueden utilizar para una multitud de propósitos en un número creciente de dominios de aplicación diferentes. [30] 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. [31]
- Urbanismo y arquitectura : Para poner en marcha, analizar y difundir conceptos y proyectos urbanísticos, los modelos de ciudad en 3D sirven como medio de comunicación y participación. [32] Los modelos de ciudades en 3D proporcionan medios para la comunicación del proyecto, 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. [33]
- Infraestructuras de datos espaciales (IDE): 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. [34]
- GIS : GIS admite geodatos 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 efectos de explosión en áreas urbanas con alta precisión para respaldar la predicción de efectos para la integridad estructural y la solidez de la infraestructura y la seguridad urbanas. preparativos de las fuerzas de rescate. [35]
- 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 utilizar para calcular el potencial solar de las superficies de tejados en 3D de las ciudades, [36] análisis de visibilidad dentro del espacio urbano, [37] simulación de ruido, [38] inspecciones termográficas de edificios [39] [40]
- Geodiseño : En el geodiseño, los modelos virtuales en 3D del entorno (por ejemplo, modelos de paisaje 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 utilizar para obtener datos base para escenas virtuales en 3D que se utilizan en los videojuegos y en línea.
- 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. [41]
- Sistemas de información de la ciudad: los modelos de ciudad en 3D representan el marco para los sistemas de información de la ciudad en 3D interactivos y los mapas de la ciudad en 3D. Por ejemplo, los municipios aplican modelos de ciudades en 3D como plataforma de información centralizada para el marketing de ubicación. [42]
- Gestión de propiedades : la tecnología de modelos de ciudades en 3D puede ampliar los sistemas y aplicaciones utilizados 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. [43]
- Realidad aumentada : los modelos de ciudades en 3D se pueden utilizar como marco de referencia para aplicaciones de realidad aumentada. [44]
Ver también
- Mapa de la ciudad
Referencias
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enlaces externos
- Sistemas y herramientas de modelos de ciudades 3D Componentes de infraestructura y gestión para modelos de ciudades en 3D.
- Visualización basada en mapas de componentes de modelos de ciudades en 3D para aplicaciones de modelos de ciudades en 3D.
- OGC 3D Portrayal IE Experimento de interoperabilidad de representación 3D del Consorcio Geoespacial Abierto.
- Modelo de ciudad en 3D de Berlín Ejemplo de modelos de ciudad en 3D masivos para un área urbana.
- Modelo de ciudad en 3D de la Colonia romana Ejemplo de un modelo de ciudad en 3D para aplicaciones de patrimonio cultural.