Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с 3D-моделей городов )
Перейти к навигации Перейти к поиску
3D-модель Берлина позволяет зрителям увидеть город таким, какой он есть сейчас, каким он был когда-то, и каким он может превратиться в будущем.

3D город модель является цифровой моделью городских районов , которые представляют рельеф поверхность, участки, здание, растительность, инфраструктуру и элементы ландшафта в трехмерном масштабе, а также связанные с ними объекты (например, городская мебель) , принадлежащих городской местностью. Их компоненты описываются и представляются соответствующими двумерными и трехмерными пространственными данными и данными с географической привязкой. Трехмерные модели городов поддерживают задачи презентации, исследования, анализа и управления в большом количестве различных прикладных областей. В частности, 3D-модели городов позволяют «визуально интегрировать разнородную геоинформацию в единую структуру и, следовательно, создавать сложные городские информационные пространства и управлять ими». [1] [2]

Хранилище [ править ]

Для хранения трехмерных моделей городов используются как файловый подход, так и подход к базе данных. Не существует единой, уникальной схемы представления из-за неоднородности и разнообразия содержимого трехмерной модели города.

Кодировка компонентов [ править ]

Компоненты трехмерных моделей городов кодируются с помощью общих форматов файлов и обмена для двухмерных растровых данных ГИС (например, GeoTIFF ), двумерных векторных данных ГИС (например, AutoCAD DXF ), трехмерных моделей (например, .3DS , .OBJ ) и 3D-сцены (например, Collada , Keyhole Markup Language ), например, поддерживаемые инструментами и системами САПР , ГИС и компьютерной графики . Все компоненты 3D-модели города необходимо преобразовать в единую географическую систему координат .

Базы данных [ править ]

База данных для трехмерных моделей городов хранит свои компоненты в иерархически структурированном, многомасштабном виде, что обеспечивает стабильное и надежное управление данными и облегчает выполнение сложных задач ГИС-моделирования и анализа. Например, база данных 3D City - это бесплатная база данных трехмерных геоданных для хранения, представления и управления виртуальными трехмерными моделями городов поверх стандартной пространственной реляционной базы данных. [3] База данных необходима, если необходимо постоянно управлять 3D-моделями города. Базы данных трехмерных моделей города являются ключевым элементом в инфраструктурах трехмерных пространственных данных, которые требуют поддержки для хранения, управления, обслуживания и распространения содержимого трехмерных моделей города. [4]Их реализация требует поддержки множества форматов (например, на основе мультиформатов FME). Как обычное приложение, порталы загрузки геоданных могут быть настроены для содержимого 3D-моделей города (например, virtualcityWarehouse). [5]

CityGML [ править ]

Open Geospatial Consortium (OGC) определяет явный XML формат обмен для основанных моделей городских 3D, CityGML , который поддерживает не только геометрические описания 3D компонентов городской модели , но и спецификацию семантики и информации о топологии. [6]

CityJSON [ править ]

CityJSON - это формат на основе JSON для хранения 3D-моделей городов. [7] Он в основном следует модели данных CityGML, но стремится быть удобным для разработчиков и пользователей, избегая большинства сложностей обычного кодирования GML. Благодаря простой кодировке и использованию JSON он также подходит для веб-приложений. [8]

Строительство [ править ]

Уровень детализации [ править ]

Трехмерные модели городов обычно строятся на различных уровнях детализации (LOD), чтобы обеспечить представление о нескольких разрешениях и на разных уровнях абстракции. Другие показатели, такие как уровень пространственно-семантической согласованности и разрешение текстуры, можно рассматривать как часть LOD. [9] Например, CityGML определяет пять уровней детализации для построения моделей:

  • LOD 0: следы 2.5D
  • LOD 1: Здания, представленные блочными моделями (обычно вытянутые контуры)
  • LOD 2: модели зданий со стандартными конструкциями крыш.
  • LOD 3: Детальные (архитектурные) модели зданий
  • LOD 4: модели зданий LOD 3, дополненные элементами интерьера.

Существуют также подходы к обобщению данной детальной 3D-модели города посредством автоматизированного обобщения. [10] Например, иерархическая дорожная сеть (например, OpenStreetMap ) может использоваться для группировки компонентов трехмерной модели города в «ячейки»; каждая ячейка абстрагируется путем агрегирования и слияния содержащихся в ней компонентов.

Данные ГИС [ править ]

Данные ГИС предоставляют базовую информацию для построения трехмерной модели города, например, с помощью цифровых моделей местности, дорожных сетей, карт землепользования и связанных данных с географической привязкой. ГИС-данные также включают кадастровые данные, которые можно преобразовать в простые 3D-модели, как, например, в случае выдавленных контуров зданий. Основные компоненты трехмерных моделей городов образуют цифровые модели местности (ЦМР), представленные, например, в виде TIN или сеток.

Данные САПР [ править ]

Типичные источники данных для 3D-модели города также включают CAD- модели зданий, участков и элементов инфраструктуры. Они обеспечивают высокий уровень детализации, который, возможно, не требуется для приложений трехмерной модели города, но может быть включен либо путем экспорта их геометрии, либо в виде инкапсулированных объектов.

Данные BIM [ править ]

Информационные модели зданий представляют собой еще одну категорию геопространственных данных, которые могут быть интегрированы в трехмерную модель города, обеспечивая высочайший уровень детализации компонентов здания.

Интеграция на уровне визуализации [ править ]

Сложные 3D-модели городов обычно основаны на различных источниках геоданных, таких как геоданные из ГИС, модели зданий и участков из САПР и BIM. Одно из их основных свойств - установить общую систему отсчета для разнородных геопространственных данных и данных с географической привязкой, т. Е. Данные не нужно объединять или объединять на основе одной общей модели или схемы данных. Интеграция возможна за счет использования общей системы географических координат на уровне визуализации. [11]

Реконструкция здания [ править ]

Самая простая форма построения модели здания состоит в выдавливании полигонов контуров зданий, например, взятых из кадастра, путем предварительного вычисления средних высот. На практике трехмерные модели зданий в городских районах 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 трехмерных моделей зданий цифровые поверхности местности и двумерные полигоны контуров требуются автоматизированным инструментам реконструкции зданий, таким как BREC. [12]Одна из ключевых задач - найти части здания с соответствующей геометрией крыши. «Поскольку полностью автоматическое распознавание изображений очень сложно решить, обычно требуются полуавтоматические компоненты, по крайней мере, для поддержки распознавания очень сложных зданий человеком-оператором». [13] Статистические подходы являются общими для реконструкции кровли на основе облаков точек с воздушным лазерным сканированием. [14] [15]

Существуют полностью автоматизированные процессы для создания моделей зданий LOD1 и LOD2 для больших регионов. Например, Баварское бюро геодезии и пространственной информации отвечает за около 8 миллионов моделей зданий на уровнях LOD1 и LOD2. [16]

Визуализация [ править ]

Визуализации моделей городских 3D представляет собой базовую функциональность , необходимую для интерактивных приложений и систем , основанных на моделях городских 3D.

Рендеринг в реальном времени [ править ]

Обеспечение высококачественной визуализации массивных 3D-моделей городов масштабируемым, быстрым и экономичным способом по-прежнему является сложной задачей из-за сложности с точки зрения 3D-геометрии и текстур 3D-моделей городов. 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 дорожных сетей в реальном времени на моделях местности с высоким разрешением. [17]
  • 3D-рендеринг водных поверхностей в реальном времени с картографическим дизайном. [18]
  • 3D-рендеринг в реальном времени явлений дневного и ночного неба. [19]
  • 3D-рендеринг в реальном времени моделей местности на основе сетки. [20]
  • 3D-рендеринг в реальном времени с использованием различных уровней абстракции, от двухмерных карт до трехмерных. [21]
  • 3D-рендеринг в реальном времени многоперспективных видов на 3D-модели города [22] [23]

Алгоритмы рендеринга и структуры данных в реальном времени перечислены в проекте виртуального ландшафта. [24]

Сервисный рендеринг [ править ]

Сервисно-ориентированные архитектуры (SOA) для визуализации трехмерных моделей городов предлагают разделение задач на управление и рендеринг и их интерактивное предоставление клиентскими приложениями. Для подходов на основе SOA требуются сервисы 3D-изображения [25] , основная функциональность которых представляет изображение в смысле 3D-рендеринга и визуализации. [26] Подходы на основе SOA можно разделить на две основные категории, которые в настоящее время обсуждаются в Open Geospatial Consortium :

  • Веб-служба 3D (W3DS): этот тип службы обеспечивает доступ к геоданным и отображение их на примитивы компьютерной графики, такие как графы сцены с текстурированными трехмерными геометрическими моделями, а также их доставку в запрашивающие клиентские приложения. Клиентские приложения отвечают за 3D-рендеринг предоставленных графов сцены, т. Е. Они отвечают за интерактивное отображение с использованием своего собственного оборудования для 3D-графики.
  • Служба веб-просмотра (WVS): этот тип службы инкапсулирует процесс 3D-рендеринга для 3D-моделей городов на стороне сервера. Сервер генерирует виды трехмерной сцены или промежуточные представления на основе изображений (например, виртуальные панорамы или кубические карты G-буфера [27] ), которые передаются в потоковом режиме и загружаются в запрашивающие клиентские приложения. Клиентские приложения отвечают за воссоздание 3D-сцены на основе промежуточных представлений. Клиентские приложения не должны обрабатывать данные трехмерной графики, но должны обеспечивать управление загрузкой, кэшированием и отображением представлений трехмерных сцен на основе изображений и не должны обрабатывать исходную (и, возможно, большую) трехмерную модель города.

Визуализация на основе карты [ править ]

Картографическая технология, подход «умной карты», направлен на предоставление «массивных виртуальных трехмерных моделей городов на различных платформах, а именно в веб-браузерах, смартфонах или планшетах, посредством интерактивной карты, составленной из искусственных наклонных плиток изображений». [28]Фрагменты карты синтезируются в процессе автоматического 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 передовые методы рендеринга (например, вычисление глобального освещения и теней, иллюстративный рендеринг), но не требует, чтобы клиентские устройства имели передовое оборудование для 3D-графики. Наиболее важно то, что подход на основе карты позволяет распространять и использовать сложные трехмерные модели города с необходимостью потоковой передачи базовых данных на клиентские устройства - отправляются только предварительно сгенерированные фрагменты карты. Сюда, "(а) Сложность данных 3D-модели города не связана со сложностью передачи данных (б) реализация клиентских приложений значительно упрощается, поскольку 3D-рендеринг инкапсулируется на стороне сервера (в) 3D-модели города могут быть легко развернуты и использованы большое количество одновременно работающих пользователей, что обеспечивает высокую степень масштабируемости всего подхода ".[29]

Приложения [ править ]

Трехмерные модели городов можно использовать для множества целей во все большем числе различных областей применения. [30] Примеры:

  • Навигационные системы : 3D-навигационные карты стали вездесущими 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. [31]
  • Городское планирование и архитектура : для создания, анализа и распространения концепций и проектов городского планирования трехмерные модели городов служат средством коммуникации и участия. [32] 3D-модели городов предоставляют средства для коммуникации по проектам, лучшего восприятия девелоперских проектов посредством визуализации и, следовательно, позволяют избежать денежных потерь из-за задержек в реализации проектов; они также помогают предотвратить ошибки планирования. [33]
  • Инфраструктуры пространственных данных (SDI): 3D-модели городов расширяют инфраструктуры пространственных данных и поддерживают управление, хранение и использование 3D-моделей в SDI; они требуют не только инструментов и процессов для первоначального построения и хранения трехмерных моделей городов, но также должны обеспечивать эффективное управление данными и распределение данных для поддержки рабочих процессов и приложений. [34]
  • ГИС : ГИС поддерживает трехмерные геоданные и предоставляет вычислительные алгоритмы для построения, преобразования, проверки и анализа компонентов трехмерной модели города.
  • Управление в чрезвычайных ситуациях : для систем управления чрезвычайными ситуациями, рисками и стихийными бедствиями трехмерные модели городов обеспечивают вычислительную основу. В частности, они служат для моделирования пожара, наводнений и взрывов. Например, проект DETORBA направлен на моделирование и анализ эффектов взрыва в городских районах с высокой точностью для поддержки прогнозирования последствий для структурной целостности и устойчивости городской инфраструктуры и безопасности. подготовка спасательных сил. [35]
  • Пространственный анализ : 3D-модели городов обеспечивают вычислительную основу для трехмерного пространственного анализа и моделирования. Например, их можно использовать для расчета солнечного потенциала для трехмерных поверхностей крыш городов [36], анализа видимости в городском пространстве, [37] моделирования шума, [38] термографических обследований зданий [39] [40]
  • 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-играх и видеоиграх.
  • Культурное наследие : инструменты и системы трехмерных моделей города применяются для моделирования, проектирования, исследования и анализа объектов культурного наследия. Например, археологические данные могут быть встроены в 3D-модели городов. [41]
  • Информационные системы города: 3D-модели города представляют собой основу для интерактивных 3D-информационных систем города и 3D-карт города. Например, муниципалитеты применяют трехмерные модели городов в качестве централизованной информационной платформы для геолокационного маркетинга. [42]
  • Управление недвижимостью : технология трехмерных моделей города может расширить системы и приложения, используемые в сфере недвижимости и управления недвижимостью.
  • Интеллектуальные транспортные системы : 3D-модели городов можно применять в интеллектуальных транспортных системах. [43]
  • Дополненная реальность : 3D-модели городов можно использовать в качестве системы отсчета для приложений дополненной реальности. [44]

См. Также [ править ]

  • Карта города

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Дж. Дёлльнер, К. Бауманн, Х. Бухгольц: Виртуальные 3D-модели городов 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 года .
  2. ^ «Пример видео для 3D-моделей городов как сложных информационных пространств» . Проверено 16 мая 2020 года .
  3. ^ "Веб-сайт 3D City DB www.3dcitydb.org" . Архивировано из оригинального 31 мая 2016 года . Проверено 16 мая 2020 года .
  4. ^ "База данных виртуального города для 3D-моделей города и ландшафта" . Май 2018.
  5. ^ "virtualcityWarehouse" . Архивировано из оригинала на 2014-05-31 . Проверено 28 июля 2014 .
  6. ^ TH Kolbe: Представление и обмен 3D-моделями города с CityGML . 3D геоинформационные науки, J. Lee, S. Zlatanova , W. Cartwright, G. Gartner, L. Meng и MP Peterson, Eds. Springer Berlin Heidelberg, 2009, стр. 15–31.
  7. ^ https://www.cityjson.org
  8. ^ Леду, Х., Арройо Охори, К., Кумар, К. и др. CityJSON: компактная и простая в использовании кодировка модели данных CityGML. Открытые геопространственные данные, софт. стоять. 4, 4 (2019). https://doi.org/10.1186/s40965-019-0064-0
  9. ^ Biljecki, F .; Ledoux, H .; Stoter, J .; Чжао, Дж. (2014). «Формализация уровня детализации в 3D-моделировании города» . Компьютеры, окружающая среда и городские системы . 48 (1): 1–15. DOI : 10.1016 / j.compenvurbsys.2014.05.004 .
  10. ^ Т. Гландер, Дж. Дёльнер: методы обобщения строительной геометрии сложных виртуальных 3D-моделей города . Достижения в области трехмерных геоинформационных систем (Питер ван Остером, Сиси Златанова и Фризо Пеннинга и Эльфриде М. Фендель, ред.), Конспекты лекций по геоинформации и картографии, Springer, стр. 381–400, 2008 г.
  11. ^ 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: UDMS 2007 Annual, (Massimo Rumor and Volker Coors, Elfriede M. Fendel и Sisi Zlatanova, ed.), Taylor & Francis Ltd., Штутгарт, Германия, стр. 157–170, 2007.
  12. ^ "CityGML-basierte digitale Städte" . Май 2018.
  13. ^ Н. Хаала, М. Када: Обновленная информация об автоматической трехмерной реконструкции здания . Журнал ISPRS по фотограмметрии и дистанционному зондированию 65 (2010), 570–580.
  14. ^ Х. Хуанг, К. Бреннер, М. Сестер: 3D-реконструкция крыши здания из облаков точек с помощью генеративных моделей . ГИС 2011: 16-24.
  15. ^ Хаммуди, Карим (2011). К. Хаммуди: Вклад в 3D-моделирование города: реконструкция 3D-модели многогранного здания по аэрофотоснимкам и 3D-моделирование фасада из наземного 3D-облака точек и изображений . Кандидатская диссертация в области обработки сигналов и изображений, Université Paris-Est, 234p. , 2011 ». DOI : 10,13140 / RG.2.1.2269.8000 . Cite journal requires |journal= (help)
  16. ^ "Баварский проект модели здания LOD2" . Архивировано из оригинала на 2014-05-31 . Проверено 28 июля 2014 .
  17. ^ М. Ваараниеми, М. Трейб, Р. Вестерманн: Высококачественные картографические дороги на ЦМР высокого разрешения. Журнал WSCG 19 (2): 41-48, 2011.
  18. ^ А. Семмо и др.: Визуализация водных поверхностей в реальном времени с картографическим дизайном . Труды Международного симпозиума по вычислительной эстетике в графике, визуализации и визуализации (CAe), стр. 5–14, 2013.
  19. ^ D. Лимбергер и др.: Однопроходная визуализация явлений дневного и ночного неба . Труды семинара по видению, моделированию и визуализации 2012, Eurographics Association, стр. 55-62, 2012.
  20. ^ F. Losasso, H. Hoppe: Geometry clipmaps: рендеринг ландшафта с использованием вложенных регулярных сеток . ACM Trans. Графика (SIGGRAPH), 23 (3), 2004.
  21. ^ https://www.youtube.com/watch?v=tU5d6WuSglk
  22. ^ https://www.youtube.com/watch?v=bT01QsZMYDE
  23. ^ http://www.hpi.uni-potsdam.de/doellner/publications/year/2014/2390/PSTD2014.html Многоперспективные виды для 3D-моделей городов
  24. ^ "Опубликованные документы Terrain LOD" .
  25. ^ "3D-изображение IE | OGC" .
  26. ^ J. Klimke, J. Döllner: Сервис-ориентированная визуализация виртуальных 3D-моделей города . Журнал Directions, 2012 г. http://www.directionsmag.com/articles/service-orient-visualization-of-virtual-3d-city-models/226560
  27. ^ Дж. Дёлльнер, Б. Хагедорн: Серверная визуализация больших 3D-сцен для мобильных устройств с использованием карт куба G-буфера . Web3D '12 Труды 17-й Международной конференции по 3D-веб-технологиям, стр. 97-100, 2012.
  28. ^ Дж. Климке и др.: « Масштабируемое мультиплатформенное распределение пространственного трехмерного содержимого ». 8-я конференция ISPRS 3D GeoInfo и семинар WG II / 2 27–29 ноября 2013 г., Стамбул, Турция, (ред. У. Исикдаг), т. II-2 / W1, ISPRS Annals, ISPRS, pp. 193-200, 2013.
  29. ^ Дж. Климке и др.: «Масштабируемое мультиплатформенное распределение пространственного трехмерного содержимого». 8-я конференция ISPRS 3D GeoInfo и семинар WG II / 2 27–29 ноября 2013 г., Стамбул, Турция, (ред. У. Исикдаг), т. II-2 / W1, ISPRS Annals, ISPRS, pp. 193-200, 2013.
  30. ^ Biljecki, F .; Stoter, J .; Ledoux, H .; Златанова, С .; Öltekin, A. (2015). «Применение 3D-моделей городов: обзор современного искусства». Международный журнал геоинформации ISPRS . 4 (4): 2842–2889. Bibcode : 2015IJGI .... 4.2842B . DOI : 10.3390 / ijgi4042842 .
  31. ^ М. Ваараниеми и др.: Интеллектуальная приоритезация и фильтрация меток в навигационных картах . Журнал WSCG, 2014.
  32. ^ "Э. Бен-Джозеф и др.: Городское моделирование и светящийся стол планирования: Преодоление разрыва между цифровым и материальным . Журнал планирования образования и исследований 21 (2), 196-203, 2001" (PDF) . Проверено 16 мая 2020 года .
  33. ^ "GSDI - Главная" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 31 мая 2014 года . Проверено 30 мая 2014 .
  34. ^ http://virtualcitysystems.de/images/pdf/3d-gdi/EN_3D_SDI_2013_Flyer.pdf
  35. ^ http://virtualcitysystems.de/en/references.html#research Архивировано 31 мая 2014 г. на Wayback Machine DETORBA
  36. ^ К. Карнейро и др.: Солнечная радиация над городской текстурой: данные LiDAR и методы обработки изображений для анализа окружающей среды в масштабах города . 3D геоинформационные науки, 319-340, 2008.
  37. ^ Дж. Энгель, Дж. Дёльнер: подходы к визуальному 3D-анализу цифровых ландшафтов и его приложений . Труды по цифровой ландшафтной архитектуре, 2009 г., стр. 33-41, 2009 г.
  38. ^ Лансель, Марсель; Фелльнер, Дитер (2004). «Текущие проблемы с 3D-моделями городов» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала на 2019-07-03 . Проверено 3 июля 2019 .
  39. ^ Иващук, Дорота; Хегнер, Людвиг; Стилла, Уве (2011). «Сопоставление 3D-моделей зданий с ИК-изображениями для извлечения текстур». Совместное мероприятие по дистанционному зондированию в городах 2011 г . : 25–28. DOI : 10.1109 / jurse.2011.5764710 . ISBN 978-1-4244-8658-8.
  40. ^ Л. Хегнер и др.: Автоматическое извлечение текстур из последовательностей инфракрасных изображений и интеграция базы данных для 3D-моделей зданий . PFG Photogrammetrie Fernerkundung Geoinformation, 2007 (6): 459-468, 2007.
  41. ^ М. Трапп и др .: Colonia 3D - Коммуникация виртуальных 3D-реконструкций в общественных местах . Международный журнал наследия в цифровую эпоху (IJHDE), т. 1, вып. 1. С. 45-74, 2012.
  42. ^ "3D модель города" . Архивировано из оригинала на 2014-05-31 . Проверено 30 мая 2014 .
  43. ^ "Общество интеллектуальных транспортных систем IEEE" . site.ieee.org . Проверено 16 мая 2020 года .
  44. ^ "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 оригинального (PDF) 28 марта 2012 года . Проверено 27 июля 2011 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Системы и инструменты 3D-моделирования города. Компоненты управления и инфраструктуры для 3D-моделей города.
  • Картографическая визуализация компонентов 3D-моделей города для приложений 3D-модели города.
  • OGC 3D Portrayal IE Эксперимент по взаимодействию 3D-изображений Open Geospatial Consortium.
  • 3D-модель города Берлина. Пример массивной 3D-модели города для городской территории.
  • Трехмерная модель города римского Кельна Пример трехмерной модели города для приложений культурного наследия.