APUNTES DE GEODESIA

La adquisición y reconstrucción de datos 3D es la generación de modelos tridimensionales o espaciotemporales a partir de datos de sensores. Las técnicas y teorías, en términos generales, funcionan con la mayoría o con todos los tipos de sensores, incluidos ópticos, acústicos, láser, ^[1] radares, térmicos, ^[2] sísmicos. 

De Wikipedia, la enciclopedia libre

Saltar a navegaciónSaltar a búsqueda

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

Los modelos de ciudad en 3D son modelos digitales 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) que pertenecen a áreas urbanas. Sus componentes están descritos y representados por datos espaciales bidimensionales y tridimensionales correspondientes y datos georreferenciados. Los modelos de ciudad en 3D admiten tareas de presentación, exploración, análisis y administración en una gran cantidad de dominios de aplicación diferentes. En particular, los modelos de ciudades en 3D permiten "integrar visualmente la geoinformación heterogénea en un marco único y, por lo tanto, crear y gestionar espacios de información urbana complejos".

Almacenamiento de modelos de ciudad en 3D [ editar ]

Para almacenar modelos de ciudades en 3D, se utilizan enfoques basados ​​en archivos y en 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 3d.

Codificación de Componentes [ editar ]

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

Bases de datos [ editar ]

Una base de datos para modelos de ciudad en 3D almacena sus componentes de forma jerárquica y de múltiples escalas, lo que permite una gestión de datos estable y confiable y facilita las complejas tareas de análisis y modelado de SIG. Por ejemplo, la base de datos 3D City es una base de datos geo 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 administrarse de manera continua. Las bases de datos del modelo de ciudad 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 del modelo de ciudad en 3D. ^[4]Su implementación requiere el soporte de una multitud de formatos (por ejemplo, basados ​​en los formatos múltiples de FME). Como aplicación común, los portales de descarga de datos geográficos se pueden configurar para los contenidos del modelo de ciudad 3D (por ejemplo, virtualcityWarehouse). ^[5]

CityGML [ editar ]

El Open Geospatial Consortium (OGC) define un formato de intercambio explícito basado en XML para los modelos de ciudad en 3D, CityGML , que admite no solo descripciones geométricas de los componentes del modelo de ciudad en 3D, sino también la especificación de la semántica y la información de topología. ^[6]

Construcción de modelos de ciudad en 3D [ editar ]

Nivel de detalle [ editar ]

Los modelos de ciudad en 3D se construyen típicamente en varios niveles de detalle (LOD) para proporcionar nociones de resoluciones múltiples 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. ^[7] 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: LOD 3 modelos de construcción complementados con características interiores.

También existen enfoques para generalizar un modelo de ciudad 3D detallado dado mediante generalización automatizada. ^[8] Por ejemplo, se puede usar una red de carreteras jerárquica (por ejemplo, OpenStreetMap ) para agrupar los componentes del modelo de ciudad 3D en "celdas"; Cada celda se abstrae agregando y fusionando componentes contenidos.

Datos GIS [ editar ]

Los datos GIS proporcionan la información básica para construir un modelo de ciudad en 3D, como los modelos digitales de terreno, las redes de carreteras, los mapas de uso de la tierra y los 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 principales de los modelos de ciudad en 3D forman modelos de terreno digitales (DTM) representados, por ejemplo, por TIN o cuadrículas.

Datos CAD [ editar ]

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 del modelo de ciudad en 3D, pero pueden incorporarse mediante la exportación de su geometría o como objetos encapsulados.

Datos BIM [ editar ]

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 construcción.

Integración a nivel de visualización [ editar ]

Los modelos de ciudad en 3D complejos generalmente se basan en diferentes fuentes de datos geográficos, como geodatos de GIS, modelos de construcción y sitios de CAD y BIM. Una de sus propiedades centrales es establecer un marco de referencia común para datos geoespaciales y georreferenciados heterogéneos, es decir, los datos no necesitan fusionarse o fusionarse basándose en un esquema o modelo de datos común. La integración es posible compartiendo un sistema de coordenadas geográficas comunes en el nivel de visualización. ^[9]

Edificio Reconstrucción [ editar ]

La forma más simple de construcción de modelo de construcción consiste en extruir los polígonos de huella de los edificios, por ejemplo, tomados del catastro, por alturas promedio pre-computadas. En la práctica, los modelos 3D de edificios de regiones urbanas se generan en base a la captura y el análisis de nubes de puntos3D (por ejemplo, muestreadas mediante escaneo láser terrestre o aéreo ) o mediante enfoques fotogramétricos. Para lograr un alto porcentaje de modelos de construcción 3D geométricamente y topológicamente correctos, las herramientas de reconstrucción de edificios automatizadas como BREC requieren superficies de terreno digitales y polígonos de huella 2D . ^[10]Un desafío clave es encontrar piezas 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 apoyar el reconocimiento de edificios muy complejos por parte de un operador humano". ^[11] Los enfoques estadísticos son comunes para la reconstrucción de techos basados ​​en nubes de puntos de escaneo láser en el aire. ^[12] [13]

Existen procesos totalmente automatizados para generar modelos de construcción LOD1 y LOD2 para grandes regiones. Por ejemplo, la Oficina Bávara para Topografía e Información Espacial es responsable de aproximadamente 8 millones de modelos de construcción en LOD1 y LOD2. ^[14]

Visualización de modelos de ciudad en 3D [ editar ]

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

Representación en tiempo real de modelos de ciudades en 3D [ editar ]

Proporcionar una visualización de alta calidad de los 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 y texturasen 3D de los modelos de ciudades en 3D. La representación en tiempo real proporciona una gran cantidad de técnicas de representación 3D especializadas para modelos de ciudades en 3D. Ejemplos de renderización 3D especializada en tiempo real incluyen:

• Representación 3D en tiempo real de redes de carreteras en modelos de terreno de alta resolución. ^[15]
• Representación 3D en tiempo real de superficies de agua con diseño orientado a la cartografía. ^[dieciséis]
• Representación 3D en tiempo real de fenómenos del cielo diurno y nocturno. ^[17]
• Representación 3D en tiempo real de modelos de terreno basados ​​en cuadrícula. ^[18]
• Representación 3D en tiempo real utilizando diferentes niveles de abstracción, que van desde vistas de mapa 2D y vistas 3D. ^[19]
• Representación 3D en tiempo real de vistas multiperspectivas en modelos de ciudad en 3D. ^[20] [21]

Los algoritmos de representación en tiempo real y las estructuras de datos se enumeran por el proyecto de terreno virtual. ^[22]

Representación basada en servicios de modelos de ciudad en 3D [ editar ]

Las arquitecturas orientadas a servicios (SOA) para visualizar modelos de ciudades en 3D ofrecen una separación de las preocupaciones en la gestión y el renderizado y su provisión interactiva por parte de las aplicaciones cliente. Para los enfoques basados ​​en SOA, se requieren servicios de representación en 3D ^[23] , cuya funcionalidad principal representa la representación en el sentido de representación y visualización en 3D. ^[24] Los enfoques basados ​​en SOA se pueden distinguir en dos categorías principales, discutidas actualmente en el Open Geospatial Consortium :

• Servicio web en 3D (W3DS): este tipo de servicio maneja el acceso a los geodatos y el mapeo de primitivas de gráficos de computadora, como los gráficos de escenas 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 pantalla interactiva utilizando su propio hardware de gráficos 3D.
• Servicio de vista web (WVS): este tipo de servicio encapsula el proceso de renderizado 3D para modelos de ciudad en 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 cubo G-buffer ^[25] ), que se transmiten y se cargan a las aplicaciones cliente solicitantes. Las aplicaciones cliente son responsables de la reconstrucción de la escena 3D en función de las representaciones intermedias. Las aplicaciones cliente no tienen que procesar datos gráficos en 3D, sino que 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 [ editar ]

Una técnica basada en mapas, el enfoque de "mapa inteligente", apunta a proporcionar "modelos de ciudades virtuales y masivas 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". ^[26]Los mosaicos de mapas se sintetizan mediante un proceso de representación 3D automática 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 en 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 cuenten con hardware gráfico 3D avanzado. Lo más importante es que el enfoque basado en mapas permite la distribución y el uso de modelos complejos de ciudades en 3D con la necesidad de transmitir los datos subyacentes a los dispositivos cliente, solo se envían los mosaicos de mapas generados previamente. De esta manera, "^[27]

Aplicaciones [ editar ]

Los modelos de ciudades en 3D se pueden utilizar para una multitud de propósitos en un número creciente de dominios de aplicación diferentes. ^[28] Ejemplos:

• Sistemas de navegación : los mapas de navegación 3D se han vuelto omnipresentes tanto en los sistemas de navegación automotriz como en los peatones, que incluyen modelos de ciudad en 3D, en particular, modelos de terreno y modelos de construcción en 3D, para mejorar la representación visual y simplificar el reconocimiento de ubicaciones. ^[29]
• Planificación y arquitectura urbana : para configurar, analizar y difundir conceptos y proyectos de planificación urbana, los modelos de ciudades en 3D sirven como medio de comunicación y participación. ^[30] Los modelos de ciudades en 3D proporcionan 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 a través de retrasos en los proyectos; También ayudan a prevenir errores de planificación. ^[31]
• Infraestructuras de datos espaciales (IDE): los modelos de ciudad en 3D amplían las infraestructuras de datos espaciales y admiten la gestión, el almacenamiento y el uso de modelos 3D dentro de las IDE; 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 de datos y una distribución de datos eficaces para admitir flujos de trabajo y aplicaciones. ^[32]
• 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 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 la explosión en áreas urbanas con alta precisión para respaldar la predicción de efectos para la integridad estructural y la solidez de la infraestructura y seguridad urbanas. Preparativos de las fuerzas de rescate. ^[33]
• Análisis espacial : los modelos de ciudad en 3D proporcionan el marco computacional para el análisis y simulación espacial en 3D. Por ejemplo, pueden usarse para calcular el potencial solar para las superficies de techos 3D de ciudades, ^[34] análisis de visibilidad dentro del espacio urbano, ^[35] simulación de ruido, ^[36]inspecciones termográficas de edificios ^[37] [38]
• 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 usar para obtener datos básicos para las escenas virtuales en 3D que se usan en los juegos de video y en línea.
• Patrimonio cultural : se aplican herramientas y sistemas de modelo de ciudad 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. ^[39]
• Sistemas de información de la ciudad: los modelos de ciudad en 3D representan el marco para los sistemas de información de ciudad interactivos en 3D y los mapas de la ciudad en 3D. Por ejemplo, los municipios aplican modelos de ciudad en 3D como plataforma de información centralizada para la comercialización de la ubicación. ^[40]
• Gestión de la propiedad : la tecnología de modelo de ciudad en 3D puede extender los sistemas y aplicaciones que se utilizan en la administración de bienes inmuebles y propiedades.
• Sistemas de transporte inteligentes : los modelos de ciudad en 3D pueden aplicarse a sistemas de transporte inteligentes. ^[41]
• Realidad aumentada : los modelos de ciudad en 3D se pueden usar como marco de referencia para aplicaciones de realidad aumentada.