Modelo 3D de ciudad

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

Una base de datos para modelos de ciudades 3D almacena sus componentes de forma jerárquica 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 3D City Database es una geobase de datos 3D gratuita para almacenar, representar y gestionar modelos virtuales de ciudades 3D sobre una base de datos relacional espacial estándar. ^{[ 3 ]} Se requiere una base de datos si los modelos de ciudades 3D deben gestionarse de forma continua. Las bases de datos de modelos de ciudades 3D constituyen un elemento clave en las infraestructuras de datos espaciales 3D que requieren soporte para el almacenamiento, la gestión, el mantenimiento y la distribución del contenido de los modelos de ciudades 3D. ^{[ 4 ]} Su implementación requiere soporte para multitud de formatos (p. ej., basados ​​en los múltiples formatos de FME ). Como aplicación común, se pueden configurar portales de descarga de geodatos para el contenido de los modelos de ciudades 3D (p. ej., virtualcityWarehouse). ^{[ 5 ]}

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

CityJSON es un formato basado en JSON para almacenar modelos 3D de ciudades. ^{[ 7 ]} Sigue principalmente el modelo de datos CityGML, pero busca ser fácil de usar para desarrolladores y usuarios 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 ]}

Los modelos 3D de ciudades se construyen típicamente con distintos niveles de detalle (LOD) para proporcionar nociones de múltiples resoluciones y 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 modelos de edificios:

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

También existen enfoques para generalizar un modelo detallado de ciudad en 3D dado mediante generalización automatizada. ^{[ 9 ]} Por ejemplo, una red vial jerárquica (por ejemplo, OpenStreetMap ) puede usarse para agrupar componentes de un modelo de ciudad en 3D en "celdas"; cada celda se abstrae agregando y fusionando los componentes contenidos.

Los datos SIG proporcionan la información básica para construir un modelo 3D de la ciudad, como modelos digitales de terreno, redes viales, mapas de uso del suelo y datos georreferenciados relacionados. Los datos SIG también incluyen datos catastrales que pueden convertirse en modelos 3D simples, como, por ejemplo, en el caso de huellas de edificios extruidas. Los componentes principales de los modelos 3D de la ciudad son los modelos digitales de terreno (MDT), representados, por ejemplo, mediante redes de cuadrículas o cuadrículas.

Las fuentes de datos típicas para modelos 3D de ciudades también incluyen modelos CAD de edificios, terrenos y elementos de infraestructura. Estos proporcionan un alto nivel de detalle, que posiblemente no sea necesario para las aplicaciones de modelado 3D de ciudades, pero que puede incorporarse exportando su geometría o como objetos encapsulados.

Los modelos de información de construcción (BIM) representan otra categoría de datos geoespaciales que pueden integrarse en un modelo 3D de la ciudad, proporcionando el máximo nivel de detalle para los componentes de los edificios.

Los modelos complejos de ciudades en 3D suelen basarse en diferentes fuentes de geodatos, como geodatos de SIG, modelos de edificios y emplazamientos de CAD y BIM. Una de sus propiedades fundamentales es establecer un marco de referencia común para datos geoespaciales y georreferenciados heterogéneos; es decir, los datos no necesitan fusionarse ni combinarse 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 ]}

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 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 3D de edificios geométrica y topológicamente correctos, las herramientas de reconstrucción automatizada de edificios , como BREC, requieren superficies digitales del terreno y polígonos de la huella 2D . ^{[ 11 ]} Un desafío clave es encontrar partes de edificios con su geometría de techo correspondiente. "Dado que la comprensión de imágenes totalmente 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." ^{[ 12 ]} Los enfoques estadísticos son comunes para la reconstrucción de techos basada en nubes de puntos de escaneo láser aéreo. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Existen procesos totalmente automatizados para generar modelos de edificios LOD1 y LOD2 para grandes regiones. Por ejemplo, la Oficina Bávara de Topografía e Información Espacial es responsable de aproximadamente 8 millones de modelos de edificios en LOD1 y LOD2. ^{[ 15 ]}

Proporcionar visualizaciones de alta calidad de modelos 3D de ciudades a gran escala de forma rápida, eficiente y rentable sigue siendo una tarea compleja debido a la complejidad de la geometría y las texturas 3D de dichos modelos. El renderizado en tiempo real ofrece una gran variedad de técnicas especializadas para la representación 3D de modelos urbanos. Algunos ejemplos de renderizado 3D especializado en tiempo real son:

• Renderizado 3D en tiempo real de redes viales en modelos de terreno de alta resolución. ^{[ 16 ]}
• Renderizado 3D en tiempo real de superficies de agua con diseño orientado a la cartografía. ^{[ 17 ]}
• Representación 3D en tiempo real de fenómenos del cielo diurno y nocturno. ^{[ 18 ]}
• Renderizado 3D en tiempo real de modelos de terreno basados ​​en cuadrículas. ^{[ 19 ]}
• Renderizado 3D en tiempo real utilizando diferentes niveles de abstracción, que van desde vistas de mapas 2D hasta vistas 3D. ^{[ 20 ]}
• Renderizado 3D en tiempo real de vistas multiperspectiva en modelos 3D de ciudades. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

El proyecto de terreno virtual enumera los algoritmos de renderizado en tiempo real y las estructuras de datos. ^{[ 23 ]}

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

• Servicio Web 3D (W3DS): Este tipo de servicio gestiona el acceso a datos geográficos y su mapeo a primitivas gráficas, como grafos 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 grafos de escena entregados; es decir, son responsables de la visualización interactiva mediante su propio hardware gráfico 3D.
• Servicio de visualización web (WVS): Este tipo de servicio encapsula el proceso de renderizado 3D para modelos de ciudades en 3D en el servidor. El servidor genera vistas de la escena 3D o representaciones intermedias basadas en imágenes (por ejemplo, panoramas virtuales o mapas cúbicos de búfer G ^{[ 26 ]} ), que se transmiten y cargan a las aplicaciones cliente solicitantes. Las aplicaciones cliente son responsables de reconstruir la escena 3D a partir de las representaciones intermedias. Las aplicaciones cliente no tienen que procesar datos gráficos 3D, sino gestionar la carga, el almacenamiento en caché y la visualización de las representaciones basadas en imágenes de las escenas 3D, y no tienen que procesar el modelo de ciudad 3D original (que puede ser grande).

Una técnica basada en mapas, el enfoque de "mapa inteligente", tiene como objetivo proporcionar "modelos de ciudades 3D virtuales y masivos en diferentes plataformas, como navegadores web, teléfonos inteligentes o tabletas, mediante un mapa interactivo compuesto por teselas de imágenes oblicuas artificiales". ^{[ 27 ]} Las teselas del mapa se sintetizan mediante un proceso automático de renderizado 3D del modelo de ciudad 3D; las teselas del mapa, generadas para diferentes niveles de detalle, se almacenan en el servidor. De esta manera, el renderizado 3D se realiza completamente en el servidor, lo que simplifica el acceso y el uso de los modelos de ciudades 3D. El proceso de renderizado 3D puede aplicar técnicas de renderizado avanzadas (por ejemplo, cálculo global de iluminación y sombras, renderizado ilustrativo), pero no requiere que los dispositivos cliente tengan hardware gráfico 3D avanzado. Lo más importante es que el enfoque basado en mapas permite distribuir y utilizar modelos de ciudades 3D complejos sin tener que transmitir los datos subyacentes a los dispositivos cliente; solo se envían las teselas del mapa pregeneradas. De esta forma, "(a) la complejidad de los datos del modelo de ciudad 3D se desacopla de la complejidad de la transferencia de datos (b) la implementación de aplicaciones cliente se simplifica significativamente ya que la representación 3D se encapsula en el lado del servidor (c) los modelos de ciudad 3D se pueden implementar y utilizar fácilmente para un gran número de usuarios concurrentes, lo que lleva a un alto grado de escalabilidad del enfoque general." ^{[ 27 ]}