3D都市モデル
ベルリンの3Dモデルでは、現在の都市、過去の都市、そして将来の都市の姿を観察することができます

3D都市モデルは、都市部の地形、敷地、建物、植生、インフラ、景観要素、および都市部に属する関連オブジェクト（例：都市ファニチャー）を3次元スケールで表現した都市部のデジタルモデルです。これらの構成要素は、対応する2次元および3次元空間データと地理参照データによって記述・表現されます。3D都市モデルは、様々な応用分野におけるプレゼンテーション、探索、分析、管理タスクをサポートします。特に、3D都市モデルは「異種の地理情報を単一のフレームワーク内で視覚的に統合し、複雑な都市情報空間を構築・管理する」ことを可能にします。[ 1 ] [ 2 ]

ストレージ

3D都市モデルの保存には、ファイルベースとデータベースの両方のアプローチが用いられます。3D都市モデルのコンテンツの異質性と多様性のため、単一の一意の表現スキーマは存在しません

コンポーネントのエンコード

3D都市モデルのコンポーネントは、CAD、GIS、コンピュータグラフィックスツールやシステムでサポートされている2DラスターベースのGISデータ（例：GeoTIFF）、2DベクターベースのGISデータ（例：AutoCAD DXF）、3Dモデル（例：.3DS、.OBJ）、3Dシーン（例：Collada、Keyhole Markup Language）用の共通ファイルおよび交換形式でエンコードされます。3D都市モデルのすべてのコンポーネントは、 共通の地理座標系に変換する必要があります

データベース

3D都市モデルのデータベースは、階層構造のマルチスケール方式でコンポーネントを保存し、安定した信頼性の高いデータ管理を可能にし、複雑なGISモデリングおよび分析タスクを容易にします。例えば、3D City Databaseは、標準的な空間リレーショナルデータベース上に仮想3D都市モデルを保存、表現、管理するための無料の3D地理データベースです。[ 3 ] 3D都市モデルを継続的に管理する必要がある場合は、データベースが必要です。3D都市モデルデータベースは、3D都市モデルコンテンツの保存、管理、保守、および配信のサポートを必要とする3D空間データインフラストラクチャの重要な要素を形成します。[ 4 ]その実装には、多数の形式（例：FMEマルチフォーマットに基づく）のサポートが必要です。一般的なアプリケーションとして、3D都市モデルコンテンツ用の地理データダウンロードポータルを設定できます（例：virtualcityWarehouse）。[ 5 ]

CityGML

オープンジオスペースコンソーシアム（OGC）は、3D都市モデルのための明示的なXMLベースの交換フォーマットであるCityGMLを定義しています。これは、3D都市モデルコンポーネントの幾何学的記述だけでなく、セマンティクスとトポロジ情報の仕様もサポートしています。[ 6 ]

CityJSON

CityJSONは、 3D都市モデルを保存するためのJSONベースのフォーマットです。 [ 7 ] CityGMLデータモデルにほぼ準拠していますが、通常のGMLエンコーディングの複雑さをほとんど回避することで、開発者とユーザーにとって使いやすい形式を目指しています。シンプルなエンコーディングとJSONの使用により、Webアプリケーションにも適しています。[ 8 ]

構築

詳細レベル

3D都市モデルは通常、複数の解像度と異なる抽象化レベルの概念を提供するために、様々な詳細レベル（LOD）で構築されます。空間的意味的一貫性のレベルやテクスチャの解像度などの他の指標もLODの一部と見なすことができます。例えば、CityGMLは建物モデルに対して5つのLODを定義しています

  • LOD 0: 2.5Dフットプリント
  • LOD 1: ブロックモデル（通常は押し出しフットプリント）で表現された建物
  • LOD 2: 標準的な屋根構造を持つ建物モデル
  • LOD 3: 詳細な（建築）建物モデル
  • LOD 4: 内部機能が追加された LOD 3 の建物モデル。

自動化された一般化によって、与えられた詳細な3D都市モデルを一般化するアプローチも存在します。[ 9 ]たとえば、階層的な道路網（OpenStreetMapなど）を使用して、3D都市モデルのコンポーネントを「セル」にグループ化することができます。各セルは、含まれるコンポーネントを集約およびマージすることによって抽象化されます。

GISデータ

GISデータは、デジタル地形モデル、道路網、土地利用地図、関連する地理参照データなど、3D都市モデルを構築するための基礎情報を提供します。GISデータには、例えば押し出し成形された建物の敷地など、シンプルな3Dモデルに変換できる地籍データも含まれます。3D都市モデルのコアコンポーネントは、TINやグリッドなどで表される デジタル地形モデル（DTM）を形成します

CADデータ

3D都市モデルの典型的なデータソースには、建物、敷地、インフラ要素のCADモデルも含まれます。これらは3D都市モデルアプリケーションでは必須ではない可能性のある高度な詳細レベルを提供しますが、ジオメトリをエクスポートするか、カプセル化されたオブジェクトとして組み込むことができます

BIMデータ

ビルディング・インフォメーション・モデルは、 3D都市モデルに統合できる地理空間データの別のカテゴリであり、建物の構成要素に最高レベルの詳細を提供します

視覚化レベルでの統合

複雑な3D都市モデルは、通常、GISからの地理データ、CADやBIMからの建物や敷地モデルなど、異なる地理データソースに基づいています。異種の地理空間データおよび地理参照データに対して共通の参照フレームを確立することが、その中核的な特性の一つです。つまり、共通のデータモデルやスキーマに基づいてデータを統合したり融合したりする必要がないということです。この統合は、可視化レベルで共通の地理座標系を共有することで可能になります。[ 10 ]

建物の再構築

建物モデル構築の最も単純な形式は、例えば地籍簿から取得した建物のフットプリントポリゴンを、事前に計算された平均高さによって押し出すことです。実際には、都市部の建物の3Dモデルは、3D点群（例えば、地上または航空レーザースキャンによってサンプリングされたもの）のキャプチャと分析、または写真測量法に基づいて生成されます。幾何学的および位相的に正しい3D建物モデルを高い割合で実現するには、BRECなどの自動建物再構築ツールによって、デジタル地形サーフェスと2Dフットプリントポリゴンが必要です。 [ 11 ]重要な課題の1つは、対応する屋根の形状を持つ建物の部分を見つけることです。「完全自動画像理解は非常に難しいため、通常、少なくとも人間のオペレーターによる非常に複雑な建物の認識をサポートするために、半自動コンポーネントが必要です。」[ 12 ]航空レーザースキャン点群に基づく屋根の再構築では、統計的アプローチが一般的です。 [ 13 ] [ 14 ]

広大な地域を対象としたLOD1およびLOD2の建物モデルを生成するための完全自動化プロセスが存在します。例えば、バイエルン州測量・空間情報局は、LOD1およびLOD2の建物モデル約800万件を管理しています。[ 15 ]

可視化

3D都市モデルの可視化は、3D都市モデルに基づくインタラクティブなアプリケーションやシステムに必要な中核機能です

リアルタイムレンダリング

大規模な3D都市モデルをスケーラブルかつ高速、そしてコスト効率の高い方法で高品質に視覚化することは、3D都市モデルの3Dジオメトリとテクスチャの複雑さのため、依然として困難な課題です。リアルタイムレンダリングは、3D都市モデル向けに多数の特殊な3Dレンダリング手法を提供します。特殊なリアルタイム3Dレンダリングの例としては、以下が挙げられます

  • 高解像度の地形モデル上での道路網のリアルタイム3Dレンダリング。[ 16 ]
  • 地図作成指向の設計による水面のリアルタイム3Dレンダリング。[ 17 ]
  • 昼と夜の空の現象をリアルタイムで3Dレンダリングします。[ 18 ]
  • グリッドベースの地形モデルのリアルタイム3Dレンダリング。[ 19 ]
  • 2Dマップビューから3Dビューまで、異なる抽象化レベルを使用したリアルタイム3Dレンダリング。[ 20 ]
  • 3D都市モデル上の多視点ビューのリアルタイム3Dレンダリング。[ 21 ] [ 22 ]

リアルタイムレンダリングアルゴリズムとデータ構造は、仮想地形プロジェクトによってリストされています。[ 23 ]

サービスベースのレンダリング

3D都市モデルを視覚化するためのサービス指向アーキテクチャ（SOA）は、管理とレンダリング、そしてクライアントアプリケーションによるインタラクティブな提供への関心の分離を提供します。SOAベースのアプローチでは、3D描写サービス[ 24 ]が必要であり、その主な機能は3Dレンダリングと視覚化の意味での描写を表します。[ 25 ] SOAベースのアプローチは、 現在Open Geospatial Consortiumで議論されている2つの主要なカテゴリに分けられます

  • Web 3Dサービス（W3DS）：このタイプのサービスは、テクスチャ付き3Dジオメトリモデルを含むシーングラフなどのコンピュータグラフィックスプリミティブへの地理データアクセスとマッピング、そしてそれらを要求元のクライアントアプリケーションに配信します。クライアントアプリケーションは、配信されたシーングラフの3Dレンダリング、つまり自身の3Dグラフィックスハードウェアを用いたインタラクティブな表示を担当します。
  • Webビューサービス（WVS）：このタイプのサービスは、3D都市モデルの3Dレンダリングプロセスをサーバー側でカプセル化します。サーバーは3Dシーンのビュー、または中間的な画像ベースの表現（仮想パノラマやGバッファキューブマップ[ 26 ]など）を生成し、それらをストリーミングして要求元のクライアントアプリケーションにアップロードします。クライアントアプリケーションは、中間表現に基づいて3Dシーンを再構築する役割を担います。クライアントアプリケーションは3Dグラフィックスデータを処理する必要はありませんが、3Dシーンの画像ベースの表現の読み込み、キャッシュ、表示を管理する必要があります。また、元の（おそらく大規模な）3D都市モデルを処理する必要はありません。

地図ベースの視覚化

地図ベースの技術である「スマートマップ」アプローチは、「人工的な斜め画像タイルから組み立てられたインタラクティブマップを用いて、Webブラウザ、スマートフォン、タブレットなど様々なプラットフォーム上で大規模な仮想3D都市モデルを提供する」ことを目指しています。[ 27 ]地図タイルは、3D都市モデルの自動3Dレンダリングプロセスによって合成されます。様々な詳細レベルに合わせて生成された地図タイルは、サーバー上に保存されます。このように、3Dレンダリングは完全にサーバー側で実行されるため、3D都市モデルへのアクセスと利用が簡素化されます。3Dレンダリングプロセスでは、高度なレンダリング技術（グローバルイルミネーションとシャドウの計算、イラストレーションレンダリングなど）を適用できますが、クライアントデバイスに高度な3Dグラフィックスハードウェアは必要ありません。最も重要なのは、地図ベースのアプローチでは、複雑な3D都市モデルを配布・利用する際に、基盤となるデータをクライアントデバイスにストリーミングする必要はなく、事前に生成された地図タイルのみが送信されることです。この方法により、「(a) 3D都市モデルデータの複雑さがデータ転送の複雑さから分離され、(b) 3Dレンダリングがサーバー側でカプセル化されるため、クライアントアプリケーションの実装が大幅に簡素化され、(c) 3D都市モデルは多数の同時ユーザーに簡単に展開および使用できるため、全体的なアプローチのスケーラビリティが向上します。」[ 27 ]

アプリケーション

3D都市モデルは、ますます多くの異なるアプリケーション分野で、多目的に使用できます。例：

  • ナビゲーションシステム：3Dナビゲーションマップは、自動車用と歩行者用の両方のナビゲーションシステムに広く採用されており、視覚的な描写を強化し、場所の認識を容易にするために、3D都市モデル、特に地形モデルと3D建物モデルが含まれています。[ 28 ]
  • 都市計画と建築：都市計画の概念やプロジェクトの設定、分析、普及のために、3D都市モデルはコミュニケーションと参加の媒体として機能します。[ 29 ] 3D都市モデルは、プロジェクトのコミュニケーション手段を提供し、視覚化を通じて開発プロジェクトの受け入れを改善し、プロジェクトの遅延による金銭的損失を回避します。また、計画エラーの防止にも役立ちます。[ 30 ]
  • 空間データ基盤（SDI）：3D都市モデルは空間データ基盤を拡張し、SDI内での3Dモデルの管理、保存、利用をサポートします。3D都市モデルの初期構築と保存のためのツールとプロセスだけでなく、ワークフローとアプリケーションをサポートするための効率的なデータ管理とデータ配信も必要です。[ 31 ]
  • GIS : GIS は 3D 地理データをサポートし、3D 都市モデル コンポーネントを構築、変換、検証、分析するための計算アルゴリズムを提供します。
  • 緊急管理：緊急時、リスク、災害管理システムにおいて、3D都市モデルは計算フレームワークを提供します。特に、火災、洪水、爆発のシミュレーションに役立ちます。例えば、DETORBAプロジェクトは、都市部における爆発の影響を高精度にシミュレーション・分析し、都市インフラの構造的健全性と健全性への影響予測、および救助隊の安全対策を支援することを目的としています。[ 32 ]
  • 空間分析：3D都市モデルは、3D空間分析とシミュレーションのための計算フレームワークを提供します。例えば、都市の3D屋根面の太陽光ポテンシャルの計算、[ 33 ]、都市空間内の可視性分析、[ 34 ] 、騒音シミュレーション、[ 35 ]、 建物のサーモグラフィー検査[ 36 ]、[ 37 ]などに使用できます。
  • ジオデザイン: ジオデザインでは、環境の仮想 3D モデル (景観モデルや都市モデルなど) により、探索やプレゼンテーションだけでなく、分析やシミュレーションも容易になります。
  • ゲーム: 3D 都市モデルは、オンライン ゲームやビデオ ゲームで使用される仮想 3D シーンの基本データを取得するために使用できます。
  • 文化遺産：3D都市モデルツールとシステムは、文化遺産分野におけるモデリング、設計、調査、分析といったタスクに応用されています。例えば、考古学データを3D都市モデルに埋め込むことができます。[ 38 ]
  • 都市情報システム：3D都市モデルは、インタラクティブな3D都市情報システムと3D都市地図の枠組みを提供します。例えば、自治体は3D都市モデルをロケーションマーケティングのための集中情報プラットフォームとして活用しています。[ 39 ]
  • 不動産管理: 3D 都市モデル テクノロジにより、不動産および資産管理で使用されるシステムとアプリケーションを拡張できます。
  • インテリジェント交通システム：3D都市モデルはインテリジェント交通システムに適用できる。[ 40 ]
  • 拡張現実：3D都市モデルは、拡張現実アプリケーションの参照フレームとして使用できます。[ 41 ]

参照

参考文献

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