Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΚΑΝΟΝΕΣ ΓΙΑ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΣΤΟ 3D ΚΤΗΜΑΤΟΛΟΓΙΟ Εύα Τσιλιάκου*, Αγρ. Τοπογράφος Μηχ. ΕΜΠ, Έφη Δημοπούλου, Αν. Καθηγήτρια ΕΜΠ Κτηματολόγιο, ΣΑΤΜ, ΕΜΠ *eva.tsiliakos@gmail.com
Η ανάγκη για 3D απεικόνιση στα κτηματολογικά συστήματα κατανόηση του ιδιοκτησιακού καθεστώτος στην κάθετη συνιστώσα κατανομή της κατοχής και τον καταμερισμό του γεωχώρου σε όρους δικαιωμάτων. Στην αστική προσομοίωση της εικονικής πόλης η έμφαση δίνεται στην λεπτομερή περιγραφή και μοντελοποίηση του αστικού περιβάλλοντος. Ωστόσο Οι ΣΓΠ χρήστες απαιτούν πλέον ακριβή τρισδιάστατα μοντέλα της πραγματικότητας, καθώς οι τεχνολογικές εξελίξεις επιτρέπουν πλέον ένα υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας και ποιότητας. Πρωτότυπα της 3D απεικόνισης των RRRs με τη χρήση χωρικών βάσεων δεδομένων, σε συνδυασμό Ηλεκτρονικής Σχεδίασης (CAD) και ΣΓΠ front-ends.
Η 3D μοντελοποίηση είναι μια διαδικασία δημιουργίας 3D περιγραφών των οντοτήτων της πραγματικότητας και των φαινομένων, που χρησιμοποιείται ευρέως σε αστικές εφαρμογές. Η 3D μοντελοποίηση των αστικών δομών χρησιμοποιεί διαδικασίες για την κατασκευή 3D γεωμετρίας καθώς και διαχείρισης εικόνας, μέσω διαφορετικών συνόλων δεδομένων και τεχνικών μοντελοποίησης: ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ 3D ΜΟΝΤΕΛΑ 3D ΤΥΠΟΙ ΑΡΧΕΙΩΝ 2D vector δεδομένα, DTM, LIDAR δεδομένα, Ορθοφωτοχάρτες, Αεροφωτογραφίες, κτλ. Μοντελοποίηση βάση εικόνων(ibm), Φωτογραμμετρία (3D Scanning), Τεχνικές Αυτόματης μοντελοποίησης, Παραμετρική Μοντελοποίηση, κτλ. Γεωμετρικά μοντέλα Τοπολογικά μοντέλα Σημασιολογικά μοντέλα VRML, X3D, IFC, CityGML, KML, SHP, DXF, COLLADA, 3D PDF
Αφορά ποικίλες τεχνικές στα γραφικά υπολογιστών: L-systems, fractals, γενεσιουργός μοντελοποίηση Αναφέρεται σε αλγοριθμική δημιουργία. Συγκεκριμένα Οι χρήστες μπορούν να σχεδιάσουν ένα σύνολο κανόνων (procedure), το οποίο δημιουργεί 3D περιεχόμενο (κτηριακό μοντέλο) αυτόματα, παρά να δημιουργήσουν το μοντέλο χειρωνακτικά. Δημιουργεί λεπτομερή 3D μοντέλα από σύνολα κανόνων (γραμματική): Shape grammar, Split grammar, CGA grammar, κ.α. Χαρακτηρίζεται από ενίσχυση των βάσεων καθώς: Λίγοι κανόνες παράγουν μεγάλες σκηνές σε ελάχιστο χρόνο Περιλαμβάνει μία ποικιλία από 3D πακέτα λογισμικού που βασίζονται στην αρχή ότι όλα τα αντικείμενα, ακολουθούν κανόνες στη δομή τους: Vue, Bryce, Terragen, Grome, Softimage, 3ds Max, CityEngine, κ.ά.
Ο γλωσσολόγος Νόαμ Τσόμσκι είναι διάσημος για την εργασία του σχετικά με τις Τυπικές Γραμματικές (Formal Grammars) το 1956, που αρχικά εφευρέθηκαν ως μοντέλο για την αγγλική γλώσσα, αλλά τελικά βρήκαν εφαρμογή στον προγραμματισμό ηλεκτρονικών υπολογιστών και στους μεταγλωττιστές. Ο Ούγγρος βιολόγος Aristid Lindenmayer όρισε το 1968 τα L-συστήματα που είναι ένα παράλληλο σύστημα επανεγγραφής κοντά στις Formal Grammars, για την κυτταρική εξέλιξη και μοντελοποίηση της ανάπτυξης των φυτών. Οι γραμματικές σχήματος (shape grammars), ορίστηκαν από τον George Stiny και τον James Gips το 1971, και περιέχουν ένα σύνολο κανόνων παραγωγής (production rules-shape rules) και μια μηχανή που κινεί την κανονιστική παραγωγή των 3D γεωμετρικών σχημάτων, με έναρξη μια αρχική 2D γεωμετρία (αξίωμα). Το 2003, ο Peter Wonka επανεξέτασε τις γραμματικές σχήματος και εισήγαγε την έννοια της Γραμματικής Διάσπασης (Split Grammar), που επιτρέπει την δημιουργία γεωμετρικών λεπτομερειών προσόψεων σε μεμονωμένα κτήρια. Το 2006, ο Pascal Müller επέκτεινε τις Split Grammars και όρισε μια γραμματική με συμφραζόμενα (context-sensitive set grammar), την CGA (Computer Generated Architecture) που αποτελεί τη βάση για την τρισδιάστατη μοντελοποίηση των αρχιτεκτονικών κτηρίων με γραμματικές.
CityEngine: χρησιμοποιεί ένα σύστημα CGA γραμματικής σχήματος για παραμετρικά μοντέλα, με το οποίο: Η διαχείριση των σχημάτων γίνεται με τη διάσπασή τους κατά μήκος των αξόνων x και y σε πολλές μορφές Η δημιουργία χαρακτηρίζεται από ιεραρχία αντικειμένων και προσαρμοστική γεωμετρική αναπαράσταση Αυξάνεται η πολυπλοκότητα της δημιουργίας των κτηρίων Ποικίλα αρχιτεκτονικά στυλ μπορούν να απεικονιστούν σε μεγάλη κλίμακα Δυνατότητα διαχείρισης δεδομένων μεγάλων σκηνών.
Ροή δημιουργίας αστικού περιβάλλοντος: 1. Η δημιουργία του 3D μοντέλου ξεκινά με τη δημιουργία των οδικών δικτύων, 2. Δημιουργούνται οικοδομικά τετράγωνα, τα οποία υποδιαιρούνται σε γεωτεμάχια και στη συνέχεια γίνεται η ανίχνευση των περιγραμμάτων των κτηρίων, 3. Τα 3D μοντέλα των κτηρίων δημιουργούνται με την εφαρμογή αρχείων κανόνων σε επιλεγμένα περιγράμματα.
Τα λεπτομερή 3D μοντέλα των κτηρίων δημιουργούνται: Με CGA γραμματική σχήματος με bottom-up λογική, Ο χρήστης δημιουργεί τους κανόνες που κατασκευάζουν τη γεωμετρία. fac~>subdiv( Y,3.5,0.3,3,3,3){ floor ledge floor floor floor } Η δημιουργία των κανόνων χαρακτηρίζεται από ιεραρχία: 1. Κάθε όψη διασπάται σε ορόφους και πλάκες 2. Περαιτέρω μορφοποίηση πλακών υλοποιείται με τη διάσπαση των πλακών σε μικρότερες περιοχές.
Κανόνες
Με τον Facade Wizard (top-down διαδικασία): Αυτή η τεχνική κατασκευάζει προσόψεις με το συνδυασμό εικόνων και δημιουργία αρχείων κανόνων. Τα δεδομένα εισόδου είναι μια ορθοανηγμένη εικόνα (υφή) ενός κτηρίου: 1. Η δομή της πρόσοψης αναγνωρίζεται με εντοπισμό συμμετρίας, 2. Κάθε όψη διασπάται περαιτέρω σε ορόφους και πλάκες, 3. Περαιτέρω μορφοποίηση πλακών υλοποιείται με τη διάσπαση των πλακών σε μικρότερες περιοχές με εντοπισμό ακμών (edge detection), 4. Η πρόσοψη που προκύπτει μπορεί να εξαχθεί ως αρχείο κανόνων στον CGA επεξεργαστή.
Η μετάβαση των 2D δεδομένων σε ένα 3D μοντέλο εφαρμόστηκε στην Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου Αποτελείται από 9 σχολές, τις εστίες, εγκαταστάσεις διοίκησης, και λοιπές εγκαταστάσεις Περιλαμβάνει 4 ξεχωριστά κτηματολογικά τεμάχια τα οποία έχουν καταγραφεί σε 2D, και τους έχουν αποδοθεί διαφορετικοί κτηματολογικοί αριθμοί στο Ελληνικό κτηματολογικό μοντέλο. Τοπογραφικό σχέδιο της Πολυτεχνειούπολης με γεωαναφορά στο AutoCAD, Το Ψηφιακό Μοντέλο Επιφανείας, Ορθοφωτοχάρτες για την περιοχή ενδιαφέροντος, Excel Αρχείο για τα Κτήρια της Πολυτεχνειούπολης Υφές όλων των εγκαταστάσεων από Bing maps Bird s Eye Υφές των εγκαταστάσεων από φωτογραφίες εδάφους. Για τη Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών: Αρχιτεκτονικό Σχέδιο για όλους τους ορόφους του κτηρίου Βέη και οι τομές τους, Αρχιτεκτονικό Σχέδιο για όλους τους ορόφους του κτηρίου Λαμπαδαρίου και οι τομές τους, Αρχιτεκτονικό Σχέδιο των επεκτάσεων στο κτήριο Λαμπαδάριο.
Μεθοδολογικά στάδια: A. Ανάγλυφο: Εισαγωγή DTM Εισαγωγή αντίστοιχου ορθοφωτοχάρτη Το διαθέσιμο DEM μετατράπηκε σε DTM, αφαιρώντας τις υψομετρικές τιμές των κτηρίων (σημεία)
Μεθοδολογικά στάδια: B. Εγκαταστάσεις της Πολυτεχνειούπολης: Τα 2D δεδομένα εισήχθησαν ως shapefile. Τα περιγράμματα των κτηρίων προέκυψαν από τα τοπογραφικό σχέδιο της Πολυτεχνειούπολης σε Ε.Γ.Σ.Α. 87. Η ροή της δημιουργίας των 3D γεωμετριών: Εφαρμόζεται κανόνας εξώθησης σε επιλεγμένα περιγράμματα κτηρίων(π.χ. Lot --> extrude(height) ) Ο όγκος των περιγραμμάτων εξωθείται σύμφωνα με τις τιμές του ύψους στον πίνακα ιδιοτήτων. Επιλέγεται η λειτουργία generate, Δημιουργία των τελικών 3D σχημάτων Αποδίδονται υφές στις όψεις των 3D αντικειμένων Για μια περισσότερο ρεαλιστική όψη
Μεθοδολογικά στάδια: Γ. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών: Για το σχεδιασμό των κτηρίων: 1. Δημιουργήθηκαν νέα αρχεία CGA για την απόδοση υψηλότερου επιπέδου λεπτομέρειας στον τελικό όγκο των κτηρίων Ο κανόνας façade διασπά την πρόσοψη κατά τον άξονα y Facade --> split(y){ 2: Wall subfloor_height : Subfloor groundfloor_height : Groundfloor 0.75 : Wall {~floor_height : Floor}* ~1 : Wall } Floor --> split(x){ 0.5 : Wall { ~tile_width : Tile}* 0.5 : Wall } Tile --> split(x){ windowfloor_width : split(y){ 1 : Wall 1.4 : Window ~1: Wall } ~1 : Wall } Το ύψος κάθε ορόφου καθορίζεται στο αρχείο GCA στο πεδίο με τις ιδιότητες * Δηλώνει επανάληψη του στοιχείου και το~ προσαρμογή σε διαφορετική κλίμακα Κάθε πλάκα διασπάται στον άξονα x και στον άξονα y για την κατασκευή του παραθύρου Tο πεδίο με /* Attributes *********************************/ τις ιδιότητες attr floor_height = 3.5 attr door_width = 2
Ο κανόνας EntranceTile διασπά Μεθοδολογικά Στάδια: την πλάκα της εισόδου στα Γ. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών: στοιχεία της EntranceTile --> split(x){ ~ 0.5: Wall door_width : split(y){ 2.5 : Door 0.60:Wall ~2: Wall } ~ 0.5 : Wall } Window --> s('1,'1,0.2) t(0,0,-0.3) Στο διάνυσμα θέσης t στο tz καθορίζεται το βάθος των παραθύρων Groundfloor --> s('1,'1,0.4) t(0,0,-2.0) split(x){ 0.5: Wall { ~tile2_width : Tile2 }* 2.28 : Wall door_width : EntranceTile Στο διάνυσμα θέσης t 2.28 : Wall στο tz καθορίζεται το { ~tile1_width : Tile1 βάθος }* του ισογείου στο 0.5: Wall } Λαμπαδάριο Wall --> texture(wall_tex) projectuv(2) Ο κανόνας Wall εφαρμόζει την υφή του κτηρίου σε όλες τις πλάκες σε επίπεδο UV
Γ. Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών: 2. Τα νέα αρχεία CGA περιέχουν τις διαφορετικές υφές των τοίχων, παραθύρων, θυρών, κτλ και τα αντιστοιχούν στην κατάλληλη γεωμετρία μέσω ενός συνδέσμου στο σύνολο των κανόνων, // textures frontdoor_tex wall_tex roof_tex = "textures/doors/door1.jpg" = "textures/walls/wall_la1.jpg" = "textures/walls/roof_1. JPG" 3. Δημιουργούνται τα τελικά 3D μοντέλα με την επιλογή generate και προσαρμόζονται στο έδαφος
Το τελικό 3D μοντέλο της Πολυτεχνειούπολης μπορεί να εξαχθεί ως ένα νέο αρχείο γεωβάσης και να εισαχθεί σε περιβάλλον ΣΓΠ αφού το CityEngine υποστηρίζει τη διαλειτουργικότητα: Στο ArcScene ως χαμηλής ανάλυσης μοντέλο για την υλοποίηση ανάλυσης σκιάς και την επικύρωση οικοδομικών κανονισμών κτλ, Στο ArcGlobe ως υψηλής ανάλυσης μοντέλο για διαδραστική θέαση και προήγηση.
Τα 3D μοντέλα εξάγονται ως γεωμετρία Multipatch μέσα στη νέα γεωβάση, χωρίς τις προκαθορισμένες ιδιότητες τους, Νέες ιδιότητες πρέπει να επαναπροσδιοριστούν μέσω ArcCatalog. Οι εγκαταστάσεις χαρακτηρίζονται από ποικιλότητα στα αρχιτεκτονικά μοτίβα, κάτι που οδήγησε στη δημιουργία πολλών αρχείων κανόνων. Η κανονιστική μοντελοποίηση λειτουργεί καλύτερα σε αυστηρά αστικά περιβάλλοντα με υψηλή επαναληπτικότητα στις προσόψεις.
Η κανονιστική μοντελοποίηση και οι εμπειρίες από την εφαρμογή των γραμματικών σχήματος αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητά τους σε διαφορετικές κλίμακες του 3D σχεδιασμού και απεικόνισης τρισδιάστατων γεωμετριών, Το CityEngine προσφέρει δυνατότητες μοντελοποίησης μέσω κανόνων και του εσωτερικού των κτηρίων συνοδευόμενα από semantics, Μελλοντικές εξελίξεις υιοθετούν την ιδέα της ενοποίησης ΣΓΠ, CAD και ΣΔΒΔ σε μια ενιαία πλατφόρμα, που θα ωφελούσε ανάγκες σε 3D Κτηματολογικά Συστήματα παγκοσμίως, Στις έρευνες που έχουν γίνει για την υποστήριξη 3D κτηματολογικής απεικόνισης, εντοπίζονται ελλείψεις Ενός πλήρως υποστηριζόμενου συστήματος απεικόνισης για 3D Κτηματολόγιο, Σαφών και συμφωνημένων απαιτήσεων για συστήματα 3D κτηματολογικής απεικόνισης