Taksim Cumhuriyet Meydanı örneğinde fotogrametri ve lazer tarama verileriyle bütünleşik 3B kent modeli üretimi
Producing 3D city model with the combined photogrammetric and laser scanner data in the example of Taksim Cumhuriyet Square
Yazar: CUMHUR ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. AYHAN ALKIŞ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uzaktan Algılama ve Coğrafi Bilgi Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Fotogrametri = Photogrammetry

Özet:
Teknolojilerindeki hızlı gelişmeler üç boyutlu mekansal-sayısal verinin üretimini ve bu verilerin herkes tarafından anlaşılır, görsel, etkin sunumlarını kolaylaştırmaktadır. Bunun sonucu olarak iki boyutlu çizimlere göre algıyı çok daha fazla arttıran üç boyutlu kent modellerine olan ilgi hızla artmaktadır. Üç boyutlu kent modellerinin en yaygın kullanım alanlardan biri kentsel tasarımdır. Sağlıklı kentsel tasarım çalışmaları; ancak tasarımcı ile tasarıma müdahil olması gereken toplum kesimlerinin etkin iletişimiyle olur. Tasarımcılar üç boyutlu kent modeli ile tasarımlarını daha kolay anlatabilmekte, tasarımlara müdahil olması gereken kesimler ise söz konusu tasarımları kolayca anlayıp, yorumlar yapabilmekte böylelikle tasarımlara katkı sunabilmektedirler. Üç boyutlu kent modelleri günümüzde tasarımın aktörleri arasındaki iletişimi sağlayan en önemli araçlardır.Üç boyutlu modelleme çalışmalarının en önemli bileşeni mekansal verilerdir. Üç boyutlu kent modelleri üretebilmek için; modellenecek alanın üç boyutlu kaliteli (yeterli doğrulukta ve görsel zenginlikte), ekonomik ve güncel verilerine ihtiyaç bulunmaktadır. Günümüzde fotogrametri ve lazer tarama yöntemleri üç boyutlu modelleme çalışmalarında yoğun olarak kullanılan mekansal verilerdir. Fotogrametri ve lazer tarama yöntemlerinin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. İki tekniğin birlikte kullanılmaya başlanmasıyla birlikte, gerçek dünyanın konumsal doğruluğu daha yüksek ve gerçeğe oldukça yakın üç boyutlu sanal modellerini elde etme ve sunma olanakları artmıştır.Bu çalışmanın amacı; özellikle şehir ve kent plancıların gereksinim duyduğu kalitede üç boyutlu kent modelleri üretebilmek için; çeşitli yöntemlerle, çeşitli ve farklı standartlarda elde edilen mekansal verilerin analizi, karşılaştırılması, optimizasyonu ve bütünleştirilmesidir. Mevcut ölçme yöntemlerin hiç biri bunların tamamını tek başına sağlayamamaktadır. Bu nedenle model için gereksinim duyulan farklı yöntemlerle, farklı formatlarda elde edilen verilerin analizi, optimizasyonu ve entegrasyonu yapılmıştır. Elde edilen mekansal verilerin üç boyutlu kent modellerinde entegrasyonu için karşılaştırma kriterleri ortaya konmuştur. Yapılan modelleme çalışmaları sonunda elde edilen verilerin karşılaştırılması için doğruluk, üç boyutlu sunum detayları, maliyet karşılaştırma ilkeleri olarak kabul edilmiştir.Üç boyutlu kent modelleme çalışmalarıyla ilgili literatür incelendiğinde günümüzde veri entegrasyonunun optimum olarak yapılabileceği bir entegrasyon modeli konmamıştır. Bu çalışmalar incelendiğinde üç boyutlu kent modeli yapılan bölgelere ait veri setlerinin tamamının bütün ölçme yöntemleriyle elde edildiği daha sonra bölgenin mekansal özelliklerine ve geometrisine bağlı olarak gerekli olanların kullanıldığı belirlenmiştir. Ancak ülkemizde bu setlerin elde edilmesinin maliyetli bir iş olduğu göz önüne alındığında veri entegrasyonu için özellikle metropollerde doğruluk, görsel zenginlik ve maliyet açısından bir optimizasyonun yapılmasının gerekliliği ortaya çıkmaktadır. İşte bu optimizasyonun yapılabilmesi için çalışmada bir hipotez geliştirilmiştir.Tezin hipotezinde temel kriterler olarak; temel koordinat sistemine altlık amacıyla 1/1000'lik sayısal haritaların kullanıldığı, betonarme binalarda ve bina yüksekliklerinin belirlenmesinde yersel lazer tarayıcıların kullanıldığı, cam binalarda yersel fotogrametri tekniğinin kullanıldığı; modele doku olarak kaplanacak raster verilerin ise hava fotogrametrisi ve yersel fotogrametrik resimlerden alındığı bir çalışma sistematiği düşünülmüştür.Tezin pilot uygulama alanı olarak Taksim Cumhuriyet Meydanı seçilmiştir. Bu çalışmanın uygulamasında öncelikle Taksim Cumhuriyet Meydanı'nda çekilen resimlerin yöneltilmesi ardından da yersel lazer tarama tekniği ile fotogrametri tekniğinden elde edilen noktaların nokta konum doğruluklarının karşılaştırması için jeodezik arazi çalışması yapılmış, dört noktalı bir jeodezik ağ kurulup bu ağ üzerinde 343 adet detay noktası ölçülmüştür. Detay noktalarının ölçümünden sonra, yakın resim fotogrametrinde farklı resim çekim kameralarından elde edilen detay noktalarının konumsal doğruluklarını analiz etmek için bir uygulama yapılmıştır. Bu analizde analog metrik resim çekim kamerası, sayısal metrik olmayan resim çekim kamerası ve panoramik kameraya ait balıkgözü mercek kameralardan alınan resimlerle oluşturulan modellerin doğruluklarını karşılaştırılan bir analiz yapılmıştır. Ardından üç boyutlu bina modellemesinde kullanılan yakın resim fotogrametri ile lazer ölçme tekniklerinin doğruluk, görsel zenginlik ve ekonomi kriterleri bakımından karşılaştırılması yapılmıştır. Doğruluk karşılaştırması sonunda yansıtıcı özelliğe sahip materyellerle kaplı binalarda yersel lazer tarayıcı yönteminden, ışık geçirgen özelliğe sahip binalarda yersel fotogrametri yönteminden elde edilen geometrik verilerin alındığı, temel altlık amacıyla 1/1000'lik sayısal haritaların kullanıldığı Taksim Cumhuriyet Meydanı'nın katı modeli elde edilmiştir. Ardından 1/5000'lik ortofotolar ve düşeye çevrilmiş resimler katı modelde uygun alanlara doku olarak kaplanıp Taksim Cumhuriyet Meydanı'nın üç boyutlu bütünleşik modeli elde edilmiştir. Böylece görselleştirilmesi sağlanan model, animasyon ile dinamik hale getirilmiştir.Çalışma sonunda tez konusu; ön görülen hipotez çerçevesinde seçilen pilot uygulama alanında denenmiş ve uygulanabilirliği kanıtlanmıştır. Başka kentsel bölgelerde de kullanılabilecek bir yöntemdir. Çalışma sonunda elde edilen model gerçek ölçeğinde (1/1 ölçekli) üç boyutlu haritalar üzerine işlenmiş, gerçek fotagrametrik verilerin kullanıldığı yersel lazer tarayıcı destekli üç boyutlu meydan modelidir. Taksim Cumhuriyet Meydanı'nın bütünleşik üç boyutlu modeli ile kentsel plancıların mikro ölçekte planlama çalışmalarına önemli katkılar sağlayacaktır. Çalışma sonunda üç boyutlu animasyon (.avi formatında) tamamlanmıştır. Elde edilen üç boyutlu model internet üzerinde sunulabilir. Ayrıca öznitelik bilgileriyle ilişkilendirilerek Coğrafi Bilgi Sistemleri'nde altlık olarak kullanılabilir.Çalışma sonunda elde edilen üç boyutlu kent modeli Coğrafi Bilgi Sistemlerinde kullanım açısından irdelendiğinde, özellikle literatürde çok sık kriter olarak kullanılan detay seviyesi (LOD ?level of detail-) kriteri açısından yeterli olduğu, yurt dışında yapılan benzer çalışmalarla karşılaştırıldığında görülmüştür. Esasen bu konuya ait literatür irdelendiğinde temel kriterin LOD olduğu açıkça anlaşılmaktadır. Yurt dışında yapılan çalışmalar bu temel kritere dayanan bir üç boyutlu modelleme sistematiği içermektedir. Ancak yurtdışındaki çalışmaların koşulları düşünüldüğünde özellikle mekansal üç boyutlu verilerin elde edilmesinde bir sıkıntı yaşanmadığı, coğrafi-mekansal verilerin ek bir ölçme çalışması yapmadan gerekli kurumlardan temin edilebildiği görülmektedir. Bu yüzden yurt dışı çalışmalarında tek veri standardı üç boyutlu modelin görsel kriterlerini içeren LOD'dur. Ancak ülkemizde mekansal verilerin veri kaliteleri ve hatta doğrulukları dahi kurumdan kuruma değişmektedir. Bu sebeple LOD veri standardının yanında veri entegrasyonunu optimize edecek doğruluk, görsel zenginlik ve maliyet gibi ek kriterlere ihtiyaç bulunmaktadır.Ülkemizde CBS üretiminde kullanılan kurumlar arası bir veri standardı bulunmadığından mekansal verilerin üç boyutlu olarak CAD ortamında üretilmesinde kullanılabilecek doğruluk, görsellik ve maliyet standartları bulunmamaktadır. Öne sürülen hipotez, uygulama ve sonuçlar incelendiğinde üç boyutlu kent modellerinin üretimi için temel standartların belirlenmesinin ihtiyaç olduğu açıkça ortaya çıkmaktadır.Bu tez çalışmasının ilk bölümünde literatür özeti, çalışmanın amacı ve çalışmanın hipotezi üzerinde durulmaktadır. İkinci bölümde, kentsel tasarımla ilgili bazı tanım ve temel kavramlar verilmiştir. Üçüncü bölüm, üç boyutlu kent modelleri, modelleme için gerekli verilerin üretimi ile tezin teorik kısmını oluşturan veri optimizasyonu, veri entegrasyonunun anlatıldığı bölümdür. Dördüncü bölümde tezin pilot uygulaması bulunmaktadır. Beşinci bölümde sonuçlar irdelenmiş, katkılar vurgulanmış ve önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
Rapid development in three dimensional technologies facilitates the production of spatial-numeric data and their comprehensible, visually efficient presentations. As a result, a growing interest on three dimensional city modeling occurs, which enhances the perception compared to two dimensional drawings. Three dimensional urban modeling is commonly used in the area of urban design. Reliable urban design studies can only be realized by the interaction of the designer and the social entities which should take a part in the process. Designers are able to explain their designs via three dimensional urban models; social entities which should get involved in the process are able to understand the designs more easily, and comment on them, so they might be able to contribute to the design process. Today, three dimensional models are the most essential tools that provide communication between the agents of design.Spatial data is the most important component of three dimensional modeling studies. In order to produce three dimensional urban models; high-quality (with sufficient accuracy and visual details), cost-effective and up-to-date three dimensional data on the area to be modeled, are necessary. Nowadays, photogrammetry and laser scanning methods are the most frequently used spatial data which are used in three dimensional modeling studies. Both photogrammetry and laser scanning methods have advantages and disadvantages. With the combination of two techniques, it is possible to obtain more real-like positional accuracy of three dimensional virtual models and to present them.The purpose of this study is the analysis, comparison, optimization and complementation of spatial data, acquired by various methods, with various and different standards; in order to produce three dimensional urban models with adequate quality for city planners and urban planners. None of the current measurement methods may succeed all of these steps on their own. So, the analysis, optimization and integration of data in different formats were made by different methods that are required for the model. For integrating the acquired spatial data into the three dimensional urban models, some comparison criteria was put forth. In the end of the modeling studies, accuracy, cost, details of three dimensional presentations have been accepted as the principles of comparison for the comparison of acquired data.When literature related to three dimensional urban modeling studies is examined, today there is no integration model in which data integration can optimally be realized. When these studies are examined, it has been determined that data sets that belong to the areas of three dimensional urban models were acquired entirely by all of the measurement methods, and then only the required ones were used, depending on the spatial qualities and geometry of the region. However, the acquisition of these sets is costly in our country, so particularly in metropolitans, a need for optimization for the sake of accuracy, visual richness and cost-effectiveness is obvious. That is, a hypothesis is developed in this study for making this optimization.The main criterion of hypothesis of the thesis is organized as 1/1000 scale numeric maps as a baseline for the main coordinate system, terrestrial laser scanners are used in concrete buildings and to determine the height of the buildings, terrestrial photogrammetry technique is used in glass buildings; and raster data to be covered on to the model are obtained from aerial photogrammetry and terrestrial photogrammetric images.Pilot application area of the thesis was determined to be Taksim Cumhuriyet Square. In the implementation of the study, at first, the direction of the acquired images from Taksim Cumhuriyet Square has been made, then geodesic territory study has been performed in order to compare the point accuracies of the points acquired by photogrammetry method with terrestrial scanning technique. A geodesic network of four points had been established and 343 points of detail was measured over this network. After the measurement of points of detail, an implementation was made for analyzing the positional accuracy of the points of detail, which were acquired by different image acquisition cameras in close-up photogrammetry. In this analysis, a comparative analysis of the accuracy of the models taken with analog metric image acquisition camera, numeric non-metric image acquisition camera and with the fish-eye lenses that belong to a panoramic camera has been made. After that, a comparison made between the close-range image photogrammetry that are used in three dimensional building modeling and laser measurement techniques in terms of their accuracy, visual richness and cost-effectiveness criteria. In the end of accuracy comparison, data taken with terrestrial laser scanner method for the buildings covered with reflective materials and geometric data taken with terrestrial photogrammetry method on translucent buildings are used. For the baseline, 1/1000 scale numeric maps are benefited in order to obtain Taksim Cumhuriyet Square?s solid model. Ortophotos and images which were converted into vertical plane were covered over proper areas as textures, and the three dimensional integrated modeling of Taksim Cumhuriyet Square was obtained. The model, which was visualized in this way, became dynamic with animations.In the conclusion of the study, the subject matter of the thesis has been tested on a selected pilot implementation area and it was proved to be feasible. It is a method that can be used in other urban regions, too. The resulting model is a three dimensional square model, powered by terrestrial laser scanners which use real photogrammetric data. It is processed onto three dimensional maps in its real scale (1/1 scaled). It significantly contributes to the complimentary three dimensional model of Taksim Cumhuriyet Square and urban planners? micro-scale planning studies. As a result of the study, a three dimensional animation was completed (in .avi format). The obtained three dimensional model can be presented via Internet. Moreover, it can be used as a baseline in Geographical Information Systems, by associating them with the attribute information.When the resulting three dimensional urban model is examined for the purpose of using in Geographical Information systems, if it is compared with the similar foreign studies, it seems that it is sufficient for the level of detail criteria (LOD), which is a very common criteria in the literature. In fact, when the literature on this topic is discussed, it is apparent that the main criterion is LOD. The foreign studies, has a three dimensional modeling systematic based on this main criteria. However, when the conditions of foreign studies are considered, particularly in acquisition of spatial three dimensional data, there is no difficulty and geographical-spatial data can be obtained from relevant institutions without any additional measurement. So, the only data standard in foreign studies is LOD, which has the visual criteria of the three dimensional model. However, in our country, the quality of spatial data and even their accuracies varies from one institution to another. Therefore, there is the necessity of additional criteria such as accuracy, visual richness and cost-effectiveness that might optimize data integration as well as LOD data standard.In our country, since there isn?t a data standard which is used in CBS production inter-institutionally, there is no accuracy, visual and cost standards for the production of spatial data three dimensionally in CAD environment. When the suggested hypothesis, implementation and results are examined, key standards for the production of three dimensional urban models are necessary.In the first part of the study, main focus is an overview on literature, the purpose of the study and the hypothesis of the study. In the second part, some general definitions and key concepts about urban design are presented. In the third part, three dimensional urban models, production of data required for modeling and data optimization, data integration (the technical part of the thesis) are explained. In the fourth part, a pilot implementation of the thesis is available. In the fifth part, the results are discussed, contributions are highlighted and suggestions are made.