Mekânsal dijital ikizlere yönelik yapı modeli üretiminde prosedürel modelleme yönteminin tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of procedural modeling method in generating structure models for spatial digital twins
Yazar: GÜÇLÜ ŞENYURDUSEV
Danışman: DOÇ. DR. AHMET ÖZGÜR DOĞRU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akıllı kentler = Smart cities ; Kentsel modelleme = Urban modelling ; Sanal kent = Virtual city ; Sayısal ikiz = Digital twin ; Sayısal kentler = Digital cities ; Üç boyutlu haritalar = Three dimensional maps ; Üç boyutlu modelleme = Three dimensional modelling ; Üç boyutlu modeller = Three dimensional models ; Üç boyutlu simulasyon = Three dimensional simulation ; Üç boyutlu yeniden yapılandırma = Three dimensional reconstruction

Özet:
İki boyutlu (2B) ve iki buçuk boyutlu (2,5B) haritalar günümüze kadar yaygın olarak kullanılmaktaydı. Ancak son yıllarda yeni geliştirilen teknolojiler sayesinde bu ürünlerin yerini giderek yaygınlaşan üç boyutlu (3B) uygulamalar almaktadır. Yine son yıllarda "Akıllı Şehircilik" kavramının ortaya çıkışı ile birlikte yerel yönetim alanında faaliyet gösteren bir çok kamu kurumu ve özel sektör şirketi bu alandaki gelişmeleri yakından takip etmektedir. Bu nedenle, kent yönetimi ve kentsel planlama alanındaki çalışmalarda temel mekânsal verilerin kullanımı ihtiyacı giderek artmıştır. Bu çalışmalarda yaygın olarak "Dijital İkiz" kavramı içerisinde üretilen şehirlerin bire bir ölçekli 3B modelleri kullanılmaktadır. 3B kent modelleri kullanılarak; kent silüetinin çıkarılması, kentsel dönüşüm projelerinin görselleştirilmesi, değişim analizleri, gürültü analizleri, güneşlenme ve gölge analizleri, sel ve taşkın analizleri, gürültü dağılım analizleri, rüzgar analizleri gibi birçok çalışma yüksek doğruluk ve etkili görselleştirme ile yapılabilmektedir. Ayrıca meydana gelme olasılığı bulunan bir çok durum çeşitli simülasyonlar tasarlanarak sayısal ortamda analiz edilebilmektedir. Böylece yaşanması istenmeyen durumların henüz daha meydana gelmeden önce önlenebilmesi imkanı da bulunabilmektedir. Dahası, şehir içerisinde inşa edilmesi planlanan büyük altyapı ve üstyapı projelerinin de bu dijital ikizler içerisine yerleştirilmesi ile çevreye olan olumsuz etkilerinin daha yaşanmadan önce engellenebilmesi ve projelerin bu analiz sonuçları ile revize edilerek inşa edilmesi mümkün hale gelebilecektir. Bu şekilde şehir ölçeğindeki detaylı 3B analizlerin bilgisayar simülasyonları üzerinden gerçekleştirilebilmesi ile kent yönetimi ve karar destek sistemleri için bir çok alternatif çözüm üretilebilmektedir.

Kentsel ölçekte oluşturulan 3B simülasyonların sağladığı en önemli kazanımlardan biri de, perspektif etkisi yüzünden görüntülenemeyen bölgelerin üç boyutlu sayısal model içerisinde her yönden ve detaylı şekilde incelenebilmesidir. Ek olarak sanal gerçeklik (VR) ve arttırılmış gerçeklik (AR) görüntüleme sistemlerinin kullanımı oldukça yaygınlaşmıştır. Son yıllarda mekânsal verilerin de bu cihazlar ile görüntülenebilmesini sağlayan yeni uygulamalar geliştirilmeye başlanmıştır. Hiç şüphesiz bu durum yakın gelecekte coğrafi bilgi sistemlerinin (CBS) gelişimini derinden etkileyecektir. Bu cihazların CBS alanındaki kullanımlarının yaygınlaşmaya başlaması ile "mekânsal verilerin görselleştirilmesi ve deneyimlenmesi" yakın gelecekte oldukça bir önemli bir çalışma alanı olarak karşımıza çıkacaktır.

Bu nedenle tez çalışmasının temel amacı; bir kentin dijital ikizinin üretimine altlık teşkil edecek olan 3B kent modelinin hızlı ve yüksek doğruluğa sahip bir şekilde prosedürel yöntem ile üretilebilmesi konusunun araştırılmasıdır. Bu kapsamda yapılan çalışmalarda öncelikli olarak detaylı bir literatür taraması gerçekleştirilmiştir. Bu şekilde 3B kent modeli üretim yöntemleri, kullanım alanları, üretim ve kullanım alanlarında karşılaşılan problemler detaylı bir şekilde ortaya çıkarılmıştır.

Son yıllarda uydu görüntüleme teknolojileri, hava ve mobil lazer tarayıcı ölçme sistemleri (LiDAR), uçak, helikopter ya da insansız hava araçlarına (İHA) entegre edilebilen fotogrametrik görüntüleme sistemleri gibi alanlarda yaşanan teknolojik gelişmeler ile birlikte yüksek hassasiyetteki mekânsal verilerin üretimi giderek kolaylaşmakta ve maliyetler eski yıllara oranla giderek düşmektedir. Bununla birlikte yeni geliştirilen ve geleneksel yöntemlere kıyasla daha hızlı veri üretim imkânı sunan teknikler son yıllarda yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. Buna bağlı olarak da farklı tekniklerin kullanılması ile elde edilen mekânsal verilerin, daha hızlı ve etkili bir şekilde 3B olarak görselleştirilmesine duyulan ihtiyaç da aynı oranda artmaktadır.

Gelişen teknolojiler ile birlikte daha fazla miktarda veri, daha yüksek kalitede ve daha hızlı bir şekilde üretilebilmektedir. Ancak mekânsal veri üretimi alanında gerçekleştirilen çalışmalar sonrası elde edilen verilerin boyutu son yıllarda oldukça artmıştır. Dahası bu kadar büyük boyutlu verilerin etkin bir şekilde işlenmesi ve depolanması ise yeni bir problem ve çalışma alanı halini almıştır. Bu amaçla kurulan ve sayıları her geçen gün artan büyük veri merkezleri ve süper bilgisayarlar ile bu verilerin değerlendirilmesi ve depolanması için çözüm arayışları devam etmesine karşın bu kadar büyük verilerin işlenebilmesi de belirli bir zaman almaktadır.

Karşılaşılan bir diğer problem ise farklı teknikler kullanılarak üretilen yüksek hassasiyetli mekânsal verilerin çok büyük boyutlu olması nedeniyle sunum ve görüntüleme aşamalarında yaşanmaktadır. Yoğun nokta bulutu verilerinin, yüksek hassasiyetli ortofoto ve sayısal yükseklik modelleri kullanılarak üretilen sayısal arazi modellerinin bilgisayar ortamında görüntülenebilmesi ve web üzerinden sunulabilmesi için verilerin çeşitli tekniklerle daha küçük parçalara bölünerek depolanması ve kullanıcıya görüntülenmek istendiği anda parça parça sunulması çözümü geliştirilmiştir. Bu sayede web platformları üzerinden yapılan görselleştirme çalışmalarında belirgin performans artışları sağlanabilmiş olsa da, veri boyutu hala çözülmeyi bekleyen önemli bir sorun olarak varlığını korumaktadır.

Son yıllarda birçok çalışmada bütün bir şehre ait verilerin, gereken mekânsal ve zamansal çözünürlüklerde üç boyutlu olarak üretilmesi ihtiyacı bulunmaktadır. Fotogrametri gibi etkili yöntemlerle büyük alanların ölçülmesi ve modellenmesi mümkün olsa da, bu verilerin kent ölçeğinde üretilebilmesi için yapılan çalışmaların sonuçları genellikle bir ila iki yıl içinde tamamlanabilmektedir. Buna rağmen pek çok verinin güncel kalabilmesi için sürekli ve hızla yenilenmesi gerekmektedir.

Bu süreçte 2B mekânsal verileri temel alan ve bu verilerden hızlı bir şekilde 3B model oluşturulabilmesine imkan veren yeni bir modelleme tekniği de ortaya çıkmıştır. Prosedürel modelleme yöntemi olarak adlandırılan bu yöntem ile bir 3B modeli oluşturmak için ihtiyaç duyulan parametreler 2B CBS verileri içerisinde depolanan öznitelik verilerinden sağlanmaktadır. Böylece mevcut 2B CBS verilerinden kentsel objelerin 3B modelleri üretilebilmektedir. Tez kapsamında gerçekleştirilen araştırmalar ile son yıllarda adından sıkça söz edilen ve kullanımı giderek artan prosedürel modelleme yönteminin, bir kentin 3B model olarak üretilebilmesi için hızlı ve etkili bir çözüm olup olamayacağı sorusuna cevap aranmaktadır.

Prosedürel modelleme yönteminin bazı avantajları bulunmaktadır. Bunların en başında ise hiç şüphesiz bir modelin görselleştirilmeye ihtiyaç duyulduğu anda üretilmesi gelir. Ayrıca, aynı CBS verileri temel alınarak ve farklı parametreler kullanılarak birbirinden farklı 3B modeller türetilebilir. Prosedürel modelleme ile bir 3B modelin üretilebilmesi için basit bir referans poligonuna ihtiyaç duyulmaktadır. Üç boyutlu modellerin bu şekilde depolanması hem veri boyutu azaltır, hem de üretilen modeller belirli algoritmalar eşliğinde ürertildiği için operatörden kaynaklı çizim hataların önüne geçilir. Bu şekilde en az poligon sayısına sahip, en ideal modeller üretilebilir.

Tezde kapsamlı literatür araştırmasına ek olarak belirli çalışma alanlarında pilot çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bunlardan ilkinde açık veri kaynaklarından biri olan OpenStreetMap (OSM) verileri kullanılarak İstanbul Tarihi Yarımada bölgesinin 3B kent modeli üretimi ve gerçekçi bir 3B görselleştirme çalışması yapılmıştır. Bu çalışma ile ileri düzeyde 3B görselleştirme ve temel düzeyde planlama, kent silüeti çıkarma, güneşlenme, gölge, bakı ve görünürlük gibi analizlerin yapılabileceği bir 3B kent modeli elde edilmiştir.
Bir yapı modeli üretilirken eğer çatı payı ve cephe çıkma bilgileri mevcut ise LOD2 detay seviyesindeki yapı modellerine bu detaylar da dahil edilebilmektedir. Bir diğer çalışma ile yine OSM verileri kullanılarak İstanbul Tarihi Yarımada bölgesinde LOD2 seviyesinde daha detaylı bir 3B kent modeli üretimi yapılmıştır. Çalışma alanındaki tüm yapılara ait çatı payı ve cephe çıkma verileri mevcut olmadığından dolayı ilgili veriler rastgele üretilmiştir. Bu çalışmadaki temel amaç; yapılara ait detaylı verilerin bulunması durumunda İstanbul Tarihi Yarımada bölgesinde prosedürel modelleme yöntemi ile LOD2 seviyeli bir 3B kent modeli üretiminin hız ve performansını gözlemlemektir. Bu çalışma sonucunda prosedürel modelleme yönteminin detaylı yapı modelleri üretiminde de hızlı sonuç verdiği görülmüştür.

Gerçekleştirilen bir diğer çalışmada prosedürel modelleme yönteminin dijital ikiz üretimindeki kullanımı test edilmiştir. Bu çalışma ile İstanbul Su ve Kanalizasyon İdaresi (İSKİ) bünyesinde bulunan ve kurum personeli tarafından düzenli olarak güncellenen yaklaşık 20.159 km içme suyu, 17.483 km atıksu, 5.104 km yağmur suyu ve 1.449.207 adet abone bina verilerinin dinamik olarak 3B üretimi ve bir dijital ikiz uygulaması içerisinde konumlandırılması sağlanmıştır.

Bir şehir içinde farklı bina türleri ve bu binaların birçok farklı varyasyonu vardır. Literatürde belirli bir yapının prosedürel modelleme ile kolaylıkla modellenebileceği, ancak farklı spesifik yapıların tek bir prosedürel modelleme algoritması ile üretilmesinin çok daha zor süreçler gerektireceği belirtilmektedir. Bu amaçla gerçekleştirilen bir diğer pilot çalışmada ise; İstanbul'daki yapılar arasından tarihi duvar çeşmeleri katmanı belirlenmiştir. Tarihi duvar çeşmeleri ayrıntılı olarak incelenerek belirli temel bileşenlere ve bu temel bileşenlerin alt bileşenlerine ayrılmıştır. Daha sonra bu bileşenlerin parametre değerlerine dayalı olarak prosedürel bir modelleme algoritması geliştirilmiştir. Bu çalışma ile birçok farklı duvar çeşmesinin kapsamlı olarak tasarlanmış tek bir prosedürel modelleme algoritması kullanılarak hızlı ve yüksek doğrulukla 3B olarak modellenebileceği gösterilmiştir.
  
Sonuç olarak bu tez çalışmasında, son yıllarda akıllı şehircilik çalışmalarının olmazsa olmazlarından biri haline gelen ve içerisinden mekânsal pek çok analize imkân sağlayabilecek olan 3B kent modellerinin prosedürel tekniklerle üretilmesinin avantajları ve dezavantajları değerlendirilmiştir. Ek olarak, açık verilerin kullanımı ve bu verilerin 3B görselleştirme teknikleriyle nasıl işlendiğine dair bazı örnekler verilmiş, bunun yanında gerçek bir şehrin dijital ikizinin oluşturulması sürecinde yaşanan bazı sorunlar da tartışılarak elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir.

Abstract:
2 and 2.5 dimensional maps, which have been widely used for many years, are now being replaced by three dimensional (3D) applications that are rapidly becoming widespread with developing technologies. Many public institutions and organizations, especially local governments, as well as almost everyone, including the private sector, closely follow the concept of "smart urbanism", which has become a hot topic in the world in recent years, and the latest studies in this field. In this context, the need for effective use of spatial data in many fields, from urban planning studies to city management, has increased compared to previous years. In addition, many studies, from urban transformation studies to change analyses, from studies based on protecting the city skyline to shadow, noise, wind and flood analyses, are today carried out using one-to-one scale 3D models of the city produced under the concept of "digital twin". In this way, many situations that are likely to occur in real life can be simulated in a virtual environment with computer graphics, and it is possible to prevent undesirable events before they occur by taking the necessary precautions. Similarly, by positioning large projects planned to be carried out in the city in a 3D city model before construction begins, the possible effects of the project on the environment and citizens can be determined much earlier. The fact that many necessary spatial analyzes can be applied in virtual simulations allows the possible results of a study still in the project phase to be predicted, thus enabling measures to be taken regarding possible risks before they occur and providing different alternative solutions to decision support systems.

Another important convenience offered by 3D visualization is that there are no areas that cannot be seen by other data due to the effect of a single perspective or viewing direction, allowing all data to be easily viewed and evaluated from every angle in the 3D environment. In addition, the use of virtual reality (VR) and augmented reality (AR) imaging systems, which are becoming increasingly common today, for the purpose of visualizing spatial data, will seriously affect the future and direction of geographic information systems (GIS). Thus, visualizing and experiencing spatial data in 3D will be a frequently encountered and needed field of study in the near future.

Therefore, the main purpose of the thesis is; It is the investigation of how to produce a 3D city model, which will serve as a basis for the production of a city's digital twin, with a fast and high-accurate procedural method. In this context, first of all, a detailed literature review was carried out. In this way, 3D city model production methods, usage areas, and problems encountered in production and usage areas have been revealed in detail.

In recent years, with technological developments in areas such as satellite imaging technologies, aerial and mobile laser scanner measurement systems (LiDAR), photogrammetric imaging systems that can be integrated into aircraft, helicopters or unmanned aerial vehicles (UAVs), the production of high-precision spatial data has become increasingly easier and costs have become obsolete. is decreasing gradually over the years. However, the use of newly developed techniques that provide faster data production opportunities compared to existing methods is becoming more widespread day by day. Accordingly, the need for fast and effective visualization of spatial data produced with different techniques is increasing simultaneously with these developments.

With developing technologies, more data can be produced at higher quality and faster. However, the size of the data obtained after studies carried out in the field of spatial data production has increased considerably in recent years. Moreover, the effective processing and storage of such large-scale data has become a new problem and field of study. Although the search for solutions for the evaluation and storage of these data continues with the large data centers and supercomputers established for this purpose and the number of which increases day by day, it takes a certain time to process such large data.

Another problem encountered is in the presentation and display stages due to the very large size of high-precision spatial data produced using different techniques. In order for digital terrain models produced using dense point cloud data, high-precision orthophoto and digital elevation models to be displayed on a computer and presented on the web, a solution has been developed to store the data by dividing it into smaller pieces with various techniques and to present it to the user piece by piece whenever it is desired to be displayed. Although significant performance increases have been achieved in visualizations made via web platforms, data size still remains an important problem waiting to be solved.

Considering the need for speed and up-to-dateness of the age, as well as the relatively high costs, it is not always possible to produce the required 3D current data at the required temporal and spatial resolution and on the entire city scale. Even photogrammetric studies, which are one of the most effective methods for measuring and modeling large areas compared to traditional measurement methods and have become increasingly common in recent years, can produce results in approximately one to two years when considered on a city scale. No matter which method is used, the data obtained after many studies quickly become old and out of date.

Recent developments have created the need to quickly produce an entire city in 3D using spatial data produced by different methods or already existing. For this reason, a different modeling technique has been developed that enables 2D spatial data to be quickly converted into 3D models. By using the procedural modeling method, it is possible to realistically visualize 2D GIS data containing the necessary attribute information in three dimensions. With the research carried out within the scope of the thesis, an answer is sought to the question of whether the procedural modeling method, which has been frequently mentioned and used increasingly in recent years, can be a fast and effective solution for the three-dimensional production of a city.

The biggest advantage of the procedural modeling technique is; The model can be re-derived whenever necessary by using the verbal attribute data stored in the vector data. In this way, keeping a simple reference polygon and the information on how to create that three-dimensional model when necessary, instead of storing a comprehensive and detailed model in a digital environment, both reduces the data size and prevents drawing errors caused by operators and model production, since model production is created with correctly coded computer algorithms. It prevents. In this way, the required models can be created when needed with the minimum number of polygons and the most accurate drawing technique.

Within the scope of the thesis, pilot studies were carried out in certain study areas. In the first of these, a 3D city model of the Istanbul Historic Peninsula region was produced and a realistic 3D visualization study was carried out using OpenStreetMap (OSM) data, one of the open data sources. With this study, a 3D city model was obtained that can perform advanced 3D visualization and basic level planning, city skyline extraction, sunbathing, shadow, aspect and visibility analysis.

When producing a building model, if roof margin and facade projection information is available, it can be included in the LOD2 detail level. In another study, a new 3D city model was produced at LOD2 level in the Istanbul Historic Peninsula region, again using OSM data. Since roof share and façade protrusion data for all buildings in the study area are not available, the relevant data were generated randomly. The main purpose of this study is; The aim is to observe the speed and performance of producing a LOD2 level 3D city model with the procedural modeling method in the Istanbul Historic Peninsula region, in case detailed data of the buildings are available. As a result of this study, it was observed that the procedural modeling method can also provide rapid results in the production of detailed building models.

In another study, the use of the procedural modeling method in digital twin production was tested. With this study, dynamic three-dimensional production and a digital analysis of approximately 20,159 km of drinking water, 17,483 km of wastewater, 5,104 km of rain water and 1,449,207 subscriber building data within the Istanbul Water and Sewerage Administration (İSKİ) and regularly updated by the institution's staff. It is positioned within the twin application. The digital twin application produced by the procedural modeling method continues to operate successfully and be used in the institution.

There are different building models and many different variations of them within a city. For this reason, it is mentioned in the literature that a specific structure can be modeled with procedural modeling, but it is not possible to produce different specific structures with a single procedural modeling algorithm. With the pilot study carried out for this purpose, the historical wall fountains building layer was determined among the buildings in Istanbul. Historical wall fountains were examined in detail and divided into certain basic components and sub-components of these basic components. A procedural modeling algorithm was then developed based on the measurement values of these components. With this study, many different fountains can be modeled in 3D quickly and with high accuracy by using a single procedural modeling algorithm.

In this study, the advantages and disadvantages of producing 3D city models with procedural techniques, which have become one of the indispensable parts of smart urbanism studies in recent years and which can enable many spatial analyzes, have been evaluated. In addition, examples of the use of open data, three-dimensional data visualization techniques and how these data are processed are presented, and some difficulties encountered during the creation of a real city in a three-dimensional virtual environment are discussed and examined.

As a result of the case studies, procedural modeling offers many advantages in 3D city model production. First of all, it provides speed and efficiency. Procedural modeling offers the ability to quickly create complex and detailed structures of the city model. In this way, the modeling process can be completed faster and efficiency can be increased.

Another benefit is that it allows automatic renewal. A city model produced by procedural modeling can be automatically renewed within certain parameters and rules. In this way, the model can be kept up to date and more efficiency can be achieved by spending less time.

It also offers many alternatives for detail and variety. Procedural modeling provides wide variety and detail in creating buildings, roads, green areas and other details in the city model. In this way, more realistic and rich visuals can be obtained.

It provides parametric control at many stages of modeling. The city model created by procedural modeling can be easily controlled and modified on certain parameters. In this way, different alternatives can be tried and the model can be arranged as desired.

It also offers a very effective power in terms of reuse of procedural algorithms and codes. City models created by procedural modeling can be easily reused using the same parameters. In this way, it is possible to reuse the same model in different projects and save time.

In short, procedural modeling algorithms are generally simpler and more understandable. In this way, it makes the codes easier to read, understand and manage. Procedural modeling algorithms generally run fast. In this way, transactions are carried out faster and performance is improved. It also simplifies debugging efforts. Since the code is structurally simpler, errors can be detected and corrected more easily. Procedural modeling algorithms are generally smoother and more organized. In this way, the code is easier to maintain and develop. It is generally platform independent and can be easily run on different systems. With these advantages, the use of procedural modeling algorithms has become increasingly widespread in recent years.