Bütünleşik kent bilgi sistemlerine yönelik ulusal konumsal 3 boyutlu veri standartlarının geliştirilmesi
Development of national spatial 3 dimensional geo-data standards for integrated urban information systems
Yazar: SERPİL ATEŞ AYDAR
Danışman: PROF. DR. TAHSİN YOMRALIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Coğrafi veri sistemleri = Geographical data systems ; Coğrafi veri tabanları = Geographical databases ; Kavramsal veri modeli = Conceptual data model

Özet:
Farklı uygulama alanlarında farklı detay seviyesindeki gösterimlere olan gereksinimin artması ile 3 Boyutlu (3B) coğrafi bilgi sistemi kavramı ortaya çıkmıştır. 3B kent modelleri birçok uygulama alanında kullanılmak üzere yüksek çözünürlüklü bilgi potansiyeli ortaya koymakla birlikte gün geçtikçe birçok şehirde kullanılan standart modeller olarak benimsenmeye başlanmıştır. Klasik 2B haritalamaya göre gerçek dünya nesnelerinin birebir modellenmesini gerektiren gürültü tahmini, taşkın modelleme, gölge tahmini gibi uygulamalarda 3B modeller birçok ek bilgi sunarak daha etkin çözümlerin üretilmesinde fayda sağlamaktadır. 2B coğrafi verilerin yetersiz kaldığı karmaşık nesnelerin modellenmesi çalışmalarında kullanılmak üzere ortak kent bilgi modelinin tasarlanması ile 3B coğrafi verinin yaşamı boyunca geliştirilebileceği bir çerçeve sunulmaktadır.
3B coğrafi veri uygulamalarının daha çok önem kazandığı günümüzde kamusal birimlerin de 3B coğrafi veri üretimine katkısı kaçınılmazdır. Birçok belediye 3B kent rehberi uygulamaları geliştirmekte ve birçok yazılım firması 3B model oluşturma ve paylaşma konularında hizmet vermektedir. Üniversiteler, kurum ve kuruluşlar 3B veri üretimi ve veri servisleri konusunda çok yönlü araştırmalar yapmaktadırlar. Ancak 3B model oluşturma ve 3B haritalama işlemlerinde kurum ve şirketler verinin üretim aşamasından kullanıcıya ulaştırılmasına kadar geçen sürede birçok problem ile karşılaşmaktadır. Ülke genelinde 2B coğrafi veri üreten kurumların 3B coğrafi veri üretiminde karşılaştıkları en büyük sorun 3B coğrafi verinin 2B coğrafi veriden türetilmesinde seçilecek yöntemin belirlenmesidir. 3B kent modellerini farklı uygulama alanlarında kullanabilmek için farklı standart ve coğrafi veri formatları arasında dönüşüm yapılırken birçok veri kaybı ortaya çıkmaktadır. Uluslararası örnek veri modelleri incelendiğinde 3B coğrafi veri yönetimi kapsamında yapılan çalışmalarda farklı yaklaşımların kullanıldığı görülmektedir. Bu farklılıklar 3B kent modellerinin birlikte çalışabilirliği konusunda birçok soruna sebep olmaktadır. Ortak bir uluslararası coğrafi veri modeli kullanılarak tüm bu birlikte çalışabilirlik problemlerine çözüm bulunmuş olacaktır. 
Günümüzde, 3B coğrafi veriye erişimin önceki yıllara göre oldukça kolaylaşmış olduğu ancak 3B coğrafi veri kullanımının hala düşük seviyede ve genellikle görselleştirme amaçlı olduğu görülmektedir. Uluslararası CityGML veri standardı kapsamında 3B coğrafi verinin standardizasyonunda önemli gelişmeler kaydedilmiştir. 3B kent modelleri için iyi bir coğrafi veri modeli ve XML-tabanlı bir veri değişim formatı olan CityGML kavramı ile modellerin sadece görselleştirme amacı ile değil, tematik sorgular, analiz görevleri ya da mekansal veri toplama için kullanılanılabilir standartta olması amaçlanmıştır. 
Tez çalışmasında Türkiye Kent Bilgi Sistemi Standartları (TRKBIS)'in, uluslararası CityGML coğrafi veri modeli semantik ve geometrik kurallarına göre yeniden modellenmesi ile 3B CityGML-TRKBİS veri modeli üretilmesi hedeflenmiştir. Bu kapsamda kullanıcı ihtiyaçları belirlenerek 3B coğrafi veri formülize edilebilecek, farklı kaynaklardan elde edilen 3B coğrafi verilerin birlikte çalışabilirlik esasları tanımlanmış olacak ve 2B ve 3B coğrafi veriler arasında tutarlılık sağlanarak 3B coğrafi veriye yönelik ulusal politikaların geliştirilebilmesi için temel bir coğrafi veri değişim formatı belirlenmiş olacaktır.
Bu amaçla OGC tarafından geliştirilen ve uluslararası 3B coğrafi veri modeli olarak kabul edilen CityGML, TRKBİS gereksinimlerini karşılayacak şekilde UML modelleme dili kullanılarak genişletilmiş ve CityGML-ADE (Uygulama Alanı Uzantısı) olarak yeniden modellenmiştir. UML ile CityGML genişletme çalışmalarında kullanılacak teknik prensipler CityGML teknik dökümanında açıklanmamış olduğundan Hollanda'da gerçekleştirilen bir 3D Pilot projesi kapsamında geliştirilen yaklaşım temel alınmıştır. Tez çalışması kapsamında Türkiye ulusal coğrafi veri modeline uygun olarak UML ADE içerinde CityGML sınıflarının genişletilmesi ve bu genişletmenin XML şemasında kodlanması arasında bir eşleme sağlayan kodlama kuralları tasarlanmıştır. Kavramsal olarak CityGML veri modelinin bir uzantısı olarak tasarlanmış olan TRKBİS'in CityGML alt sınıfları olarak modellenmesi uygun bulunmuştur.
Çalışma kapsamında CityGML ve TRKBİS veri modelleri arasında ortak sınıflar ve öznitelik değerleri tüm CityGML detay seviyeleri dikkate alınarak belirlenmiştir. Kavramların semantik düzeyde karşılaştırıldığı bu eşleme tekniğinde her iki veri modelini oluşturan bileşenlerin çok iyi analiz edilmesi ve anlaşılması gerekmektedir. Eşleme çalışmasında ana prensip mümkün olduğunca CityGML veri modelini değiştirmemektir. Birebir eşlenik sınıfların bulunamadığı durumlarda TRKBİS'in yeniden modellenmesi ya da yeni bir sınıf oluşturularak CityGML'in genişletilmesi olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmıştır. Genişletilecek alt sınıflar belirlendikten sonra TRKBİS detay tipleri CityGML detay tiplerinin alt bileşenleri olarak tanımlanmıştır. CityGML kapsamında kullanımı zorunlu olmayan kod listeleri tanımlanmış olduğundan geliştirilen 3B TRKBİS modelinde mevcut kod listelerinin kullanımına devam edilmiştir. 
Oluşturulan ADE ile Türkiye'de mevcut büyük ölçekli coğrafi veri standardı (TRKBİS) ve CityGML uluslararası 3B coğrafi veri standardı entegre edilerek her iki standardı kapsayan ulusal 3B coğrafi veri modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen yeni model 2B-2.5B ve 3B coğrafi objelerin tümünü temsil etmektedir. Ulusal ölçekte 3B veri değişimini olanaklı kılacak 3BTRKBİS veri modeli ile CityGML 3B veri setlerinin benimsenmesi daha hızlı olacak ve 3B coğrafi verinin kullanım düzeyi artacaktır. Yazılım geliştiricilerin CityGML'e daha fazla destek vermeleri sağlanarak ülke çapında birbirine uyumlu 3B coğrafi veri sağlanacak ve veri dönüşümü için gerekli maliyetler daha aza indirgenecektir. Ayrıca geliştirilen model gelecekte 3B coğrafi veriler için yapılacak teknik ve yasal düzenlemelerde bir altlık olarak kullanılabilecektir.

Abstract:
Information Technologies are in a position to affect economic, social and cultural systems in the contemporary world. The success of the decision makers depends on the existence of effective decision-support systems. In order to be able to establish such systems, reliable and correct information is essential on the first hand. The amount of the geospatial data has increased significantly within the past two decades as a result of the increase in the number and variety of geospatial data providers and sensor technology. According to statistics, the data collected every year increases at least twice as much as the previous year, and a large percentage of this information is defined as geospatial data.
In general terms, standardization is the process of establishing and implementing certain rules to spatial data in order to provide common format for interoperability. This process specifically requires the cooperation of all parties and institutions and will beneath economic benefits in relation to a particular activity. On the other hand, interoperability is also expressed as the ability of a system to use the functions of another system or process within the framework of common standards. Thus, with the use of common standards in business processes, information sharing and integration between different organizations is ensured. The concept of Geospatial Data Infrastructure (GDI) has emerged with the need for the use of geographic data that can work integrated with different institutions, coordinated production, standardization and sharing of geographic information at local, regional, national and international levels. Therefore, GDI can be considered as a framework of standards, policies and technologies that enable the effective use and sharing of geographic data. Geographic data standardization is important for making the right decision, reducing human-induced effects on geographic data, eliminating the factors that force the use of geographic data, facilitating data exchange, easy and fast communication between institutions, and creating national and/or international GDI.
In Urban Information Systems (UIS) studies, developing internet technologies have been directly effective in providing open access to geographic data over electronic communication networks. ISO/TC211 and OGC initiatives can be considered as the most important triggering force which aims to provide interoperability of geographic data. Hence, local, regional, national and international GDI studies are mostly based on ISO/TC211 and OGC standards in geographic data management.
Current technologies are utilized in urban design and urban management studies from past to present. While 2D maps have been used in the visualization of the earth for centuries, with the development of Geographic Information Systems (GIS), it has become possible to perform urban analysis. With the increase in the world's population, Computer Aided Design (CAD) is an effective source for spatial analysis, but it is also used in the evaluation of new developments by enriching the existing information of the city with metadata such as population density, regional statistics. Furthermore, 3D and 4D (temporal) geographic data is required in many services that are under the responsibility of local governments. Therefore, the importance of 3D geographic data has increased in recent years significantly.
Technological developments in the generation, storage and utilization of 3D geographic data have accelerated in recent years. Many municipalities are developing 3D city guide applications and many software companies are providing services in 3D model creation and sharing. Also, universities and institutions all around the world are conducting many researches on 3D data collection and data services. However, in the process of 3D model creation and 3D mapping, institutions and companies face many problems from the production stage of the data to the delivery of it to end-users. For this reason, advanced methods need to be applied in many areas from the derivation of 3D geographic data to the use of developing technologies in this field. When international sample data models are examined, it is clearly seen that many different approaches are used in the studies carried out within the scope of 3D geographic data management. It is clear that access to 3D geographic data has become much easier compared to previous years, but the use of 3D geographic data is still at a low level and generally for visualization purposes.
While the studies on spatial data infrastructure are multifaced, the requirements for 3D modelling representations with different levels of detail required for various purposes have increased. Meeting these requirements by using different types of data and tools from different sources has led to the need to develop standards in 3D modelling. CityGML is one of these modelling approaches which was developed at TU Berlin, Germany and was originally defined as a data exchange format. However, it was later developed as an information model representing 3D geographic data.  CityGML is a good geographic data model and XML-based data exchange format for 3D urban models. With the concept of CityGML, the need for 3D geodata standard that can be used for all visualization, thematic queries and analysing purposes have been met. 
The CityGML standard, which was developed for the purpose of defining objects in cities, expands the type of objects it represents with its current version CityGML 3.0 and supports many objects in the environment and city models. Although significant progress has been made in the standardization of 3D geographic data within the scope of the international CityGML data standard, it is obvious that the necessary software support is still not at the desired level.
In today's world where 3D geographic data applications are gaining more and more importance, the contribution of government units to 3D geographic data production becomes inevitable. The biggest problem faced by institutions that produce 2D geographic data throughout the country in 3D geographic data production is the determination of the method to be chosen in the conversion of 2D geographic data into 3D geographic data.
Since the detail catalogs and data standards of the Turkish National Geographic Information System (TUCBS) and Turkish Urban Information System (TRKBIS), which have been adopted on a national scale in Turkey, are still in the pilot implementation phase, it is naturally impossible to talk about National 3D Geographic Data Standards. For this reason, the object-oriented approach, relationships, feature types and topology definitions of TRKBIS, which is a large-scale geographic data standard, should be modelled within the scope of the CityGML data model and extended to 3D geographic data.
The study aims to produce a 3D CityGML-TRKBIS data model by remodeling the Turkish Urban Information System Standards (TRKBIS) according to the semantic and geometric rules of the international CityGML geographic data model. In this context, 3D geographic data will be formulated by determining user needs, interoperability principles of 3D geographic data obtained from different sources will be defined, and a basic geographic data exchange format will be determined for the development of national policies for 3D geographic data by ensuring consistency between 2D and 3D geographic data. For this purpose, CityGML, which was developed by OGC and accepted as an international 3D geographic data model, was extended using UML modeling language to meet the requirements of TRKBIS and remodeled as CityGML-ADE (Application Domain Extension). Since the technical principles to be used in CityGML extension studies with UML are not explained in the CityGML technical document, the approach developed within the scope of the 3D Pilot project carried out in the Netherlands was taken as basis. Within the scope of the thesis study, coding rules that provide a mapping between the extension of CityGML classes in UML ADE and the encoding of this extension in XML schema have been designed in accordance with the national geographic data model of Turkey. Conceptually designed as an extension of the CityGML data model, it was found appropriate to model TRKBIS as CityGML subclasses. 
In the scope of the study, common classes and attribute values between CityGML and TRKBIS data models were determined by considering all CityGML detail levels. After determining the subclasses to be extended, TRKBIS feature types were defined as subclasses of CityGML future types. Since code lists that are not mandatory to be used within the scope of CityGML defined, the existing code lists were continued to be used in the developed 3D TRKBIS model. By integrating the existing large-scale geographic data standard in Turkey (TRKBIS) and CityGML international 3D geographic data standard, a national 3D geographic data model covering both standards was developed. The study provides new insights into 3D applications in Turkey. The generated 3D geo-data model for will be used as a common exchange format that meets 2D, 2.5D and 3D implementation needs at national level. With the 3DTRKBIS data model that will enable 3D data exchange on a national scale, the adoption of CityGML 3D datasets will be faster and therefore the level of data utilization will increase. Entegrated and interoperable 3D geographic data will be provided throughout the country so the costs required for geographic data transformation will be reduced. In addition, the developed model can be used as a basis for future technical and legal regulations for 3D geographic data.