Χωρική ανάλυση 3D μοντέλων πόλεων σε περιβάλλον Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών (GIS) και η αξιοποίησή τους από τεχνολογίες επαυξημένης πραγματικότητας (AR)

Abstract

The goal of this thesis is to showcase the best solutions for 3D city spatial analysis within GIS, and the possibility of using Augmented Reality – AR – technology. To do this, three core issues of 3D modelling had to be solved: the lack of suitable 3D modelling data, the incorporation of spatial information in 3D models, and their visualisation via AR technology. In the framework of this thesis, three original applications were developed to solve these core problems of 3D modelling. The thesis is split into two parts. In the first part the theoretical framework is discussed and the research questions are summarised. The role of data and more specifically the descriptive capabilities of spatial data are presented. Then, the limitations of 2D visualisation are discussed, as well as the main concepts of 3D modelling. The thesis then analyses how 3D modelling changed the way we perceive the world around us. It also presents the most important semantic model, CityGML, before discussing its limitations. The first part of the thesis concludes with the presentation of AR.The second part of the thesis presents the three original applications, developed for the purposes of this thesis. The first is an automated methodology for the creation of mass data for the creation of extensive 3D city spaces. The second deals with a proposal for an expansion (GRextADE) of the current version of the CityGML model, so that it may cover the needs of 3D modelling of the city space when it comes to Greece. Finally, AR technology is adopted in order to visualise spatial information that has been integrated into 3D models. The thesis ends with the conclusions and the evaluation of the developed applications.

Στόχος της διατριβής είναι η ανάδειξη των βέλτιστων λύσεων για τη χωρική ανάλυση τριδιάστατων (3D) μοντέλων πόλεων σε περιβάλλον Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριών (GIS ) και η δυνατότητα αξιοποίησης τους μέσω τεχνολογιών επαυξημένης πραγματικότητας (AR ). Προκειμένου να επιτευχθεί ο στόχος επιχειρήθηκε να απαντηθούν μία σειρά από ερωτήματα που αφορούν: Την αδυναμία εξεύρεσης κατάλληλων δεδομένων 3D μοντελοποίησης, την ενσωμάτωση χωρικής πληροφορίας σε αυτά και τέλος τις δυνατότητες οπτικοποίησης τους μέσω τεχνολογίας AR. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκαν τρεις πρωτότυπες εφαρμογές που επιχειρούν να δώσουν απαντήσεις στα ερευνητικά ερωτήματα της διατριβής. Η διατριβή αποτελείται από δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος παρουσιάζεται το θεωρητικό πλαίσιο και γίνεται παράθεση των ερευνητικών ερωτημάτων. Αξιολογείται ο ρόλος της πληροφορίας και παρουσιάζεται η περιγραφική ικανότητα των χωρικών πληροφοριών. Επίκεντρο της διατριβής είναι η ενσωμάτωση αυτής της πληροφορίας σε 3D μοντέλα και στη συνέχεια η οπτικοποίηση τους. Καταγράφονται οι περιορισμοί της διδιάστατης (2D) αναπαράστασης, παρατίθενται οι βασικές έννοιες της 3D μοντελοποίησης και αναλύεται το πώς η 3D μοντελοποίηση άλλαξε τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε τον κόσμο που μας περιβάλλει. Παρουσιάζεται το σημαντικότερο σημασιολογικό πρότυπο CityGML και καταγράφονται οι περιορισμοί του. Το πρώτο μέρος της διατριβής ολοκληρώνεται με την παρουσίαση της τεχνολογίας AR. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζονται τρεις πρωτότυπες εφαρμογές, οι οποίες αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής. Η πρώτη εφαρμογή που υλοποιήθηκε είναι μια αυτοματοποιημένη μεθοδολογία δημιουργίας μαζικών δεδομένων για τη δημιουργία εκτεταμένων 3D αστικών χώρων. Η δεύτερη αφορά μία πρόταση επέκτασης (GRextADE) της τρέχουσας έκδοσης του προτύπου CityGML προκειμένου να καλύψει τις ανάγκες 3D σχεδιασμού του αστικού χώρου για την περίπτωση της Ελλάδας. Η τρίτη εφαρμογή, που υλοποιήθηκε στα πλαίσια της διατριβής, αφορά την αξιοποίηση της τεχνολογίας AR προκειμένου να οπτικοποιηθεί η χωρική πληροφορία που έχει ενσωματωθεί στα 3D μοντέλα. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των συμπερασμάτων και την αξιολόγηση των υλοποιούμενων εφαρμογών.