Generación de Modelos Urbanos Tridimensionales con estándar CityGML

Recently there is an increasing awareness that the obj ective of urban development should not only be growth, but rather it should go hand in hand with environmental sustainability. The historical city centers have maintained relevance through profile changes and increased numbers of residents and users that search for spaces in the city with other values, such as a reduction in the dependence on personal vehicles. Combining the conservation and care for the heritage of these urban areas with new inhabitants, uses, and pressures that are created in these unique landscapes in the city requires exceptional management that responds to the inherent challenges ahead. 3D models are a key tool for urban management and especially in historical centers. For these models to reach maximum efficiency and contribute to increase the value of urban management they should be able to combine precise geometric information with semantic and thematic information, which allows for collaboration of data analysis in decision-making. Currently, there are different research underway about how to conduct and maintain geospatial databases using tridimensional models for urban management. But the focus on the geometric quality of the model has been lost. The possibility that modeling software provides to generate extensive area models with large amounts of data at a high speed has prioritized the collection speed over the spatial and geometric precision of the model. Therefore, when we face the uniqueness, complexity, and variety of structures present in the historical center, the precision and quality of the models are reduced. To adapt these 3D Urban Models to the management of historic centers with a large quantity of buildings and spaces with heritage value, it is essential to combine thematic and semantic information with spatial and geometric precision. Buildings are shaping elements of the urban structure and are the foundation of Urban Models. This thesis addresses the development of a building reconstruction process for 3D Urban Models suitable for complex urban fabrics with the capacity to automate the modeling process. The established obj ective is the attainment of a process with the following premises: • Be suitable for the complex urban aeras. • Obtain a modeling process that allows for future automation. • Generate a model that allows for the combination of semantic and geometric information. • Develop an accessible and interoperable model. In the process that is developed in this thesis, the CityGML standard is chosen as it is the international standard of the Open Geospatial Consortium (OGC), which allows one to store and exchange 3D City Models with semantic and geometric information in different levels of detail (LOD). In this thesis it is explained how the complete generation process of a 3D Urban Model based on the established premises is carried out. The model generation is addressed from the data processing, to the subsequent modeling, until its publication. In this document, it is shown how the LiDAR and the cadastral data used were obtained and processed. A model with the required precision and quality is only possible if it is based on geospatial data with an equal level of precision and quality requirements. The systematic process developed for the generation of a model with LOD1 and LOD2 level of detail of the CityGML standard is submitted from a theoretical point of view of development, as well as its application to the case study selected in the urban city center of Lorca. A sequential process is established in clearly defined stages to adapt it to the complex urban fabrics of the historical centers. In the steps of each stage, geometric and statistical calculations are established for the detection of buildings and roofs types, as well as the collection of each parameter that allows for the building modelling. Also included is the development of a 3D web viewer which allows the user access to the 3D urban model of the Lorca urban center. The viewer improves the interoperability of the model since the adopted solution avoids cross-domain problems. The obtained LOD1 and LOD2 detail-level model shows the capacity of the developed process in obtaining a 3D Urban Model through a systematic process, appropriate for the irregular and complex urban fabric of the urban centers, with the precision grade required by the CityGML standard. ----------RESUMEN---------- En los últimos años se ha tomado conciencia de qué el desarrollo urbano no debe tener como único obj etivo el crecimiento, sino que debe ir acompañado de la sostenibilidad medioambiental. Los centros históricos de las ciudades han tomado relevancia con los cambios de perfil y aumento en el número de sus residentes y usuarios, que buscan espacios en la ciudad con otros valores como la reducción de la dependencia del vehículo privado. Aunar la conservación y el cuidado del patrimonio presente en estos centros urbanos, con los nuevos habitantes y usos y las nuevas presiones que se producen en estos entornos singulares de la ciudad requiere de una gestión excepcional, que dé respuesta a los retos que les son propios. Los Modelos 3D son una herramienta clave en la gestión urbana y en particular de los centros históricos. Para que estos modelos logren el máximo de eficiencia y aporten e incrementen el valor de la gestión urbana deben ser capaces de aunar información geométrica precisa junto con información semántica y temática. Esto permite funciones de análisis 3D y 4D, que mejoran la toma de decisiones en estos entornos urbanos. Existen en la actualidad diversas investigaciones en marcha acerca de cómo realizar y mantener bases de datos geoespaciales sobre modelos tridimensionales para la gestión urbana. Pero se ha perdido el foco en la calidad geométrica del modelo. La posibilidad que proporcionan los softwares de modelado de generar modelos de gran extensión con grandes cantidades de datos y a gran velocidad ha dejado de lado la precisión geométrica y espacial del modelo frente a la rapidez en su obtención. Por eso, cuando nos enfrentamos a la singularidad, complejidad y variedad de estructuras presentes en los centros históricos, la precisión y calidad de los modelos se reduce. Para que estos Modelos Urbanos Tridimensionales se adecuen a la gestión de centros históricos con gran cantidad de edificios y espacios con valor patrimonial, es imprescindible unir calidad de la información temática y semántica y precisión geométrica y espacial. Los edificios son los elementos conformadores de la estructura urbana y son la base de los Modelos Urbanos. En esta tesis se aborda el desarrollo de un proceso de generación de edificios de Modelos Urbanos 3D adecuado a tramas urbanas complejas con capacidad para la automatización del proceso de modelado. Se establece el obj etivo de la obtención de un proceso con las siguientes premisas: • Ser adecuado a tramas urbanas complejas. • Obtener un proceso de modelado permita la posibilidad de automatización. • Generar un Modelo que permita aunar información geométrica y semántica. • Desarrollar un modelo interoperable y accesible. En el proceso que se desarrolla en esta tesis se escoge el estándar CityGML por ser un estándar internacional del Open Geospatial Consortium (OGC), que permite almacenar e intercambiar Modelos de Ciudades 3D en diferentes niveles de detalle (LOD) con información geométrica y semántica. En esta tesis se expone cómo se ha llevado a cabo el proceso completo de generación de un Modelo Urbano 3D basado en las premisas establecidas. Se aborda la generación del modelo desde el tratamiento de los datos, su posterior modelado, hasta su publicación. En el documento se muestra como se han obtenido y tratado los datos LiDAR y catastrales utilizados, en el entendimiento de que un modelo con la precisión y calidad requerida sólo es posible si se basa en datos geoespaciales con igual nivel de exigencia de precisión y calidad. El proceso sistemático desarrollado de generación de un modelo en los niveles de detalle LOD1 y LOD2 del estándar CityGML se presenta desde un punto de vista teórico del desarrollo, así como su aplicación al caso de estudio seleccionado del centro urbano de la ciudad de Lorca. Para su adaptación a las tramas complejas propias de los centros históricos se elabora un proceso secuencial desarrollado en etapas completamente definidas. En los pasos integrantes de cada etapa se establecen los cálculos geométricos y estadísticos para la detección de edificios y tipos de cubiertas, así como la obtención de cada parámetro que permite el modelado de los edificios. Se incluye también el desarrollo de un visualizador web 3D que permite el acceso del usuario al modelo urbano 3D del casco urbano de Lorca. El visor mejora la interoperabilidad del modelo dado que la solución adoptada evita problemas de dominio (cross-domain). El modelo en niveles de detalle LOD1 y LOD2 obtenido muestra la capacidad del proceso desarrollado para la obtención de un Modelo Urbano 3D mediante un proceso sistemático, adecuado a la trama irregular y compleja propia de los centros urbanos, con el grado de precisión exigido por el estándar CityGML