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Applicazioni dei 3D City Models - Bilijeki 2015

Geoinformazione per 3D City Models e GeoBIM

L’uso efficiente dei modelli 3D di città ha raggiunto un ottimo livello di maturità grazie ai progressi tecnologici nella rappresentazione del territorio e del costruito, specialmente se vista come una rappresentazione di un ambiente urbano con una geometria tridimensionale di oggetti e infrastrutture urbane comuni, derivata da varie tecniche di acquisizione, come la fotogrammetria, la scansione laser, l’estrusione altimetrica da cartografia 2D, il radar ad apertura sintetica o anche modelli e disegni architettonici.

La loro utilizzazione si è avviata a superare la sola visualizzazione scenica, per entrare nell’ambito di una vasta gamma di applicazioni riportate ormai da molti autori. Tra questi è interessante un report di Filip Biljecki del 2015 che insieme ad alcuni suoi colleghi ha cercato di fare una analisi, principalmente nella bibliografia dei casi d’uso più comuni, per mettere ordine nelle diverse modalità di utilizzo, elencandone quelli principali. Questo pur tenendo presente che i modi in cui vengono utilizzati i modelli di città 3D non possono essere facilmente elencati a causa della confusione, dell'ambiguità terminologica, del valore aggiunto poco chiaro delle geoinformazioni 3D in alcuni casi e spesso anche per l'assenza di informazioni tecniche. 

Applicazioni tipiche dei 3D City Models

Biljecki ha dimostrato che i modelli di città 3D sono impiegati in almeno 29 casi d'uso che fanno parte di più di 100 tipi di applicazioni.

Stima dell'irraggiamento solare 

La stima dell'insolazione degli edifici è probabilmente uno dei casi d'uso più importanti nella modellazione 3D delle città, un argomento maturo nei GIS inizialmente condotto su modelli di superficie digitali, tuttavia, l'evoluzione delle tecniche di acquisizione e dei modelli di dati ci ha consentito di modellare gli edifici e le loro parti (ad esempio, il tetto), il che ha aperto una porta per molteplici domini applicativi che richiedono tale granularità. 

I modelli 3D della città vengono utilizzati per stimare quanto un edificio è esposto al sole al fine di valutare l'idoneità dell'installazione di pannelli solari (fotovoltaici) sui tetti. Oppure forniscono informazioni geometriche come l'inclinazione, l'orientamento e l'area del tetto, che vengono utilizzate come input principale per i modelli empirici solari, ma anche per stimare il comfort termico. 

Questo ci permette anche di progettare un layout urbano per massimizzare l'insolazione di un quartiere e di stimare le capacità delle fonti energetiche decentrate nelle applicazioni di gestione delle crisi. Infine, i modelli 3D di città contenenti finestre possono essere utilizzati per prevedere l'illuminazione interna.  

Stima della domanda di energia

Un caso d'uso che dimostra in modo convincente il valore dei modelli semantici 3D della città è la stima della domanda di energia, un elemento che ha assunto la sua importanza specialmente in caso di lockdown, come recentemente successo ad esempio per la pandemia del Covid19.

I modelli di città 3D sono usati per combinare i dati del volume degli edifici, il numero di piani, il tipo di edificio e altre caratteristiche per prevedere la domanda di energia per riscaldamento e/o raffreddamento.

Ad esempio, la stima della domanda di energia è importante per valutare i vantaggi di una ristrutturazione efficiente dal punto di vista energetico. In combinazione con altri dati, i modelli 3D della città possono essere utilizzati per la valutazione termica e per determinare i ponti termici e le perdite di calore dall'involucro dell'edificio. 

Classificazione dei tipi di edifici 

La conoscenza della tipologia edilizia trova applicazione in vari ambiti come ad esempio, la distribuzione e la quota di un tipo di edificio in un quartiere è di interesse per il marketing e la gestione immobiliare.

Inoltre i modelli 3D della città possono essere utilizzati per stimare la dimensione interna di un edificio nel quadro giuridico. 

Geovisualizzazione

La visualizzazione è uno degli scopi fondamentali dei modelli di città 3D: consente la cognizione della forma e la valutazione di circostanze spaziali complesse degli immobili, viste panoramiche, visualizzazione web, mappatura del crimine, serious gaming e realtà aumentata. 

I modelli 3D della città sono indispensabili per molte analisi di visibilità, come determinare la linea di vista (LoS) tra due punti in un ambiente urbano, valutare la visibilità della facciata per il marketing urbano, per determinare la posizione ottimale per le telecamere di sorveglianza, per valutare la copertura dei sensori, per migliorare la sicurezza stradale o addirittura per la valutazione dei rischi da cecchino. Ulteriori applicazioni riguardano la previsione della visibilità dei satelliti GNSS nell'ambiente edificato e la mitigazione dell'effetto multipath. Tali metodi sono preziosi per migliorare la corrispondenza delle mappe per la navigazione nei canyon urbani. 

Stima delle ombre proiettate

La stima delle ombre proiettate dagli edifici è spesso utilizzata nella pianificazione urbana, ad esempio, per valutare l'impatto di un edificio pianificato sull'ambiente circostante. Tali analisi sono legalmente richieste dalle amministrazioni competenti. 

Questo caso d'uso è essenziale anche nella stima del potenziale solare degli edifici, che può influire negativamente sulla resa fotovoltaica di un pannello solare. Ulteriori applicazioni includono la stima del comfort termico degli edifici e la determinazione degli involucri solari. 

Stima della propagazione del rumore in un ambiente urbano

I dati 3D vengono utilizzati per creare modelli che rispondono a come i cittadini sono danneggiati dall'inquinamento acustico e come mitigarlo, ovvero dove posizionare le barriere antirumore. In Europa, l'utilizzo di modelli urbani 3D per questa applicazione è aumentato dopo l'attuazione della Direttiva sul rumore ambientale 2002/49/CE che richiede ai paesi dell'UE di produrre mappe acustiche strategiche per informare il pubblico sull'esposizione al rumore e sui suoi effetti. Sebbene il GIS 2D sia usato frequentemente per questo scopo, la geoinformazione 3D fornisce un vantaggio, poiché a causa della rifrazione, i livelli sonori possono variare considerevolmente alle diverse quote di uno stesso punto nella mappa.  

Catasto 3D 

Alcuni governi si sono recentemente concentrati sullo sviluppo del Catasto in 3D per fornire informazioni su situazioni immobiliari complesse come le proprietà verticali negli edifici e le costruzioni sotterranee (ad esempio, cavi e condutture, parcheggi). I modelli di città 3D sono stati utilizzati per archiviare e gestire i dati sulle controparti fisiche degli oggetti legali e tecniche simili sono state utilizzate per raccogliere, archiviare e diffondere dati sugli oggetti legali 3D come per i modelli di città 3D. 

Visualizzazione per la navigazione

I modelli di città 3D vengono utilizzati per facilitare l'orientamento dell'utente nello spazio per scopi di navigazione. La navigazione negli spazi urbani, utilizzando i modelli 3D della città, può aiutare con l'orientamento in quanto offre punti di riferimento familiari; ed è stato spesso affermato che la loro natura “più intuitiva” rispetto alle mappe 2D fornisce indicazioni di navigazione più naturali e realistiche.

Urbanistica

La geoinformazione 3D è onnipresente nella pianificazione urbana per vari compiti, in particolare la visualizzazione dell'ambiente urbano. La pianificazione urbana è un caso d'uso con confini sfocati e un gran numero di attori. Tuttavia, ci sono stati molti scopi specifici documentati, come ad esempio la geoinformazione 3D impiegata per facilitare la progettazione di parchi, indagini di oggetti urbani che interferirebbero con la progettazione di una nuova linea metropolitana, analisi temporale dei cambiamenti nel paesaggio, analisi dello skyline urbano per la simulazione del traffico.

Visualizzazione per la comunicazione delle informazioni urbane ai cittadini 

Un'applicazione di visualizzazione dei modelli di città 3D consiste nel presentare la città esistente e nel diffondere informazioni urbane ai cittadini, e proporre sviluppi e miglioramenti in un ambiente virtuale 3D. 

I modelli 3D vengono utilizzati anche per studiare le dinamiche locali e gli indicatori urbani più adatti allo sviluppo e trovano il loro impiego anche nel turismo per tour virtuali. 

L'applicazione della comunicazione delle informazioni urbane ai cittadini, dell'impatto dei progetti proposti e della presentazione dello sviluppo di una città spesso si traduce nella materializzazione dei modelli 3D della città come modelli fisici ed inoltre i modelli di città 3D possono essere utilizzati come forma di comunicazione del patrimonio culturale.  

Gestione delle infrastrutture

Le geoinformazioni sono onnipresenti nella gestione delle infrastrutture. Recentemente sono stati impiegati modelli 3D a tal fine, ad esempio, nella gestione di porti, aeroporti e reti di servizi.  

Risposta alle emergenze 

I geodati 3D possono essere utilizzati nella gestione dei disastri e nella risposta alle emergenze perché possono fornire informazioni preziose come l'ubicazione dei punti di ingresso degli edifici. In questo contesto, i modelli 3D della città possono essere utilizzati ad esempio per determinare la posizione migliore per il dispiegamento delle autoscale prima dell'arrivo dei vigili del fuoco sulla scena.  

Propagazione delle onde radio 

La stima della propagazione delle onde radio per la pianificazione della rete non è un semplice problema di linea di vista, poiché coinvolge concetti come riflessioni e diffrazioni che sono più avanzati di un'analisi in linea retta. Questo è uno dei primi casi d'uso GIS in cui i DEM sono stati utilizzati per estrarre un profilo del terreno tra un trasmettitore e un ricevitore e quindi per applicare modelli di propagazione . 

Questo caso d'uso si è successivamente evoluto in modelli di città 3D con applicazioni quali il Cellular Network Analysis evoluto oggi per utilizzare i modelli di città 3D nella verifica della copertura Wi-Fi.  

Fluidodinamica computazionale

La fluidodinamica computazionale (CFD) e le relative analisi spesso sfruttano i modelli di città 3D. Sono stati utilizzati per un'ampia varietà di applicazioni relative alle analisi del microclima: per stimare il flusso del vento e valutare il comfort del vento, per comprendere l'ambiente termico urbano stimando diverse variabili ambientali, stimando gli effetti fisici di detonazioni e per determinare i rischi per strutture e persone, prevedendo la temperatura della superficie del suolo, studiando l'influenza dei sistemi di gestione della reiezione del calore di condizionamento degli edifici residenziali e per la previsione di qualità dell'aria. 

Stima della popolazione in un'area 

Alcuni domini di applicazione possono richiedere il numero di abitanti in un'area specifica e poiché le dimensioni di un edificio e la sua tipologia forniscono indicazioni sul numero di residenti, l'utilizzo di geoinformazioni 3D per stimare la popolazione è stato oggetto di numerosi documenti di ricerca. 

Il risultato di questo caso d'uso può essere utilizzato in più domini dell'applicazione. Ad esempio, per ottimizzare la copertura del segnale radiomobile (ossia, per ottimizzare la rete per coprire più persone) e per la risposta alle emergenze per la consegna degli aiuti e l'evacuazione (ad esempio, stimando la popolazione colpita da un'alluvione).  

Allagamenti

La stima dell'entità delle inondazioni è stato un argomento tradizionale nei GIS, principalmente con modelli digitali del terreno. Tuttavia, i modelli della propagazione e dell'impatto delle inondazioni dovute a un trabocco di acqua dai corpi idrici o a forti precipitazioni possono essere migliorati utilizzando modelli di città 3D.

Studi sulla densità volumetrica 

Uno studio volumetrico è una ricerca sulla densità dell'ambiente costruito, il volume e l'intensità delle attività che genera e la sua influenza su uno spazio urbano. I modelli di città 3D sono utili per le analisi volumetriche e forniscono un vantaggio sostanziale rispetto ai dati 2D poiché contengono l'altezza degli edifici. Le informazioni sulla densità volumetrica possono essere utilizzate anche per modellare la dispersione degli inquinanti urbani. 

Archeologia 

Il GIS 3D è impiegato in archeologia, ad esempio, per la ricostruzione urbana di città antiche, la modellazione di oggetti 3D archeologici e i loro attributi, la gestione degli scavi, la verifica di ipotesi di ricostruzione e l'analisi dello sviluppo dei siti nel tempo.

 

Recenti progressi nel GeoBIM

L’elencazione di questi casi d’uso possono portare un grande contributo ai produttori di applicazioni per la geoinformazione 3D, a partire dalle agenzie cartografiche nazionali che dovrebbero stimolare i produttori di dati in tali direzioni. E’ però fondamentale l’investimento nella automazione dei processi di creazione delle mesh derivabili da nuvole di punti, la cui tecnologia di derivazione contribuisce oggi ad una capacità di acquisizione di dati senza precedenti. In particolare per l’acquisizione dell'ambiente costruito, con la fotogrammetria e il laser scanning che sono le due fonti principali che, pur trasmettendo informazioni spaziali di per sé, devono essere convertite in una mesh di superficie per un più ampio spettro di utilizzo. 

Da qui si può partire per esplorare nuovi casi d'uso e applicazioni emergenti che riguardano i recenti progressi nella realtà aumentata e nella realtà virtuale; sviluppi nella fusione di computer grafica, GIS e BIM e i recenti progressi del GeoBIM che sembrano catalizzatori promettenti che contribuiranno a fornire modelli di città 3D ai professionisti del settore.

Due sono i principali sistemi informativi 3D che sono stati sviluppati, studiati e utilizzati di recente: il 3DCity Model e l’IFC. Quest’ultimo relativo ai modelli informativi sulla costruzione, che sono utilizzati nei settori dell'architettura, dell'ingegneria e delle costruzioni per progettare e gestire edifici, infrastrutture e altre opere edili, e che hanno anche caratteristiche utili alla progettazione e alla gestione degli asset. I due standard aperti di riferimento dominanti per questi due modelli sono il CityGML (citygmlwiki.org), dell'OGC, incentrato sulla rappresentazione a scala urbana dell'ambiente costruito, e le IFC (Industry Foundation Classes, ISO, 2013, https://techn ical.buildingsmart.org/standards/ifc/), rivolte proprio alla rappresentazione dettagliata di edifici e altri lavori di urbanizzazione per obiettivi di progettazione e costruzione in primo luogo, ma anche per consentire la gestione del progetto durante l'intero processo e la gestione degli asset e delle strutture in una fase successiva anche di manutenzione.

A causa degli interessi sovrapposti in entrambi i campi viene ultimamente posta sempre maggiore attenzione all'integrazione nel modello 3D di città con il BIM (GeoBIM, Noardo 2021), dove lo scambio di informazioni tra fonti geospaziali (modelli di città 3D) e BIM consente l'arricchimento reciproco delle due tipologie di informazioni con vantaggi per entrambi i campi, ad esempio, aggiornamenti automatici di modelli 3D di città con caratteristiche di alto livello di dettaglio, rappresentazione automatica del BIM nel loro contesto, test automatizzati di progetti e così via.

La dimensione temporale per le amministrazioni comunali.

Di particolare interesse è la prospettiva delle amministrazioni comunali sulle applicazioni possibili nel settore della pianificazione e dell'edilizia. Ciò include, tra l'altro, la possibilità di creare documenti legali basati su modelli di città 3D. Esempi di ciò sono i piani di sviluppo dettagliati per la pianificazione urbana: questi piani sono ancora spesso condivisi in formato cartaceo o come file pdf, spesso per motivazioni legate alla certificazione legale; ma anche le decisioni sui permessi di costruzione, ove ancora le informazioni sono spesso condivise in formato cartaceo o come file pdf che possono rendere il processo inefficace; o dossier catastali 3D, dove il catasto 3D è ancora definito come disegni 2D con descrizioni testuali. 

Qui, sia i modelli BIM che i modelli di costruzione di geodati 3D potrebbero migliorare il processo. Comune a tutti questi esempi è che è importante salvare e archiviare non solo i documenti legali, ma anche il materiale di base che è stato utilizzato per arrivare alla decisione. Inoltre, questi esempi richiedono che i modelli 3D della città siano strutturati e collegati con il catasto edilizio.

Con geodati 3D sulla dimensione temporale si guadagnerebbe molto se il processo di lavoro avesse un approccio più standardizzato e orientato al processo in cui tutti gli attori possono condividere le informazioni.

Catasto 3D e GeoBIM

Per definire e visualizzare le proprietà spaziali del catasto 3D, è molto utile collegare le informazioni catastali alla rappresentazione digitale 3D dell'ambiente urbano. I modelli digitali delle città tridimensionali come il GeoBIM hanno la capacità di specificare i dati semantici, che possono identificare accuratamente le unità immobiliari, rappresentare meglio i confini catastali e visualizzare in dettaglio edifici complessi. Con il BIM tutti gli elementi fisici dell'edificio possono essere modellati, archiviati e gestiti gerarchicamente nello standard IFC (Industry Foundation Classes) coinvolto in un processo di armonizzazione per consentire la compatibilità orizzontale indiretta tra applicazioni software di architettura, ingegneria e costruzione (AEC) e facility management (FM) il che semplifica lo scambio di informazioni sull'edificio per molteplici scopi in diverse piattaforme BIM.

Il BIM si concentra sulle proprietà degli elementi costruttivi di un singolo edificio fino ai componenti della costruzione, mentre i modelli di città si concentrano su edifici su scala più ampia fino a intere città. Poiché il catasto viene utilizzato anche nella pianificazione e gestione urbana, i BIM non sono adatti per visualizzare e analizzare il catasto 3D a livello cittadino. Inoltre, le attuali mappe degli indici 2D registrano le informazioni spaziali delle particelle nei dossier catastali. Pertanto, utilizzando i modelli di città è possibile visualizzare il catasto 3D a livello di città dove sono incluse informazioni aggiuntive. Recentemente, una nuova versione di CityGML 3.0 è stata proposta per una migliore interoperabilità con altri standard come IFC, Land Administration Domain Model (LADM) e IndoorGML. CityGML 3.0 apporta numerose modifiche, miglioramenti, estensioni e nuovi moduli che consentiranno una fruttuosa integrazione con il BIM e il Catasto 3D. 

Bibliografia

[Biljecki 2015] Biljecki, F., Stoter, J., Ledoux, H., Zlatanova, S., and Çöltekin, A. (2015). Applications of 3D city models: State of the art review. ISPRS International Journal of Geo-Information, 4(4):2842–2889. 

[Noardo 2021] Noardo, F, Arroyo Ohori, K, Biljecki, F, et al. Reference study of CityGML software support: The GeoBIM benchmark 2019—Part II. Transactions in GIS. 2021; 25: 842– 868.  

L'immagine è tratta dal lavoro citato di Bilijeki del 2015.

 


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