画像と 3D を融合させることで、写実的な世界を表現することができます。これを「鏡の世界」と呼びます。この仮想世界の地球では、遠隔的に取得した画像が、世界の真の形状やテクスチャを正確にモデリングするための基盤となります。鏡の世界は、単に見た目が良いだけのモデルだけではなく、正確な 3D マップへと進化を遂げました。これは非常に重要なことで、この進化により、真の 3D フィーチャ抽出、ボリューム解析、そして地球規模から建物内部に至るまで、対話的かつ写実的に地球を可視化できるようになりました。
1990 年代以前は、メインストリームの 3D 画像は、地形の実際の測定値を、2D デジタル表現の地形図に変換するために使用されていました。このデータが 2D で表示されていたのは、3D ビューアーが一般的に普及しておらず、また 3D を扱うには膨大なコンピューティング要件が必要とされていたからです。
1990 年から 2010 年ごろにかけて 3D ソフトウェアが徐々に利用可能になりました。コンピューティング能力はムーアの法則どおりに向上し、反対に価格は下がっていきました。建物などの 3D オブジェクトは、GIS の中で現実世界をモデリングするために使用されるようになりました。3D GIS はまだそれほど導入されておらず、大半の 3D 作業は 2D マップを地形の 3D 表現の上にドレープする形で行われていました。3D オブジェクトは、技術力のあるデータ オペレーターがステレオ画像ペアを使用し、多大な労力を必要とするプロセスを経て作成されていました。この頃、ほとんどのユーザーは、3D オブジェクトを作成する方法をまだ理解していませんでした。
では、現代の技術はどうでしょう。私たちは今や、3D 画像の処理、センサーや画像から 3D 標高モデルの作成、編集、維持、解析や可視化を一気通貫のワークフローで行うことができます、また、没入型の 3D シーンをデスクトップ、ブラウザー、モバイル デバイスで共有できるようにもなりました。このようなタスクをすぐに実行できるようになったのはほんの最近の話です。デスクトップ、エンタープライズ サーバー、Web、モバイル デバイスで ArcGIS を使用することで、画像を利用して GIS を完全に 3D 対応にできるのです。世界的な気候変動、地域的な森林管理計画、持続可能で回復力に富み、住みよい都市の構築、公園や建物内での作業に至るまで、多岐にわたって役立てることができます。
ArcGIS では、画像や GIS データを起点として 3D の世界に入り込むことができます。これは、写実的な体験になることもあれば、解析結果を対話的に操作する方法となったりもするでしょう。プロジェクト サイトをあらゆる角度から表示して探索したり、Web サイト用に 3D Web シーンを公開したり、あるいは新しい 3D レイヤーをゼロから作成するタスクも、ArcGIS では簡単に行うことができます。
大西洋を通過しているハリケーンがどのような経路をたどってきたかを表示したり、建物内部を案内したり、地下設備のフィーチャを見せたりすることもできます。
ArcGIS では、デバイスおよびプラットフォーム間での相互運用が可能です。3D シーンを複数のデスクトップ間で共有したり、Web 上で共有したりすることで、一般ユーザーからプロのプランナーやエンジニアに至るまで、特定のユーザーに応じた情報の詳細レベルを提供することができます。この新しいオープン スタンダードとなるサーバーベースの 3D ストリーミング技術のおかげで、3D 建物を 1 棟でもあるいは数百万棟でも、高機能で使いやすい Web シーンを使用して共有できます。
ArcGIS Pro は、プラットフォームの主要 3D 製品です。ローカルのデスクトップにインストールでき、直感的な環境で 2D レイヤーと 3D レイヤーを作成し、管理できます。ArcGIS Pro のパワフルな分析ツールを利用すると、独自の 3D 調査を実施できます。たとえば、屋上太陽光システムのポテンシャルの評価、冬至と夏至の日影による影響調査、建物内のさまざまな位置からの眺望を解析することで不動産を正確に査定するなどといったことが可能です。
最大のインパクトを引き出すために、ルールベースのプロシージャル モデリングを使用し、自分のアイデアやデザインを写実的な 3D で表現することができます。たとえば、未来の沿海都市や沿海地域を思い描く場合、自然を取り入れたデザインにするには、人口的に岩礁を作成する必要があるかもしれません。
こうした 3D コンテンツはすべて ArcGIS Online に格納し、簡単に共有して活用することができます。
2D マップでは、視点は上から下方向に固定されており、縮尺もマップ単位と実世界の単位との数値的な関係によって表されます (1:1,000 など)。3D の世界では、標高と画像がさらに独特で複雑な方法で組み合わせられており、1 つのビューには異なる複数の縮尺 (実際には距離) が存在することになります。表示中のウィンドウで前方にあるフィーチャは、後方にあるフィーチャに比べると近くに位置するため、縮尺も大きくなります。
3D の世界では、縮尺を表すために幅広い縮尺カテゴリが使用されます。これらのカテゴリは、地球全体を捉える大きなグローバル ビューから、極めてローカルな地域スケールまで、共通のデータ パターンや作業の種類に応じて定義され、マップ単位と実世界の単位との正確な数値的関係に依存するものではありません。
3D の作業では、地表面の形状が自然の基盤として使用されます。オブジェクトは地形表面の上、またはその下に配置されるからです。GIS では地表面はラスター形式の標高モデルか、場合によっては TIN (不規則三角形網) で表現されます。ラスター標高モデルは一般的に TIN に比べて使用される頻度が高く、地表を一定間隔のグリッドに分割し、それぞれのグリッド セルに 1 つの標高値が含まれるようにします。一方 TIN は、空間上の 3D ポイントの位置をサイズが不規則な三角形 (面) でつなげ、この小面内の任意の場所に対して一意の標高値を内挿することができます。
現在の標高モデルは、一般的にレーザーやレーダーを使用するリモート センシング技術を使用して作成されています。干渉合成開口レーダー (IFSAR) では、レーダー画像のペアを使用し、標高値を取得します。たとえば、2001 年の NASA Shuttle Radar Terrain Mapping (SRTM) ミッションでは、レーダーを使用して 30 メートルの分解能で地球全体の標高をマッピングしました。
LIDAR は高解像度標高モデルを作成する標準として、急速に導入されつつあります。LIDAR では定期的にレーザーをパルス照射して、非常に高精度、高密度の標高ポイントの「点群」を生成し、数値表層モデル (DSM)、数値地形モデル (DTM)、三角形メッシュ (TIN) などさまざまな情報を作成できます。
フィーチャの主要な 3D 属性の 1 つとして挙げられるのが垂直位置、すなわちベース標高です。これは建物や樹木などのオブジェクトの下辺部分が、いわゆる「地表面」の標高と接する場所です。視覚的な観点から、地形との整合性が重要です。地表と同一平面上に配置されるべきフィーチャが浮かんだり、埋没したりしないようにする他、3D 解析において、相対的な垂直位置を正確に捉える必要があるからです。
地表の数値地形モデル (DTM) は通常、フィーチャ (ポイント、線、ポリゴン、マルチパッチ (ボリューム)) に対して正しい Z 値を与えるためにサンプリングされます。単一の Z 値を適用し、フィーチャの位置を上下に垂直方向にシフトしたり、フィーチャを標高サーフェスにドレープすることもできます。
サーフェス モデルには、地形図や地表にあるすべてのオブジェクト (樹木や建物など) が含まれています。DSM の上に画像をドレープすると、シンプルな仮想世界を再現できます。あるいは、専用ツールを使用すれば樹木や建物などのフィーチャを新たに自分の GIS に追加することもできます。LIDAR では、一般的にファースト リターン データと呼ばれる最初に戻るレーザー パルスの標高値を使用して DSM を生成します。
「地盤高」とも呼ばれる地形モデルは、建物や樹木などを削除した状態を指します。DTM を使用し、陰影起伏を生成、地形図の傾斜や太陽に対する向きを決定、地表水の流れを計算、建物などのフィーチャのベース高度を設定できます。
高度モデルは使用頻度は高くありませんが、GIS を 3D 対応にするために欠かすことができません。建物や樹木などのフィーチャの、地表からの高さを計算するために使用されます。高度モデルは、地形モデルと表層モデルとの差を計算することで作成されます。LIDAR は、DHM 生成に使用されることが増えています。ダグラス ファー原生林の樹冠の高さを表すこのプロファイルも、その一例です。
ArcGIS では、3D マップはシーンと呼ばれ、Web やブラウザーで使用される 3D マップは Web シーンと呼ばれます。基盤としては地形を使用します。すべての 3D シーンの作成は、必要な数の 2D マップをサーフェスの標高カバレッジにドレープすることから始まります。3D 化するための最も簡単で迅速な方法は、画像やベースマップをベースの標高サーフェスにドレープすることです。GIS レイヤーの多くはすでに 3D に対応しており、また 3D 対応していないレイヤーもわずか数ステップで 3D 化することができます。この事実は多くの GIS ユーザーにとって驚きに違いありません。
大縮尺に拡大して使用するための高解像度の標高データが必要な場合、比較的新しい 2 つのソースを使用することで、詳細レベルを向上させることができます。たとえば LIDAR 測量やドローン空撮などです。いずれも、高解像度のサーフェス標高データを生成するために使用されます。高解像度 LIDAR 測量は急速に発展してきており、3D GIS をまったく新しい用途で活用できるようになっています。
ドローン空撮を使用して、撮影した写真からピクセルごとに標高値を生成することもできます。これで、地表での標高の読み取りだけでなく、観察されたすべてのフィーチャの高度ので数値表層モデルを生成することができます。
ArcGIS には、世界のほとんどの場所の標高を 30 メートルの解像度で表示できるグローバル標高ソースがあらかじめ用意されています。LIDAR やドローンの撮影画像など、より解像度の高い標高ソースがある場合は、対象の領域にズームしたときにのみ利用できる形で詳細な標高モデルデータを追加することで、大縮尺の 3D マッピング レイヤーを独自に作成できます。
2D GIS フィーチャの一部は、各 2D フィーチャに属性をいくつか追加することでクリエイティブに表現し、3D GIS で使用することができるようになります。
3D フィーチャの高さは、フィーチャと地表サーフェスとの交差部分と、フィーチャの高さが最も高いポイントとの距離を測定することで決定されます。この基本的な Z 値情報を使用して、2D フィーチャを立ち上げたり、既存の 3D モデルを適切な高さまで伸張することができます。
分類された LIDAR データを使用すると、これから生成される数値地形モデル (DTM) を数値表層モデル (DSM) から除算して、「地表からの高さ」ラスター、または正規化数値表層モデル (nDSM) を生成することができます。次にこの nDSM ラスターの値は、2D または 3D GIS フィーチャ内でサンプリングされ、立ち上げまたは垂直方向のスケーリングの際にジオメトリに適用される高さの最大値を決定することができます。
樹木も、画像や LIDAR から抽出されるフィーチャです。樹木の高さは、建物のベース標高と最大高さを決定するときと同じ手順により、手動または自動で抽出することができます。次に樹木の種類 (オークなど) に応じた詳細の 3D シンボルを適用し、各樹木の高さに応じて垂直方向に、そして樹冠部の幅に応じて水平方向にスケーリングして、写実的なシンボルを作成することができます。
3D 建物は、詳細レベルまたは精度の範囲内で表現できます。この範囲は通常、これらの建物を収集するときに使用される手法やソース データによって決まります。以下に示した詳細レベル (LoD) は、仮想的な 3D 都市モデルの表現手法である CityGML によって普及したもので、実世界の 3D 構造物の抽象化の度合いを表しています。各 LoD はテクスチャ処理された形でも、テクスチャ処理されていない形でも適用でき、選択した詳細レベルの妥当性は、建物のジオメトリを抽出する元データと、3D 可視化と解析の具体的なユース ケースが得られるかどうかによって異なります。たとえば、LoD1 の建物は、屋根の形状を正確に捉えられないため、日影による影響や屋上太陽光の解析には適していません。同様に、写実的にテクスチャ処理された LoD4 の建物は、概観を使用する 3D 解析では必要とされないような細部も含まれています。
LoD0 - 詳細レベル 0 の建物は、単なる 2D フットプリントであるかベース標高情報を含むポリゴンです。言い換えると、地表サーフェスと何らかの形で垂直方向に位置合わせされている状態です。
LoD1 - LoD1 の建物は、一定の高さに立ち上がっているポリゴンで、水平面と垂直面でのみ構成される閉じられた 3D 外殻構造になります。LoD1 の建物は簡単に作成でき、相対的な高さも表示できますが、ジオメトリが簡素化されているため、3D 解析よりも 3D 可視化に適しています。
LoD2 - LoD2 の建物の外殻構造には、垂直の壁面に加え、屋根のジオメトリが含まれる他、煙突や屋根窓といった細部が含まれることもあります。LoD2 建物は、日影による影響、見通し、屋上太陽光パネルのポテンシャルなど、さまざまな 3D 解析に適しています。
LoD3 - LoD3 建物の外殻構造には、LoD2 建物と同じように細部にわたる壁面および屋根のジオメトリが含まれますが、窓、扉、柱など構造上の細部がさらに追加されています。LoD3 建物は、ストリートレベルの可視化や、的を絞ったサイトの解析など、近づいたときの写実感が重視される場合に適しています。
LoD4 - 建物の外殻構造には、細部にわたる概観の特徴だけでなく、インテリアの壁、フロア、扉、什器類なども含まれます。LoD4 建物は、屋内の GIS や可視化に適しています。
これまで、写実的な 3D 建物は、ほとんどの自治体や都市計画者の技術力では作成不可能とされ、GIS 技術者が最も役に立つ場面でした。このようなデータの作成には法外なコストがかかることも珍しくありませんでした。しかし、高解像度の LIDAR や写真測量で測量される市街地が増えてきたことから、細部にわたる 3D 情報を入手しやすくなりました。そのデータを基に、建物のモデリングに必要な高さ情報だけでなく、屋根の形状も正確に把握できるようになったのです。
プロシージャル技術によりモデリングするうえで重要なのは、建物の屋根のジオメトリを正確に表現することです。このジオメトリを捕捉するために必要な属性は、以下のとおりです。
高さの合計 - 建物の最も高い部分の高さ (つまり屋根の棟)。
ひさしの高さ - 建物の屋根形状の主要なひさしの高さ。
屋根形状 - 屋根形状 (陸屋根、切妻、寄棟など)。
屋根の方向 - 屋根の棟の向き。
これらの属性は、技術者が建物を検証して手動で入力することもできますが、自動処理を使用して ArcGIS の標準ツールに基づく屋根形状情報を抽出することもできます。このプロセスについては、本章末尾の「Learn ArcGIS のレッスン」をご参照ください。
現在、世界の人口の半分以上が都市部に住んでおり、その割合は増え続けています。2050 年になっても農村人口の規模は現在と同程度と予測されていますが、都市部の住民の総数は倍増し、70 億人に上るとされています。その結果、都市は面積が著しく拡大し、高さも増すでしょう。
3D GIS は、このような都市部の未来を形作る重要なツールです。都市空間には 3D の建物が複雑に寄り集まっており、住居、ビル、区画、ブロック、地区に整理されています。これらの構造物は、道路、歩行者ルート、地下鉄などの各種輸送網でつながっており、複数のエネルギー網および公共設備網に接続されています。ArcGIS などの 3D GIS はさまざまなツールを提供しており、このような既存の構造物のモデリングと管理に使用することができます。このような都市形成は、いわゆるスマート シティに発展します。つまり、すべての部門が互いに接続され、インフラストラクチャのパフォーマンスと都市サービスの質がリアルタイムにモニタリングされます。
これまでは、3D での都市空間のモデリングと計画の大半は手動で行われており、大量のリソースが投入されてきました。しかし、都市の 3D コンテンツの要件が質量ともに増えていることから、迅速かつ半自動的な都市モデリング、設計、シミュレーションが可能な、代替的なソリューションのニーズが高まっています。その例として、2D フットプリントから 3D 建物の外殻構造の可視化、高層マンションの 3D 地籍記録の維持、3D による区画規制の管理と、区画改正による経済的影響の調査の他、マスタープラン作成が挙げられます。マスタープランでは、都市再開発の遂行 (通常は高密度化のシナリオ) における空間の需要、交通渋滞の影響、持続可能なエネルギーの利用、生活の質がシミュレーション、解析、最適化されます。
3D の機能は ArcGIS 全体で使用できます。これによりスマート シティと市民が効果的かつ活発に関わりを深めることができます。こうして 3D 情報を簡単に広く共有できるようになるため、決定したデザインを効果的に周知したり、都市に関するビッグ データを 3D を背景として可視化したりすることが可能になります。
画像を建物などのフィーチャに適用すると、空白の 3D ジオメトリを写実的な、詳細にわたる 3D モデルに変換できます。航空画像や低角度の斜め撮影 (またはストリートレベル) 画像は、写実的またはプロシージャル技術によって、個々の建物の面に貼り付けることができます。
写実的なテクスチャは、航空写真や斜め撮影写真から生成され、実際の建物や地物を 3D モデリングする際に使用されます。建物のすべてのサーフェスには固有のテクスチャが適用され、実世界での個々の面や屋根のサーフェスを表現します。このアプローチでは、データ取得にかかるコストと労力が多くなりますが、非常に写実的な 3D シーンを作成できます。たとえば、見慣れた建物や有名建築物を、構造的な細部まで写実的に再現できます。
プロシージャル テクスチャ処理では、3D 建物形状に対し、地理的または構造的に典型的な外観や屋根のテクスチャを適用します。これらのテクスチャは、テクスチャ処理されていない既存の 3D 建物モデルに適用することもできますが、2D フットプリントをテクスチャ処理済みの 3D 建物に変換する、手続き的なモデリング処理の一環として適用することもできます。
プロシージャル テクスチャは、各建物のテクスチャのタイプや、テクスチャを繰り返す回数を決定するルールに従って適用されます。テクスチャは通常、斜め撮影写真またはストリートレベルの画像から収集されます。その後、その画像には、建物やフロアの壁面に沿ってシームレスに繰り返すことができるように幾何補正や編集が行われます。
非常に写実的な 3D 建物を作成するために、テクスチャ ライブラリをグループ化し、建物の土地利用タイプ、高さ、フロア数、地域的な建築様式に合わせて適用できます。多くの場合、テクスチャ ライブラリは 1 階部分 (通常は他のフロアよりも天井が高く、エントランス ドアや店舗の軒先がある) と、2 階から上の部分 (均一的に繰り返される) の 2 つのグループに分かれています。
プロシージャル テクスチャ処理が施された建物のテクスチャは、実世界のテクスチャと完全に一致するわけではありませんが、さまざまな建築様式の外観に似せたテクスチャを安価に生成することができます。プロシージャル技術により作成された建物は、建物の高さや様式を簡単に変更でき、さまざまなシナリオを検討できることから、都市計画でも非常に便利です。
現在の技術革新時代において最大の奇跡の 1 つとして挙げられるのは、ドローン画像や Drone2Map (Esri の新しいアプリケーション) を使用し、小規模な調査エリアの 3D マップを生成できるようになったことです。ここで示す基本的な建物調査ワークフローでは、ドローンはあらかじめプログラミングされた経路を飛行し、一連の斜め撮影画像を撮影します。その後、ソフトウェアを使用して 3D シーンを作成します。
この建物を査察するため、ドローンはほぼ完ぺきな円形 (黄色) で飛行しています。撮影ポイントを青の点で示します。
200 年前、ジョージ・カーター氏はバージニア州リーズバーグの Oatlands Historic House and Gardens を設計、建築を手掛けました。今日、Oatlands House は歴史的建造物として保存されています。施設管理者は、ドローン画像を基に、精度の高いデータを迅速に、かつ大量に取得することができました。これには、細部にわたる 3D モデルが含まれ、地形の変更案 (樹木を大量に伐採するなど) を可視化するために使用できます。
ミッションに関するビデオを見る
オレゴン州ポートランド市役所は、市中心部周辺の建物が、市が新たに制定した環境イニシアチブに則しているかどうかを評価することにしました。この評価には、太陽光および日影の解析など、地域の 3D シーンや建物の写実的な屋根形状を必要とするさまざまな指標が含まれます。基本的な 3D シーンは、詳細レベル (LoD) 1 建物、すなわち、建物のフットプリントが均一の高さで立ち上がっているものを使用します。市役所では、ひさし、切妻、傾斜などの屋根形状の属性を表す LoD2 建物を使用することにしました。
ここでの目的は、LoD2 建物でポートランドの一地域の 3D シーンを作成することです。ArcGIS Pro タスクを活用し、LIDAR データから生成した点群データセットを作成し、それを基に地域のデジタル標高モデルを作成します。標高モデルのパターンに基づき、屋根形状に関する属性データを建物のフットプリントに追加し、ルール パッケージを使用してフットプリントを 3D でシンボル化します。最後に、建物にエラーがないことを確認し、不正なフィーチャを修正してからデータをマルチパッチ フィーチャクラスに変換します。こうすると、市役所とも共有しやすくなります。
