鏡の世界を作る

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。

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。

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。