Optimization of automated retrieval of semantic 3D city data

Abstract

A 3D city model is considered as the digital representation of a city/ urban area that may decompose into its objects/ elements such as buildings, roads, railways, terrain, water, vegetation etc., with clearly defined semantics, spatial and thematic properties. Depending on the level of detail (LoD), these objects may further decompose into more detailed features. The OGC standard CityGML, optimally allows integration of the diversified geoinformation of the aforementioned elements and provides multiple resolution at different LoDs. Since 2008, it has been an international OGC standard for representing and exchanging a 3D city model while in 2012, version 2.0 of this standard was published. CityGML represents the geometrical, semantic, and visual aspects of 3D city models and, for this reason, it is considered as an optimal standard for the representation of 3D city models. However, the structure of the CityGML standard is rather complex in order to support all these capabilities. Initially, CityGML was designed for the representation of 3D city models and not for presenting or visualizing 3D city models directly on the web. Therefore, the retrieval of the available semantic features from this standard, by implementing interoperable approaches without the need for specific knowledge, is a challenge, thus constituting the main research question of this work. Achieving this CityGML data retrieval is structured on the basis of interoperability, easy-to-use, semantics and non-expert user. The current dissertation is structured in six chapters in order to address the research question raised above and the resulting sub-questions. First, the available research works and studies focusing on retrieving CityGML data are examined. Then, the solution of the REST approach is presented and compared with other state-of-the-art technologies, and finally, the CityGML RESTful Web service is conceptually designed and presented as a new approach for retrieving CityGML data based on their semantic characteristics. Chapter 2 presents the relevant research work that focuses on the CityGML data retrieving utilizing tile or hierarchical-based or Web service-based approaches. Initially, the file-based formats such as X3D, JSON, KML and glTF have been further studied. Next, the OGC I3S and OGC 3D tiles are further examined as they provide a good solution in relation to the literature research. Next, taking into account the complex structure of the CityGML standard and the need to retrieve data from distributed sources, the adoption of the available OGC Geospatial Web services are examined, such as OGC 3DPS and OGC WFS. Also, the extension of the OGC WFS, as well as the integration of the RESTful service architecture on top of OGC WFS are further examined. The third Chapter of this dissertation studies the interoperable and easy-to-use information retrieval of CityGML based on its semantic characteristics using non-OGC Web services, such as SOAP and REST. Additionally, the REST is further compared with new state-of-the-art technologies that can be adopted as CityGML data retrieval mechanism, such as GraphQL and Falcor. Next, the solution of REST approach is presented and several principles and constraints in respect to the RESTful implementation are described. Thereafter, several principles and guidelines are provided with regard to the CityGML RESTful Web service and finally, the conceptual design of its core resources is presented such as “citymodels” and “gmlid”. Chapters 4 and 5 focus on the presentation and description of the conceptual design of CityGML RESTful Web service, which is a new approach and proposal of the current dissertation. So, taking into account the CityGML architecture, the CityGML structure is more semantic than geometric, and therefore the retrieval of the data has to be achieved mainly in compliance with the CityGML’s semantic information. From the five components of the CityGML’s architecture, only the component of the thematic modules defines the semantic features of CityGML. Therefore, these thematic modules are defined as the main resources of the CityGML RESTful Web service. However, apart from the above-mentioned resources, some extra main resources are also defined to make easier accessing their available semantic features. Since CityGML adopts the multi-scale modelling in five different LoDs, the same object may be simultaneously represented in different LoDs, enabling the analysis and visualization of the same object with regard to different resolution. However, LoD is considered vital not only in the geometric determination of the level of detail, but also in the semantics. By increasing the LoD, the semantic richness of CityGML increases respectively. Therefore, this semantic enrichment of each of the thematic modules is retrieved by implementing a variety of sub-resources. Thus, some of the main resources have LoD-based sub-resources and hence, their semantic retrieval is available based on the LoD, while, some resources are LoD-independent with no differentiation regarding their semantic sub-resources from one LoD to another. More specifically, the fourth Chapter deals with the conceptual design of the LoD-based thematic resources of the CityGML RESTful Web service. In this direction, the “bldg”, “tun” and “brid” main resources and their respective child resources are presented. These resources refer to the respective building, bridge and tunnel modules of the CityGML 2.0. Additionally, for each of these resources, various case studies using semantic requests are exploited and presented. The conceptual design of the rest of the main resources of the CityGML RESTful Web service are presented in Chapter 5. These resources are mainly LoD-independent thematic resources and therefore, they are enriched with semantic characteristics either independently of LoD or from LoD2 and above without any different from one level to another. Finally, Chapter 6 concludes this research work by discussing the findings of the previous chapters and responding to the sub-research questions formulated to address the aim of this dissertation. Suggestions for future research works are discussed, aiming at making this approach an OGC standard, and on upgrading it so that the upcoming version 3 of CityGML can be fully supported.

Το τρισδιάστατο μοντέλο πόλης θεωρείται η ψηφιακή αναπαράσταση μιας πόλης που μπορεί να αποσυντεθεί σε ένα σύνολο αντικείμενων όπως κτήρια, δρόμοι, σιδηρόδρομοι, εδάφη, νερό, βλάστηση κλπ. με σαφώς καθορισμένη σημασιολογία, καθώς και χωρικές και θεματικές ιδιότητες. Αναλόγως το επίπεδο λεπτομέρειας, τα εν λόγω αντικείμενα μπορούν να αποσυντεθούν περαιτέρω σε πιο λεπτομερή χαρακτηριστικά. To CityGML, που αποτελεί πρότυπο OGC, επιτρέπει την βέλτιστη ενσωμάτωση της ποικιλόμορφης γεωπληροφορίας των προαναφερθέντων στοιχείων παρέχοντας διαφορετική ανάλυση της πληροφορίας τους σε διαφορετικά επίπεδα λεπτομέρειας. Από το 2008 αποτελεί πρότυπο OGC για την αναπαράσταση και την ανταλλαγή 3D δεδομένων πόλης, ενώ από το 2012 βρίσκεται στην έκδοση 2.0. Επιπλέον, το CityGML αντιπροσωπεύει τις γεωμετρικές, σημασιολογικές και οπτικές πτυχές των 3D μοντέλων πόλης και, ως εκ τούτου, θεωρείται το καταλληλότερο πρότυπο για την αναπαράσταση τρισδιάστατων μοντέλων πόλης. Ωστόσο, προκειμένου να υποστηρίξει όλες τις προαναφερθείσες δυνατότητες, διαθέτει αρκετά πολύπλοκη δομή. Επιπλέον, ο βασικός στόχος σχεδίασης του CityGML είναι η αναπαράσταση του τρισδιάστατου μοντέλου πόλης και όχι η οπτικοποίησή του απευθείας στο διαδίκτυο. Επομένως, η δυνατότητα ανάκτησης όλων των διαθέσιμων σημασιολογικών πληροφορίων από το εν λόγω πρότυπο με την χρήση διαλειτουργικών προσεγγίσεων και χωρίς την ανάγκη ύπαρξης εξειδικευμένης γνώσης, αποτελεί σημαντική πρόκληση και δημιουργεί το βασικό ερευνητικό ερώτημα για τη διατριβή. Συγκεκριμένα, η ανάκτηση των δεδομένων του CityGML πρέπει να επιτευχθεί με γνώμονα τη διαλειτουργικότητα (interoperability), τη σημασιολογική προσέγγιση (semantically) και την εύκολη προσπέλαση /χρήση (easy-to-use), ακόμη και από μη ειδικούς (non-expert users). Το περιεχόμενο της παρούσας διατριβής διαρθρώνεται σε έξι κεφάλαια, με στόχο την παροχή ολοκληρωμένων απαντήσεων στα ερευνητικά ερωτήματα που προέκυψαν από την προαναφερθείσα πρόκληση. Αρχικά, εξετάζονται οι διαθέσιμες έρευνες που εστιάζουν στην ανάκτηση δεδομένων CityGML. Στη συνέχεια, γίνεται παρουσίαση της προσέγγισης REST, η οποία στη συνέχεια συγκρίνεται με σύγχρονες τεχνολογίες. Τέλος, γίνεται αναλυτική παρουσίαση της CityGML RESTful Web service, που αποτελεί προτεινομένη λύση της παρούσας διατριβής ώστε να επιτευχθεί η ανάκτηση δεδομένων CityGML με βάση τα σημασιολογικά τους χαρακτηριστικά. Το δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζει και αξιολογεί διάφορες έρευνες που επικεντρώνονται στην ανάκτηση δεδομένων CityGML χρησιμοποιώντας πληθώρα προσεγγίσεων όπως με πλακάκια (tile-based), ιεραρχικές (hierarchical-based) και διαδικτυακές υπηρεσίες. Αρχικά, μελετήθηκαν file-based μορφότυπα όπως X3D, JSON, KML και glTF. Στη συνέχεια τα πρότυπα OGC I3S και OGC 3D tiles μελετήθηκαν περαιτέρω καθώς παρέχουν αρκετά καλή λύση με βάση τις υπάρχουσες έρευνες. Επιπλέον, λαμβάνοντας υπόψη την περίπλοκη δομή του CityGML και την ανάγκη ανάκτησης δεδομένων από κατανεμημένες πηγές, εξετάστηκε η υιοθέτηση των διαθέσιμων OGC γεωχωρικών υπηρεσιών διαδικτύου, που στο πλαίσιο του τρισδιάστατου χώρου είναι τα OGC 3DPS και OGC WFS. Επίσης, αναφορικά με το OGC WFS, εξετάζεται περαιτέρω τόσο η επέκταση του όσο και η ενσωμάτωση RESTful διαδικτυακής υπηρεσίας ως βασικός οδηγός χρήσης του. Το τρίτο κεφάλαιο αυτής της διατριβής μελετά τη διαλειτουργική και εύχρηστη ανάκτηση CityGML πληροφοριών με βάση τα σημασιολογικά χαρακτηριστικά τους χρησιμοποιώντας διαδικτυακές υπηρεσίες που δεν αποτελούν πρότυπα OGC, όπως SOAP και REST. Επιπροσθέτως, η REST αρχιτεκτονική συγκρίνεται περαιτέρω με νέες τεχνολογίες αιχμής που μπορούν να υιοθετηθούν ως μηχανισμός ανάκτησης δεδομένων CityGML, όπως GraphQL και Falcor. Έπειτα, παρουσιάζεται η προσέγγιση REST ως προτεινόμενη λύση και, επιπλέον, περιγράφονται διάφορες αρχές και περιορισμοί που αναφέρονται στη RESTful υλοποίηση. Στη συνέχεια, παρέχονται αρχές και οδηγίες αναφορικά με την CityGML RESTful διαδικτυακή υπηρεσία και τέλος, αναλύεται ο εννοιολογικός σχεδιασμός των πόρων του πυρήνα της, όπως “citymodels” και “gmlid”. Τα Κεφάλαια 4 και 5 εστιάζουν στην αναλυτική περιγραφή και παρουσίαση του εννοιολογικού σχεδιασμού της CityGML RESTful διαδικτυακής υπηρεσίας, η οποία αποτελεί μια νέα προσέγγιση και πρόταση της τρέχουσας διατριβής. Συνεπώς, λαμβάνοντας υπόψη την αρχιτεκτονική του CityGML, η δομή του είναι περισσότερο σημασιολογική παρά γεωμετρική και επομένως η ανάκτηση των δεδομένων πρέπει να υλοποιηθεί κυρίως σύμφωνα με τις σημασιολογικές πληροφορίες του. Από τα πέντε στοιχεία της αρχιτεκτονικής του CityGML, μόνο το στοιχείο των θεματικών μοντέλων καθορίζει τα σημασιολογικά χαρακτηριστικά του CityGML. Συνεπώς, τα εν λόγω θεματικά μοντέλα καθορίζονται ως οι βασικοί πόροι της CityGML RESTful διαδικτυακής υπηρεσίας. Ωστόσο, εκτός από τους προαναφερθέντες πόρους, καθορίζονται κάποιοι επιπλέον βασικοί πόροι προκειμένου να διευκολυνθεί η πρόσβαση στα διαθέσιμα σημασιολογικά τους χαρακτηριστικά. Επιπροσθέτως, υιοθετεί τη μοντελοποίηση πολλαπλών κλιμάκων και υποστηρίζει πέντε διαφορετικά επίπεδα λεπτομέρειας. Στο CityGML, το ίδιο αντικείμενο δύναται να αναπαρασταθεί ταυτόχρονα σε διαφορετικά επίπεδα λεπτομέρειας, επιτρέποντας την οπτικοποίηση του ίδιου αντικειμένου σε διαφορετικά επίπεδα χωρικής ανάλυσης. Ωστόσο, το επίπεδο λεπτομέρειας θεωρείται ζωτικής σημασίας, τόσο στο γεωμετρικό προσδιορισμό των διαθέσιμων χαρακτηριστικών όσο και στο σημασιολογικό, και επομένως, η αύξηση του επιπέδου λεπτομέρειας εμπλουτίζει αντίστοιχα τα σημασιολογικά χαρακτηριστικά του CityGML. Ως εκ τούτου, η ανάκτηση του εκάστοτε σημασιολογικού εμπλουτισμού για κάθε διαθέσιμο θεματικό μοντέλο επιτυγχάνεται με την υιοθέτηση διαφόρων υπο-πόρων της CityGML RESTful διαδικτυακής υπηρεσίας. Ως αποτέλεσμα, ορισμένοι από τους βασικούς πόρους διαθέτουν υπο-πόρους που η διαθεσιμότητά τους βασίζεται στο επίπεδο λεπτομέρειας, ενώ ορισμένοι πόροι είναι ανεξάρτητοι από το επίπεδο λεπτομέρειας και επομένως δεν υπάρχει διαφοροποίηση στη διαθεσιμότητα των αντίστοιχων υπο-πόρων τους από το ένα επίπεδο λεπτομέρειας στο άλλο. Το τέταρτο κεφάλαιο ασχολείται με τον εννοιολογικό σχεδιασμό των LoD-based βασικών θεματικών πόρων της CityGML RESTful διαδικτυακής υπηρεσίας. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι βασικοί πόροι “bldg”, “tun” και “brid” και οι αντίστοιχοι υπο-πόροι τους. Οι εν λόγω βασικοί πόροι αναφέρονται στα αντίστοιχα μοντέλα κτηρίων, γεφυρών και τούνελ του CityGML 2.0. Επιπροσθέτως, για κάθε έναν από αυτούς τους πόρους, παρουσιάζονται διάφορα παραδείγματα εφαρμογής σημασιολογικών αιτημάτων. Ο εννοιολογικός σχεδιασμός των υπολοίπων βασικών πόρων της CityGML RESTful διαδικτυακής υπηρεσίας αναλύεται στο Κεφάλαιο 5. Οι συγκεκριμένοι πόροι είναι ανεξάρτητοι από το επίπεδο λεπτομέρειάς τους και επομένως, εμπλουτίζονται με τα ίδια σημασιολογικά χαρακτηριστικά είτε ανεξάρτητα του εκάστοτε επιπέδου λεπτομέρειας είτε από το επίπεδο λεπτομέρειας δύο και πάνω. Τέλος, στο Κεφαλαίο 6 ολοκληρώνεται η μελέτη της τρέχουσας διατριβής συζητώντας τα ευρήματα των προηγούμενων κεφαλαίων και απαντώντας στα αντίστοιχα ερευνητικά ερωτήματα. Επίσης, υποβάλλονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα, εστιάζοντας στην καθιέρωση της προτεινόμενης προσέγγισης ως πρότυπο OGC, καθώς επίσης και στην αναβάθμισή της προκειμένου να μπορεί να υποστηρίξει πλήρως την επερχόμενη έκδοση 3 του CityGML.