[論文レビュー] Digital twins for city simulation: Automatic, efficient, and robust mesh generation for large-scale city modeling and simulation

Vasilis Naserentin, Anders Logg|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2022

Remote Sensing and LiDAR Applications被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、公的2次元境界地図および3次元LiDAR点群から、高品質な3次元都市モデルと適合する四面体ボリュームメッシュを自動的かつ効率的かつ強健に生成するパイプラインを提示する。この手法は、都市シミュレーションに適したLoD1.2の表面メッシュおよびボリュームメッシュを生成し、並列化によってニアリアルタイム性能の可能性を有する強健性とスケーラビリティを達成する。

ABSTRACT

The concept of creating digital twins, connected digital models of physical systems, is gaining increasing attention for modeling and simulation of whole cities. The basis for building a digital twin of a city is the generation of a 3D city model, often represented as a mesh. Creating and updating such models is a tedious process that requires manual work and considerable effort, especially in the modeling of building geometries. In the current paper, we present a novel algorithm and implementation for automatic, efficient, and robust mesh generation for large-scale city modeling and simulation. The algorithm relies on standard, publicly available data, in particular 2D cadastral maps (building footprints) and 3D point clouds obtained from aerial scanning. The algorithm generates LoD1.2 city models in the form of both triangular surface meshes, suitable for visualisation, and high-quality tetrahedral volume meshes, suitable for simulation. Our tests demonstrate good performance and scaling and indicate good avenues for further optimization based on parallelisation. The long-term goal is a generic digital twin of cities volume mesh generator that provides (nearly) real-time mesh manipulation in LoD2.x.

研究の動機と目的

• デジタルツインのための3次元都市モデリングにおける手作業による時間のかかる、誤りの多い作業の課題を解決すること。
• 標準的な公的地理空間データから表面メッシュおよびボリュームメッシュの自動生成を可能にすること。
• CFDなどのマルチフィジックスシミュレーションに適した高品質な適合四面体メッシュの生成すること。
• インタラクティブシミュレーション環境をサポートするため、メッシュ生成における強健性と効率性を確保すること。
• ニアリアルタイムのデジタルツイン都市モデリングを実現するスケーラブルでオープンソースのソリューションを開発すること。

提案手法

• 入力データとして、EPSG:3006座標系における2次元の建物輪郭図（境界地図）と3次元LiDAR点群を使用する。
• Triangleライブラリを用いて建物輪郭図の2次元デローニ三角形分割により三角形表面メッシュを生成する。
• 径間基底関数を用いた補間とポisson方程式の解法により、地面および建物の高さを滑らかに補間した高さフィールドを構築する。
• 2次元メッシュを3次元に押し出し、ラプラシアンスムージングを適用することで、頂点を地面および建物の高さに一致させる四面体ボリュームメッシュを生成する。
• GEOSライブラリを介した幾何演算により、建物内部の四面体をトリムして除去する。
• 品質の検証を実施し、シミュレーションの強健性を確保するため、水密性、適合性、最小角条件を満たすようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に自動化されたパイプラインは、標準的な公的地理空間データから都市デジタルツイン用の表面メッシュおよびボリュームメッシュを生成できるか？
• RQ2 ノイズや不規則な入力データが存在する中でも、メッシュ生成における強健性と効率性をどのように達成できるか？
• RQ3 大規模な都市地域にスケーリングする際、シミュレーションに適した高品質を維持しつつ、どの程度のスケーラビリティを達成できるか？
• RQ4 PDEに基づくスムージングと幾何トリミングは、正確な建物および地面の高さ表現にどのように寄与するか？
• RQ5 インタラクティブシミュレーション環境におけるニアリアルタイム性能を最適化できるか？

主な発見

• アルゴリズムは2次元境界地図および3次元LiDAR点群から、高精度な都市シミュレーションに適した適合四面体ボリュームメッシュを正常に生成した。
• 不規則または不完全な入力データであってもパイプラインの停止を回避し、一貫したメッシュ品質を維持するという強健性を示した。
• パフォーマンスベンチマークの結果、良好なスケーリング特性が確認され、大規模都市モデリングに適した実行時間であり、並列化の強い可能性を示した。
• メッシュトリミングの前後で2段階のラプラシアンスムージングを適用することで、逆転四面体の発生を防ぎ、建物屋上部の正確な高さ表現を確保した。
• 実装されたDTCC BuilderはMITライセンスの下でオープンソースであり、FEniCS、Triangle、GEOSと統合されており、再現性および拡張性を実現した。
• パイプラインは、三角形表面メッシュおよび高品質な四面体ボリュームメッシュを備えたLoD1.2都市モデルを生成し、可視化およびシミュレーションの要件を満たした。