[논문 리뷰] 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)|2022. 10. 11.

Remote Sensing and LiDAR Applications인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 공개된 2차원 토지등록도 및 3차원 LiDAR 포인트 클라우드로부터 고품질의 3차원 도시 모델과 이를 따르는 테트라헤드론 볼륨 메쉬를 자동으로, 효율적이고 강력하게 생성하는 파이프라인을 제시한다. 이 방법은 도시 시뮬레이션에 적합한 LoD1.2 표면 및 볼륨 메쉬를 생성하며, 병렬 처리를 통해 거의 실시간 성능을 달성할 잠재력을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 디지털 트윈을 위한 수작업, 시간이 오래 걸리고 실수가 쉬운 3차원 도시 모델링 문제를 해결하기 위해.
• 표준 공개 지리공간 데이터로부터 표면 및 볼륨 메쉬를 자동으로 생성할 수 있도록 하기 위해.
• CFD와 같은 다물리학 시뮬레이션에 적합한 고품질의, 일치하는 테트라헤드론 메쉬를 생성하기 위해.
• 인터랙티브 시뮬레이션 환경을 지원하기 위해 메쉬 생성의 강력성과 효율성을 확보하기 위해.
• 거의 실시간 디지털 트윈 도시 모델링을 위한 확장 가능한 오픈소스 솔루션을 개발하기 위해.

제안 방법

• 입력 데이터로 EPSG:3006 좌표계의 2차원 건물 외곽선도 및 3차원 LiDAR 포인트 클라우드를 사용한다.
• 건물 외곽선의 2차원 델로아네 삼각분할을 위한 Triangle 라이브러리를 사용하여 삼각형 표면 메쉬를 생성한다.
• 반경 기반 함수를 사용한 보간과 포isson 방정식의 해를 통해 지면 및 건물 높이를 보간하여 고도 필드를 구성한다.
• 2차원 메쉬를 3차원으로 외삽하고 라플라시안 스무딩을 적용하여 정점이 지면 및 건물 높이에 정렬되도록 테트라헤드론 볼륨 메쉬를 생성한다.
• GEOS 라이브러리를 통한 기하 연산을 이용해 건물 내부의 내부 테트라헤드론을 제거하여 메쉬를 잘라낸다.
• 최종 메쉬는 품질 검증을 통해 밀폐성, 일치성, 최소 각 조건을 확보하여 시뮬레이션의 강력성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 공개 지리공간 데이터로부터 완전히 자동화된 파이프라인이 도시 디지털 트윈을 위한 표면 및 볼륨 메쉬를 생성할 수 있는가?
• RQ2 노이즈가 많거나 비정규적인 입력 데이터가 존재할 경우에도 메쉬 생성의 강력성과 효율성을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ3 대규모 도시 지역에 대해 메쉬 생성 과정이 얼마나 확장 가능할 수 있으며, 고품질의 시뮬레이션을 유지할 수 있는가?
• RQ4 PDE 기반 스무딩과 기하 연산을 통한 잘라내기가 정확한 건물 및 지면 고도 표현에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 인터랙티브 시뮬레이션 환경에서 거의 실시간 성능을 위한 최적화가 가능한가?

주요 결과

• 알고리즘이 2차원 토지등록도 및 3차원 LiDAR 포인트 클라우드로부터 일치하는 테트라헤드론 볼륨 메쉬를 성공적으로 생성하여 고정밀 도시 시뮬레이션에 적합하다.
• 불규칙하거나 불완전한 입력 데이터를 처리하더라도 파이프라인이 고장 나지 않으며 일관된 메쉬 품질을 유지함으로써 강력성을 입증한다.
• 성능 벤치마크 결과 양호한 확장성 행동을 보이며, 대규모 도시 모델링에 적합한 실행 시간을 제공하여 병렬 처리 잠재력을 높게 평가한다.
• 메쉬 잘라내기 이전 및 이후에 두 단계의 라플라시안 스무딩을 적용함으로써 뒤집힌 테트라헤드론을 방지하고 건물 옥상의 정확한 고도 표현을 보장한다.
• 구현된 DTCC Builder는 MIT 라이선스 하에 오픈소스이며, FEniCS, Triangle, GEOS와 통합되어 재현 가능성과 확장성을 보장한다.
• 파이프라인은 삼각형 표면 메쉬와 고품질 테트라헤드론 볼륨 메쉬를 모두 포함한 LoD1.2 도시 모델을 생성하여 시각화 및 시뮬레이션 요구사항을 충족시킨다.