Kapitola 5 3D GIS

V oblasti kartografie a GIS se modelováním prostorových dat rozumí proces tvorby matematické reprezentace okolního světa. Výsledný model, tedy zjednodušený popis reality, má za cíl usnadnit jak grafickou prezentaci vybrané části světa, tak i pochopení jejích vlastností. Získání takových znalostí je dosaženo analýzou, provedenou nad takovým modelem.

Ranou metodou takového modelování byly pohledové mapy (obrázek 1), které překvapivě dobře odpovídaly přirozenému lidskému vnímání okolního světa. Jednalo se však spíše o obrázek bez dostatečných matematických základů, v důsledku čehož nebylo možné nad takovými mapami provádět měření či jiné analytické operace.

Obrázek 1: Výřez mapy Paříže v ptačí perspektivě Claes J. Visscherem z roku 1618, měřítko cca 1:2 000 (zdroj: Brůha, 2017)

V obdobích následujících převažovaly mapy vytvořené matematicky přesně definovanými postupy, které zobrazovaly prostorové čili tří-dimenzionální (3D) objekty v ploše, tedy jako dvou-dimenzionální (2D). Modelování reálného světa ve dvou dimenzích s sebou nese radikální zjednodušení prvků 3D světa. To nevyhnutelně vede ke ztrátě nesené informace o výšce a tvaru těles na zemském povrchu. 2D model reality též limituje správnost prováděných analýz a možnost pochopení komplexních přírodních i společenských jevů. V časech rostoucí naléhavosti environmentálních problémů, udržitelnosti současného fungování společnosti, ale i efektivity správy měst se GIS stávají středem zájmu pro jejich schopnost analýzy těchto problémů. Právě funkční omezení 2D modelů vyvolala potřebu po komplexnějších modelech reality, než je zobrazení světa v ploše.

5.1 Modelování prostorových dat s ohledem na dimenzionalitu

Ačkoliv je pojem dimenze v každodenní mluvě používán, definice dimenze modelů prostorových objektů není tak přímočará, jak by se dalo očekávat. Pilouk (1996) rozlišuje vnitřní a vnější dimenzi.

Pojem vnitřní dimenze odkazuje na nejvyšší dimenzi nejjednodušších geometrických objektů (tzv. geometrických primitiv – bod, linie, ohraničená plocha atd.), které daný model reality používá pro popis objektů. Například, je-li budova popsána množinou ploch, je vnitřní dimenze dva.Pokud je budova reprezentována množinou těles (krychle, jehlan), je vnitřní dimenze tři. Vnější dimenze je dimenze prostoru, ve kterém se modeluje. Na tomto základě lze hovořit o následujících metodách modelování reality (Penninga, 2008):

2D modely – pracují s 2D geometrií (vnitřní dimenze) ve 2D prostoru (vnější dimenze), 2D model se skládá z geometrických primitiv dimenze dva nebo nižší (bod, linie, plocha) ve 2D prostoru, tedy v rovině (obrázek 2).

Obrázek 2: Výřez 2D vrstvy budov modelovaných pomocí uzavřených lomených linií ohraničujících plochy (zdroj: Brůha, 2017)

2.5D modely - pracují s 2D geometrií ve 3D prostoru. 2.5D model je tvořen geometrickými útvary nejvýše dimenze dva ve 3D prostoru, přičemž současně musí platit, že pro každou polohu o souřadnicích \((x,y)\) existuje pouze jedna hodnota výšky. Toto kritérium je často užíváno pro účely modelování terénu. V důsledku není možné popsat situace, jako jsou kolmé stěny, jeskyně či převisy.

Snahy o vytvoření ‚3D‘ topografických datových sad vedly k rozličným rozšířením striktního 2.5D modelu. Simonse (2000) použil tzv. mnohonásobný 2.5D model. Ten spočívá v použití několika 2.5D vrstev, z nichž každá obsahuje vybraný jev, např. kombinace vrstvy terénu a vrstvy mostů. Jiné rozšíření, tzv. 2.5D+ varianta, umožňuje navíc oproti původnímu 2.5D přístupu reprezentovat i kolmé stěny. Řešení v podobě 2.75D (Tse a Gold, 2004) je též utvářeno geometrickými prvky dimenze dva nebo nižší ve 3D prostoru. Neklade však žádná omezení na kolmé stěny, ani převisy či díry v modelovaném povrchu (obrázek 3).

Obrázek 3: Model dimenzionality: a) 2D, b) 2.5D, c) 2.5D+, d) 2.75D, e) 3D (zdroj: Boguslawski, 2011)

2.5D+ modely - Jedná se o rozšíření předchozího konceptu, ale jsou povoleny i svislé plochy (viz obrázek 3c). Používá se u „blokových“ modelů exteriérů budov, kde jsou střechy vodorovné letadla s přiřazenou výškou; stěny reprezentované jako svislé roviny jsou rekonstruovány vytlačování (Ledoux a Meijers, 2010).
2.75D modely - pro umožnění pokročilejších konstrukcí (např. mostů, tunelů atd.) je nutná souřadnice z. Tse a Gold (2004) ukázali, jak modelovat povrch světa pomocí funkcí TIN a CAD (např. Eulerovy operátory) (viz obrázek 3d). Nicméně tato metoda neumožňuje konstrukci 3D objektů s oddělenými částmi. Z matematiky se z pohledu těchto modelů jedná o dvoudílné pláště (polyhedra) s otvory.
3D modely - pracují s 3D geometrií ve 3D prostoru, 3D modelování je oblast zasahující do domény počítačové grafiky, která využívá 3D těles ve 3D prostoru. Během překotného vývoje v této oblasti vykrystalizovaly dvě hlavní metody 3D modelování - povrchová a objemová. V následujícím textu budou tyto dva přístupy podrobněji vysvětleny z hlediska reprezentace hranic 3D objektů a geometrických primitiv k tomu využívaných.

5.1.1 Povrchová reprezentace 3D objektů

Povrchová, někdy též hraniční, reprezentace těles (boundary representation, B-rep) je v oblasti GIS nejpoužívanějším způsobem reprezentace 3D objektů ve 3D prostoru. Metoda popisuje hranice objektu množinou hraničních bodů, ale neuchovává žádnou informaci o vnitřní struktuře. Je ji však možné dopočítat (Žára a kol., 2005). Využití obrysu tělesa pro jeho popis je přirozenou metodou, která je většinou lidí používána odjakživa, například během kreslení.

Nejstarším a také nejjednodušším způsobem popisu tělesa je hranová reprezentace. Ta je informačně velmi chudá, neboť využívá pouze hran a vrcholů. Někdy je též označována jako drátová (Žára a kol., 2005), neboť připomíná školní drátové modely. Výsledná datová struktura neobsahuje dostatek topologických informací a není vhodná pro užití v GIS. Přirozeným rozšířením předchozí metody je jednoduchá plošková reprezentace (Facet model) - např. TIN. Reprezentace hranice objektu využívá kromě vrcholů a hran i plochy. Plošková reprezentace je tak vhodná pro vykreslování objektů zohledňujících problematiku viditelnosti. Model Pravčické brány na obrázku 4 je příkladem této metody hraniční reprezentace. Tento model zobrazeného území sestává z terénu rekonstruovaného TIN metodou 2.5D na základě dat pořízených metodou leteckého laserového skenování. Druhou částí výsledné grafické scény je 3D model pískovcového oblouku Pravčické brány, který byl rekonstruován odděleně z dat pozemního laserového skenování.

Strukturovaná plošková reprezentace* rozšiřuje množství nesené informace o typ hran a jejich sousednost, čímž kromě samotného vykreslení umožňuje i prostorové analýzy typické pro GIS.

Obrázek 4: Model skalního města v Národní parku České Švýcarsko (zdroj: Brůha, 2017)

Mezi povrchové modely řadíme i rastrové modely (GRID), jež jsou využívány k vyjádření 2.5D povrchů (DTM, DSM).

5.1.2 Objemová reprezentace 3D objektů

Metodou objemové reprezentace 3D objektů je konstruktivní geometrie těles (Constructive solid geometry - CSG), která bývá často využívána v CAD systémech (computer-aided design, česky počítačem podporované projektování) a objekty reprezentuje kombinací předdefinovaných geometrických primitiv (kvádr, koule, jehlan, kužel atp.). Model je popsán tzv. CSG stromovou strukturou a kopíruje postupy při návrhu tělesa člověkem (Žára a kol., 2005). Při popisu se používají geometrické transformace a množinové operace sjednocení, průnik nebo odečtení (obrázek 5).

Obrázek 5: CSG-strom - modelování komplexního tvaru z jednoduchých geometrických primitiv s pomocí množinových operátorů průnik (∩),sjednocení (U) a rozdíl (−). (zdroj: CSG,2016)

Reprezentace CSG stromem však není příliš vhodná pro vizualizaci v GIS, neboť neobsahuje přímo vykreslitelná geometrická primitiva, jako jsou body či hrany. Byla vyvinuta pro konstruktéry pro vytváření modelů těles. Existují sice metody, které dokáží CSG tělesa vykreslit (např. tzv. sledování paprsku), ale z důvodů rychlosti vykreslování je v praxi volen převod do hraniční reprezentace. Topologie však v tomto modelu není řešena zcela konzistentně.

Mezi objemové modely patří 3D pole, oktalový strom, reprezentace spojitých těles a 3D TIN. 3D pole je třírozměrná obdoba GRIDu, kubické buňky se označují jako voxely. Pokud existuje pole buněk se stejnými hodnotami, tak dochází k hromadění velkého množství nadbytečných informací. Tento problém řeší oktalový strom (Octree), což je hierarchická varianta předchozího modelu, která skládá zobrazovaný objekt z abstraktních kubických částí – ty slouží k adaptivnímu zjemňování podle tvaru zobrazovaného objektu. Každá buňka může být rozložena vždy na osm dílčích částí. Jde o prostorovou variantu modelu quadtree.

5.1.3 Dnešní užití 3D modelů v GIS

Ze schopnosti reprezentovat svět ve 3D těží množství praktických aplikací v oblasti územního plánování, dopravy, stavebního inženýrství či navigace. Modelování ve 3D pomáhá zpřesňovat analýzy viditelnosti, proudění vzduchu nebo přenosu radiového signálu. Jiné metody jsou na něm zcela závislé, např.“indoor”" modelování (GIS vnitřních prostor budov) a navázané aplikace.

Široké uplatnění lze nalézt v oblastech vzdělávání a propagace. 3D grafika je oproti tradičním webovým stránkám či tištěným produktům velmi atraktivní. Toho je využíváno při prezentaci rekonstrukcí poškozených památek, ale i celých zaniklých měst. V podobě animací s 3D grafikou lze prezentovat i historické události. Častým příkladem jsou rekonstrukce významných bitev. Nástroje pro 3D analýzu prostorových dat, jejich vizualizaci včetně možností vytváření animací se stávají obvyklou součástí stávajících GIS programů. A to včetně těch volně stažitelných a dostupných pro výuku.

Reálné využití 3D aplikací bylo umožněno také rozvojem nových technologií pro pořizování prostorových dat. Díky usnadnění získávání dat se rozšířila jejich dostupnost i prostorové pokrytí. Modelování ve 3D však výrazně navyšuje výpočetní náročnost oproti 2D řešením. V kombinaci s obrovskými objemy podrobných topografických dat, která mají dnes až globální pokrytí, je modelování plně ve 3D často mimo možnosti současných výpočetních technologií. Volba mezi jednotlivými druhy modelů prostorových objektů je tak v praxi dána vhodností pro účel konkrétní aplikace. Často se lze setkat s řešeními, která využívají kombinace obou přístupů – modelování rozsáhlých modelů terénu ve 2.5D a využití 3D přístupů pouze tam, kde je to nezbytné, např. při modelování jeskyní či skalních bran (obrázek 4). Jiným příkladem kombinace různých metod jsou 3D modely měst zobrazované nad modelem terénu v technologiích typu Google Earth či ESRI ArcGlobe (obrázek 6). Takové globální 3D GIS jsou aktuálním předmětem výzkumu a vývoje. Z pohledu uživatele se postupně stávají novou platformou pro vzájemnou komunikaci a sdílení informací.

Obrázek 6: Quebec - 3D model (zdroj: https://www.esri.com/about/newsroom/arcnews/the-city-of-quebec-models-a-bright-future-with-3d-gis/)

5.2 3D data v GIS

Trojrozměrná data GIS obsahují navíc třetí dimenzi - hodnotu \(z\). \(Z\)-hodnoty jsou měřitelné a umožňují ukládání a zobrazování více informací než tradiční 2D GIS data \((x, y)\). I když jsou \(z\)-hodnoty nejčastěji hodnotami reálného světa (výška nad mořem nebo geologická hloubka), neexistují žádná pravidla, která by použití třetí dimenze omezovala. \(Z\)-hodnoty lze použít k reprezentaci mnoha věcí, jako jsou chemické koncentrace, vhodnost místa nebo dokonce čistě reprezentativní hodnoty pro vyjádření hierarchie.

Existují dva základní typy 3D GIS dat: 3D prvky (3D feature data) a povrchy (surface data).

5.2.1 3D feature data

Trojrozměrné prvky reprezentují diskértní objekty a 3D informace o každém objektu je uložena s jeho geometrií. Trojrozměrné prvky mohou podporovat potenciálně mnoho různých hodnot \(z\) pro každé místo \(x,y\). Například svislá čára má horní vrchol a dolní vrchol, z nichž každá má stejnou 2D souřadnici, ale každá z nich má různé hodnoty \(z\). Dalším příkladem údajů o 3D prvcích by mohla být 3D multipatch budova, jejíž střecha, vnitřní podlahy a základ by všechny obsahovaly různé hodnoty \(z\) pro stejnou 2D souřadnici. Ostatní údaje o 3D prvcích, jako je 3D poloha letadla nebo pěší stezka nahoru, by měly pro každou polohu \(x,y\) pouze jednu hodnotu \(z\). 2D data lze pak zobrazit ve 3d tzv. “vytlačením” (extrusion) do výšky \(z\), která je v nich uložena.

V ArcGIS umožňuje práci s 3D daty nadstavba 3D Analyst, která pracuje s následujícími typy 3D prvků:

Multipatch - v češtině bychom mohli doslova vyjádřit jako “multiploška”, tj. prvek skládající se ze souboru plošek, které slouží k modelování hranice 3D objektů. V databázi jsou ukládány jako jeden objekt (1 řádek) s následujícími informacemi: textura, barva, geometrie.

Obrázek 7: multipach (zdroj: http://desktop.arcgis.com/en/arcmap/latest/extensions/3d-analyst/multipatches.htm)

Jde o průmyslový standard GIS vyvinutý společností ESRI v roce 1997 a používá se k definování reprezentace vnějšího obalu pro 3D objekty. Tento geometrický typ lze využívat k ukládání takových 3D objektů, jako jsou např. budovy, geologická tělesa, 3D bezletové zóny apod., a to jak v geodatabázi, tak i ve formátu shapefile. Nelze je vytvářet interaktivně pomocí standardního editačního interface, ale musí být vytvářeny pomocí následujících metod:

určitých geoprocessingových nástrojů - např. Extrude Between Layer 3D to Feature Class,
importem dat z existujících modelů (SketchUp, COLLADA, 3D Studio Max, OpenFlight),
pomocí ArcObjects kódu.

3D body (3D points) - bodový objekt je objekt GIS, který ukládá svou geografickou reprezentaci jako souřadnicový pár \(X\) a \(Y\) - jako jednu ze svých vlastností (nebo polí) do řádku v databázi. Některé bodové prvky - například umístění letadla - musí také obsahovat hodnotu \(z\) nebo výšku, aby se správně umístily v 3D prostoru. Tyto objekty musí být modelovány jako 3D bodové prvky. Jako příklady 3D bodů lze uvést lokalizace letadel, body měření zemětřesných otřesů v různé hloubce pod povrchem, stanice metra, body na budovách apod.

Obrázek 8: 3D body (zdroj: https://courses.washington.edu/gis250/lessons/3d/index.html)

3D linie (3D polyline) - linie je objekt GIS, který ukládá svou geografickou reprezentaci jako řadu dvojic souřadnic \(x\) a \(y\) - jako jednu ze svých vlastností (nebo polí) do řádku v databázi. Některé prvky vedení - například podzemní trasy metra - musí také obsahovat hodnoty \(z\) nebo výšky, aby se správně umístily do 3D prostoru. Tyto objekty musí být modelovány jako 3D linie.Jako příklad 3D linií lze uvést trasy podzemních drah, letové trasy, linie viditelnosti mezi budovami, dopravní sítě v mrakodprapech.

Obrázek 9: 3D linie (zdroj: https://blog.leapfrog3d.com/2017/06/13/3d-geological-mapping-from-2d-gis-maps-to-3d-modelling/)

3D polygony - polygon je objekt GIS, který ukládá svou geografickou reprezentaci jako řadu dvojic souřadnic \(x\) a \(y\), které jej ohraničují - jako jednu ze svých vlastností (nebo polí) v řádku v databázi. Polygonové prvky mají dvě samostatné části, které mohou být potenciálně modelovány ve 3D: jejich vnější obvodová linie a jejich vnitřní plocha. Téměř ve všech případech by polygony měly být modelovány jako 3D prvky pouze v případě, že vnější obvod musí obsahovat \(z\)-hodnoty nebo výšky, aby se v 3D prostoru správně lokalizoval. Jako příklad 3D polygonů lze uvést hranice jezer, pouliční obrubníky apod.

5.2.2 Povrchy

3D povrchy jsou obvykle vytvářeny buď pomocí interpolačních technik nebo triangulací. Interpolační techniky jsou detailně popsány v kapitole 2. Jejich použitím získáme spojitý povrch v rastrové podobě. Pomocí trianglulace vytváříme TIN, terrain dataset nebo LAS dataset (povrch z mračna bodů získaných laserovým skenováním).

Obrázek 10: LAS dataset (zdroj: https://desktop.arcgis.com/en/arcmap/10.3/manage-data/las-dataset/what-is-a-las-dataset-.htm)

Rastry, TIN, terrain a LAS jsou všechny typy tzv. funkčního povrchu. Funkční povrch je spojité pole hodnot, které se může měnit v nekonečném počtu bodů. Například body v oblasti na zemském povrchu se mohou lišit ve výšce, blízkosti prvku nebo koncentraci konkrétní chemické látky. Každá z těchto hodnot může být reprezentována na ose \(z\) v trojrozměrném souřadnicovém systému \(x, y, z\), takže se často nazývají \(z\)-hodnoty.

Rastry a TINy již byly diskutovány v předchozích kapitolách. Zaměříme se tedy pouze na terraing a LAS dataset.

Terrain dataset

Terrain datasets tak představují efektivní způsob správy velkých bodových dat v geodatabázi a umožňujjí vytvářet vysoce kvalitní a přesné povrchy. Měření lidarů, sonarů a výšek se mohou pohybovat od několika stovek tisíc do mnoha miliard bodů. Organizace, katalogizace a generování 3D produktů z těchto typů dat je v mnoha případech v nejlepším případě obtížné a neúnosné. Terrain datasets umožňují překonat tyto překážky správy dat, upravovat zdrojová data a vytvářet vysoce přesné TIN v různých rozlišeních.

Rendering hodně velkých TIN je obecně obtížný, částečně kvůli omezením hardwarem (např. grafické karty). Terény jsou však výhodné v tom, že vykreslujete oblasti, které je třeba vizualizovat, v optimalizovaném rozlišení. Pokud tedy máte malou oblast v ArcGlobe nebo ArcMap, bude terénem využíváno méně uzlů pro generování TIN vykresleného na obrazovce. Pokud však přiblížíte oblast ve velkém měřítku, použije se k generování TIN za chodu plné rozlišení (s využitím všech uzlů této oblasti). Zřejmou výhodou je, že pouze malá část studované oblasti je vykreslována s velkým počtem uzlů, nebo je použita podvzorkovaná sbírka uzlů pro generování TIN s nižším rozlišením za běhu. Výše uvedený princip dokumentuje obrázek 11.

Obrázek 11: Terrain dataset (zdroj: https://desktop.arcgis.com/en/arcmap/latest/extensions/3d-analyst/fundamentals-of-3d-surfaces.htm)

Terény se nacházejí v datových sadách (feature datasets) v osobních, souborových i ArcSDE geodatabází. Součástí terénu se tak mohou stát i další třídy prvků z daného datasetu, tj. mohou být do něj vloženy, což znamená, že zdrojová data by mohla být přesunuta offline po vytvoření datového souboru terénu. Obrázek 12 ukazuje, jak se může podílet více typů tříd prvků na generování TIN pyramid:

Obrázek 12: Terrain dataset - ukázka podílu různých typů dat při různých rozlišeních pyramidy TIN (zdroj: https://desktop.arcgis.com/en/arcmap/latest/extensions/3d-analyst/fundamentals-of-3d-surfaces.htm)

Terény jsou jedinečné v tom, že mohou vložit nebo odkazovat na zdrojová data. Indexováním každého měření bodů je generována sada pyramid TIN, každá sada s postupně méně uzly (zdrojové body). To umožňuje ArcMapu a ArcGlobe generovat TIN za chodu při jakémkoli rozlišení potřebném pro měřítko uživatele. Zobrazení dat v malém měřítku vyžaduje méně bodů, a proto je vykreslen TIN s nižším rozlišením. Jak se prohlížeč přibližuje, je vyžadována menší oblast datové sady, ale ve vyšším rozlišení. Hustota bodů se zvyšuje, ale výkon není omezen, protože povrch s vysokým rozlišením je vykreslen pouze pro zobrazenou oblast.

LAS dataset

Datový soubor LAS ukládá odkaz na jeden nebo více souborů LAS na disku a také na další povrchové prvky. Soubor LAS je průmyslový standardní binární formát pro ukládání dat z lidarů. Datový soubor LAS umožňuje rychle a snadno prozkoumat soubory LAS v jejich nativním formátu a poskytnout podrobné statistiky a pokrytí údajů lidaru obsažené v souborech LAS.

Datový soubor LAS může také ukládat odkaz na třídy prvků obsahující omezení povrchu. Omezeními povrchu mohou být přerušované čáry, vodní polygony, hranice oblasti nebo jakýkoli jiný typ povrchové funkce, který má být vymáhán v datovém souboru LAS.

LAS dataset je skvělým doplňkem souborů terénu. Je běžné přidávat nově získaná lidarová data do datového souboru terénu.

Pro ukázku implementací GIS funkcionality je užitečné zmínit se o implementacích na úrovni databázových systémů, které jsou velmi často používány pro uchovávání a analýzy dat a obsahují samy o sobě mnoho nástrojů pro práci s daty, i když nenabízejí pohodlné uživatelské rozhraní a grafické vizualizace. Takové systémy se často označují jako Geo-DBMS. Většina z nich využívá implementace Simple Feature Specification for SQL. Proto je jejich podpora pro 3D data poměrně omezená a představuje rozšíření oproti standardu. Jak uváděla například Zlatanova (2004), většina systémů dokáže zobrazit 2D datové typy ve 3D, ale jejich analýzy jsou stále pouze 2D. To částečně platí dodnes. Nejpoužívanějšími Geo-DBMS jsou Oracle® Spatial, Microsoft SQL Server a PostgreSQL/PostGIS. Oracle® Spatial je rozšířením pro databázový systém Oracle a 3D datový typ solid je v něm podporován až od verze 11.2g. Požadavek je, že se jedná o uzavřený povrch, který může obsahovat dutiny ve formě dalších uzavřených povrchů. Současně je pro data typu solid možné použít základní sadu funkcí uvedenou v tabulce 1. Jak je z tabulky patrné, jedná se pouze o několik málo funkcí. Pokud je pro analýzy použito standardních funkcí podle SFA, je výsledek určen pouze na základě průmětu objektu do roviny XY.

Tabulka 1: prostorové funkce v Oracle 11.2g

funkce	popis
ANY INTERACT	ověří, zda mají lib. geometrie (prvky) v tabulce jakýkoliv topologický vztah se specifikovanou geometrií
FILTER	pomocí prostorového indexu identifikuje soubor prostorových objektů, jež prostorově interagují s daným objektem
INSIDE	ověří, zda lib. geometrie v tabulce mají s daným objektem topol. vztah INSIDE
NEAREST NEIGHBOUR	pomocí prostorového indexu najde nejbližší sousedy dané gemometrie
WITHIN DISTANCE	pomocí prostorového indexu identifikuje soubor prostorových objektů, jež se nacházejí ve specifikované vzdálenosti o daného objektu

Široce používaným systémem je také Microsoft SQL Server. Jeho poslední verze je 2019 a ani v této verzi nenabízí datový typ pro 3D objekty odpovídající reprezentací objektům reálného světa. Nejblíže může být složená geometrie z 3D polygonů - MultiPolygon. Ta však nepožaduje a ani nezaručuje datovou integritu takového objektu, protože požadavek je pouze na to, aby se jednotlivé polygony nepřekrývaly. Tento GeoDBMS proto nelze považovat za použitelný pro skutečná objektová 3D data.

Dašlím využívaným systémem je PostGIS (aktuální verze z roku 2019 je 3.0), což je rozšíření pro databázový systém PostgreSQL. PostGIS je implementací standardu SFA. Oproti tomu však poskytuje rozšíření jak v oblasti dat tak v oblasti funkcí. Pro reprezentaci 3D objektů je možné použít datový typ polyhedral surface, který poskytuje analogické možnosti jako solid v systému Oracle 11.2g. Pro tento datový typ jsou k dispozici funkce uvedené v tabulce 2. Jak je z tabulky zřejmé, poskytuje PostGIS v oblasti 3D analýz širší podporu než Oracle. Za zmínku stojí funkce pro výpočet nejkratší spojnice. Pomocí této funkce je možné určit také směr od jednoho objektu k druhému. Tímto aspektem prostorových analýz se zabýval například Borrmann (2006), který konstatoval, že zatímco ve 2D nemá takový konstrukt velký význam, při analýzách ve 3D je často používaný.

Tabulka 2: Prostorové 3D funkce v PostGIS 2.0.0

funkce	popis
CLOSEST POINT	najde 3D bod geometrie 1 (g1), který je nejblíže g2. Je to první bod 3D nejkratší linie
FULLY WITHIN	vrátí hodnotu PRAVDA, jsou-li 3D geometrie uvnitř specifikované vzd. k jiné geometrii
WITHIN	pro typ 3D gemetry (z) vrátní hodnotu PRAVDA, je-li vzd. dvou 3D geometrií v rámci daných jednotek
DISTANCE	pro daný geom. typ vrátí 3D kartézskou min. vzd. mezi dvěma geometriemi v j. dané projekce
EXTENT	agregační funkce, která vrátí 3D obálku řádků geometrií
INTERSECTS	vrátí hodnotu PRAVDA, protínají-li se geometrie v prostorově (pouze pro body a linie)
LONGEST LINE	vrátí 3D nejdelší linii mezi dvěma geometriemi
MAX DISTANCE	pro geometrii vrátí 3D kartézskou max. vzd. mezi dvěma geometriemi v jednotkách projekce
SHORTEST LINE	vrátí 3D nejkratší linii mezi dvěma geometriemi

Touto problematikou se zabývali již v roce 2005 Arens, Stoter a Oosterom (2005), kteří se pokoušeli využít stávajících 3D primitiv (jako jsou 2D polygony ve 3D prostoru) pro rozšíření funkčnosti existujícího systému pro složitější 3D objekty a související analytické možnosti. Jak je však z uvedeného souhrnu patrné, ani jeden z těchto rozšířených systémů neposkytuje pro objektová 3D data patřičnou reprezentaci doplněnou o plnou funkčnost odpovídající aspoň funkčnosti pro 2D objekty.

Pro všechny tyto snahy je shodné, že pro reprezentaci 3D objektů je používáno geometrie B-Rep, kdy 3D těleso je popsáno pomocí hranic objektu definovaných vrcholy, hranami a plochami. Hrany jsou přitom omezeny na přímé linie, výjimečně na kružnicové oblouky. Přitom velká část 3D modelů objektů vzniká v systémech CAD, kde je využíváno podstatně komplexnější geometrie CSG (Constructive Solid Geometry). Například Arens a Sotter (2005) tento typ reprezentace označili za příliš komplikovaný s tím, že není kompatibilní s existující 2D geometrií používanou v GIS systémech a že její modelování vyžaduje příliš komplexní uživatelské rozhraní. Přesto se jedná o nejběžnější a nejpřesnější typ geometrie, který můžeme získat z CAD/BIM systémů.

V souvislosti s 3D prostorovými analýzami bylo publikováno množství článků a publikací zabývajících se pracovními rámci pro topologii objektů ve 3D. Hlavním východiskem pro většinu současných aplikací je práce Egenhofera a spol. (1991, 1994), který zavedl pro topologické vztahy mezi objekty model DE-9IM, ve kterém jsou vztahy modelovány pomocí matice 3x3 obsahující průniky vnějšího prostoru, vnitřního prostoru a hranic dvou objektů. Model vychází z teorie množin a je v práci Egenhofera definován pro 2D reprezentace objektů. DE-9IM je základem pro prostorové vztahy definované ve standardu OGC Simple Features. Souhrn dalších topologických pracovních rámců ve smyslu topologie objektů jako takových rozebírá Zlatanova a spol. v publikaci (Zlatanova, Rahman, Shi, 2004), kde popisuje topologii objektů jako jednu z hlavních charakteristik pro určení prostorového vztahu dvou objektů.

5.3 3D formáty

Existuje celá řada formátů pro přenos a zobrazování 3D prostorových dat. Zatímco některé z nich vznikly jako otevřené standardy, jiné jsou produktem komerčních firem. Značně se liší také tím, za jakým účelem byly vytvořeny:

OpenGL (Open Graphics Library) - zobrazuje a urychluje 3D vizualizaci v reálném čase a slouží jako základ pro tvorbu 3D prostředí a objektů v různých odvětvích..
VRML (Virtual Reality Modeling Language) - má sloužit zejména k zobrazování 3D scén na internetu, založen na datovém modelu CSG. Z původní verze VRML z roku 1994 se vyvinul mezinárodně standardizovaný VRML97. GeoVRML je rozšířením možností VRML97 od přiřazování geodetických nebo geocentrických souřadnic zobrazovaným objektům.
X3D (eXtenstible 3D) - navazuje také na VRML97 - za účelem lepší integrace s moderními webovými technologiemi převádí VRML do struktury XML.
Java 3D - API (Application Programming Interface) pro programovací jazyk Java. Java 3D je plně objektově orientovaný formát.
KML - využívá syntaxe XML a geodetický souř. systém. Byl vyvinut společností Kyhole, kterou později koupila společnost Google. Dnes je tento formát spojen programem Google Earth. KML je možné vizualizovat pomocí plug-inu přímo ve webových stránkách. Formát je v současné době podporován i dalšími programy. * SKP - formát související s programem SketchUp pro práci s 3D grafikou.
COLLADA (COLLAborative Design.dae) - založen také na XML a vychází z OpenGL. Standardně má příponu .dae, je-li používán jako 3D formát v programu Google Earth, má příponu kmz.
3D PDF (Portable Document Format) - uživatel sám může nastavovat určité vlastnosti scény (osvětelení, způsob zobrazení), případně animovat.
OpenFlight
3DS
U3D.

K práci s 3D informacemi však neslouží jen grafické formáty. IFC (Industry Foundation Classes) je standardem organizace buildingSMART (dříve IAI - International Alliance for Interoperability). Tento objektově orientovaný datový model je určen především pro sémantické modelování budov a pro oblast facility managementu. Může sloužit také jako datobá báze pro modelování větších celků zástavby v GIS (Herman, 2011).

Třídimenzionální informace mohou být uloženy i v GIS nebo CAD formátech. Z oblasti GIS stojí za zmínku Multipatch od společnosti ESRI, což je typ geometrie podporovaný v prostředí ArcGIS od roku 1997. Slouží k ukládání 3D objektů v databázích. 3D informace může být uložena i v jiných typech ESRI geometrie (point, polyline, polygon) a to formou třetí souřadnice (ESRI, 2008).

Dále je možné zmínit formát TAB od MapInfo. V praxi jsou také často používané 3D varianty CAD formátů DGN (DesiGN) – nativní formát programu Microstation, DWG (DraWinG) – implicitní formát programu AutoCAD a DXF (Drawing Exchange Format) – formát vyvinutý firmou Autodesk (Voženílek, 2005).

5.4 Vizualizace 3D

S problematikou 3D vizualizace úzce souvisí termín virtuální realita. Ta je definována jako model 3D prostředí, doplněný o interakci objektů s uživatelem. Slocum et al (2000) popisuje čtyři faktory potřebné k vytvoření virtuálního prostředí:

Vnoření - udává jakým způsobem je uživatel spjat s prostředím,
Interaktivita - definuje metody ovládání vytvořeného světa a pohybu v něm,
Intenzita informace (podrobnost vykreslení prostředí),
Inteligence objektů.

Potenciálně může virtuální realita obsahovat více informací než realita skutečná, produkuje však pouze pohledy realistické, nikoliv autentické (Voženílek, 2005). Vizualizaci 3D informace napomáhá řada nástrojů, ty lze obecně rozdělit na hardwarová (technologická) zařízení, která zajišťují především dostatečné vnoření do prostředí, a softwarová (programová) řešení, jež zajišťují odpovídající interaktivitu a inteligenci objektů. Oba postupy jsou tak v praxi kombinovány.

Kompromisu mezi zajištěním dostatečné intenzity informace a minimalizací výpočetní náročnosti se věnuje Reddy (2008). Rozlišuje řešení pomocí pohledové redukce, kdy jsou pro model uvažovány jen objekty v aktuálním pohledu, a úrovní detailu (LOD – Level of Detail), což je několik variant různě složitých zobrazení jednoho objektu, použita je vždy jen jedna, podle přiblížení pohledu (měřítka). Tento postup je využit i v internetových aplikacích (např. Google Earth), kdy je nejprve zobrazen model v málo podrobném LOD a postupně je vylepšován (Voženílek, 2005).

5.5 Modely měst

3D GIS nepředstavuje jen modelování různých různých povrchů, ale v současné době se intenzivně rozvíjí i 3D modelování měst. Virtuální modely měst jsou využívány v mnoha aplikacích (3D katastry, modelování různých druhů katastrof - zemětřesení, požáry apod., plánování a řízení měst a další). Existuje několik vhodných reprezentací. Např. Městský datový model (Urban Data Model), který navrhl Coors (2003), představuje topologický model pro 3D GIS, jež byl aplikován při tvorbě modelu Darmstadtu.

Jiným standardem je CityGML model a výměnný formát pomocí kterého mohou být ukládány a popisovány rozsáhlé oblasti měst či regionů. Byl využit např. v některých městech Německa (Kolbe, 2009). Tento formát vychází z jazyka GML (Geography Markup Language). CityGML je od října 2008 standardem společnosti OGC (Open Geospatial Consortium). Těžiště využití CityGML neleží jen v oblasti vizualizace, ale slouží také pro ukládání a výměnu dat a jako vstup pro analýzy, ve kterých je kombinováno s dalšími daty. Formát CityGML umožňuje ve formální struktuře XML (eXtensible Markup Language) i definování jednotlivých tříd objektů a vztahů mezi nimi. Model města tak může obsahovat nejen geometrické, ale i topologické a sémantické informace.

3D modely je možné využít v celé řadě oblastí. Jednotlivé modely mohou sloužit k jednomu účelu, ale mohou mít i víceúčelové využití. Časté využití nacházejí 3D modely při plánování a projektování nových staveb. Ve virtuálním prostředí tak umožňují vizualizovat a posoudit vliv budoucích změn na charakter zástavby nebo krajiny. V poslední době dochází v některých zemích také k rozvoji myšlenky budování 3D katastru nemovitostí.

Podrobné 3D modely se využívají v oblasti facility managementu (FM). Poskytují tak efektivní způsob uložení informací o rozvodech energií nebo dalších produktů či informací. S touto oblastí souvisí i využití 3D modelů zástavby pro modelování šíření signálů. Své využití mají 3D modely i v krizovém managementu. Jsou ideálním nástrojem pro řadu analýz, počínaje šířením požáru zástavbou, přes simulaci samotného zásahu hasičů, až po simulaci následků výbuchu takzvané špinavé bomby ve městě.

Využít 3D modelů je možné také při tréninku záchranných a bezpečnostních složek. Ve virtuálním prostředí lze provádět i analýzy pro marketing a všeobecně pro soukromý sektor. Nezanedbatelným a v současnosti velmi hojným využitím 3D modelů je oblast propagace a prezentace měst nebo jejich částí, především architektonických památek. Virtuální modely mají zaujmout své virtuální návštěvníky, případně je přilákat k návštěvě reálné. Zároveň mají demonstrovat určitou úroveň rozvoje těchto míst. Speciálně modifikované modely lze rovněž použít v rozšířené realitě k navigaci ve městech.

Virtuální modely měst nachází využití také v oblasti ochrany životního prostředí. S jejich pomocí může být simulováno šíření znečišťujících látek nebo zkoumáno městské klima. Značný význam mají 3D modely i pro modelování šíření hluku a hlukové mapování. Tyto dílčí problematiky se pak spojují komplexním konceptu tzv. Smart Cities.

Smart City je často v poslední době skloňovaný termín, se kterým operují velké světové metropole, ale i obyčejná malá městečka. Stále více obyvatel se totiž stěhuje do měst, která však kvůli přeplněnosti a zhoršujícímu se životnímu prostředí přestávají být příjemným místem pro život. Města, která se s tímto trendem nechtějí smířit, čeká zásadní a nezbytná proměna. V rámci udržitelného rozvoje se musí začít chovat zodpovědně, aby snížila negativní dopady urbanizace, zefektivnila využívání všech druhů energií a zlepšila dopravní situaci na svém území. Výsledkem by mělo být zkvalitnění životního prostředí a zachování příjemného prostoru pro život obyvatel. Prostudujte si aplikaci fiktvního chytrého města od firmy ČEZ. POdívejte se také, která města v ČR koncept Smart City využívají: Smart Cities v ČR?

5.5.1 CityGML

CityGML je otevřený datový model a na XML založený formát pro reprezentaci a přenos 3D modelů měst. Jeho základem je Geography Markup Language verze 3.1.1 (GML3). Jak GML3 tak i samotné CityGML jsou standardy sdružení OGC. CityGML neslouží jen k zobrazení geometrie a grafické podoby modelu města, ale zahrnuje topologické, sémantické a atributové informace. Dokáže tak popsat různé třídy objektů, vztahy mezi nimi a související nevizuální vlastnosti. Pro definování těchto charakteristik je využita rodina standardů ISO 191xx (Kolbe, 2007).

Ještě v nedávné minulosti byly 3D modely měst používány především pro vizualizaci, v současné době se však objevila řada tematických úloh vyžadující rozšíření geometrického modelu. Podstatou sémantického modelování je skutečnost, že model se skládá z logických sémantických celků (např. BuildingPart, WallSurface), z nichž každému odpovídá určitý typ geometrie, např. Solid, Polygon (Stadler, Kolbe, 2007).

Obrázek 13: Propojení sémantické a geometrické struktury ve formátu CityGML (zdroj: Stadler, Kolbe, 2007)

Sémantické modelování je výhodnější i z ekonomického hlediska, kdy je jeden geometrický model podle potřeby doplňován o další údaje a je jej pak možné využívat v různých aplikacích. Formáty jako KML nebo VRML neumožňují sémantické modelování, takže například budova je chápána jako nerozčleněná množina polygonů. Obecné schéma CityGML se skládá z horizontálních a vertikálních složek. Vertikální složky popisují tematické entity (budovy, reliéf, vegetace a další). Tři horizontální složky (Core, Appearance, Generics) pak definují strukturu závaznou pro tematické moduly (Kolbe, T. H. 2008).

Detailní popis možností CityGML je obsažen ve specifikaci OGC. Jsou zde obsaženy také UML diagramy jednotlivých modulů. Specifikace CityGML je dílem skupiny SIG 3D (Special Interest Group 3D), jenž má více jak 70 členů, mezi něž patří nejen výzkumné ústavy a vysoké školy, ale i soukromé firmy, zemská (Severní Porýní – Vestfálsko) a místní samospráva. V čele skupiny SIG 3D stáli profesor Thomas Kolbe (TU Berlin) a doktor Gerhard Grőger (Universität Bonn). Vývoj byl zahájen v roce 2002 a v říjnu 2008 bylo CityGML ve verzi 1.0.0 uznáno jako oficiální standard organizace OGC (Capstick, D. 2008; Stadler, Kolbe, 2008).

Víceúrovňová reprezentace

Víceúrovňová reprezentace je v rámci CityGML realizována pěti úrovněmi detailu (LOD). Se zvyšující úrovní detailu roste počet a složitost geometrických prvků a liší se i tematická náplň. V jenom modelu mohou být zároveň použity prvky z různých úrovní. Jeden objekt může mít v každé úrovni detailu jinou reprezentaci (Kolbe, 2008).

Obrázek 14: Příklady jednotlivých úrovní detailu v CityGML 1.8 (zdroj: Rautenbach et. al., 2015)

Nejméně podrobnou úrovní je LOD0, což je v podstatě 2,5D model terénu (DTM). LOD1 je označení pro blokový model bez modelace střech. Střechy a významné architektonické prvky (například terasy nebo balkóny) jsou obsaženy v LOD2. LOD3 je ještě podrobnější architektonický model a obsahuje i takové detaily jako jsou jednotlivá okna, dveře nebo detaily střech. LOD4 doplňuje předchozí úroveň o modelování detailů v interiéru (schody, místnosti) a jejich zařízení (nábytek). Úrovně LOD1 až LOD3 jsou, mimo jiné, inspirovány prací Kőninger, et al (1998). Podobají se i členění, jehož autorem je Shiode N. (2001), které je uvedeno výše. LOD0 a LOD4 jsou vlastním návrhem skupiny SIG 3D (https://www.opengeospatial.org/standards/citygml).

Geometrie

Jak již bylo zmíněno CityGML je podmnožinou GML3. Oba tyto standardy dodržují definici geometrie podle specifikace ISO 19107. Geometrie (třída Geometry) se skládá z 0D až 3D geometrických primitiv, 1D až 3D složených geometrií a 0D až 3D agregovaných geometrií. Prvky složené geometrie (např. CompositeSurface) musí mít topologický vztah a musí se skládat z primitiva stejného rozměru. Naopak dílčí prvky agregované geometrie (MultiSurface nebo MultiSolid) topologický vztah mít nemusí (mohou se tak překrývat nebo se vůbec nemusí dotýkat). Objemové (3D) geometrie jsou založeny na datovém modelu hranic. Takové těleso je nejčastěji ohraničeno pomocí MultiSurface. Definování povrchů pomocí křivek není podporováno, takovéto tvary musí být aproximovány a nahrazeny množinou plošek. U všech prvků musí být použity souřadnice některého geodetického souřadnicového systému (Kolbe, 2008).

Protože v modelech měst dochází k tomu, že jeden prvek stejného tvaru se mnohokrát opakuje (pouliční lampa), existuje prvek ImlicitGeometry. Ten má vlastní souřadnicový systém a obsahuje transformační matici nebo kotevní bod pro umístění do geodetického souřadného systému.

Podle specifikace ISO 19109 může být jeden objekt zobrazen pomocí různých geometrických prvků. Řada tříd jako _AbstractBuilding nebo Room má v jednotlivých LOD přiřazeny stejný typ geometrie, např. lod1Solid, lod2Solid, lod3Solid, jiné objekty mají definovány pro různé LOD odlišné geometrie, viz obr. 21 (Kolbe, 2008).

Obrázek 15: ClosureSurface uzavírají podpovrchový objekt a umístění budovy na terén pomocí TIC (zdroj: https://www.opengeospatial.org/standards/citygml)

Objekty, jež nejsou definovány jako spojité (objemové), by měly být uzavřeny, když mají být použitelné k výpočtům objemu a odvozeným analýzám. A právě k uzavření takových objektů (např. podchod, tunel), je využit virtuální povrch ClosureSurface. Uzavření se neprojevuje při vizualizaci, povrch se chová jako průhledný. Tento koncept umožňuje modelování podpovrchových struktur (https://www.opengeospatial.org/standards/citygml).

Důležitým momentem při 3D modelování je integrace terénu a budov nebo dalších objektů.K řešení této problematiky slouží tzv. TIC (TerrainIntersectionCurve). Tato křivka přesně popisuje, kde budova protíná terén. Terén okolo budovy je tedy na základě této informace upraven tak, aby došlo k protnutí TIC terénem a byl tak zajištěn správný topologický vztah (Grőger, 2010).

Topologie

Pro mnoho aplikací je důležitá topologie objektů. V CityGML není použit přístup z GML3, protože je složitý a lze jej obtížně implementovat. Protože se vícerozměrné komplexní objekty skládají z jednodušších ploch, hran a vrcholů, je možné společné části mezi sousedními objekty sdílet. K tomuto účelu je využit nástroj XLink (XML Linking Language), který odkazuje na unikátní ID jednotlivých prvků. Konkrétní geometrie je tak definována jednou a při jejím dalším použití je na ni odkazováno. Zároveň společný prvek popisuje topologický vztah sobě nadřízených objektů (Grőger,2010).

Obrázek 16: Geometricko-topologický model (zdroj: https://www.opengeospatial.org/standards/citygml)

Budova (Building) se může skládat jak z geometrických (lod1Solid až lod4Solid), tak z topologických elementů (lod1TopoSolid až lod4TopoSolid). CityGML tak může být nejen čistě geometrickým modelem, ale i modelem topologicko-geometrickým. Tím se CityGML liší od starších řešení, které geometrii a topologii oddělovaly (Kolbe, 2008).

Textury

Textury a informace o vzhledu povrchů (Appearance) nejsou v CityGML použity jen k vizualizaci, ale počítá se i s jejich využitím v analýzách. CityGML umožňuje takzvaný multi-texturing. Pro jeden model může existovat více variant vzhledu, ty jsou definována pomocí témat (themes). Odlišné textury mohou být použity i pro jednotlivé LOD. Jako vzhledová data mohou posloužit nejen rastrové snímky, ale i definované materiály (třída X3DMaterial) převzaté z formátu X3D. Pomocí atributů emissiveColor, diffuseColor, ambientIntensity, shinines, transparency lze nastavit barvy a komplexní světelné chování objektů (www.opengeospatial.org/standards/citygml).

Obrázek 17: způsoby umísťování textur (zleva): none, wrap, mirror, clamp a border (zdroj: https://www.opengeospatial.org/standards/citygml)

Jako textury (třída *_AbstractTexture) jsou v CityGML použita rastrová 2D data. Rastrový obraz je připojen pomocí atributu imageURI, který může obsahovat buď odkaz na soubor nebo požadavek na webovou službu. K dispozici je pět základních přístupů umísťování textur: none, wrap* - textura se opakuje, mirror - textura se opakuje a zrcadlí, clamp - textura je roztažena k okrajům a border - barva pozadí textury je určena elementem borderColor.

Obrázek 18: Berlín 3D Portál - LoD2 úroveň zobrazení (zdroj: https://www.opengeospatial.org/blog/2196)

Textury lze na model umísťovat pomocí matice zadaných parametrů. Objekty jako jsou např. budovy, jsou pokrývány texturami transformovanými podle zadané matice (ParametrizedTextures). K pokrytí povrchu bývají používány georeferencované textury (GeoreferencedTextures).

Sémantika

Pro lingvistiku je sémantika nauka o významu jazykových jednotek. V logice je to “obor zkoumající pravdivost”. V IT se tento pojem používá od 70. let 20. století. V případě prostorových dat jde jednoduše řečeno o identifikaci a popis významu prvků, obsažených v geografické databázi.

Sémantický model použitý v rámci CityGML je založený na standardu ISO 19109.Jednotlivé entity v rámci modelu jsou chápány jako zjednodušení reálných objektů. Jejich vzájemné vztahy a atributy jsou modelovány v UML (Unified Modelling Language). Jak již bylo zmíněno v úvodní části, model se skládá ze sémantických celků, z nichž každému odpovídá určitý typ geometrie. Základní sémantické třídy jsou: budovy, modely terénu, hydrografie, land use, vegetace a dopravní objekty (Kolbe, 2008).

Na nejvyšší úrovni se v strukturním modelu CityGML nachází abstraktní třída *_CityObject*, která je nadřazená všem ostatním třídám zmiňovaným v dalších odstavcích. Jednotlivé prvky _CityObject jsou součástí kolekce CityModel, podobně také třída Appearance (Grőger, G. et al, 2008).

Poznámka: Pomocí podtržítka (_) před názvem jsou rozlišeny abstraktní třídy, tedy ty co nemají přímo přiřazenou geometrii. Konkrétní třídy mají přímo určený typ geometrie nebo geometrií a jsou bez podtržítka.

Základní částí drtivé většiny modelů je DTM. Ve struktuře CityGML je reprezentován třídou ReliefFeature, která je obsažena ve všech LOD (0-4) a skládá se z jednotlivých plošných částí *_ReliefComponent. DTM může být zadán jako GRID (podtřída RasterRelief), jako TIN (podtřída TINRelief), pomocí lomových linií (BreaklineRelief), nebo pomocí hmotných bodů (MassPointRelief). Jednotlivé specifikace reliéfu mohou být vzájemně kombinovány. Atribut extent of validity* pak udává rozsah území, pro které je daný typ reliéfu použit. Například pro důležitou část modelu může být použit podrobný TIN, zatímco pro jeho širší okolí méně přesný rastrový reliéf. S tímto postupem také úzce souvisí koncept TIC, který zajišťuje správné umístění objektů na libovolném typu povrchu. Použití rastrového reliéfu je realizováno pomocí odkazu na soubor GeoTIFF (Geographic Tagged Image File Format). Ostatní typy jsou uloženy přímo v rámci souboru CityGML.

Obrázek 19: Sémantický model budov - ukázky jednotlivých prvků (zdroj: Capstick, 2008; https://www.opengeospatial.org/standards/citygml)

Nejšířeji je sémantický model rozvinut pro budovy a jejich části. Jednotlivé domy (Building) lze rozložit na části (BuildingPart), místnosti (Room) nebo stěny (WallSurface). Nejvyšší třída, která popisuje budovy *_AbstractBuilding, je specifikována pomocí atributů class, function, usage* (specifikují druh a využití budovy), yearOfConstruction, yearOfDemolition (časové určení budovy), roofType (typ střechy), measuredHeight (maximální výška budovy), storeyAboveGround, storeyBelowGround (počet pater nad a pod zemí), storeyHeightsAboveGround a storeyHeightsBelowGround (výška nadzemních a podzemních pater). Třídě *_AbstractBuilding, jsou pak bezprostředně podřízeny třídy Building* a BuildingPart. Tyto třídy mohou být mimo jiné provázány s bodovou třídou Address (Grőger et al., 2008).

U budov je dobře patrná víceúrovňová reprezentace CityGML. Zatímco Building a BuildingPart se vyskytují v úrovni detailu LOD1, další třídy jako BuildingInstallation (dílčí část budovy, např. mansarda) se objevuje v LOD2, Window, Door v LOD3, IntBuildingInstallation (vnitřní část budovy), BuildingFurniture (vnitřní zařízení, např. nábytek) a Room v LOD4. Tyto prvky jsou pak ohraničeny pomocí třídy BoundarySurface, která se skládá ze sémantických prvků RoofSurface, WallSurface, GroundSurface, ClosureSurface, CeilingSurface, InteriorWallSurface a FloorSurface (Grőgeret al., 2008).

K popisu vodstva slouží třída WaterBody. Ta může být z hlediska geometrie jak MultiCurve, respektive MultiSurface (v obou případech LOD0 a LOD1), tak i Solid (LOD1 až LOD4). V druhém případě je pak element ohraničen pomocí třídy *_WaterBoundarySurface, složené z WaterSurface* (hladina), WaterGroundSurface (dno) a případně WaterClosureSurface (virtuální uzavření, např. v případě moře). Typ, funkce a využití vodního objektu je definováno příslušnými atributy (Grőgeret al., 2008).

Hlavní třídou pro popis dopravních objektů je TransportationComplex, jenž se skládá z dílčích tříd TrafficAreas (například samotná plocha silnice) a AuxiliaryTrafficArea (středové pásy nebo příkopy), obě třídy jsou blíže charakterizovány atributy function, usage a surfaceMaterial. K tematickému rozlišení třídy TransportationComplex slouží její podtřídy Track, Road, Railway a Square. TransportationComplex je z hlediska geometrie definován v LOD0 jako liniový prvek (GeometricComplex) v dalších LOD jako MultiSurface.

Vegetace je v CityGML definována dvěma způsoby. Jednotlivé rostliny, nejčastěji stromy, jsou znázorněny pomocí třídy SolitaryVegetationObject, kdežto rozsáhlejší plochy s porostem používají třídu PlantCover, ta je z hlediska geometrie buď MultiSurface (porost se zanedbatelnou výškou – louka) nebo MultiSolid (výšku vegetace je zřejmá – les). Obě tyto třídy mají nadřízenou abstraktní třídu *_VegetationObject* a je možné použít je v od LOD1 po LOD4, respektive LOD3 u MultiSolid PlantCover (Grőger et al, 2008).

U solitérní vegetace je často použit koncept ImplicitGeometry, kdy jsou jednotlivé stromy vymodelovány jednou, je jim definován vztažný bod a jsou opakovaně umisťovány na svou pozici v modelu. V atributech jsou pak obsaženy například informace o rostlinném druhu nebo funkci vegetace, pro PlantCover o průměrné výšce a pro SolitaryVegetation o průměru kmene nebo koruny.

Obrázek 20: Tři způsoby znázornění vegetace, reálná situace a model využívající CityFurniture (zdroj: https://www.opengeospatial.org/standards/citygml)

Třída CityFurniture slouží k popisu a znázornění objektů, jako jsou například pouliční světla, semafory, autobusové zastávky, reklamní panely, odpadkové koše a řada dalších. CityFurniture lze aplikovat v LOD1 až LOD4, pro správné umístění na terén je použit TIC. Protože jednotlivé objekty jsou často vkládány opakovaně na více místech modelu, je použit koncept ImplicitGeometry. Dílčími atributy je specifikována třída a funkce konkrétních objektů.

Třídou Land use je v rámci CityGML definováno využití půdy. Tato třída má vždy geometrii MultiSurface. Funkci a využití definují atributy. Tuto třídu lze používat ve všech úrovních detailu (LOD0 – LOD4). Třída CityObjectGroup slouží k seskupení jednotlivých elementů *_CityObject*. Řada atributů (class, function, usage, …) je definována pomocí číselníků, které jsou součástí specifikace CityGML. Právě tak jsou definovány například funkce a využití budov nebo typ střechy (Grőger et al, 2008).

Jednotlivé prvky v modelu mohou také sloužit jako odkaz na zdroj dat nebo na zdroje doplňujících údajů. Budova tak může kupříkladu odkazovat do katastru nemovitostí na informace o majiteli, dveře na FM systém a anténa na databázi poskytovatelů signálu (Kolbe, 2008).

Rozšiřitelnost

Pro případné rozšíření základního modelu CityGML slouží dva základní koncepty:

generické prvky a atributy - třídy GenericCityObject a *_GenericAttribute* je možné použít jen pro prvky neoobsažené v základním CityGML modelu, třídy nejsou formálně specifikovány, snižují sémantickou interoperabilitu a při jejich pojmenovávání mohou vznikat konflikty. GenericCityObject může mít libovolný typ geometrie a podporuje také koncepty TIC a ImlicitGeometry. *_GenericAttribute* může odpovídat jakémuliv z datových typů povolených v CityGML, tj. String, Integer, Double, Date a URI (Grőger, G. et al, 2008).
ADE (Application Domain Extension) - vzniká definováním nových tříd a prvků nebo rozšířením stávajících o zvláštní atributy nebo vztahy (relace). Jejich cílem je rozšíření možností použití formátu CityGML. Každé ADE je specifikováno prostřednictvím vlastního XSD (XML Schema Definition). Definice nových elementů musí být vztažena k obecnému schématu CityGML, nová třída tak musí být odvozena z abstraktní, např. *_CityObject, nebo konkrétní třídy, např. CityFurniture* (Kolbe, 2008).

Propojení CityGML s webovými službami a dalšími formáty

Komplexní datový model CityGML a další možnosti jeho rozšíření, předurčují tento formát pro širokou škálu aplikací. Pro jeho praktické využití je zásadní propojení CityGML s webovými službami a jinými formáty. Důležitým úkolem je také vývoj aplikací, nejen pro prohlížení, ale i pro tvorbu modelů. Pro rozšíření CityGML do dalších tematických oblastí je nezbytně nutná tvorba odpovídajících ADE.

Obrázek 21: Schéma možného propojení CityGML s webovými službami a dalšími formáty (zdroj: Nagel, Kolbe, 2009)

Vzhledem k tomu, že je CityGML založeno na standardu GML3, je možné jej kombinovat i s řadou dalších standardů OGC. K vyhledávání, manipulaci a úpravě CityGML modelů lze použít:

WFS (Web Feature Service) - slouží k distribuci vektorových částí modelů z databáze do prostředí internetu (Kolbe, 2007). Příklady WFS, které přenášejí CityGML modely jsou umístěny na webu www.citygmlwiki.org. WFS poskytuje data v režimu čtení, nepodporuje tedy opačný směr toku dat, tj. od klienta na server. Tuto problematiku řeší navazující standard WFS-T (Transactional WFS), který tak umožňuje editovat elementy na straně serveru, zamykat jednotlivé záznamy a pod.;
WCS (Web Coverage Service) - v případě, že je v modelu použit rastrový terén;
WFS-T (Web Feature Service – Transactional) - umožňuje tvorbu, mazání a update prvků. ,
CS-W (Catalog Service) - může sloužit k vyhledání modelu nebo jeho částí prostřednictvím metadat;
WCTS (Web Coordinate Transformation Service) - transformace souřadnicového systému modelu;
WPS (Web Processing Service) - standardizované rozhraní publikace prostorových procesů a analýz;
SOS (Sensor Observation Service) - možný datový zdroj pro analýzy.

CityGML je ale v souladu i s dalšími webovými službami OGC, které jsou zatím ve fázi vývoje. Jde o W3DS (Web 3D Service) a WTS (Web Terrain Service).

5.5.2 Informační modelování budov (Building Information Modeling - BIM)

V Česku zavedený překlad „Informační modelování budov“ neodpovídá docela významu anglickému. Přesnější by bylo používat název „informační modelování stavby“. I zde totiž stavba může mít význam činnosti stejně jako objektu a nemusí se ani nutně jednat o budovu, ale obecně o výsledek stavební činnosti, což může být i řada inženýrských objektů. Zároveň je také stavba slovem popisujícím proces stavění.

BIM vychází ze systémů pro tvorbu návrhů s podporou počítačů (CAD – Computer Aided Design). CAD systémy jsou především náhradou za rýsovací prkno. To již samo o sobě přináší řadu výhod jako je úspora množství času při provádění úprav již existující dokumentace, zjednodušení přenosu výkresů mezi spolupracovníky i mezi jednotlivými články návrhového řetězce, skladování dokumentace a mnoho dalších, které vyplývají již jenom z elektronické podoby dat. CAD je tedy především geometrickým modelem. CAD se používá prakticky ve všech oblastech návrhu konstrukcí, tedy nejen ve stavebnictví, ale i ve strojírenství a v dalších oborech.

BIM na tento obor navazuje a rozšiřuje geometrický CAD model o bohaté sémantické informace a vztahy. Důležitým rysem BIM je, že se jedná o objektový model, kde jsou jednotlivé položky modelu propojené vazbami. V souvislosti s BIM mluvíme téměř vždy o trojrozměrném modelu (3D), i když obecně nemusí obsahovat geometrii. Díky těmto uvedeným vlastnostem se BIM v současnosti začíná stále více uplatňovat při navrhování budov v celém procesu od počátečního architektonického návrhu, až po udržovací práce v průběhu existence stavby a případně až k její demolici.

BIM je tedy velmi silným nástrojem pro tvorbu a správu modelu budovy. V současnosti však není běžné provádět s daty tohoto informačně bohatého modelu prostorové analýzy jaké bývají prováděny v prostředí GIS. Také není snadné tato data kombinovat s množstvím dalších informačních zdrojů, které by mohly být potenciálně užitečné při návrhu stavby.

BIM a GIS se překrývají v oblasti zájmu, jíž jsou stavby a stavební objekty. Proto BIM i GIS popisují v některých případech stejnou realitu a jsou případy, kdy k řešení konkrétního problému může být rovnocenně použito BIM i GIS nástrojů. Pokud však je třeba provádět s daty operace, které jsou běžné v jednom prostředí, avšak nedostupné ve druhém, je třeba řešit interoperabilitu systémů používaných pro BIM a GIS. Pořizování podrobných dat, jakými jsou detailní modely staveb, je zpravidla nákladné, a proto je značný zájem využít pro tento účel modelů, které již vznikají pro jiný účel.

Podívejte se, jak používají BIM a facility management na Masarykově univerzitě.

Informační modelování staveb (BIM) znamená nový, komplexnější přístup k navrhování a realizaci staveb. Historie tohoto typu modelování sahá do 70. let 20. století, kdy byl v rámci strojního inženýrství zaveden pojem sémantický data-model. Jednalo se tedy o spojení logických a fyzických informací o objektu. Pro oblast stavebnictví se začal používat pojem Building Description System a později Building Product Model. Pojem Building Information Modeling (BIM) se začal obecně používat v roce 2002 (Černý, 2014). Podobně jako v případě GIS je možné pod pojem BIM zahrnout množství oborů a činností a také je možné se na BIM dívat z velkého množství pohledů. Tyto pohledy se budou lišit podle aktuálního použití modelu a podle odborného zaměření konkrétního uživatele. Na obrázku 22 jsou znázorněny činnosti, které mohou využívat a vytvářet BIM. Informační modelování budov ani jako teorie ani jako praxe není zatím v České republice příliš rozšířeno.

Obrázek 22: Obory a činnosti, které mohou využívat BIM při spolupráci na projektu (zdroj: Černý, 2014)

Obecně tedy BIM zahrnuje vytvoření a použití koordinovaných, konzistentních a výpočetními systémy zpracovatelných informací o stavbě během návrhu, realizace, údržby a managementu stavby. BIM je objektovým modelem, kde všechny geometrické i negeometrické části modelu jsou modelovány pomocí objektů. Základní rozdělení těchto objektů je:

Fyzické komponenty (dveře, okna, sloupy, zdi, stropy a další);
Prostory (hierarchie Projekt » stavba » budova » podlaží » místnost) – opět obecně nemusí být definováno geometrií, ale mohou se k nim vztahovat informace;
Procesy probíhající během návrhu, realizace a údržby stavby;
Osoby a organizace podílející se na procesu výstavby;
Vztahy mezi jednotlivými objekty obsaženými v modelu.

BIM umožňuje pracovat na projektu flexibilnějším způsobem, jak je znázorněno na obrázku 23. Modrá křivka znázorňuje, jak během průběhu stavebního procesu klesá možnost ovlivnit náklady a výkonnost stavby (například z hlediska spotřeby energie). Červená křivka naopak znázorňuje rostoucí náklady na provádění změn během procesu. Čím později jsou změny prováděny, tím jsou dražší, protože je třeba přepracovat množství dokumentace a je třeba vzít v úvahu více vazeb. Černá křivka potom ukazuje rozložení pracovního procesu během klasického postupu realizace stavby, kdy nejvíce práce je přibližně uprostřed procesu. Oproti tomu při použití BIM jako metodiky pro spolupráci a práci na stavebním projektu je možné dosáhnout odlišného rozdělení práce a úsilí, jak je znázorněno zelenou křivkou. V tom případě je nejvíce úsilí vynaloženo v úvodní části, kdy je ještě jednoduché a levné provádět změny a optimalizovat design.

Obrázek 23: Efektivita návrhu při použití BIM (zdroj: Černý, 2014)

Na následujících obrázcích (24 - 26) je znázorněna jednoduchá situace při navrhování stavby. Realita je samozřejmě značně komplikovanější a komplexnější a zasahuje do ní značné množství dalších vlivů. Na prvním obrázku je jednoduchý řetězec vedoucí od prvního nápadu přes investora, architekta, stavebního inženýra po stavbyvedoucího a výsledný produkt, tedy dům. Ve skutečnosti může každý z těchto účastníků představovat celou skupinu osob nebo firem z jednotlivých dílčích oborů. Na prvním obrázku je znázorněn pouze tok informací, tedy zadání, architektonický návrh a konečný návrh určený k realizaci. Zatímco prvotní zadání bude pravděpodobně ve formě textového dokumentu, další informace budou zřejmě textového charakteru dokumentace a výkresové dokumentace. Zpravidla přitom budou v jednotlivých etapách návrhu použity rozdílné programové prostředky a dost možná se vyskytnou problémy s formátem předávaných dat.

Obrázek 24: Jednoduchý ideální případ návrhu stavby (zdroj: Černý, 2014)

Na obrázku 25 můžeme vidět schéma pravděpodobnějšího scénáře, kdy během návrhu se vrací zpět připomínky, návrhy na změny a objevují se dodatečné dílčí problémy, které je třeba řešit zpětně na vyšších úrovních návrhu (šipky v horní části diagramu). Vzniká tak poměrně komplikovaný řetězec toku informací. Pokud již v předchozím případě byly jakékoli problémy s komunikací mezi jednotlivými účastníky procesu návrhu stavby a s nekompatibilitou datových formátů, pak jsou tyto problémy umocněny násobnou komunikací a předáváním dat a dokumentace. Kromě toho může vznikat nepřehledná situace s aktuálností používaných dat a jejich verzí. Podle americké studie US National Institute for Institute for Standards Technology (NIST) dochází právě vlivem nekompatibility a chyb vzniklých neaktuálností dokumentace ve stavebním průmyslu k nezanedbatelným finančním ztrátám, až 1,5% z obratu celého stavebního odvětví, což je přibližně 15 miliard USD. Podle novějších studií je však tento odhad nízký a pravděpodobnější je blíže 4,5% obratu, tedy přibližně 45 miliard USD.

Obrázek 25: Obvyklý případ návrhu stavby (zdroj: Černý, 2014)

Na obrázku 26 můžeme vidět schématické využití informačního modelu budovy pro usnadnění množství problémů uvedených v předchozím odstavci. Komunikace mezi jednotlivými účastníky návrhu budovy musí samozřejmě probíhat i nadále, ale v ideálním případě je veškerá dokumentace tvořena nad jedním společným modelem a jednotlivé změny jsou opět prováděny v tomto modelu. A to nejen grafická dokumentace, ale i organizační informace týkající se jednotlivých účastníků a fází návrhu. Výsledkem je tak vždy v danou chvíli konzistentní a aktuální dokumentace stavby. Pokud je jednou nastaveno například generování jednotlivých řezů, půdorysů, pohledů, výkazů o materiálu či čemkoli dalším, stačí jen po každé změně tuto dokumentaci znovu vygenerovat a použít.

Obrázek 26: Návrh stavby s pomocí BIM (zdroj: Černý, 2014)

Obrázek 27 ukazuje diagram vývoje od CAD přes BIM po integrovaná serverová řešení, jak jej navrhl Australský institut architektů.

Obrázek 27: Účastníci a uživatelé BIM (zdroj: Černý, 2014)

Standard Industrial Foundation Classes (IFC)

V současnosti je používána verze 2x3 TC1. Standard IFC 2x3 byl vydán v únoru 2006 a je registrován jako ISO16739. Důležitost IFC spočívá v několika aspektech, které byly také důvodem pro vznik tohoto standardu. První důležitou vlastností je, že se jedná o otevřený veřejně dostupný standard. Veškerá dokumentace je dostupná na webových stránkách bSI a tedy každý může podle standardu vytvářet aplikace pro práci s takto definovaným modelem. To souvisí i s další vlastností a tou je dlouhodobá udržitelnost modelu. Dlouhodobá možnost práce s daty je obzvláště důležitá, pokud uvážíme, že doba obměny SW je řádově 1 až 2 roky, zatímco předpokládaná doba životnosti stavby je řádově 50 až 100 a více let.

Další vlastností IFC je, že umožňuje zachytit všechny aspekty stavebního procesu. Veškeré objekty jsou definovány od základu. Pokud tedy chceme například definovat zeď, musí soubor IFC obsahovat definici souřadného systému, definici jednotlivých bodů, definici linií těchto bodů, definici ploch tvořených spojnicemi a definici, že se jedná o zeď. K takovému objektu pak můžeme definovat pomocí vazeb jednotlivé vlastnosti a další související informace. Pokud to bude například dodavatel, bude muset být definován opět od základu – definice jména, definice role v projektu a tak dále. Soubor je tedy zcela soběstačný a pro jeho zpracování nejsou zapotřebí žádné vnější knihovny objektů. Některé informace přirozeně zůstávají vně systému a je pak možné je definovat odkazem (například zdroj klasifikace objektů).

Všemi uvedenými vlastnostmi tedy IFC podporuje interoperabilitu mezi odbornými oblastmi, odborníky a různými systémy. To je důležité v oboru jako je stavebnictví, kde se i na malé zakázce podílí řádově šest různých společností a nejsou výjimkou ani projekty, na kterých se jich podílí až dvacet. K tomu je třeba přidat ještě další účastníky, kteří se podílí na udržování stavby a jejím provozním managementu.

Množství typů informací v modelu může být potenciálně mnohem větší než objem dat produkovaný současnými SW jako je ArchiCAD nebo Autodesk REVIT. To je přirozené, protože jednotlivé systémy podílející se na návrhu a organizaci stavby jsou specializované na dílčí odborné zaměření. Proto může sloužit jako prostředek komunikace mezi jednotlivými obory (viz. obrázek 26) a úrovněmi návrhu stavby, stejně jako prostředek přenosu dat mezi různými SW použitými v tomto procesu. Jedním z těchto dílčích systémů může být právě GIS, kdy extrahujeme některá data z modelu a použijeme je pro analýzy a vizualizace, pro které je GIS vhodnější než například SW pro tvorbu geometrické části BIM jako modelu (vizualizacemi jsou míněny vizualizace výsledků analýz, nikoli fotorealistické vizualizace a prezentace). Touto problematikou se budu zabývat dále v práci stejně jako zdůvodněním, proč je pro některé druhy analýz lepším nástrojem GIS. Dalšími takovými systémy mohou být simulační systémy, systémy pro analýzu nákladů, systémy pro energetickou analýzu, systémy pro management stavebního projektu a další.

Na obrázku 28 je diagram organizační struktury IFC tak, jak je zveřejněný na webových stránkách bSI [1]. Zelené šestiúhelníky ve spodní části diagramu reprezentují zdroje pro jednotlivé oblasti, které IFC pokrývá. Jsou to základní stavební kameny pro definici všech objektů, které se v modelu vyskytují od základní definice elementární geometrie a definice topologie přes definici jednotek, souřadných a časových systémů až po definici osob a společností, které jsou součástí modelu jako účastníci projektu z hlediska organizace a managementu. V této části nejsou definovány uvedené objekty, ale pouze definice jejich zdrojů.

Obrázek 28: Diagram architektury standardu IFC 2x3 (zdroj: Černý, 2014)

Uprostřed diagramu je velký zelený trojúhelník znázorňující jádro systému. Zde jsou definice vztahů mezi základními zdrojovými elementy z nižší vrstvy a definice objektů jako je projekt, produkt, proces, zdroj, vztah a další základní stavební kameny pro strukturu modelu.

Nad jádrem jsou obdélníky a čtverce, které využívají zdrojů ze spodní části schématu a vztahů a objektů definovaných v jádru pro definice objektů vyšší úrovně. Zelený čtverec reprezentující rozšíření pro produkty. Produktem podle IFC je cokoli, co má nebo může mít geometrickou reprezentaci anebo prostorové umístění. Na této úrovni je definován IfcElement jako generalizace pro vše, co může být komponentou pro produkty stavebního průmyslu. Dále jsou zde definovány prostorové struktury jako je hierarchie projekt » stavba » budova » podlaží » místnost nebo obecný objekt vybavení budovy a další objekty na této úrovni. Pro skupiny objektů vždy existuje objekt, který je jejich generalizací. Jedná se tedy stále o abstraktní objekty a jejich hierarchii.

Teprve v části sdílených elementů budovy, která se nachází nad rozšířením pro produkty jsou definovány objekty, které mají fyzickou reprezentaci v reálném světě. Jsou to zdi, podlahy, sloupy, nosníky, střechy a další. Také jsou zde definice vztahů pro spojení těchto objektů s dalšími objekty v modelu. Tím může být například místnost, ve které se nacházejí, dodavatel materiálu nebo celého elementu, čas kdy má být element dokončen a podobně. Jako jeden z elementů je také definován IfcBuildingElementProxy, což je specifický element pro zaznamenání objektů na této úrovni, pro které není v IFC definován jejich typ. Mohou to být elementy jako například hasicí přístroje a další elementy, pokud je nebudeme považovat například za vybavení budovy.

Na nejvyšší úrovni jsou definovány objekty specifické pro jednotlivé odborné oblasti. Tyto náleží stejně jako ostatní oranžové části na okrajích schématu do části standardu, která není registrována jako ISO16739.

Standard IFC je stejně jako standardy OGC otevřeným standardem, za kterým stojí konsorcium složené z odborníků v daném oboru. Standardy samy o sobě však nejsou nikterak užitečné. Užitečné se stávají až ve chvíli, kdy jsou implementovány a obecně používány. Pak se teprve vrací náklady a úsilí vynaložené do vytvoření těchto kvalitních standardů

5.5.3 Srovnání standardů GIS a BIM

GIS i BIM se zabývají objekty v prostoru. BIM je úzce specializovaný na data o budovách a komplexním procesu jejich návrhu, realizace a údržby. GIS je proti tomu obecný systém zabývající se prostorovými daty. V některých ohledech pracují GIS i BIM s podobnými daty, ale z odlišného úhlu pohledu. Data obsažená v BIM nemusí obecně obsahovat žádnou geometrii, ale zpravidla ji obsahují jako prvek pojící ostatní informace o budově. Typické je také rozdílné zaměření na úroveň detailu mezi BIM a GIS. Obecně však je možné i v BIM vytvářet modely s nízkou úrovní detailu a naopak v GIS pracovat s modely s vysokou úrovní detailu. Zpravidla však v souvislosti s BIM pracujeme s modely, jejichž přesnost a geometrická komplexita přesahuje účel použití většiny GIS.

Geometrie objektů v BIM může být velmi složitá a jednotlivé objekty se mohou skládat z velkého množství podobjektů typu B-Rep nebo CSG. Tato bohatá geometrie umožňuje modelovat detaily modelu budovy. V oblasti GIS je možné i tyto složitější geometrické objekty uložit podle standardu GML/CityGML. Tímto druhem transformace dat se zabývají projekty jako BIM4GEO a Transformation Framework for CityGML.

Pokud se však budeme zabývat využitím GIS jako analytického nástroje pro data informačního modelu budovy, narazíme na složitost analýz s modely definovanými podle GML/CityGML. Flexibilní struktura GML dokumentů a jejich bohatý slovník zvyšují náročnost zpracování GML dat. Formáty GML a CityGML jsou však velmi vhodné například pro prostorový data mining, simulace, atributové dotazy a vyhledávání. Pro analýzy se jeví výhodnější standard Simple Features, který kromě formátů pro ukládání geometrie objektů WKT a WKB definuje i operace a analýzy s těmito objekty. Většina GIS software pracuje pro analýzy s daty na bázi Simple Features, protože jejich použití pro analýzy je jednodušší a efektivnější. Takovým formátem je ve své podstatě i ESRI Shapefile® zmíněný spolu se standardy.

Geometrický model Simple Features je mnohem jednodušší než většina geometrie BIM, což však umožňuje provádět efektivně analýzy. Převod dat z BIM do Simple Features je obecně možný. Musíme potom převést i složitější geometrii na objekty dané pouze pomocí bodů, linií, polygonů a polyhedronů pro 3D objekty (objekt typu B-Rep). Při převodu dojde ke ztrátě dat a není možné provést převod zpět do původní podoby. Obecně je možné jakoukoli geometrii GIS převést na model v BIM. Pokud však budeme tento převod provádět cyklicky (BIM - GIS - BIM), ztratíme přesnou geometrickou informaci původního modelu i analytické možnosti GIS modelu. Proto tento cyklus přenosu geometrických informací nepovažuji za vhodný.

Extrakce dat z BIM do struktury Simple Features je kvůli integraci s GIS přesto často používána. Takový postup může mít svůj význam, pokud současně zachováme identitu objektů pomocí unikátních identifikátorů a do původního modelu pak můžeme vrátit výsledky analýzy ve formě nových sémantických informací. Tato část postupu, kdy jsou výsledky analýz vraceny do původního modelu není zpravidla realizována.

Po stránce sémantických informací je pro BIM daná množina typu informací týkajících se budov. Data jsou uložena v objektové struktuře. Informace v GIS jsou libovolné povahy a jsou zpravidla v relační datové struktuře. Ta však nevyhovuje skutečným strukturám geografických dat. Objektová datová struktura je komplexnější a lépe vystihuje povahu skutečných objektů. Relační model je jednodušší, snáze se navrhuje jeho struktura a snáze se navrhují analýzy a dotazy. Pro analýzu dat BIM v prostředí GIS považuji za vhodné vybrat podmnožinu relevantních informací pro řešení daného problému. S množstvím a koncentrací dat o budově souvisí problém s ochranou dat a řízení přístupu k informacím. Tyto problémy však již byly úspěšně vyřešeny v jiných oblastech jako je medicína a bankovnictví a neměla by být překážkou v použití BIM a GIS pro řešení množství problémů.

Pro vizualizaci výsledků prostorových analýz je vhodnější použít kartografické prostředky GIS, které jsou pro tento účel používány již dlouhou dobu, spíše než realistické vizualizace. V ideálním případem je pak výsledkem analýzy jednoduchá vizualizace, která je srozumitelná pro uživatele analýzy, a je tak významným komunikačním prostředkem. Pro realistické vizualizace stavebních objektů považuji za vhodné využít spíše specializovaný software ve spojení s podrobným modelem BIM. Opět se jedná o komplikovanou doménu a software zaměřený výhradně na takové vizualizace poskytne nesrovnatelně vyšší kvalitu grafického výstupu, pokud je tato požadována (včetně vícenásobného šíření světla, možností modelovat různé druhy osvětlení, měnit optické vlastnosti materiálů a podobně). Příklady takového SW jsou Autodesk® 3ds Max®, Maxwell Render Suite a další.

Posledním, avšak velmi podstatným rozdílem, je samotný přístup k modelování informací. Young a Ratto (2009) rozdělili modelovací paradigmata na dvě skupiny podle jejich základního modelovacího principu. První princip je hypoteticko-deduktivní modelování. Tento přístup je založen na vědeckých znalostech o modelované odborné oblasti včetně vztahů a pravidel, která platí v modelovaném prostředí. Druhý princip je induktivní modelování, které je založené na empirické zkušenosti a měřených datech. Hypoteticko-deduktivní modely jsou zpravidla mnohem komplexnější než idunktivní modely, které se snaží zachytit pouze významné charakteristiky modelovaného jevu.