Optimization of automated retrieval of semantic 3D city data

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.