UNIVERSIDADE DE LISBOAFACULDADE DE CINCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRFICA, GEOFSICA E ENERGIA

Modelao tridimensional em SIG para avaliao dopotencial solar fotovoltaico em meio urbano

Miguel Joo Incio dos Santos

Mestrado em Sistemas de Informao Geogrfica Tecnologias e Aplicaes

Trabalho de projeto orientado porProfessora Doutora Cristina Maria Sousa Catita e

Professora Doutora Paula Maria Ferreira de Sousa Cruz Redweik

2016

UNIVERSIDADE DE LISBOAFACULDADE DE CINCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRFICA, GEOFSICA E ENERGIA

Modelao tridimensional em SIG para avaliao dopotencial solar fotovoltaico em meio urbano

Miguel Joo Incio dos Santos

Trabalho de projeto orientado porProfessora Doutora Cristina Maria Sousa Catita e

Professora Doutora Paula Maria Ferreira de Sousa Cruz Redweik

2016

Agradecimentos

O desenvolvimento de um trabalho de projeto e de escrita da correspondente dissertao, sendoum trabalho necessariamente solitrio s possvel com a colaborao e disponibilidade de vriosintervenientes. Assim, so devidos agradecimentos queles que contribuiram para que este trabalho fossepossvel.

s orientadoras deste trabalho, professoras Cristina Catita e Paula Redweik, desde logo pelodesafio que propuseram e por todo o acompanhamento que souberam dar, pelo rigor cientfico queimprimiram construo do trabalho e, num plano prtico, por terem disponibilizado os dados e os meiosmateriais (um espao para trabalhar) sem os quais este trabalho no existiria.

Aos colegas do curso de mestrado e a outros que foram companhia na FCUL e ajudaram a quetudo se concretizasse: Romeu, Gradiz, Adro, Carolina, Duarte, Ion, Ferreira, Ins. Ao Lus G. Ferreirapelas longas discusses e sugestes de LATEX. , .

A todos aqueles cujas sugestes foram relevantes para levar avante a tarefa de concluir o trabalho.

Aos meus pais, por todo o resto.

iii

Resumo

No contexto das agendas polticas atuais, moldadas pela emergncia das alteraes climticas, oaproveitamento de fontes renovveis de energia cada vez mais premente, e em meio urbano procuram-sesolues energticas de aumento de eficincia no consumo, ou de microproduo. Os sistemas deinformao geogrfica (SIG) 3D tem tido um grande desenvolvimento nos ltimos anos, permitindocriar modelos que representam com razovel grau de realismo reas urbanas considerveis, tendoum vasto campo de aplicao, nomeadamente em ferramentas de simulao de fenmenos naturais.Nesta dissertao, resultante de um trabalho de projeto, faz-se um levantamento dos diferentes meiosde representao tridimensional em meio SIG e dos respetivos modelos de dados e prope-se umametodologia de gerao automtica (supervisada) de modelos de edifcios, com discretizao de clulasindividuais de fachadas/telhados, que permitem analisar a informao sobre radiao solar para umdado perodo astronmico (dia do ano/hora) proveniente de processamento prvio pelo algoritmo SOL(Redweik et al., 2013), segundo um modelo de dados predeterminado. Utilizando as capacidades demodelao procedimental disponveis no software SIG atual, foi construdo um modelo de uma rea dacidade de Lisboa, que disponibilizado atravs da web e permite a consulta de informao sobre radiaosolar nas faces de um edifcio, ao nvel de desagregao de clulas de 1m2 e foram analisadas alternativaspossveis a esta metodologia.

Este trabalho integra-se no desenvolvimento do projeto PVCITY Potencial solar em ambiente urbano

(ref PTDC/EMS-ENE/4525/2014, Fundao da Faculdade de Cincias da Universidade de Lisboa, FP

(FFC/FC/ULisboa)).

Palavras-chave: Sistemas de informao geogrfica, modelos 3D urbanos, visualizao web,potencial solar fotovoltaico, modelos de dados espaciais

v

Abstract

Current political agendas are, to a relevant degree, shaped by the emergency of climate change, promptingthe development of renewable sources of primary energy, especially in urban landscapes, where mostof the energy consumption is located. Thus, new energy solutions for enhancing energy efficiency arerequired, whether enhancing energy efficiency or providing microgeneration of electricity. Recentdevelopments in the field of 3D geographic information systems (GIS) have allowed the modelling oflarge urban areas with very high degrees of visual realism, and have a broad range of use cases, especiallyin the simulation of natural phenomena. This thesis, which describes the development of a project work,reviews the available models for representing 3D models in GIS and respective data models, and presentsa methodology for the automatic generation (supervised) of building models, including the discretizationof a buildings faces (faades/roofs) into individual cells, which allow for the fine analysis of solarradiation for a given astronomical period (day of the year/time) provided by the SOL algorithm (Redweiket al., 2013) and following a predesigned data model. Making use of the procedural modelling features ofcurrent GIS software, an experimental model of a area of the city of Lisbon was generated and publishedvia a web platform. This model allows the user to find information about solar radiation in a buildingsfaces, with a resolution of 1m2. Additionally, the challenges and alternatives to the presented methodolgyare discussed.

Keywords: 3D geographic information systems, 3D urban models, web GIS visualization,photovoltaic potential, spatial data models.

vii

Contedo

Resumo v

Abstract vii

Lista de Figuras xi

Lista de Tabelas xiii

Lista de siglas e abreviaturas xvNotas prvias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii

1 Introduo 11.1 Enquadramento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Motivao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.4 Contribuio cientfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.5 Estado da arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5.1 Aplicaes dos SIG 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.5.2 Modelos de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5.3 Gerao de modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5.4 Algoritmos de clculo de potencial solar em 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6 O algoritmo SOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 Metodologia 152.1 Modelo de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.1.1 Condies de utilizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.2 Sada de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.2 Arquitetura do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.1 Regras CGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 Plataforma web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3 Especificao do processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3.1 Criao de tarefa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3 Desenvolvimento de procedimento de modelao e publicao web 253.1 Estudo de caso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.1 Fontes de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

ix

3.2 Processos e produtos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.1 Preparao dos dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.2.2 Gerao de modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.2.3 Aplicao de atributos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.2.4 Exportao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2.5 Erros de anlise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3 Visualizao e publicao de informao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4 Anlise de resultados e alternativas 354.1 Comportamento de visualizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2 Alternativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2.1 Representao de informao em ambiente desktop . . . . . . . . . . . . . . . . 364.2.2 Visualizao web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5 Concluses 415.1 Perspetivas de desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Bibliografia 43

A Anexos 49A.1 Cdigo-fonte das regras CGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

A.1.1 facades.cga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49A.1.2 buildings.cga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50A.1.3 roofs.cga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50A.1.4 Anexos digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

x

Lista de Figuras

1.1 Aplicaes possveis para os modelos 3D urbanos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2 Classes de aplicao do modelo CityGML. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.3 Modelo geral IFC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.4 Nveis de detalhe segundo a especificao CityGML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 Modos de Modelao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.6 Processo de clculo de radiao em fachadas verticais no algoritmo SOL . . . . . . . . . 131.7 Ficheiro de texto de sada do algoritmo SOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1 Diagrama do processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Modelo de dados proposto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3 Ferramentas utilizadas no processo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.4 Caractersticas de uma shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.5 Etapas do processo de modelao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.6 Interface geral de uma tarefa em ArcGIS Pro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1 Aspeto geral da cena 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.2 rea de estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.3 rea a modelar em 3D, com elementos de fachada/telhado . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4 Exemplo de modelos (fachadas divididas) em CityEngine . . . . . . . . . . . . . . . . . 273.5 Diagrama do processo da regras CGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.6 Gerao de edifcios e posterior diviso em clulas em CityEngine . . . . . . . . . . . . 283.7 Modelo da camada Fachadas com clulas individuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.8 Modelos 3D de edifcios completos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.9 Tabela de atributos dos modelos 3D, divididos em clulas, com valores de radiao

individuais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.10 Discrepncia entre planos dos pontos SOL e dos modelos 3D . . . . . . . . . . . . . . . 323.11 Aspeto geral da cena web publicada, com os modelos visveis . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1 Seleo de um edifcio (completo) individual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2 Widget/caixa de pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3 Pontos calculados pela 3D Fences Toolbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.4 Edifcios da rea de estudo visualizados em 3D no Google Earth . . . . . . . . . . . . . 384.5 Edifcios da plataforma OSM visualizados em 3D num browser (Mapbox, 2016) . . . . 39

xi

Lista de Tabelas

1.1 Definio dos nveis de detalhe em CityGML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.1 Fontes de dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

xiii

Lista de siglas e abreviaturas

2D duas dimenses / bidimensional

3D trs dimenses / tridimensional

ADE Application Domain Extension

API application programming interface

ASC ASCII text file

BIM building information model

CAD computer-aided design

CIGeoE Centro de Informao Geoespacial do Exrcito

CityGML City Geography Markup Language

CGA Computer Generated Architecture

CML Cmara Municipal de Lisboa

EBK Empirical Bayesian Kriging

ESRI Environmental Systems Research Institute, Inc.

EPSG European Petroleum Survey Group

ETRS89 European Terrestrial Reference System 1989

EVRS European Vertical Reference System

FCUL Faculdade de Cincias da Universidade de Lisboa

IFC Industry Foundation Classes

KML Keyhole Markup Language

LiDAR light detection and ranging

LoD level of detail

MDS modelo digital de superfcie

MDT modelo digital de terreno

xv

NMM nvel mdio do mar

OGC Open Geospatial Consortium

OMT-G Object Modelling Technique for Geographic Applications

OSM OpenStreetMap

SGBD sistema(s) de gesto de base de dados

SIG sistema(s) de informao geogrfica

SRC sistema de referncia de coordenadas

SVF sky view factor

UML Unified Modeling Language

XML Extensible Markup Language

WGS84 World Geodetic System 1984

WMS Web Map Service

WYSIWYG what you see is what you get

xvi

Notas prvias

Estrutura da dissertao

Esta dissertao desenvolve-se em cinco captulos principais: No captulo 1 Introduo so apresentadosa motivao e objetivos do trabalho, alm do levantamento do estado da arte nesta matria, incluindo oalgoritmo cujos dados de sada so base do procedimento desenvolvido.No captulo 2 Metodologia descrita a metodologia escolhida, com o modelo de dados proposto e aarquitetura geral do procedimento e ferramentas necessrias.O captulo 3 Desenvolvimento de procedimento de modelao e publicao web detalha a aplicao doprocedimento utilizado aplicado a um caso particular (referido na seco 1.3 Objetivos) de uma reaurbana, sendo descrito o processo de construo do modelo SIG tridimensional que lhe est subjacente. tambm descrito o procedimento de publicao da informao e interao do ponto de vista de umutilizador.No captulo 4 Anlise de resultados e alternativas descreve os resultados obtidos e so analisadaspotenciais alternativas de processo de construo, e mtodos de publicao de informao.Por fim apresenta-se o captulo 5 Concluses, onde se inclui um balano crtico do trabalho, alm de seprojetarem possveis linhas de desenvolvimento futuro.

Outras notas

A especificao e descrio dos ficheiros produzidos no contexto deste trabalho feita em ingls.

Os ficheiros de dados e websites resultantes do trabalho descrito nesta dissertao, por serem objetode permanente atualizao, esto centralizados numa nica pgina de referncia desta dissertao,disponvel at setembro de 2017 em www.msdm.eu.

A cartografia apresentada utiliza o SRC ETRS89/PT-TM06 (cdigo EPSG: 3763), podendo contudoser mostradas grelhas de coordenadas geodsicas WGS84 (cdigo EPSG: 4326).

xvii

http://www.msdm.eu

Captulo 1

Introduo

1.1 Enquadramento

As alteraes climticas so uma parte eminentemente relevante da agenda poltica, e a mitigao destasalteraes tem assumido algum protagonismo na poltica internacional, como exemplo a relevanteCimeira de Paris (2015), em que foi adotado por um grande nmero de pases o Acordo de Paris(UNFCCC. Conference of the Parties (COP), 2015). Este acordo, alm de reconhecer a necessidadede ao, prescreve alguns princpios de atuao para os estados-membros da ONU, tendo em conta odiagnstico do potencial efeito irreversvel das alteraes climticas. nesta perspetiva ambiental, paraalm dos considerandos econmicos, que se inserem as polticas de incentivo produo energtica apartir de fontes renovveis, assumida h vrios anos por vrios pases, e particularmente relevante naEuropa.

A diretiva 2009/28/CE do Parlamento Europeu (Parlamento Europeu, 2009) estabelece como objetivoobrigatrio que no consumo energtico comunitrio global uma quota de 20% de energia seja provenientede fontes renovveis at 2020. No caso portugus esta diretiva o Plano Nacional de Aco para asEnergias Renovveis, que define como objetivo que 60% da produo de eletricidade tenha origemem fontes renovveis. Um dos eixos desta poltica, a par de grandes empreendimentos de produo eequipamento da rede eltrica, a aposta na microproduo de energia solar, de modo a diversificar o mixenergtico. Assim, a microproduo solar fotovoltaica revela-se de grande importncia a mdio prazo,pelo que o estudo do potencial desta forma de aproveitamento energtico ser de grande utilidade comoferramenta de planeamento quer para a deciso poltica, quer para os diversos agentes da sociedade.

1.2 Motivao

no contexto da referida poltica de aproveitamento energtico de fontes renovveis que se inserem oDecreto-Lei n78/2006, que estabelece as bases do Sistema Nacional de Classificao Energtica e oRegulamento das Caractersticas de Comportamento Trmico dos Edifcios (Dirio da Repblica, 2006),resultantes da transposio da Directiva n 2002/91/CE, do Parlamento Europeu e do Conselho, de 16 dedezembro, relativa ao desempenho energtico dos edifcios. Estes documentos detalham alguns sistemas edispositivos construtivos (passivos e ativos) que podem ser aplicados a um edifcio, com o fim de melhorara sua eficincia energtica, o que se pode tambm traduzir em autossuficincia energtica em alguns casos.

Neste sentido importa cada vez mais aumentar a capacidade de avaliao do potencial energtico dos

1

edifcios, no apenas de construo nova como de edificado existente. No caso particular das cidadesa exposio solar o aspeto mais relevante, tanto do ponto de vista do conforto trmico, como pelopotencial de aproveitamento para produo de energia (trmica ou eltrica). Os critrios de avaliaodos imveis, como os previstos no Cdigo do Imposto Municipal sobre Imveis (Autoridade Tributria eAduaneira, 2016, Artigo 43) so alvo de crescente discusso, ao incorporarem dimenses diversas, peloque tambm neste canpo importa aumentar a quantidade e fiabilidade da informao.

Considere-se ainda a utilidade dos modelos 3D aquando da fase de projeto de edifcios e outrasconstrues, como importante ferramenta de estudo de consequncias ambientais diretas da suaimplantao, que muitas vezes so ignoradas ou imprevisveis por parte dos projetistas1.

Nos ltimos anos tem-se assistido disseminao de aplicaes de visualizao de SIG atravs daweb disponibilizadas por entidades oficiais. disso exemplo a cartografia temtica disponibilizada onlinepelas autarquias portuguesas, com graus variveis de interatividade desde simples mapas "analgicos",resultantes da digitalizao de cartografia histrica, a camadas com entidades vetoriais desagregadas ecom atributos individuais, e possibilidade de pesquisa semntica. No entanto, esta disponibilizao deinformao limitada a modelos bidimensionais, com alguns modelos pseudo-3D (tambm designadoscomo 2.5D) como os modelos digitais de terreno (a partir de grelhas 2D com informao altimtrica). Autilizao de modelos 3D permite um vasto conjunto de aplicaes adicionais (vide 1.5 Estado da arte),que no so possveis de reproduzir (pelo menos no totalmente) em duas dimenses. Tambm no que dizrespeito informao cartogrfica mesmo em 2D sobre potencial de energia renovvel, existe poucainformao a uma escala suficientemente grande para se revelar til ao nvel do planeamento urbano,salvo algumas excees como a Carta do Potencial Solar do Concelho de Lisboa (Lisboa E-Nova, 2012).

A utilidade acrescida dos SIG 3D tem justificado que diversas cidades europeias tenham criadomodelos interativos, que permitem anlises espaciais de outro tipo e visualizao mais til de informaosobre o edificado. Em Portugal existem ainda poucos modelos urbanos tridimensionais, e a diversidade deformatos dos que esto disponveis torna difcil a sua interoperabilidade, ou sequer a consulta pblica.Esta utilidade to mais relevante quanto se considerarem as vantagens da interao do cidado com ainformao como relevante para acessibilidade aos servios pblicos, numa lgica hoje materializada noconceito das smart cities (Caragliu et al., 2011).

Um dos modelos de clculo do potencial solar fotovoltaico sobre edifcios o algoritmo SOL (Redweiket al., 2013), detalhado na seco 1.6 O algoritmo SOL, que gera nuvens de pontos com informaodiscreta sobre a radiao recebida. Prope-se assim a execuo de um modelo interativo para avaliao dopotencial solar nos edifcios que integre os resultados do algoritmo SOL, funcionando como prova deconceito para uma possvel plataforma de visualizao e consulta de informao sobre modelos 3D parauma cidade.

1.3 Objetivos

O mbito do trabalho descrito nesta dissertao a criao de uma ferramenta de visualizao dainformao sobre radiao solar em edifcios, que possa ser acessvel via web, podendo assim constituiruma ferramenta de apoio deciso, quer para especialistas (e.g.: planeamento), quer para o pblico emgeral. A montante deste resultado ser necessrio desenvolver e padronizar um modelo de dados, uma

1Veja-se o caso de um edifcio cuja fachada, devido sua forma cncava, funcionou como concentrador de raios solares aonvel da rua, tendo provocado danos pelas altas temperaturas atingidas (BBC, 2013; The Guardian, 2013).

2

cadeia de procedimentos, e um conjunto de decises sobre simbologia e apresentao de informao.

Utilizando como base os ficheiros de texto (descrevendo nuvens de pontos) resultantes do algoritmoSOL, sero desenvolvidos:

1. Modelo de dados: o modelo de dados descrito ser utilizado como padro para o processo degerao dos modelos, respeitando os dados de base necessrios e estabelecendo a estrutura de dadosresultante

2. Processo de gerao: com base no modelo de dados, ser implementado uma sequncia de passospara a gerao de modelos 3D interativos com informao relevante

3. Discretizao da informao sobre radiao solar: gerar um modelo a que se associaminformaes de potencial solar com uma desagregao espacial fina, que permita analisar faces deedifcios com 1 m2

4. Modelao de uma rea de estudo: a aplicao do processo ser testada a uma rea de estudobem definida, com criao de um modelo com nvel de detalhe (LoD) 12, que servir como provade conceito para o processo definido

5. Disponibilizao na web: partindo da rea de teste modelada, ser testada a disponibilizao destarea numa plataforma web interativa, como forma de teste

Pretende-se que de futuro o processo possa ser totalmente automatizado com base no processo degerao definido. A automatizao completa no se inclui no mbito deste trabalho, mas possibilitadapela definio do modelo de dados e atravs da programao integral do processo interativo concebido,com recurso ao ambiente de scripting disponvel no software utilizado.

1.4 Contribuio cientfica

A inexistncia de modelos disseminados de visualizao/anlise tridimensional revela-se uma lacunaimportante na utilizao dos SIG enquanto ferramenta de apoio deciso. Adicionalmente, a criao demodelos 3D exige por norma uma grande intensidade de trabalho, o que justifica a sua (ainda) limitadapresena.

Este trabalho prope estabelecer um modelo de dados que permita a criao procedimental de modelos3D, a que se associam informaes de potencial solar com uma desagregao espacial fina, sendo possvelanalisar faces de edifcios com 1 m2 de resoluo. Esta escala de anlise no atualmente possvel com aoferta dos SIG 3D mais utilizados (e.g.: CityGML). Ser tambm definido um modelo de dados prprioe um procedimento de modelao que permita um mnimo de interveno humana na sua criao. Esteprocedimento passvel de ser futuramente expandido e integrado num processo totalmente automtico.

A utilizao de uma plataforma de visualizao web (sem necessidade de software adicional) tambmum aspeto relevante do trabalho desenvolvido, em linha com os desenvolvimentos mais recentes dos SIG,e a separao clara das operaes de produo e edio (tipicamente em software desktop prprio) davisualizao de dados.

2A definio dos LoD ser detalhada na seco 1.5.3 Gerao de modelos.

3

1.5 Estado da arte

A definio de um SIG pode ser difcil de limitar no atual contexto tecnolgico, se feita pela perspetiva deum conjunto de componentes que o constituem. Assim, um SIG pode ser definido pelo tipo de ferramentasque oferece: o mapa, a anlise espacial e a base de dados, como prope Maguire (1991). Para l damodelao espacial, so as relaes semnticas entre entidades e as capacidades de anlise espacial quedistinguem os SIG tanto das ferramentas de cartografia ou desenho (como os CAD) como dos sistemasde bases de dados tradicionais, antes incorporando estes dois campos na sua construo, e considera-seque devem permitir um conjunto de operaes de 1) recolha de dados, 2) estruturao de dados, 3)manipulao de dados, 4) anlise de dados e 5) apresentao de dados (Raper and Maguire (1992) apudZlatanova et al. (2002)).

No que respeita s realidades urbanas, so frequentemente produzidos modelos SIG urbanos, com ainformao centrada nos dados sobre edifcios e na geo-codificao. Estes modelos, possibilitados pelodesenvolvimento tecnolgico das ltimas dcadas, podem ser de facto uma ferramenta de interao entrecidados e gestores das cidades (Batty et al., 2001), permitido pela massificao dos SIG, sobretudo com oadvento das ferramentas da web 2.0 (so disso exemplo os servios de mapas baseados em crowdsourcing contribuies de dados por parte dos utilizadores), como referido por Batty et al. (2010). alis estaabundncia de dados quer os produzidos oficialmente, quer os disponibilizados de forma distribudapelos utilizadores uma das bases do conceito de smart cities, em que a aprendizagem permitida pelosgrandes volumes de informao hoje disponveis permite melhorar a qualidade das decises e gesto dascidades (Caragliu et al., 2011).

Um modelo 3D urbano representa dados espaciais ou georreferenciados atravs de um ambientetridimensional virtual que inclua modelos de terreno, de edifcios, de vegetao e de redes de transportes.Estes modelos servem para a apresentao, explorao e anlise de dados e permitem a sua gesto (Dllneret al., 2006), sendo particularmente teis em contextos de simulao (Dodge et al., 2011). A visualizaode objetos em trs dimenses tem claras vantagens em vrios campos tcnicos e cientficos, e como talexiste h vrios anos uma grande variedade de ferramentas que permitem esta construo e visualizao,o que no se traduz necessariamente por um grande desenvolvimento nesta rea no campo dos SIG(Zlatanova et al., 2002). Neste campo, a integrao dos modelos (urbanos) 3D exige uma particularateno coerncia dos dados e sanidade das suas propriedades geomtricas, que devem respeitar regrasde topologia, alm de regras de coerncia semntica no contexto particular dos SIG 3D, como propostopor Grger and Plmer (2011).

Os SIG 3D atuais assentam num conjunto alargado de tecnologias, o que dificulta a sua identificaoe interoperabilidade (Biljecki et al., 2015), e a sua prpria definio problemtica, j que o termo aplicado a diferentes tipos de dados com formas de interao diversas desde grelhas raster com valoresde altimetria, como os MDT (que a maioria da literatura denomina como modelos 2.5D) cuja utilidade paraanlise em ambiente totalmente tridimensional limitada (Zhang et al., 2015) at objetos de geometriaimplcita, que tm uma posio (coordenadas) bem definida, mas que no podem ser manipulados nemincludos numa anlise espacial. Os modelos com uma definio semntica explcita, como CityGML(Grger and Plmer (2012) e Grger et al. (2012)) permitem uma anlise detalhada, e o relacionamentotodo parte. O valor acrescentado da utilizao das trs dimenses sobre os bem estabelecidos modelosbidimensionais verificvel em casos em que s possvel modelar um fenmeno em 3D, ou quandoum modelo 3D oferece um incremento de preciso e fiabilidade em relao ao modelo 2D equivalente

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(Biljecki et al., 2015).

1.5.1 Aplicaes dos SIG 3D

Os modelos de SIG tridimensionais tm um vasto campo de aplicaes. Considerando uma anlisede possveis usos de caso, podem contar-se mais de vinte aplicaes (Biljecki et al., 2015), em vriasdisciplinas cientficas (vide Figura 1.1).

Figura 1.1: Aplicaes possveis para os modelos 3D urbanos. (Biljecki et al., 2015).

Entre os usos de caso/aplicaes mais relevantes incluem-se:

anlise de potencial solar: quantificao da energia solar recebida por determinado objeto ou reanum dado perodo do tempo tema em que se insere o trabalho presente;

anlise de visibilidade: previso de linhas de vista em superfcies topogrficas e entre objetos(urbanos ou no);

estimativas de sombra: verificao a priori do impacte de novas construes sobre uma paisagemou malha urbana j existente no que respeita exposio solar;

cadastro tridimensional: possibilita a expanso numa terceira dimenso de cadastro (urbano) emambiente SIG, impossvel em duas dimenses e.g.: infraestruturas e redes subterrneas ou areassobre edifcios; prdios com vrias fraes autnomas sobrepostas verticalmente;

simulao de fenmenos ambientais: alguns fenmenos ambientais (naturais ou antrpicos) podemser modelados numericamente utilizando um modelo tridimensional integrado na anlise depropagao e.g.: circulao de ventos, propagao de rudo, comportamento (interaes) deradiaes eletromagnticas, simulao dos efeitos de catstrofes como sismos ou inundaes;

visualizao: o aspeto 3D utilizado em ambientes de navegao e clculo de percursos adicionauma referncia espacial importante para a perceo do utilizador;

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publicao de informao: sistemas de informao ao cidado que impliquem informao que spossa ser representada tridimensionalmente;

arqueologia: reconstruo de realidades j desaparecidas com base nas capacidades de modelaoexistentes; so teis para o desenvolvimento de estudos em arqueologia ao permitirem por exemploutilizar algumas das aplicaes listadas anteriormente.

A lista apresentada no exaustiva, mas permite uma perspetiva geral sobre atuais utilizaes dosSIG tridimensionais. Para l da elevada especificidade dos algoritmos de clculo de potencial solar (vide1.5.4 Algoritmos de clculo de potencial solar em 3D), h outras aplicaes na rea da energia, como oclculo das necessidades energticas de um edifcio (Wate and Coors, 2015). A rea da proteo civiltem tambm assistido ao desenvolvimento de diversos modelos de simulao de catstrofe e de resposta(Kemec et al., 2010).

Na rea da arqueologia e proteo de patrimnio as atuais ferramentas de modelao revelam-sede grande utilidade na reconstituio histrica dos lugares (Botica et al., 2015), havendo j um nmeroalargado de experincias e metodologias para a integrao de diversos dados na produo destes modelos(Apollonio et al., 2012). No campo da arqueologia e histria de arte, tm existido inmeros esforos dereconstruo histrica com base em diversos ambientes de simulao 3D (Projeto Cidade e Espectculo,2010).

1.5.2 Modelos de dados

No campo dos SIG existe uma variedade grande de formatos de dados, justificadas quer pelas diferentesnecessidades a que cada uma procura responder, quer pela concorrncia entre produtores de software, querepresentam uma dificuldade no processo de criao e transporte de dados, embora a interoperabilidadedestes diversos formatos (pelo menos dos que ainda so mantidos ativamente) seja um problema cada vezmenor. Adicionalmente, existem poucas linguagens de modelao adaptadas representao de entidadesgeogrficas, sendo uma das mais recorrentes a extenso OMT-G (Borges et al., 2001) linguagem UML.Nos modelos tridimensionais, no existe uma linguagem de modelao dominante, apesar de algumaspropostas direcionadas para os SIG 3D, como a de Xu et al. (2010) que prope um modelo especfico.

O standard de modelo de dados 3D em SIG mais disseminado o CityGML (Grger and Plmer, 2012;Grger et al., 2012), baseado na Geography Markup Language GML, tambm adotada como norma ISO19136 do OGC (Open Geospatial Consortium, 2016). A GML uma linguagem de descrio de objetosgeogrficos baseada em XML. O CityGML lida com a descrio de objetos com diversos nveis de detalhe(cujas caractersticas so referidas na seco 1.5.3 Gerao de modelos) que podem ser encapsulados paradiferentes representaes de um mesmo objeto, e que inclui a sua descrio geomtrica, caractersticas erelaes semnticas e topolgicas, incluindo diversas classes de objetos, vegetao e terreno, agrupadosem diferentes classes de aplicao (Figura 1.2). Este standard, alm de ser de especificao pblica,tem como caracterstica a extensibilidade, atravs das Application Domain Extensions (ADE). As ADEpermitem, alm da derivao de modelos por herana das classes j existentes, a adio de atributose diferentes geometrias atravs de mecanismos de ligao (Grger and Plmer, 2012). Ao nvel dasaplicaes, as reas e objetos modelados em CityGML oferecem as capacidades possibilitadas pelosSIG tridimensionais, mas a relevncia do formato est na interoperabilidade permitida entre diferentesferramentas pela especificao comum dos formatos de armazenamento dos modelos. Na implementaode estruturas, existem diversas solues abstratas que lidam com a geometria de objetos tridimensionais

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em ambiente SIG, como os SGBD espaciais (e.g.: Oracle Spatial, PostGIS) que implementam os objetos3D como uma entidade com um vetor de coordenadas que definem vrios polgonos as faces do slido amodelar uma vez que no existem primitivas geomtricas especficas de objetos 3D (Khuan et al., 2008).

Figura 1.2: Classes de aplicao do modelo CityGML (Grger et al., 2012).

No interface entre a modelao semntica e a visualizao grfica de um SIG, existe tambm o projetoOSM-3D.org (Over et al., 2010; OpenStreetMap, 2016), que explora a possibilidade de sobreposio demodelos geomtricos tridimensionais sobre um servio de mapas web 2D como adio da informaodisponibilizada ao utilizador. anlogo, por exemplo, s camadas de objetos 3D disponibilizadas nosoftware Google Earth (Google, 2016).

No que respeita aos edifcios, os building information models (BIM) so utilizados h vrias dcadascomo modelos descritores de edifcios e outras estruturas, e incluem informao relevante quer para a fasede projeto, quer como ferramenta de auxlio manuteno. Os BIM, pela sua complexidade, so hojeuma rea tcnica/cientfica autnoma e oferecem muitas capacidades de modelao, nomeadamente doaspeto infraestrutural dos edifcios. A grande diversidade de formatos BIM implica que a sua estruturade informao seja diversa e potencialmente problemtica, apesar da tendncia de adeso taxonomiadas Industry Foundation Classes (IFC), que atualmente um standard internacional (ISO 16739), podermelhorar este aspeto (Venugopal et al., 2012). As IFC, criadas na dcada de 1990, so uma basetcnica til na indstria da arquitetura, engenharia e construo, mas lidam sobretudo com os aspetosinfraestruturais e construtivos prprios do setor, alm de fornecerem ferramentas de planeamento doprojeto e de manuteno durante o ciclo de vida. A interoperabilidade no setor dos BIM (Eastman et al.,2008, pp. 65), apesar de alguns desenvolvimentos recentes, ainda limitada pelos formatos proprietrios,e a sua utilizao na indstria onde tem origem no ainda completa, continuando a haver recursoprioritrio a ferramentas de projeto tradicionais e pouco integradas (Azhar, 2011).

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Figura 1.3: Modelo geral IFC (BuildingSMART, 2012).

Os BIM baseados em modelos IFC, apesar da sua especificidade, podem ser traduzidos para formatosSIG (CityGML) mantendo as suas caractersticas semnticas (Cheng et al., 2013), mas este tipo deaplicao tem a sua utilidade sobretudo numa perspetiva de construo de um SIG 3D local tendo modelosestruturais como dados de base, diminuindo a necessidade de modelao adicional uma abordagem quese tornar mais relevante medida que a indstria de arquitetura e engenharia utilizar mais os BIM. Outraabordagem a unificao num nico modelo de dados que encapsula tanto a informao em IFC, como acorrespondente em CityGML (El-Mekawy et al., 2012).

Os modelos de dados atuais j permitem uma grande variedade de representaes tridimensionais,desde a escala dos elementos geomtricos de base (que deriva em grande medida do desenvolvimento dosCAD e da computao grfica em geral), passando pelos edifcios, at aos modelos completos de cidades,com grande riqueza semntica e complexidade topolgica. No possvel afirmar, porm, que exista umainfraestrutura implementada (pelo menos no de forma harmonizada) porque estas especificaes passamem grande medida por esforos nacionais (Scianna et al., 2008). Existem j propostas desenvolvidaspara infraestruturas nacionais de dados 3D, como nos Pases Baixos (Stoter et al., 2010). Os modelosdependero sempre dos domnios de aplicao pretendidos, pelo que no h uma "frmula"para estamodelao, que pode variar grandemente em funo da escala, e verifica-se que no existe um modelouniversal que permita responder simultaneamente s necessidades das vrias aplicaes dos modelosSIG 3D (Khuan et al., 2008), mas cada vez mais relevante apostar na harmonizao para a possvelinteroperabilidade dos dados, como exemplo a iniciativa europeia INSPIRE (Comisso Europeia, 2007).

1.5.3 Gerao de modelos

Tradicionalmente, um dos aspetos mais dispendiosos da conceo de um SIG , mais do que ainfraestrutura, a mo-de-obra de produo. Este aspeto particularmente premente na modelao 3D,em que, de acordo com a complexidade e o nvel de detalhe (LoD) do modelo, podem ser necessrias

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centenas de horas-trabalhador para modelar uma pequena rea, de escala inferior de uma cidade. Esta tipicamente a realidade da modelao interativa em ambiente CAD, utilizado em arquitetura e engenharia,e cuja adaptao aos SIG, em particular em 3D, implica ela prpria grande complexidade.

A modelao procedimental apresenta muitas vantagens na produo de modelos, ao permitir a geraode modelos com recurso a interveno humana mnima, e tornando possvel a "amplificao de dados"emque a partir de um conjunto de dados e regras de transformao possvel criar computacionalmenteuma grande variedade de modelos e objetos com caractersticas particulares (Smelik et al., 2014). Estamodelao automatizada pode partir de modelos estocsticos, por exemplo para a gerao de terrenosem mundos virtuais, ou segundo modelos fsicos numricos, que simulam fenmenos como a eroso(Smelik et al., 2014). Os modelos estocsticos podem ser vistos com um caso particular da modelaobaseada em gramtica, cujas bases (considerando o conceito de shape grammars) foram definidas porStiny (1980). Nos ambientes de software 3D (SIG e no s) moderno, a principal aplicao centra-se nosedifcios, cuja quantidade e variedade, escala de uma cidade, implicaria um grande volume de dados, amodelao procedimental permite a criao de cenrios com base em conjuntos de dados pequenos, e aopoder funcionar em tempo real (em funo da visualizao) tambm permite melhor desempenho, sendo aprincipal vantagem a capacidade de alterar em grande medida o aspeto das paisagens geradas ajustando osparmetros das regras utilizadas na criao de modelos (Martinovic, 2015).

Verifica-se que a modelao procedimental est hoje patente em vrias aplicaes para l dos SIG(em que ainda no prevalente), sendo mais comum em cenrios de simulao e projetos de arquitetura.A modelao baseada na gramtica CGA (Computer Generated Architecture), parte fundamental dosoftware comercial CityEngine, j aplicada h vrios anos em diversos contextos cientficos. Um dosmais relevantes, para alm da modelao urbana como componente de informao ao pblico ou deum BIM (Tsiliakou et al., 2014), a aplicao arqueologia, em que torna possvel a reconstituiode realidades passadas, incluindo para grandes reas (Mller et al., 2005), com base num conjunto deregras geomtricas. A alterao dinmica destes modelos virtuais possvel com pequenas alteraes (poroposio interveno necessria num modelo criado interativamente) com ajustes nos parmetros dasregras, medida que so conhecidos novos aspetos resultantes da investigao histrica sobre os lugares.

Nveis de detalhe

Os LoD utilizados so determinantes na complexidade dos modelos criados, quer na sua construo,em que implicam trabalho humano adicional, como na quantidade de dados necessrios para guardare mostrar estes modelos. A taxonomia dos nveis de detalhe varivel, mas para os modelos urbanosutilizam-se habitualmente os cinco LoD definidos no standard do CityGML (Grger et al., 2012).

Figura 1.4: Nveis de detalhe segundo a especificao CityGML. (Biljecki et al., 2016a)

Os nveis compreendidos na especificao do CityGML, constantes na Tabela 1.1 e esquematizados naFigura 1.4 so muito utilizados no campo dos modelos 3D urbanos, mas existem propostas de hierarquias

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Tabela 1.1: Definio dos nveis de detalhe em CityGML. Adaptado de Grger et al. (2012)

LOD0 LOD1 LOD2 LOD3 LOD4Descrio deescala domodelo

regional;paisagem

cidade;regio

cidade; partede cidade;

projeto

bairro; modelos dearquitetura(exterior);

monumentos

modelosarquitetnicos

(interior);monumento

Classe depreciso

maisbaixa

baixa mdia elevada muito elevada

Precisoabsoluta em3D(posio/altura)

inferiora LOD1

5/5m 2/2m 0,5/0,5m 0,2/0,2m

Generalizao mxima objetosgeneralizados;>6*6m/3m

objetosgeneralizados;> 4*4m/2m

objetos realistas;>2*2m/1m

objetos realistas

Infraestruturas no no sim caractersticasexteriores

formas reais

Estrutura detelhado

sim plano diferentesplanos detelhado

forma real forma real

Objetos devegetao

no objetosrelevantes

forma real,>6m

forma real, >2m forma real

com mais nveis, e definidas em mais do que um eixo de anlise, como a de Biljecki et al. (2016a).O LoD definido de acordo com os fins pretendidos para um dado modelo, sendo que as implicaes

do nvel escolhido podem por vezes ser difceis de antever (Biljecki et al., 2016b), como exemplo autilizao de modelos urbanos na simulao de sombras, com resultados potencialmente diferentes deacordo com o nvel usado. A implicao do nvel de detalhe na modelao procedimental relevantequando se consideram por exemplo os problemas de visualizao em funo da escala (distncia ao objeto),em que diferentes LoD (inferiores) podem ser utilizados em tempo real para melhorar o desempenho(Besuievsky and Patow, 2014).

1.5.4 Algoritmos de clculo de potencial solar em 3D

A grande diversidade, por um lado, de tecnologias de modelao 3D e no seu reverso a consequnciade no existir atualmente um standard dominante de facto, permite a existncia de um grande nmerode abordagens diversas para o clculo de potencial solar em meio urbano, para integrao em SIG. Olevantamento realizado por Freitas et al. (2015) identifica diversos mtodos numricos, alguns utilizadosj h vrias dcadas, que operam sobre dados 2.5D, correspondentes sobretudo a rasters de superfciestopogrficas (MDT) ou nuvens de pontos capturadas via LiDAR (MDS). A maior parte dos algoritmosidentificados baseia-se num nmero reduzido de modelos astronmicos, e surgem frequentementeintegrados num SIG, como componente de software desktop. Existem igualmente alguns exemplosde ferramentas de informao sobre potencial solar (fotovoltaico) baseadas em SIG web, sem necessidade

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de utilizao de software especfico (Huld et al., 2005), disponibilizando mapas de radiao de grandegranularidade (podendo sofrer assim efeitos de generalizao excessiva no espao).

No que diz respeito integrao de uma ferramenta de clculo de radiao num ambiente SIG, fazendouso das capacidades 3D, destaca-se o trabalho de Hofierka and Kanuk (2009), que recorre ao algoritmor.sun do software GRASS GIS.

Recentemente destaca-se o trabalho de Liang et al. (2015) em que proposto o software SURFSUN3D,que integra numa nica ferramenta autnoma o clculo, manipulao e visualizao de informao deradiao sobre modelos urbanos simples, apresentando uma discretizao dos valores quantificados emclulas, aplicando, na prtica, texturas 2D (com os valores de pxel de quantidade de radiao recebida) sfaces (fachadas e telhados) dos slidos que constituem o modelo urbano.

O trabalho proposto por Bremer et al. (2016) integra diversas abordagens de clculo para produode um modelo de radiao, e distingue-se por ter como objetivo ser uma soluo multiescalar, que deacordo com o tipo de dados de base que utiliza, opta por uma abordagem (de cinco possveis) para que oresultado da modelao seja to fivel quanto possvel.

Figura 1.5: Modos de modelao de acordo com o conjunto de dados usado. (Bremer et al., 2016).

A Figura 1.5 mostra os cinco modos de modelao possvel, tendo em conta os dados de entrada,estando estabelecida a fronteira entre domnios de dados "grosseiros"e "detalhados", cuja conjugaodetermina de que forma cada conjunto de dados considerada na anlise. O modo e) o mais complexo,utilizando modelos tridimensionais explcitos para os edifcios, nuvens de pontos (MDS) para a vegetaoe terreno prximo e voxels para a superfcie topogrfica mais distante ao objeto sobre o qual efetuado oclculo (e.g.: montanhas em torno da cidade de exemplo). Este algoritmo produz objetos geomtricosem formato padro (como CityGML). Devido sofisticao (dados integrados) da sua anlise, apresentacomo grande desvantagem o elevado consumo de recursos computacionais, como atestam os autores,sendo necessrios grandes perodos de processamento para a modelao de uma pequena cidade.

1.6 O algoritmo SOL

O ambiente urbano moderno apresenta uma complexidade necessariamente difcil de reproduzir emmodelos informticos virtuais, o que inclui tambm a reproduo das caractersticas climticas naturais einterao com o construdo. Existe uma grande variedade de modelos de clculo de radiao solar sobre

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elementos construdos, com diferentes graus de sofisticao. Devido complexa interao entre elementos,sobretudo no que respeita a elementos construdos, quantificar esta radiao recebida torna-se fundamental(Freitas et al., 2015). Para este efeito existem vrios modelos numricos que lidam com os dados deentrada de vrias formas possveis, baseando-se no aspeto estritamente geogrfico e astronmico (almde modelos de clima), a partir de modelos de terreno (MDT) ou de superfcie (MDS) e as localizaes aestudar, tipicamente em 2D, como o algoritmo de (Hofierka and Kanuk, 2009) e podendo integrar ou noefeitos como a sombra de obstculos artificiais ou vegetao.

O algoritmo SOL (Redweik et al., 2013) distingue-se de outros algoritmos de clculo de potencialsolar urbano por considerar, alm dos telhados, o potencial energtico das fachadas. Os telhados/terraosdos edifcios, por estarem em planos horizontais ou inclinados, tm uma orientao mais favorvel exposio solar e consequente instalao de sistemas de aproveitamento energtico. Contudo, as fachadasverticais, tendo necessariamente exposies inferiores, apresentam superfcies teis muito maiores, oque se pode traduzir num potencial relevante, integrando sistemas de aproveitamento do ponto de vistaarquitetnico, cuja viabilidade estaria necessariamente mais comprometida nos telhados. Assim, estealgoritmo infere planos verticais a partir de um modelo de superfcie (MDS) obtido atravs de LiDARareo, e calcula a quantidade de radiao recebida para um determinado parmetro astronmico (dia doano e hora do dia). A granularidade da informao produzida parametrizvel, mas apresentado comoexemplo de caso de uso a informao para a quantidade de radiao recebida em uma hora no espao deum metro quadrado de fachada.

A resoluo espacial do algoritmo depende da resoluo da telha de LiDAR que represente o MDS.A transformao de uma superfcie 2D para um conjunto de pontos 3D faz-se atravs da criao dehiperpontos da fachada, criando um mapa binrio de pontos de fachada (obtidos, atravs de um modelo dedeclives com base nas cotas dos pontos da telha LiDAR, para os planos de inclinao superior a 72, queem meio urbano se assume serem fachadas verticais). Atravs desta identificao de pixels pertencentes afachadas na telha do MDS, so ento criados hiperpontos pontos verticais (Z) sucessivos para cadaponto XY de fachada, com espaamento regular idntico resoluo da telha utilizada, que perfazem aaltura do plano de fachada. O algoritmo considera a radiao solar global num ponto como a soma daradiao direta e da radiao difusa. Para o clculo da radiao direta calculado um mapa de sombras, oqual binrio para os pixels correspondentes ao terreno e aos telhados. Para as fachadas criado ummapa de altura de sombra, o qual apenas contem valores nos pixels correspondentes a hiperpontos defachadas e esses valores, como o nome indica, correspondem cota da sombra no local do hiperponto.Cada hiperponto pode estar, a uma determinada hora, (1) completamente sombra, (2) parcialmente sombra ou (3) completamente exposto ao Sol. O valor da cota da sombra vai determinar a situao de solou sombra de cada elemento do hiperponto. A radiao direta em cada ponto ser calculada multiplicandoo valor tabelado da radiao direta numa superfcie horizontal localizada na rea de estudo hora e diaem questo, pelo coseno do ngulo de incidncia dos raios solares na superfcie em que se encontra oponto (terreno, telhado ou fachada vertical). Para a radiao difusa, o algoritmo calcula previamente o skyview factor (SVF) para toda a rea de estudo, um valor que indica a percentagem de cu visvel de cadalocal e que SOL considera constante no tempo (mas varivel de ponto para ponto). A radiao difusa ento calculada pela multiplicao do valor tabelado para a radiao difusa em cu aberto para o local diae hora em questo pelo SVF de cada ponto. Um modelo geral do processo de execuo do algoritmo estdescrito na Figura 1.6.

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Figura 1.6: Processo de clculo de radiao em fachadas verticais no algoritmo SOL. (Redweik et al., 2013).

O formato de sada do algoritmo SOL (Figura 1.7) um ficheiro de texto (com valores separadospor vrgulas) que descreve uma nuvem de pontos, obtida a partir da extruso dos hiperpontos em relaoaos pontos de fachada identificados. A primeira linha do ficheiro um cabealho com os nomes doscampos; as linhas seguintes representam os pontos individuais (que partilham um mesmo valor de ID casopertenam ao mesmo hiperponto) com os valores correspondentes separados por vrgulas. Note-se quepara as telhas de LiDAR areo utilizadas, os valores cota_ponto e cota_sombra referem-se altitudeem relao ao nvel mdio do mar (NMM).

Figura 1.7: Ficheiro de texto de sada do algoritmo SOL

Os valores para os planos no verticais (em que no so, portanto, gerados hiperpontos) so calculadossobre a geometria da telha LiDAR de entrada, considerando igualmente os mapas de sombras, aplicadosapenas aos pixels que no so identificados como fachadas. gerada uma telha em formato ASC (ficheirode texto com um cabealho padro) que cobre a rea exata do MDS de entrada, que lida em 2D (seminformao de cota) como o mapa de radiao horria para os telhados e/ou cho.

Existe uma implementao para a integrao dos dados processados em ambiente SIG (3D), aplicadaao campus da FCUL, para visualizao e anlise da informao sobre radiao nas fachadas dos edifcios,permitindo a associao a um modelo 3D de edifcios (Catita et al., 2014, Seco 4). Esta integrao obtida pela associao espacial dos pontos obtidos (hiperpontos) s superfcies (faces) constituintesdos slidos/edifcios (fachadas, telhados) que so previamente desagregadas e divididas numa grelhatriangular irregular. A partir desta associao, atravs de identificadores unvocos de edifcios, possvelproceder a diversas anlises de dados, recorrendo seleo e manipulao de atributos.

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Captulo 2

Metodologia

O trabalho descrito nesta dissertao desenvolveu-se em torno da adaptao dos resultados produzidospelo algoritmo SOL a uma plataforma de visualizao web atravs de um processo em vrios passos, esegundo um modelo de dados explcito.

Este projeto insere-se numa fase posterior ao processamento da informao de radiao solar sobrecada ponto/hiperponto de fachada e dos planos no verticais (embora se considerem apenas aqueles quepertencem a edifcios, como telhados ou terraos). A Figura 2.1 mostra o mbito em que se insere amodelao/visualizao de informao 3D na cadeia de produo de um modelo SIG 3D sobre potencialsolar.

A metodologia proposta neste captulo lida com as operaes e etapas gerais do processo para omodelo de dados utilizado, e a sua implementao aplicada a um caso especfico detalhada no captuloseguinte: 3 Desenvolvimento de procedimento de modelao e publicao web.

Algoritmo SOLDados de base(e.g.: MDS)Modelao 3D e visualizao

Exportao e interaocom outras plataformas

Levantamento e produo

Outros dados(e.g.: open data)

Figura 2.1: Diagrama completo do processo, com destaque para o mbito do trabalho presente

O procedimento concebido pretende responder a algumas limitaes concretas do atual processo dedisponibilizao de informao, permitindo assim:

1. gerao semiautomtica e no interativa (ainda que supervisionada) de modelos 3D de edifcioscom LoD2 a partir de dados 2D

2. discretizao das faces de fachada/telhado dos edifcios, com a diviso em elementos de 1 m2 cominformao individual

3. utilizao de ferramentas de anlise espacial totalmente 3D.

No contexto do processo completo de criao de um modelo, a fase de modelao e visualizao de que trata esta dissertao assume que os dados de entrada j esto processados e so entregues de

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acordo com a especificao conhecida (neste caso, a do algoritmo SOL). Estabeleceu-se assim um modelode dados e procedimento padro para a gerao de modelos 3D, e a sua exportao para uma plataformaweb comercial de visualizao, que pode ser futuramente integrada com outras plataformas (e.g.: atravsde webservices) e com dados adicionais.

2.1 Modelo de dados

A base da implementao de um procedimento de modelao, aqui proposta, o modelo de dadosescolhido. Tal como defende Khuan et al. (2008) no existe uma soluo universal que responda snecessidades especficas de todos os domnios de aplicao, apesar de alguma padronizao recente,em torno dos modelos semnticos. Existem taxonomias consolidadas em alguns campos de aplicao,como o da arquitetura/construo, que utiliza os BIM, com adeso a normas como a IFC, que se adequainteiramente aos processos daquela indstria, mas que acaba por se traduzir em alguma rigidez semntica.Assim, e como descrito anteriormente, embora exista alguma interoperabilidade com os SIG, os BIM tmo seu mbito prprio e no se adequam aos objetivos deste projeto.

Tambm a utilizao da norma CityGML no seria vantajosa, j que obrigaria a uma deciso por ummodelo semntico especfico, contrariamente abstrao pretendida. Adicionalmente, nas estruturas dedados CityGML no possvel modelar elementos individuais de fachada sem recorrer especificao deuma ADE, anexa ao standard.

O modelo de dados proposto tem por princpio ser extremamente simples, integrando apenas ainformao estritamente necessria ao processo de modelao presente. Sendo naturalmente agnstico noque respeita implementao utilizada, este modelo , contudo, resultado indissocivel das caractersticasdo processo definido, e da sua execuo, e traduz as opes tomadas quanto transformao de dadosnecessria. No um modelo fechado e a sua especificao pode ser adaptada simplificada ou expandida de acordo com futuras evolues do processo de modelao.

A linguagem de descrio utilizada a OMT-G, pela sua relativa aceitao enquanto ferramenta dedescrio de bases de dados geogrficas, e por ser derivada do UML, o standard de facto de modelaoconceptual.

Edifcio_planta OID: int BID: int Morada: text Altura: double max_val: double

Edifcio OID: int BID: int Rglobal: double

Fachada OID: int BID: int Rglobal: double

Telhado OID: int BID: int Rglobal: double

Ponto_SOL OID: int Rglobal: double

Rad_telhados Rglobal: double

MDT Z: double

MDS Z: double

Associao espacialAgregao espacialAssociao

contm

contm

contm

prximo

Figura 2.2: Modelo de dados proposto

16

A Figura 2.2 mostra o modelo de dados proposto para o processo, com integrao dos dados deentrada nos dados tridimensionais, que se descreve na seco seguinte.

2.1.1 Condies de utilizao

A adeso a um algoritmo com formato de dados especfico, alm da utilizao do modelo de dadosproposto impe que os dados de entrada disponveis cumpram determinadas funes e respeitem umaespecificao. Assim, para o processo definido neste trabalho, os conjuntos de dados devem estar deacordo com os seguintes formatos, respetivamente:

MDS telha raster (formato de texto ou imagem georreferenciada) com os valores de altimetria (cota)para a rea a modelar, incluindo vegetao, edifcios e outras estruturas

MDT telha raster (formato de texto ou imagem georreferenciada) com os valores de altimetria (cota)para o terreno da rea a modelar, uma vez removidos a vegetao e estruturas construdas, para queapenas esteja representada a superfcie topogrfica em que assentam os objetos a modelar

plantas dos edifcios camada vetorial 2D poligonal representando as bases de implantao dosedifcios no terreno, podendo conter (no obrigatoriamente) atributos teis como morada (ououtra geocodificao), caractersticas tcnicas do edifcio, etc.

pontos (SOL) ficheiro de texto multicoluna com a representao XYZ dos pontos resultantes daextenso dos hiperpontos das fachadas verticais dos edifcios (cf. 1.6 O algoritmo SOL) incluindovalores de radiao

telhas com valores de radiao (SOL) telha raster (formato de texto ou imagem georreferenciada)com os valores de radiao para toda a rea de estudo, tendo por funo fornecer os valoresde radiao (determinados pelo algoritmo SOL) nas superfcies no verticais, como cho (noconsiderado neste trabalho) e telhados/terraos

Auxiliar: regras CGA ficheiros de texto com a descrio das regras de gerao automtica de objetos apartir de polgonos de plantas dos edifcios em linguagem CGA

Nota: os MDT e MDS so necessrios na metodologia proposta, mas tm por funo permitir obter aaltura dos edifcios cuja planta utilizada. Se a camada de planta dos edifcios tiver como atributo a alturadestes, os dados de MDS e MDT deixam de ser utilizados no processo. O MDT contudo til para agerao de uma superfcie topogrfica realista no modelo final.

2.1.2 Sada de dados

Os dados gerados no processo so integrados na base de dados, numa File Geodatabase, sendo osobjetos 3D guardados, como obrigatrio com a utilizao daquela estrutura, numa feature class, comgeometria do tipo multipatch, um formato da ESRI, que semelhante ao tipo poligonal mas adicionaalgumas propriedades topolgicas e permite a representao tridimensional dos objetos, como detalhadona documentao oficial (whitepaper) do tipo shapefile (ESRI, 1998).

17

2.2 Arquitetura do sistema

No atual estado de desenvolvimento dos SIG, existe uma assinalvel diversidade de ferramentas eplataformas de publicao de dados. Em ambiente desktop existem diversas aplicaes que permitem aedio avanada de camadas de dados SIG, e a sua interface com bases de dados, servios de mapas sobreweb, etc. Tambm no que respeita deteo remota, existem vrias opes, com campos de aplicaoespecficos que permitem processamento avanado e interface com os SIG, quer no campo do softwarelivre, quer comercial/proprietrio.

Os SIG 3D, pelo seu desenvolvimento mais recente e grande disperso de formatos implicam acombinao de mais tipos de dados, e consequentemente, mais interaes entre diferentes tipos desoftware. Incluem-se aqui os editores desktop que permitem a incluso de dados 3D ou pseudo-3D(alis 2.5D), e geradores de objetos com caractersticas semnticas que permitam integrar SIG, comoCityGML (para o qual existem diversas ferramentas de edio/exportao) ou modelos ad-hoc integradosem plataformas de visualizao, como o Google Earth.

Tambm no que respeita a plataformas web (acessveis a partir de um browser) existem diversassolues fechadas de visualizao de modelos 3D urbanos, tanto proprietrias como abertas, exemplodo que j existe (em fase experimental) para o OSM, como referido em 1.5.2 Modelos de dados, ou assolues de visualizao 3D em cidades na plataforma Mapbox (Mapbox, 2016).

Considerando esta diversidade de solues, foi necessrio selecionar as ferramentas a utilizar para aexecuo deste projeto. A opo teria de ter em conta os seguintes critrios:

ambiente SIG de raiz: procura-se um ambiente SIG integrado em que seja possvel estabelecerrelaes semnticas e espaciais entre objetos, alm de permitir utilizar ferramentas de anliseespacial;

adequao a dados 3D: as geometrias 3D comportam necessidades especficas que devem ser bemrepresentadas no ambiente de edio, alm de se pretender uma soluo para gerao dinmica demodelos;

possibilidade de estabelecer um workflow coerente: considerando um horizonte de possvelautomao, devem existir ferramentas para estabelecer um procedimento padro (supervisado) eque seja futuramente programvel;

capacidade de exportao de dados, e interface com outras plataformas: a necessidade devisualizao em plataformas web e a possibilidade de futura integrao de dados adicionais soobrigatrias.

Considerando que poucas opes respeitam totalmente estes requisitos, a deciso foi no sentidode optar pelo software ArcGIS Pro, produzido e comercializado pela ESRI, Inc., disponvel na verso1.3 data de realizao deste projeto. Este ambiente permite a integrao total dos dados SIG emambiente puramente tridimensional, e tem como principal vantagem a interface com uma plataformaweb (ArcGIS Online) e com outro software ESRI, caso do CityEngine. Outra vantagem associada a estaopo a grande quantidade de documentao disponvel, quer por parte do produtor, quer pela grandecomunidade de utilizadores, mesmo tratando-se de software relativamente recente. A possibilidade decriao semiautomtica de modelos tridimensionais modelao procedimental (vide 1.5.3 Gerao de

18

modelos) a partir de camadas 2D uma caracterstica distintiva deste ambiente, face a alternativas queexigem modelao interativa.

ArcGIS Online

ArcGIS Pro

CityEngine

Criao de modelocompleto e operaesde almentao do SIG

Criao das regras degerao de modelos

Publicao e explorao interativa

Regras CGA

Layer package 3D

Dados de baseDados de baseDados de base

Figura 2.3: Ferramentas utilizadas no processo

Assim, o software utilizado tem trs componentes principais, como representado na Figura 2.3, compropsitos diferentes:

CityEngine criao segundo uma gramtica definida de regras que gerem modelos de edifcios eintegrveis na fase subsequente;

ArcGIS Pro todo o processo de construo do SIG, manipulao de dados, estabelecimento derelaes, anlise espacial e criao de modelos com simbologia adequada;

Portal for ArcGIS / ArcGIS Online publicao de informao e visualizao 3D (com atributos)acessvel atravs de um browser web.

Para o trabalho desenvolvido, foi utilizada como plataforma o Portal for ArcGIS, tendo sido instaladauma instncia local na infraestrutura da FCUL, o que garante a independncia da disponibilidade daplataforma ArcGIS Online que oferece capacidades semelhantes (ESRI, 2015).

2.2.1 Regras CGA

As regras CGA (ESRI, 2016c; Mller et al., 2006) seguem uma gramtica de formas que permite amodelao em massa a partir da manipulao sequencial do elemento bsico desta gramtica, a shape.

Os trs atributos mais relevantes da shape (representados na Figura 2.4) so scope, que define oslimites espaciais do objeto, pivot, que estabelece um ponto de referncia espacial e orientao e geometry,

19

Figura 2.4: Caractersticas de uma shape (ESRI, 2016c)

que define a forma do objeto (Martinovic, 2015, p.21). A gramtica CGA utiliza como construo umaregra do tipo genrico

id : predecessora : condtr sucessora : prob

em que id o identificador nico da regra, predecessor o identificador da shape a ser substituda,segundo uma transformao tr, por sucessora e cond, opcional, uma expresso condicional que temde ser avaliada verdadeira para que a regra seja aplicada. O elemento prob, opcional, permite variaesestocsticas do modelo gerado (e.g.: permite atribuir texturas ou alturas diferentes a edifcios geradosaleatoriamente segundo a mesma regra).

A linguagem CGA parte integrante do software CityEngine (ESRI, 2012), sendo a base da modelaoprocedimental que permite a manipulao em massa das shapes a modelar.

Utilizando a especificao da linguagem CGA, um exemplo de uma regra simples ser:

1: Shape --> extrude(y, 10m) Edifcio

em que ao polgono Shape aplicada uma extruso vertical de 10m, sendo criada a shape Edifcio.As expresses so avaliadas sequencialmente pelo interpretador at que no existam mais formas atransformar. No exemplo apresentado, a execuo da regra s continuaria se Edifcio fosse uma formano-terminal, i.e. se sofresse transformaes adicionais.

2.2.2 Plataforma web

O ArcGIS Online / Portal for ArcGIS (ESRI, 2016d) uma plataforma de publicao de dados integrvelcom o software ArcGIS nas suas diversas verses e componentes, e utilizando formatos de dados da ESRI,como o shapefile.

A utilizao desta plataforma permite:

visualizao de modelos com consulta de atributos individuais

simulao de sombreamento de acordo com a hora do dia

interao com diferentes camadas presentes no SIG

criar uma web application personalizada, correspondendo a uma pgina de visualizao

Existem tambm algumas limitaes, debatidas no captulo 4 Anlise de resultados e alternativas.No entanto, considera-se que cumpre requisitos suficientes para mostrar um modelo de informao 3Dsatisfatrio.

20

2.3 Especificao do processo

O processo estabelecido, adiante aplicado modelao de uma rea especfica, est descritoesquematicamente atravs dos seus passos principais, indicando-se que dados so integrados em cada fasedo processo.

Dados 3Dfinais

Dados 3Dfinais

Extrair a altura mximae cota de base a partir

de MDS/MDT

Extruso de modelo3D de fachadas

(clulas)

MDT

PontosSOL

MDS

Edifcios(plantas)

Juno espacialpor distncia 3D

Extruso de modelo3D de edifcios

(blocos)

Extruso de modelo3D de telhados

(clulas)

Extrao de valoresde elevao de telhados

(clulas individuais)

Extrao de valoresde elevao de telhados

(clulas individuais)

Juno por chave (ID) de edifcio

Sumriode valores de radiao

por edifcio

Simbologia e criao de pacote

para publicao

Extrao de valoresde radiao em telhados

e cho

Telha ASCSOL

Extrao de valoresde radiao em telhados

e cho

Dados Processos

MDS

Dados 3Dfinais

1

4

6

2 3

5

7

10

9

8

Figura 2.5: Diagrama com as etapas do processo

Os passos descritos na Figura 2.5 cumprem as seguintes funes:

0. (no assinalado no diagrama) normalizao dos dados de entrada: assume-se que os dadosrespeitam a estrutura descrita no modelo de dados, contendo os atributos assinalados (alm deeventuais campos adicionais) com os correspondentes tipos de dados

21

1. extrao de alturas: atravs da subtrao entre valores de MDT (elevao do terreno) e MDS(valor de altitude absoluta) para cada polgono, possvel obter o atributo altura de cada edifcio,sendo extrado o valor mximo do MDS e o valor mdio (contido no polgono) da grelha comvalores de elevao do terreno. Nota: se os polgonos de edificado j tiverem como atributo o valorde altura, obtido previamente, este passo opcional, e o MDS e MDT deixam de ser necessrios noprojeto

2. extruso do modelo 3D fachadas: aplicao da regra CGA de construo de fachadas, para cadaedifcio sero criadas fachadas verticais (faces laterais), posteriormente divididas em intervalosde 1 m vertical e horizontalmente, criando as clulas individuais cada uma com os seus atributosprprios)

3. extruso do modelo 3D telhados: aplicao da regra CGA de construo de telhados, criando aface horizontal superior dos edifcios, posteriormente dividas tambm em clulas individuais de 1 x1m, e inicialmente com valor de elevao correspondente ao topo dos edifcios

4. extruso do modelo 3D blocos: criao de blocos simples a partir da extruso vertical das plantasdos edifcios (utilizando regra CGA), apenas com faces laterais (fachadas) e superior (telhado), semsubdivises, para visualizao rpida e posterior associao (agregao) s clulas individuais, talcomo explicitado no modelo de dados

5. extrao de valores de elevao dos telhados: extrao dos valores de altura constantes na telhaLiDAR (MDS) para atribuio de um valor de altura (valor Z na geometria do objeto) individuala cada clula da face de telhado (criadas no passo 3), que permita conferir maior realismo narepresentao do modelo em LoD2

6. juno espacial: os pontos com valores de radiao resultantes do algoritmo SOL estorepresentados em trs dimenses no modelo SIG e so associados atravs de uma operao dejuno espacial (spatial join) com um raio de procura 3D de 1 m aos pontos individuais das fachadas,j que apenas os hiperpontos so representados com coordenadas XYZ, para associao a diferentesnveis de altura nas fachadas. Este passo adiciona um atributo (radiao) camada de dados dasfachadas

7. extrao de valores de radiao (telhados): extrao a partir da telha resultante do algoritmoSOL dos valores de radiao por correspondncia da posio XY das clulas de telhado com asposies na telha de valores de radiao. Este passo adiciona um atributo (radiao) camada dedados dos telhados

8. juno por chave: associao a partir do valor de ID original do edifcio das clulas individuais(telhados e fachadas) aos blocos gerados no passo [4] atravs da criao de uma tabela de ligao(relao)

9. sumrio: criao de um valor de sumrio (somatrio de valor acumulado total, embora possa serdefinido outro valor, como a mdia por unidade de 1m2) para o total de um edifcio (associado aosblocos gerados no passo [4]) em funo dos seus elementos de fachada/telhado

10. criao de package 3D: criao de ficheiros (um por camada) para colocao na plataforma onlinee posterior interrogao/visualizao de valores

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Nota: os passos intermdios prprios da operao do software SIG mas irrelevantes para a descriodo processo, como a criao de tabelas auxiliares e posterior transferncia de valores para as tabelasde atributos das camadas de dados, so omitidos desta descrio.

2.3.1 Criao de tarefa

O ambiente ArcGIS Pro permite a criao de tarefas (tasks) que agregam uma sequncia de passosutilizando as operaes de manipulao de dados e anlise espacial em SIG presentes no software (ESRI,2016a). Estas sequncias de passos podem ser totalmente automatizadas, dispensando quase qualquerinterveno do utilizador, ou podem implicar algum grau de superviso (de acordo com a quantidadede parmetros envolvidos em cada operao). Estas tarefas que incluem as instrues passo a passoao utilizador so parte integrante de um projeto, mas podem igualmente ser exportadas num ficheiroautnomo para integrao em qualquer outro projeto.

Um dos produtos do projeto descrito nesta dissertao um ficheiro de tarefa (vide www.msdm.eu)que pode ser integrado e modificado no contexto de qualquer projeto SIG que pretenda seguir ametodologia aqui apresentada.

Um item de tarefa, como o que foi criado, compreende um conjunto de tarefas. Cada tarefa constituda por passos individuais, que podem ser comandos no ambiente do software (e.g.: mostrar/ocultaruma camada de dados) ou a execuo de uma ferramenta (que por exemplo crie uma nova camada).

1

2

3

Estrutura da tarefa Detalhes do passo atual

Figura 2.6: Interface geral de uma tarefa em ArcGIS Pro, e de um passo da tarefa

23

http://www.msdm.eu

O aspeto da interface de uma tarefa em ArcGIS Pro visvel na Figura 2.6. Cada tarefa/passo temuma descrio associada, consultada na forma de tooltip sobre o nome da tarefa, que explica a sua funoao utilizador (assinalada com o n 1 na figura). Dentro de cada passo da tarefa o interface assumido o daferramenta (ou comando) associada, com instrues adicionais sobre a forma como os dados devem serutilizados no caso de uma tarefa especfica (assinaladas com o n 2). Indica-se ainda como prosseguir parao passo seguinte (n 3). A flexibilidade na criao destas instrues permite a explicao interativa doprocesso ou workflow a seguir, fornecendo ao utilizador a informao sobre qual o papel de cada passodo processo, o que possibilita a sua adaptao a outros fins. A tarefa especfica concebida neste projetotem a possibilidade de saltar (skip) todos os passos, para que seja possvel consultar as suas instruesindividuais antecipadamente, ou para que o processo possa ser parcialmente repetido, mas prev-se quea tarefa apenas tenha de ser executada uma nica vez e com a sequncia exata de passos. Os passosincorporados na tarefa associada a este projeto so executados no captulo seguinte.

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Captulo 3

Desenvolvimento de procedimento demodelao e publicao web

Um dos objetivos principais deste projeto permitir a visualizao de uma cidade (ou parte) em 3D comoferramenta de informao ao utilizador. Assim, este captulo descreve brevemente o processo definidono captulo anterior, quando aplicado a uma rea urbana j processada no algoritmo SOL, e para a qualexistem os dados adicionais necessrios. O processo aqui descrito serviu como teste de viabilidade para aaplicao da arquitetura de sistema proposta escala de um bairro.

Figura 3.1: Aspeto geral da cena 3D, com vrias camadas de dados parcialmente visveis

3.1 Estudo de caso

Como exemplo de execuo de um processo de modelao, foi selecionada uma rea da cidade de Lisboa,fronteira Av. dos Estados Unidos da Amrica, assinalada na Figura 3.2, cuja telha de LiDAR (MDS)tinha j sido processada pelo algoritmo SOL, estando disponvel um conjunto de nuvens de pontos e telhas,para todos os dias do ano/horas do dia. Usam-se como polgonos de base as plantas (bidimensionais) dosedifcios, constantes na camada vetorial de edificado, fornecida pela CML (cf. Tabela 3.1).

A rea que ser modelada com elementos de fachada e telhado com dimenso de 1 x 1 m ser um

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Figura 3.2: rea de estudo

subconjunto de 28 edifcios, de tipologias diversas, da rea de estudo total, assinalado na Figura 3.3.Esta seleo resulta da deciso de modelar um conjunto de dados pequeno, j que foi verificadoexperimentalmente que a modelao completa da rea correspondente telha LiDAR utilizada (com 500x 500 m), que compreende 323 edifcios, incluindo alguns com altura superior a 50 metros, resultavanum modelo com mais de 400 000 polgonos, cuja navegao e, sobretudo, operaes de anlise espacialeram impraticveis. Este o principal obstculo do trabalho, e resulta da prpria forma como o softwareutilizado lida internamente com os dados gerados.

Figura 3.3: rea a modelar em 3D, com elementos de fachada/telhado

Utiliza-se como dados de entrada sobre radiao solar, uma nuvem de pontos e telha de radiao(telhados) referentes s 16:00 do dia 21/06 (solstcio de vero).

26

3.1.1 Fontes de dados

Os dados utilizados no projeto de modelao, de acordo com o estabelecido na seco 2.1.1 Condies deutilizao, so os descritos na Tabela 3.1.

Tabela 3.1: Fontes de dados

Descrio Fonte(produtor)

Tipo Caractersticas

Edifcios (planta) polgonos

CML Vetorial polgono

SRC original: ETRS89-PT TM06

Modelo digital desuperfcie

LOGICA Matricial(GeoTIFF)

Telha LiDAR (areo) Reamostrada a 1 x 1 m, precisohorizontal: 0,5 m; preciso vertical: 0,15 m

Modelo digital deterreno

CIGeoE Matricial(GeoTIFF)

Reamostrado a 5 x 5 m, a partir das curvas de nvel dacarta topogrfica 1:25000

Pontos SOL Redweik,P.

Texto(CSV)

Resoluo horizontal e vertical de 1 m

Radiao superfcieshorizontais

Redweik,P.

Matricial(ASC)

A partir de telha LiDAR (areo) Reamostrada a 1 x 1 m

3.2 Processos e produtos

3.2.1 Preparao dos dados

Tendo por base a opo seguida em relao ao software, considerou-se conveniente utilizar aimplementao de dados prpria do ArcGIS Pro. Os dados foram carregados numa file geodatabase,que agrega as tabelas (espaciais e no espaciais) numa nica pasta, que pode ser acessvel externamente(apesar de essa prtica no ser recomendada pelo produtor do formato), com um SRC comum. Nesta faseso criados os temas originais 2D e a nuvem de pontos 3D, convertida a partir de um ficheiro de texto.

Figura 3.4: Exemplo de modelos (fachadas divididas) em CityEngine

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Em ambiente CityEngine so definidas as regras de modelao procedimental, e testa-se a suaaplicao s plantas dos edifcios.

Extrudir, segundo o atributo Altura, negativamente a partir

do polgono de origem

Dividir em sucessivas faixas de 1mem altura (y)

Separar as facesdo slido

(fachadas/telhado)

Dividir em sucessivasclulas de 1mem largura (x)

1

3

5

7

Modelos 3DEdifcios(plantas)

1 2 3 4

Figura 3.5: Diagrama do processo da regras CGA

As regras CGA definidas em CityEngine seguem a descrio presente na Figura 3.5 tendo como dadosde entrada a camada com as plantas dos edifcios, e fazendo uso do atributo altura como dimenso daextruso do slido. No caso dos edifcios completos (blocos) s executado o passo 1 assinalado. Note-setambm que este passo (extruso) efetuado negativamente a partir do polgono de origem, j que destaforma todas as clulas criadas tero desde o incio como atributo geomtrico a altura absoluta, em relaoao NMM, resultado da informao constante no MDS. O passo 2 diferente conforme se trate da regrareferente ao telhado ou s fachadas. O cdigo destas regras pode ser consultado em A.1 Cdigo-fonte dasregras CGA.

1 3 4

Figura 3.6: Gerao de edifcios e posterior diviso em clulas em CityEngine

Na Figura 3.6 so visveis as suecessivas transformaes exceutadas at ao modelo final, estandoassinalados os passos correspondentes ao diagrama da Figura 3.5. Uma vez definidas, estas regras CGAso ento encapsuladas em ficheiros binrios com a extenso .rpk que podem ser lidos em ArcGIS Pro.

3.2.2 Gerao de modelos

A camada poligonal correspondente s plantas dos edifcios submetida neste passo da tarefa geraode modelos 3D segundo o ficheiro .rpk (rule package) utilizado. So gerados trs modelos, cada umsegundo o seu rule package, correspondentes s fachadas, telhados e edifcios inteiros.

Seguindo os passos da tarefa estabelecida, o primeiro procedimento a criao de camadas vlidasde plantas dos edifcios. No caso deste projeto, e como discutido na seco anterior, calculada a alturaassociada a cada edifcio (atravs da extrao de valores de altitude a partir do MDT e MDS) e introduzido

28

como atributo geomtrico (Z) a altitude absoluta do topo de cada edifcio, a partir da qual criado omodelo de slido.

Os modelos so criados sucessivamente de acordo com trs pacotes de regras, criando trs camadas:

edifcios (blocos) (adiante designado por Edificios);

telhados, dividido em clulas 1 x 1m (adiante designado por Telhados);

fachadas, divididas em clulas 1 x 1m (adiante designado por Fachadas).

Figura 3.7: Modelo da camada Fachadas com clulas individuais (cores aleatrias)

Aos telhados adicionado um passo aps a diviso, como assinalado no diagrama da seco 2.3Especificao do processo, em que cada clula de telhado obtm um valor de cota individual, extrado doMDS, para permitir um grau de realismo aceitvel em LoD1. O processo de criao das clulas implicaa incluso de um novo campo de chave como atributo do polgono de origem BID o que adiantepermitir a criao de uma relationship class que implementa a agregao espacial (relao 1:N) dentro deum formato de file geodatabase, e a sumarizao de valores por edifcio. A Figura 3.7 mostra as clulasindividuais das faces (telhado/fachadas) dos edifcios. aps este passo que se criam (manualmente) asrelaes de agregao espacial, atravs da criao de uma relationship class.

3.2.3 Aplicao de atributos

Uma vez criados os elementos de geometria tridimensional de base, ser necessrio aplicar atributos.Neste passo faz-se uso das capacidades de um SIG tridimensional. Utilizando por base de informao ospontos tridimensionais resultantes do algoritmo SOL, executa-se uma operao de spatial join junoespacial entre estes e os elementos de Fachadas. O resultado permite adicionar novos atributos (Rdir,Rdif e Rglobal, correspondendo s radiaes direta, difusa e global a soma das anteriores). A operaode juno espacial a mais demorada de todo o processo, e aquela em que resultaram mais erros de

29

Figura 3.8: Edifcios completos, divididos em clulas, com sobreposio de pontos 3D do algoritmo SOL

informao. Uma vez que a referncia espacial no era coincidente numa parte das clulas calculadas,foi necessrio aumentar a tolerncia da distncia de juno, at um mximo de 3m em XYZ para que asfachadas, falta de um ponto prximo do seu centride, assumissem o valor de radiao mais prximo, eprevisivelmente, mais realista, tendo em conta que quer as posies, quer as eventuais sombras variam deforma contnua, pelo que se considerou que esta opo no introduz erros significativos na representaodo potencial energtico, assumindo-se que respeitada a informao resultante da execuo do algoritmoSOL.

A partir deste passo, as clulas de telhados e fachadas tm atributos individuais, o que permite aconsulta a uma escala fina, um dos objetivos principais deste projeto, como visvel na Figura 3.9. Natabela ilustrada o atributo relevante o R_global, que corresponde radiao global recebida durantea hora em anlise, medida em quilowatt-hora por metro quadrado (kWh/m2). assim definida umasimbologia (escala de cores) que representa os valores de radiao global recebidos em cada clula domodelo.

3.2.4 Exportao

Entre as razes que presidiram escolha da atual plataforma conta-se a possibilidade de integrao nasferramentas web do ambiente ArcGIS. Assim, possvel exportar diretamente a partir do editor desktoppara uma instncia da plataforma Portal for ArcGIS instalada na infraestrutura da FCUL. O ltimo passodo processo a exportao da cena e correspondentes temas. Neste software, uma cena um conjunto dedados em 3D (mas incluindo camadas 2D) visualizados numa mesma rea, equivalente ao conceito de

30

Figura 3.9: Tabela de atributos dos modelos 3D, divididos em clulas, com valores de radiao individuais

mapa em 2D. possvel a exportao direta dos dados (upload) para o servio web, mas tambm existe aopo de criao de pacotes com dados para posterior incorporao atravs de um interface web.

Assim, foram colocados online todos os temas 3D do projeto, e alguns 2D como a telha de radiaosobre os telhados (que necessariamente projetada sobre o terreno). Note-se que a verso atual daplataforma Portal for ArcGIS impe diversas limitaes s caractersticas dos temas 3D partilhados online,incluindo:

impossibilidade de representar junes (joins/relates) em memria;

indisponibilidade de simbologia de gradao de cores em funo de atributo numrico;

impossibilidade de visualizar mais de 2000 elementos de cada camada em simultneo.

A limitao de visualizao de menos de 2000 elementos obrigou a que nas camadas de clulasindividuais fosse colocada nas suas propriedades uma restrio em SQL para que sejam mostrados apenasos primeiros 2000 elementos (ou features) em funo da chave primria BID. Outra soluo possvel seriadividir cada camada em camadas parciais com um mximo de 2000 elementos. Esta restrio prende-secom a infraestrutura da plataforma web e a forma como so geradas as caches (pr-carregamento) dedados, e prev-se que possa ser ultrapassada em futuras verses do software.

3.2.5 Erros de anlise

As operaes de juno espacial so muito sensveis para uma escala to grande, em que diferenas dealguns centmetros podem ditar a excluso de um ponto durante a previso de uma rea de pesquisadeterminada pelo software SIG. No caso presente verificou-se experimentalmente que algumas clulas de

31

fachada (planos verticais) poderiam no ter atribudo nenhum valor, da a tolerncia de pesquisa referidaanteriormente.

Figura 3.10: Discrepncia entre planos dos pontos SOL e dos modelos 3D

A Figura 3.10 mostra como os pontos provenientes do algoritmo SOL formam um plano verticalcuja orientao no coincide exatamente com as fachadas dos modelos gerados em alguns edifcios.Esta diferena resulta do facto de os pontos do SOL serem gerados a partir de um MDS resultante delevantamento areo, e os modelos a partir dos polgonos de planta dos edifcios criada pela CML. Osdiferentes mtodos de criao implicam diferenas de geometria que, no sendo grandes, a esta escaladevem ser tidas em conta. No caso da rea modelada neste projeto, existem 19567 clulas de fachada (que,contudo, incluem paredes no expostas empenas internas mas que esto representadas na camada SIGdos edifcios) e 10379 pontos com valores de radiao. Este aspeto atesta a necessidade de verificaoda qualidade dos dados para que o procedimento tenha o menor nmero de erros (clulas de valor nulo)possvel.

3.3 Visualizao e publicao de informao

A plataforma Portal for ArcGIS (ESRI, 2016d) permite a visualizao de cenas que incluem objetos degeometria 3D a partir dos formatos proprietrios ESRI. A integrao com o software desktop ArcGIS Propermite a criao e carregamento de cenas online a partir do ambiente de edio SIG. Assim, foi criadauma cena (designada por Av_EUA) que incluiu quatro camadas:

edifcios completos (blocos) Edificios;

telhados, divididos em clulas Telhados;

fachadas, divididas em clulas Fachadas;

terreno, com base em textura correspondente ao MDT esta camada no foi transposta para omodelo online por limitao da plataforma.

32

No foram colocados online os produtos intermdios, caso dos pontos 3D resultantes do algoritmoSOL. O objetivo era que a interface web permitisse aceder mesma informao que est disponvel emambiente desktop. No entanto a plataforma tem algumas limitaes (discutidas em 4 Anlise de resultadose alternativas ) que obrigam a alguma adaptaes prvias: - os edifcios (blocos) apresentam um valor desumrio para toda a radiao recebida no total das suas faces (fachadas e telhado). Embora este valor seja,per si, pouco relevante, presume-se que os eventuais erros de clculo tenham propores semelhantes emtodos os modelos, pelo que se torna til na comparao entre edifcios.

A simbologia dos edifcios/clulas definida manualmente no editor SIG, j que a plataforma nopermite cores graduadas correspondentes a um valor numrico de atributo.

Uma vez criada a cena com as correspondentes camadas, fica ento disponvel um visualizador decena, uma pgina fornecida pelo interface do Portal for ArcGIS.

Figura 3.11: Aspeto geral da cena web publicada, com os modelos visveis

A Figura 3.11 mostra o aspeto dos modelos colocados na plataforma web com a sobreposio dascamadas disponveis, sendo possvel visualizar apenas 2000 elementos de cada uma destas camadas.

A visualizao da cena 3D com os respetivos dados geomtricos e atributos associados semelhantequela em ambiente desktop, no havendo, contudo, lugar a manipulao de dados nem possibilidadede criao de filtros (ao contrrio do que acontece na verso do visualizador web de mapas para 2D).A principal limitao aqui presente a impossibilidade de pesquisar por atributos nas camadas de umadada cena. Como forma de minimizar esta limitao, foi adicionada a informao global (na seco 3.2.3Aplicao de atributos) a cada edifcio, permitindo a consulta do seu potencial fotovoltaico global.

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Captulo 4

Anlise de resultados e alternativas

O procedimento de modelao resulta num modelo 3D simples, que pode ser visualizado em qualquerbrowser web atual sem necessidade de software adicional. Neste captulo discutem-se as limitaes daplataforma web utilizada e algumas possveis alternativas de construo de modelos 3D e de visualizaode modelos.

4.1 Comportamento de visualizao

O visualizador de cena ArcGIS Online / Portal for ArcGIS permite a navegao 3D sobre o modelo, nascotas acima da camada de terreno. Um objeto pode ser selecionado individualmente, tornando visveisos seus atributos individuais ( semelhana do que acontece no interface do editor visto na sec