도시계획, 이동통신계획, 교통계획, 환경조사, 재해${\cdot}$재난 관리 등의 다양한 분야에서 효율적인 시설물 관리를 위한 3차원 도시모델의 사용이 증가하고 있다. 특히 최근의 건물모델링은 CAD와 GIS의 기술로 통합되는 추세이다. 현재까지 연구되어 온 건물모델링은 주로 외부 시각화를 위한 것이었으나 보다 다양한 분야에서 활용하기 위해 건물 내부에 대한 모델링의 필요성과 중요성이 증가하고 있다. 3차원 건물모델링은 컴퓨터 그래픽스, CAD, GIS 분야에서 서로 다른 개념으로 발전되어 왔다. CAD와 컴퓨터 그래픽스 기반의 모델은 정밀한 시각화 표현 기능이 발전하였으나 객체에 대한 속성정보가 부족하며, GIS 기반의 모델은 속성정보와 위상기하학을 이용하는 공간 분석 및 연산 기능이 강력하므로 GIS와 CAD 통합된 모델링이 필요하다. 본 연구에서는 3차원 건물모델의 내부구조를 복원하기 위해서 건축물 관리대장에 포함되어 있는 CAD 설계도면을 이용하는 방법을 제시하고 있다. 기하학적 요소로 구성된 CAD 도면에 위상기하학적인 정보를 생성하고 내부 공간을 분할하여 3차원으로 복원한 뒤, 추가적인 속성정보를 건물 데이터베이스에 입력하였다. 오늘날 규모가 커지고 복잡해지는 건물 내부의 효과적이고 체계적인 3차원 공간분석 및 서비스 제공을 위한 GIS 네트워크 모델을 생성하였다.
도시계획, 이동통신계획, 교통계획, 환경조사, 재해${\cdot}$재난 관리 등의 다양한 분야에서 효율적인 시설물 관리를 위한 3차원 도시모델의 사용이 증가하고 있다. 특히 최근의 건물모델링은 CAD와 GIS의 기술로 통합되는 추세이다. 현재까지 연구되어 온 건물모델링은 주로 외부 시각화를 위한 것이었으나 보다 다양한 분야에서 활용하기 위해 건물 내부에 대한 모델링의 필요성과 중요성이 증가하고 있다. 3차원 건물모델링은 컴퓨터 그래픽스, CAD, GIS 분야에서 서로 다른 개념으로 발전되어 왔다. CAD와 컴퓨터 그래픽스 기반의 모델은 정밀한 시각화 표현 기능이 발전하였으나 객체에 대한 속성정보가 부족하며, GIS 기반의 모델은 속성정보와 위상기하학을 이용하는 공간 분석 및 연산 기능이 강력하므로 GIS와 CAD 통합된 모델링이 필요하다. 본 연구에서는 3차원 건물모델의 내부구조를 복원하기 위해서 건축물 관리대장에 포함되어 있는 CAD 설계도면을 이용하는 방법을 제시하고 있다. 기하학적 요소로 구성된 CAD 도면에 위상기하학적인 정보를 생성하고 내부 공간을 분할하여 3차원으로 복원한 뒤, 추가적인 속성정보를 건물 데이터베이스에 입력하였다. 오늘날 규모가 커지고 복잡해지는 건물 내부의 효과적이고 체계적인 3차원 공간분석 및 서비스 제공을 위한 GIS 네트워크 모델을 생성하였다.
Three dimensional urban models are being increasingly applied for various purposes such as city planning, telecommunication cell planning, traffic analysis, environmental monitoring and disaster management. In recent years, technologies from CAD and GIS are being merged to find optimal solutions in ...
Three dimensional urban models are being increasingly applied for various purposes such as city planning, telecommunication cell planning, traffic analysis, environmental monitoring and disaster management. In recent years, technologies from CAD and GIS are being merged to find optimal solutions in three dimensional modeling of urban buildings. These solutions include modeling of the interior building space as well as its exterior shape visualization. Research and development effort in this area has been performed by scientists and engineers from Computer Graphics, CAD and GIS. Computer Graphics and CAD focussed on precise and efficient visualization, where as GIS emphasized on topology and spatial analysis. Complementary research effort is required for an effective model to serve both visualization and spatial analysis purposes. This study presents an efficient way of using the CAD plans included in the building register documents to reconstruct the internal space of buildings. Topological information was built in the geospatial database and merged with the geometric information of CAD plans. as well as other attributal data from the building register. The GIS network modeling method introduced in this study is expected to enable an effective 3 dimensional spatial analysis of building interior which is developing with increasing complexity and size.
Three dimensional urban models are being increasingly applied for various purposes such as city planning, telecommunication cell planning, traffic analysis, environmental monitoring and disaster management. In recent years, technologies from CAD and GIS are being merged to find optimal solutions in three dimensional modeling of urban buildings. These solutions include modeling of the interior building space as well as its exterior shape visualization. Research and development effort in this area has been performed by scientists and engineers from Computer Graphics, CAD and GIS. Computer Graphics and CAD focussed on precise and efficient visualization, where as GIS emphasized on topology and spatial analysis. Complementary research effort is required for an effective model to serve both visualization and spatial analysis purposes. This study presents an efficient way of using the CAD plans included in the building register documents to reconstruct the internal space of buildings. Topological information was built in the geospatial database and merged with the geometric information of CAD plans. as well as other attributal data from the building register. The GIS network modeling method introduced in this study is expected to enable an effective 3 dimensional spatial analysis of building interior which is developing with increasing complexity and size.
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문제 정의
본 연구에서는 앞에서 제시된 CAD와 GIS의 장점을 바탕으로 건물 내부의 효율적인 3차원 공간분석을 위한 모델을 제시하고자 한다. 건축물대장에 포함된 CAD 도면 을 이용하여 GIS의 위상구조 형태의 데이터를 생성하고 건물 내부의 속성정보를 입력하여, 건물 내부구조의 시각화와 함께 데이터베이스를 구축하였다.
가설 설정
이동시간을 계산하기 위해서 사람의 평균 속도를 3knVh 로 가정하여, 이를 분초당 미터 단위로 계산하면 0.02min/m( 1.2sec/m) 이다.
제안 방법
그러므로 본 연구에서는 2차원에 나타낸 3차원 공간에 대한 네트워크 경로의 분석 결과를 처리하여 3차원 시각화 모델에 나타냈다. 3차원 네트워크 모델 구조의 기반이 되는 벽면 polygon 레이어를 1층부터 11층까지 상향으로 일정한 간격을 가질 수 있도록 Y 좌표를 변경한 뒤, 변경된 층의 위치를 기반으로 네트워크 모델을 생성하였다. 각 층의 이동경로와 room에 대한 feature들이 하나의 네트워크를 구성할 수 있도록 수직의 line feature로 연결하였다.
그러므로 polygon feature의 편집과정이 모두 끝난 이후에 SpacelD의 값을 입력하였다. SpacelD field를 이용하여 속성테이블 간의 관계설정에 의한 공간분석을 하게되므 로, 정확한 값의 입력이 필요하다 벽면 polygon에는 각 room을 구분하기 위한 SpacelD와 완성된 모델에서 건물의 벽면을 3차원으로 표현하기 위한 height 값을 속성으로 추가하였다.
건물 내부의 네트워크 모델은 시각화 모델에서 생성된 polygon feature 데이터의 위치를 기반으로 point feature 와 line feature를 생성하여 구축하였다. 그림5는 건물 내부의 3차원 시각화 모델링 및 3차원 네트워크 모델링 과정을 보여주고 있다.
본 연구에서는 앞에서 제시된 CAD와 GIS의 장점을 바탕으로 건물 내부의 효율적인 3차원 공간분석을 위한 모델을 제시하고자 한다. 건축물대장에 포함된 CAD 도면 을 이용하여 GIS의 위상구조 형태의 데이터를 생성하고 건물 내부의 속성정보를 입력하여, 건물 내부구조의 시각화와 함께 데이터베이스를 구축하였다. 그리고 도로 교통 분야와 상하수도 관로분석 등의 분야에서 활용하는 2차원 네트워크 모델을 3차원 개념으로 확장하여 건물 내부에 적용한 뒤, 최적 및 최단 경로 탐색과 근접한 시설 물 찾기와 같은 3차원 공간 분석을 가능하도록 모델링하였다.
(그림 6). 그러므로 3차원 모델에서 건물의 골격(skeleton)을 나타낼 수 있는 기둥(column), 벽(wall), 보조선(center line) 레이어만을 선택하여 line feature 파일로 변환을 하였다(그림 7). line feature로 변환된 파일을 polygon feature로 변환시킨 다음에(그림 8), polygon feature 파일의 분할 및 융합을 통하여 원본 CAD 도면에 있는 room 의 구조와 같이 수정한다(그림 9).
앞으로 연구에서 네트워크의 3차원 적용을 위한 표현 및 공간연산이 개선되어야 한다. 그러므로 본 연구에서는 2차원에 나타낸 3차원 공간에 대한 네트워크 경로의 분석 결과를 처리하여 3차원 시각화 모델에 나타냈다. 3차원 네트워크 모델 구조의 기반이 되는 벽면 polygon 레이어를 1층부터 11층까지 상향으로 일정한 간격을 가질 수 있도록 Y 좌표를 변경한 뒤, 변경된 층의 위치를 기반으로 네트워크 모델을 생성하였다.
본 연구에서는 건물 내부의 개별적인 room을 나타내는 바닥면 polygon feature 에 표 1과 같이 방 번호 층수 관리자, 소속학과, 전화번호 등의 속성정보를 입력하였다. 그리고 각 room에 고유한 값을 입력하기 위한 SpacelD field를 추가하였다.
건축물대장에 포함된 CAD 도면 을 이용하여 GIS의 위상구조 형태의 데이터를 생성하고 건물 내부의 속성정보를 입력하여, 건물 내부구조의 시각화와 함께 데이터베이스를 구축하였다. 그리고 도로 교통 분야와 상하수도 관로분석 등의 분야에서 활용하는 2차원 네트워크 모델을 3차원 개념으로 확장하여 건물 내부에 적용한 뒤, 최적 및 최단 경로 탐색과 근접한 시설 물 찾기와 같은 3차원 공간 분석을 가능하도록 모델링하였다.
연구 대상 건물은 세종대학교 공과대학 건물인 충무관(그림 4)으로 선정하였으며, CAD 데이터는 건축물 관리대장의 일부로 대학측으로부터 제공받았다. 내부 공간을 표현하기 위해 건물 내부를 polygon feature로 표현하고 속성 데이터를 구축하여 이를 3차원 환경에서 시각화하였다. 데이터 생성에 이용한 소프트웨어로 ArcMap과 Network Analyst를 이용하였으며, 3차원 시각화는 ArcScene을 이용하여 구현하였다.
건물 내부의 네트워 크에서 다른 층간의 경로를 탐색할 경우, 엘리베이터나 계 단을 이용할 수 있지만 대부분의 경우 3층 이상을 이동하 게 되면 엘리베이터를 사용하게 된다. 네트워크 모델에서 수직방향 이동의 우선순위를 엘리베이터에 부여하기 위해서 복도에서의 이동경로와 엘리베이터의 이동경로, 계단의 이동경로에 대한 계층(hierarchy)을 속성테이블에 추가 하여 경로분석을 할 경우 계단보다 엘리베이터에 의한 경로가 우선적으로 고려될 수 있도록 설정하였다.
다음으로 각 층의 높이값을 지정하여 벽면과 출구를 생성하고 완성된 층을 통합하여 하나의 건물모델을 생성하였다.
내부 공간을 표현하기 위해 건물 내부를 polygon feature로 표현하고 속성 데이터를 구축하여 이를 3차원 환경에서 시각화하였다. 데이터 생성에 이용한 소프트웨어로 ArcMap과 Network Analyst를 이용하였으며, 3차원 시각화는 ArcScene을 이용하여 구현하였다.
앞서 설명된 방법으로 수행한 건물 내부의 3차원 시각화 모델을 나타낸 결과는 그림 17과 같다. 벽면 polygon feature의 속성으로 입력한 높이값만큼 압출(extrusion)하고, 각 층에 맞는 기본적인 높이값을 설정하여 건물 내부 와 외부의 벽면을 시각화하여 모델을 생성하였다. 시각화 된 feature와 데이터베이스가 연계되어 있기 때문에, 질의 (query)기능을 이용하여 3차원 공간의 하이라이트 표현과 함께 속성 테이블 검색 결과를 볼 수 있다.
본 연구에서는 CAD 도면을 기반으로 건물 내부공간에 대한 속성정보의 데이터베이스 구축과 함께 3차원 시각화가 가능한 모델을 생성하였으며, 3차원 건물 내부의 이동경로를 3차원 개념의 네트워크 모델로 구성하였다. 연구 대상 건물은 세종대학교 공과대학 건물인 충무관(그림 4)으로 선정하였으며, CAD 데이터는 건축물 관리대장의 일부로 대학측으로부터 제공받았다.
벽면 polygon feature를 생성한 후 3차원 시각화와 함께 공간정보를 활용하기 위한 건물 내부에 대한 속성정보를 데이터베이스로 구축하게 된다. 본 연구에서는 건물 내부의 개별적인 room을 나타내는 바닥면 polygon feature 에 표 1과 같이 방 번호 층수 관리자, 소속학과, 전화번호 등의 속성정보를 입력하였다. 그리고 각 room에 고유한 값을 입력하기 위한 SpacelD field를 추가하였다.
연구에 사용된 건축물 CAD 도면은 최종적으로 두 종류의 polygon feature 데이터로 변환시켰다. 하나는 건물의 바닥면을 표현하는 polygon feature이고 다른 하나는 건물의 벽면을 표현하는 polygon feature이다.
CAD나 컴퓨터그래픽스에서는 주로 시각화를 목적으로 하여 건물을 모델링하므로 공간분석에 필요한 기능면에 있어서는 그 활용성이 적다. 이런 모델의 공간분석적 인 기능을 개선하기 위해 CAD 도면을 이용하여 속성정보를 부여한 내부 공간에 대한 GIS 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 데이터베이스는 3차원 GIS 공간분석기능을 적용하여 공간적인 질의, 분석이 효과적임을 입증하였다.
표 3의 room의 이용도에 따르는 총 개수만큼의 point feature를 생성하고, 시각화 모델에서 polygon feature의 속성으로 추가하였던 SpacelD field를 point feature 레이어의 테이블에 추가하였다. 그리고 각 point feature의 SpacelD가 polygon featured.
대상 데이터
본 연구에서는 CAD 도면을 기반으로 건물 내부공간에 대한 속성정보의 데이터베이스 구축과 함께 3차원 시각화가 가능한 모델을 생성하였으며, 3차원 건물 내부의 이동경로를 3차원 개념의 네트워크 모델로 구성하였다. 연구 대상 건물은 세종대학교 공과대학 건물인 충무관(그림 4)으로 선정하였으며, CAD 데이터는 건축물 관리대장의 일부로 대학측으로부터 제공받았다. 내부 공간을 표현하기 위해 건물 내부를 polygon feature로 표현하고 속성 데이터를 구축하여 이를 3차원 환경에서 시각화하였다.
이와 같이 polygon들을 변환시키기 위해 CAD 시스템으로 제작된 건물의 평면도에 대한 편집과정을 거치게 된다. 원시 CAD 도면은 벽, 기둥 문 창문, 엘리베이터와 같은 객체와 보조선을 표현하는 50여개 이상의 도면층로 구성되어 있어, 건물 모델 생성에 불필요한 많은 레이어들을 포함하고 있다. (그림 6).
성능/효과
이런 모델의 공간분석적 인 기능을 개선하기 위해 CAD 도면을 이용하여 속성정보를 부여한 내부 공간에 대한 GIS 데이터베이스를 구축하였다. 구축된 데이터베이스는 3차원 GIS 공간분석기능을 적용하여 공간적인 질의, 분석이 효과적임을 입증하였다. 또한 구축된 건물의 3차원 GIS 시각화 데이터베이스 와 GIS 네트워크 모델을 연계시켜 네트워크 기반의 경로 분석과 탐지 기능을 가능케하여 건물 내부에 대한 공간 정보의 활용성을 확대시킬 수 있었다.
구축된 데이터베이스는 3차원 GIS 공간분석기능을 적용하여 공간적인 질의, 분석이 효과적임을 입증하였다. 또한 구축된 건물의 3차원 GIS 시각화 데이터베이스 와 GIS 네트워크 모델을 연계시켜 네트워크 기반의 경로 분석과 탐지 기능을 가능케하여 건물 내부에 대한 공간 정보의 활용성을 확대시킬 수 있었다.
각 층을 연결하는 엘리베이터 line feature에 이동시간 및 거리를 계산하여 속성 테이블의 MINUTE field에 입력한다. 측정 결과, 엘리베이터로 한 층을 이동하는 시간은 평균 3초가 소비되어 엘리베이터를 나타내는 linefeature는 length field 값에 상관없이 MINUTE field에0.05(3초)를 입력하였다. 그 외의 문이 열리고 닫히는데 걸리는 시간은 대략 5초가 소요되었으며 층에 따른 엘리베이터 대기 시간은 표 4와 같다.
후속연구
이런 방법을 이용하는 이유는 현재 상용화 된 네트워크를 다룰 수 있는 프로그램이 아직까지는 2차원 개념에서만 적용되기 있기 때문이다. 앞으로 연구에서 네트워크의 3차원 적용을 위한 표현 및 공간연산이 개선되어야 한다. 그러므로 본 연구에서는 2차원에 나타낸 3차원 공간에 대한 네트워크 경로의 분석 결과를 처리하여 3차원 시각화 모델에 나타냈다.
향후 개선 사항으로는 3차원 건물 내부 모델을 생성하기 위한 CAD 도면 작성의 새로운 기준이 필요하며, 효율적인 모델 생성을 위하여 시각화 과정의 polygon 데이터 생성과정의 자동화가 개발되어야 할 것으로 사료된다.
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