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문제 정의
- 하지만 현재 많은 3차원 도시모델들은 피처 모델로써 기본요소들(primitives)을 조합하여 공간을 표현하고, 관계성은 공유하는 기본요소들을 찾아야지만 표현할 수 있기 때문에 복잡한 3차원 공간 객체들 사이에서는 관계성을 정의하기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 공간객체들 사이의 관계를 네트워크 구조로 모델링하는 네트워크 기반의 위상학적 데이터 모델로써 보행 공간관계 모델(NSRM)을 개발하였다. 본 모델에서는 이동객체가 접근할 수 있는 실내공간에 대하여, 3차원 공간 관계성을 표현한다.
- 따라서 본 연구에서는 공간객체들 사이의 관계를 네트워크 구조로 모델링하는 네트워크 기반의 위상학적 데이터 모델로써 보행 공간관계 모델(NSRM)을 개발하였다. 본 모델에서는 이동객체가 접근할 수 있는 실내공간에 대하여, 3차원 공간 관계성을 표현한다.
- 본 연구에서는 실내공간의 관계성을 표현하는 위상학적 모델로써, 세 가지 위상학적 정립 방법 중에서 공간간의 관계성(인접성 및 연결성)을 표현할 때 더 효율적이라고 검증한 연구 결과[13]에 따라 네트워크 구조를 기반으로 보행 공간 관계 모델(NSRM)을 개발하였다. 이는 노드, 아크, 에지, 페이스, 솔리드 등의 기본요소들의 조합을 이용하여 실내 공간을 표현하는 B-rep기반의 모델에 비하여 3차원 공간객체 뿐만 아니라 공간 객체 사이의 3차원 공간 객체들의 위상학적 관계를 노드, 에지인 0차원과 1차원으로 표현함으로서 복잡한 공간객체도 보다 간단하고 효율적으로 표현이 가능하게 하였다.
가설 설정
- 첫 번째로 상징 공간(symbolic space)를 정의해야 한다. 하나의 건물은 여러 실내 공간들의 조합으로 이루어진다.
제안 방법
- UML의 클래스 다이어그램을 사용하여 보행 공간관계 모델의 구조와 구성요소들의 관계를 표현하였다. 그리고 정의한 본 모델을 문서로 조직하고 구조화하기 위하여 XML 표준화 기구인 W3C에서 제공하는 XML 스키마 기술을 바탕으로 본 모델에 대한 XML 스키마를 설계한다.
- <그림 9>는 대상 건물의 1층부터 4층까지의 실내공간에 대한 관계성을 정의한 xml 문서의 일부분이다. 건물의 3차원 실내공간을 방, 복도, 층계 등으로 공간분할하고, 필요에 따라 하위 공간 분할된 각 공간객체(예: 복도)에 ID를 부여하였다. 이 때 보행 공간관계 모델을 구성하는 2가지 모델 중에서 논리적 관계성을 나타내는 모델에서의 공간객체는 cn, 기하학적 요소를 포함하는 관계성을 나타내는 모델에서의 공간객체는 gn으로 구분하여 각 모델에서의 공간 관계성을 정의한다.
- 공간간의 관계를 표현하는 여러 가지 방법 중에서 그 효율성이 입증된 네트워크 구조를 이용한 위상학적 접근방법을 응용하여 정의한다. 이동객체가 접근가능한 공간에 대하여 건물을 분할하고 분할된 각 공간을 poincare duality에 따라 그래프로 표현한다.
- 본 모델은 실내공간에서 3차원 공간간의 관계성을 정의하기 위한 위상학적 정립방법으로, 기존에 3차원 객체 기반의 위상학적 데이터 모델에서 사용된 B-rep 기반이 아닌, 네트워크 구조를 응용하여 설계한다. 공간의 경로분석과 같이 공간 사이의 관계성을 정의함으로써 도출 가능한 공간 분석 수행에 활용 가능한 본 모델을 정의하기 위하여 네트워크 구조에서 가지는 네 가지의 속성들을 정의하고, 정의한 속성에 따라 보행 공간관계 모델(NSRM)을 설계할 수 있다.
- 이 때 보행 공간관계 모델을 구성하는 2가지 모델 중에서 논리적 관계성을 나타내는 모델에서의 공간객체는 cn, 기하학적 요소를 포함하는 관계성을 나타내는 모델에서의 공간객체는 gn으로 구분하여 각 모델에서의 공간 관계성을 정의한다. 그리고 본 모델에서 정의하는 관계성은 연결성과 인접성으로 각각 con과 adj로 구분하여 그 종류를 명시한다. 아이디 값으로 식별되는 각 공간객체는 네트워크 구조를 기반으로 하기때문에 1차원 노드로 표현되고, 좌표값을 명시한다.
- 공간 데이터를 적용하기 위해서 기반이 되는 XML 스키마는 그 유효성이 검증이 된 것이어야 한다. 그리고 유효성이 검증된 XML 스키마를 기반으로 네트워크 구조로 표현된 공간 관계성을 가시화함으로써 예시 데이터 적용 결과를 확인한다. 이를 위하여 작성된 샘플 데이터를 가시화하기 위한 뷰어를 개발하였다.
- 즉, 실내공간은 의미론적(semantic) 정보에 따라 다르게 정의된다. 그리고 정의된 실내공간에서의 최단경로와 같은 공간질의에 대한 공간 분석을 수행하고 표현하기 위하여 보행 공간간의 관계성(인접성, 연결성)을 표현하는 모델인 보행 공간관계 모델(navi-gable space-relation model, NSRM)을 제시한다.
- UML의 클래스 다이어그램을 사용하여 보행 공간관계 모델의 구조와 구성요소들의 관계를 표현하였다. 그리고 정의한 본 모델을 문서로 조직하고 구조화하기 위하여 XML 표준화 기구인 W3C에서 제공하는 XML 스키마 기술을 바탕으로 본 모델에 대한 XML 스키마를 설계한다.
- <그림 10>은 대상 건물에 대한 XML 문서를 개발한 뷰어로 열었을 때를 나타낸다. 대상 건물의 공간정보 데이터를 가시화하고, 임의의 두 공간을 나타내는 두 노드간의 최단경로를 도출한 결과를 보여준다. 뷰어에서 XML 스키마를 따르는 예시 데이터를 불러왔을 시에 데이터를 가시화하기에 앞서 유효성을 먼저 검증한 후에 노드와 에지 데이터를 가시화하여 관계성을 보여주게 된다.
- 3차원 가상 도시모델의 저장 및 교환 포맷으로써 OGC(Open Geospatial Consortium)의 표준인 CityGML, 건축 및 토목의 목적으로 개발된 BIM (Building Information Model), 구글맵과 구글 어스의 공간정보 데이터를 저장 표현 공유하기 위한 데이터포맷인 KML(Keyhole Markup Language)등 객체표현의 공간 모델의 대표적인 예들이 있지만 이러한 모델들은 속성정보에 대한 정보가 미비한 피처(feature) 표현에 중점을 둔 연구들로써 공간 분석을 하는 데에는 한계가 있다. 따라서 현실세계를 3차원 가상세계로 표현하고 공간에 대한 공간 분석이 가능한 데이터 모델을 개발하였다.
- 보행 공간관계 모델을 UML로 표현하였고, 이를 기반으로 XML 스키마를 정의하였다. 연구내용에서 공간의 관계성을 표현하는 모델을 문서화하였고, 적용에서는 실제적인 건물의 3차원 실내공간 관계성을 표현해보기 위하여 XML 스키마를 기반으로 XML 데이터 문서를 작성하였다.
- 본 논문에서 모델링하고자 하는 공간은 위 연구의 보행공간 개념을 비롯하여 정립된 3차원 도시 모델개념을 이용하여 실제적인 3차원 실내 공간 모델을 개발하였다. 특히 본 모델에서 개발한 3차원 공간모델은 위상학적으로 연결된 공간간의 관계성을 표현하는 모델로써, 도시모델로 활용될 수 있는 여러 응용분야 중에서 실내 긴급 구조를 원할 수 있는 위상학적모델이 될 수 있겠다.
- 본 모델은 실내공간에서 3차원 공간간의 관계성을 정의하기 위한 위상학적 정립방법으로, 기존에 3차원 객체 기반의 위상학적 데이터 모델에서 사용된 B-rep 기반이 아닌, 네트워크 구조를 응용하여 설계한다. 공간의 경로분석과 같이 공간 사이의 관계성을 정의함으로써 도출 가능한 공간 분석 수행에 활용 가능한 본 모델을 정의하기 위하여 네트워크 구조에서 가지는 네 가지의 속성들을 정의하고, 정의한 속성에 따라 보행 공간관계 모델(NSRM)을 설계할 수 있다.
- 본 모델의 구조화와 표현을 정의한 스키마는, XML 스키마가 가지는 특징에 따라 여러 데이터 타입과 형식을 지원하고, 확장성을 가짐으로써 다른 스키마의 내용을 사용하거나 본 모델의 스키마를 다른 스키마에서 사용할 수 있게 구조화하였다. 따라서 공간 관계 모델의 XML스키마는 다른 공간모델로의 교환포맷으로 활용가능하다.
- <그림 8>은 모델을 기반으로 하여 만든 XML스키마 중에서 루트 엘리먼트인 <schema>와 본 모델의 최상위 피처 클래스인 엘리먼트 <_indoorObject>정의 부분이다. 본 연구는 건물의 실내 공간정보를 바탕으로 생성한 모델이기 때문에 지리학적 객체들을 묘사하기 위해 사용되어 지는 마크업 언어(mark-up language)인 GML(Geography Mark-up Language)를 응용하여 정의하였다.
- 실세계의 공간은 실외공간(open-space)과 실내공간(closed-space)로 크게 2종류로 분류된다. 본 연구에서 개발한 모델은 공간의 관계성을 정의하고, 정의한 관계성을 표현하는 모델이기 때문에 피처모델(feature model)에서 표현하는 모든 종류의 실내 외공간(open-space, closed-space)을 구분 짓지 않고 다룰 수 있다. 또한 공간간의 논리적 관계성뿐만 아니라 공간의 기하요소를 고려한 기하학적 관계성도 함께 정의함으로써 공간간의 관계성과 관련된 다양한 공간 분석이 가능해진다.
- 임피던스 값을 부여한다는 것은 공간 관계성에 가중치를 할당하는 것으로써, 공간질의의 종류에 따라 필요한 가중치의 값이 다르며, 가중치가 미치는 결과도 달라진다. 본 연구에서는 가중치로 할당할 수 있는 여러 값들, 예를 들어 거리, 시간, 속력 중에서 기하학적 거리를 사용하였다. 이는 최단거리 등의 기하학적 정보가 필요한 공간 분석을 수행할 수 있게 하기 위함이며, 이동객체의 연결된 공간 사이의 이동거리를 반영한다.
- 이처럼 관계성에 기반을 둔 공간분석은 본 모델을 통해 수행될 수 있다. 본 연구에서는 추가적인 뷰어를 개발함으로써 실내 공간을 표현할 뿐만 아니라, Dijkstra 알고리즘을 적용하여 공간간의 최단경로 분석을 가능하게 하였다.
- 보행 공간관계 모델을 UML로 표현하였고, 이를 기반으로 XML 스키마를 정의하였다. 연구내용에서 공간의 관계성을 표현하는 모델을 문서화하였고, 적용에서는 실제적인 건물의 3차원 실내공간 관계성을 표현해보기 위하여 XML 스키마를 기반으로 XML 데이터 문서를 작성하였다. 대상 건물로 서울시립대학교 21세기관 건물을 적용하였다.
- 예시에서 보듯이 최상위 클래스인 <_indoorObject>를 기준으로 UML 클래스 다이어그램으로 표현한 본 모델의 모든 클래스는 XML스키마에서 GML을 응용하여 정의하였다.
- 이를 실내공간에 적용하여, 접근가능한 공간인 보행 공간(navigable space)의 관계성을 정의함으로써 실내공간을 모델링한다. 예를 들어, <그림 1>에서 나타내고 있는 3차원 실내외 공간 중에서 휠체어로 이동하는 장애인이 접근가능한 공간은 <그림 2>와 같이 1층의 건물과 실외 일부로 한정되어 나타난다.
- 그리고 유효성이 검증된 XML 스키마를 기반으로 네트워크 구조로 표현된 공간 관계성을 가시화함으로써 예시 데이터 적용 결과를 확인한다. 이를 위하여 작성된 샘플 데이터를 가시화하기 위한 뷰어를 개발하였다. 뷰어는 기본적인 건물에 대한 네트워크데이터를 가시화하여 관계성을 표현하여 실내공간에 공간들이 어떠한 관계성을 가지고 있는지 확인할 수 있게 한다.
- 보행 공간관계 모델은 시멘틱 정보를 기반으로 하여 공간간의 논리적 관계성을 정의한 논리적 공간관계 모델(Logical Space-Relation Model)과 이동객체의 실제적인 공간간의 연결성을 나타내기 위해 임피던스 값을 기하학적 거리로 할당하여 기하학적 관계성을 정의한 기하학적 공간관계 모델(Geometric Space-Relation)로 구분되어 정의하였다. 정의된 본 모델은 UML 클래스 다이어그램으로 표현하고, 이를 기반으로 XML 스키마를 작성하였다.
- XML은 확장 가능한 마크업 언어(eXtensible Markup Language)로써 텍스트로 이루어져 있어 어떤 시스템이든지 읽을 수 있고, 문서 자체가 정보와 구조를 포함하고 있어 그 의미를 쉽게 이해할 수 있다는 장점이 있다. 현재 XML은 데이터베이스, 웹문서 작성 및 개발, 전자문서 교환 등 여러 분야에 적용되고 있고, 본 연구에서는 개발한 모델의 교환문서로 적용을 위하여 XML을 사용하였다.
대상 데이터
- 연구내용에서 공간의 관계성을 표현하는 모델을 문서화하였고, 적용에서는 실제적인 건물의 3차원 실내공간 관계성을 표현해보기 위하여 XML 스키마를 기반으로 XML 데이터 문서를 작성하였다. 대상 건물로 서울시립대학교 21세기관 건물을 적용하였다.
이론/모형
- 관계성은 크게 <SpaceObject>와 <Logical_Relation Object> 2가지 클래스를 참조하여 정의한다. 이 때 지리학적 객체들 묘사는GML(Geography Mark-up Language)를 응용하였다.
성능/효과
- 실제적으로 본 모델의 데이터 모델을 교환포맷으로 활용하기 위해서는 XML스키마의 유효성 검사가 필수적이다. 따라서 공간모델의 뷰어를 개발함으로써 본 공간 관계 모델의 XML스키마에 대한 유효성 검사를 수행할 수 있으며, 모델이 유효성을 만족할 때 모델에서 정의하는 공간의 관계성을 가시화하고, 공간간의 공간 분석을 가능하게 한다.
- 따라서 실내와 실외와 상관없이 공간 자체를 정의하고, 공간 사이의 관계성을 표현할 수 있었다. 본 모델은 공간 관계성을 XML 스키마로 문서화하였기 때문에 XML스키마가 가지는 호환성 특징에 따라 다른 XML 스키마에서 본 XML스키마를 가져다가 쓸 수 있다는 장점이 있다. 따라서 다른 공간 모델에서 본 연구 결과로 나온 스키마를 가져오기(importing)하여 공간을 모델링한다면, 물리적 공간 형태를 표현함과 동시에 본 모델에서 표현해주는 공간간의 관계성까지 정의가 가능하게 된다.
- 본 모델을 기반으로 설계한 XML 스키마는 XML 스키마의 호환성 특징에 따라, 다른 공간 모델과 호환가능하다. 따라서 본 모델을 CityGML과 같은 공간 표현 모델인 기하학적 모델에 가져왔을 때(importing), 기하학적 모델에서 제공하는 기하학적 기본요소들의 조합으로 실세계의 3차원 실내공간을 가상모델로 표현할 수 있음과 동시에 본 모델의 공간 관계성 정의로 인한 공간 분석까지 가능하게 된다.
- 본 연구에서는 실내공간의 관계성을 표현하는 위상학적 모델로써, 세 가지 위상학적 정립 방법 중에서 공간간의 관계성(인접성 및 연결성)을 표현할 때 더 효율적이라고 검증한 연구 결과[13]에 따라 네트워크 구조를 기반으로 보행 공간 관계 모델(NSRM)을 개발하였다. 이는 노드, 아크, 에지, 페이스, 솔리드 등의 기본요소들의 조합을 이용하여 실내 공간을 표현하는 B-rep기반의 모델에 비하여 3차원 공간객체 뿐만 아니라 공간 객체 사이의 3차원 공간 객체들의 위상학적 관계를 노드, 에지인 0차원과 1차원으로 표현함으로서 복잡한 공간객체도 보다 간단하고 효율적으로 표현이 가능하게 하였다. 이에 따라 공간간의 관계성(인접성, 연결성)을 기반으로 하는 공간 분석을 보다 효율적으로 가능하게 하였다.
후속연구
- 본 모델은 공간 관계성을 XML 스키마로 문서화하였기 때문에 XML스키마가 가지는 호환성 특징에 따라 다른 XML 스키마에서 본 XML스키마를 가져다가 쓸 수 있다는 장점이 있다. 따라서 다른 공간 모델에서 본 연구 결과로 나온 스키마를 가져오기(importing)하여 공간을 모델링한다면, 물리적 공간 형태를 표현함과 동시에 본 모델에서 표현해주는 공간간의 관계성까지 정의가 가능하게 된다.
- 본 모델에서 정의한 공간은 실내, 또는 실내공간으로 제약되지 않는 통합적인 공간을 의미한다. 따라서 현재 수행한 연구에서는 건물의 실내공간을 모델링하고, 임의의 건물을 대상으로 예시 데이터(XML instance)를 작성하였지만, 향후연구에서는 모델의 네트워크 개념을 확장하여 실내와 실외를 모두 표현하는 하나의 3차원 공간 통합 모델을 만들 수 있겠다. 또한 XML 스키마를 기반으로 실제 건물의 실내공간의 관계성을 표현하는 XML 문서를 생성할 때, 방, 복도, 층계 등의 분할된 공간을 개발자가 모두 정의하였지만, 향후 연구를 통해서 건물데이터에서 자동적으로 벽과 같은 물리적 단위로 공간을 분할하여 정의하고, 정의된 공간에 따라 관계성까지 일련의 자동화 과정을 통해 도출함으로써 본 모델을 보완해야 하겠다.
- 따라서 현재 수행한 연구에서는 건물의 실내공간을 모델링하고, 임의의 건물을 대상으로 예시 데이터(XML instance)를 작성하였지만, 향후연구에서는 모델의 네트워크 개념을 확장하여 실내와 실외를 모두 표현하는 하나의 3차원 공간 통합 모델을 만들 수 있겠다. 또한 XML 스키마를 기반으로 실제 건물의 실내공간의 관계성을 표현하는 XML 문서를 생성할 때, 방, 복도, 층계 등의 분할된 공간을 개발자가 모두 정의하였지만, 향후 연구를 통해서 건물데이터에서 자동적으로 벽과 같은 물리적 단위로 공간을 분할하여 정의하고, 정의된 공간에 따라 관계성까지 일련의 자동화 과정을 통해 도출함으로써 본 모델을 보완해야 하겠다.
- 본 논문에서 모델링하고자 하는 공간은 위 연구의 보행공간 개념을 비롯하여 정립된 3차원 도시 모델개념을 이용하여 실제적인 3차원 실내 공간 모델을 개발하였다. 특히 본 모델에서 개발한 3차원 공간모델은 위상학적으로 연결된 공간간의 관계성을 표현하는 모델로써, 도시모델로 활용될 수 있는 여러 응용분야 중에서 실내 긴급 구조를 원할 수 있는 위상학적모델이 될 수 있겠다.
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