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문제 정의
- 결과적으로 CFD 모의 및 분석 정보를 3차원 컴퓨터 그래픽스 기술을 통해 시각화하여 표출함으로서 의사결정자가 눈으로 보다 많은 정보를 제공받을 수 있는 시뮬레이션 환경 개발이 필요하다. 이에 본 연구는 (1)CFD 모델 품질 향상을 위해 3D City 모델로부터 CFD 모델 입력자료(.dat)를 생성하여 활용하는 방법과 (2)CFD 모델링 결과를 3D 모델과 다시 통합하여 시각적으로 사실성이 높고 대기환경을 쉽게 인지할 수 있는 시뮬레이션 및 시각화 방법에 대하여 연구하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 정열그리드 구조로 되어 있는 CFD 모델로부터 입자의 속도를 구하기 위하여 TIM 보간 시 속도가 입방체의 면에 있다고 가정하고 계산하였다(그림 6
제안 방법
- 여의도 6 3빌딩 일대의 3D City모델과 CFD_NIMR_SNU 모델을 통합 및 시각화하기 위해서 시뮬레이션 자료를 생산하였다. (1)바람의 흐름을 꼬리 달린 입자의 흐름으로 표출하기 위해 ptc 자료를 생산하는 Particle Model Simulator(PMS)와 (2)오염물질 확산을 다수의 입자로 표출하는 pln 자료를 생산하는 Diffusion Model Simulator(DMS)를 통해 시뮬레이션 자료를 생성하였다. 3차원 입자흐름(.
- 3D Building 파일을 구조체 리스트 형태로 저장한 후 그림 5와 같이 격자에서 광선을 쏘는 방법을 이용하여 2차원 격자에 건물의 유/무를 판정하고 건물이 있는 것으로 판정된 격자에 대해 3D Building 파일로부터 높이를 구하였다. 그림 5(a)에서 보는 것처럼 임의의 지점에서 임의의 광선을 쏘아 폴리곤(객체)과의 교차가 홀수 개이면 그 격자점은 3D Building 폴리곤의 내부에 있는 것으로 판단하고 교차 수가 짝수 개이면 그 점은 폴리곤의 외부에 있는 점으로 판단하여 CFD 모델 입력파일을 생성하였다.
- 3D City 모델로부터 CFD_NIMR_SNU 모델 입력자료(그림 5(b))를 생성하기 위해서는 지형 및 건물 정보를 격자화하고 각각의 격자에 대해 표고와 건물의 유/무 판정 및 건물 높이를 추출하여 ASCII형태로 생산해야 한다. 3D Building 파일을 구조체 리스트 형태로 저장한 후 그림 5와 같이 격자에서 광선을 쏘는 방법을 이용하여 2차원 격자에 건물의 유/무를 판정하고 건물이 있는 것으로 판정된 격자에 대해 3D Building 파일로부터 높이를 구하였다. 그림 5(a)에서 보는 것처럼 임의의 지점에서 임의의 광선을 쏘아 폴리곤(객체)과의 교차가 홀수 개이면 그 격자점은 3D Building 폴리곤의 내부에 있는 것으로 판단하고 교차 수가 짝수 개이면 그 점은 폴리곤의 외부에 있는 점으로 판단하여 CFD 모델 입력파일을 생성하였다.
- 3D City 모델로부터 CFD 모델 입력자료를 생성하여 모델링 품질을 향상시키고 CFD 모델링 결과를 3D 모델과 통합하여 사실적이고 쉽게 인지할 수 있는 시각화 방법에 대하여 연구하였으며 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 3D City 모델로부터 생성된 CFD 모델 입력파일을 이용해 CFD-NIMR-SNU로 모의하여 출력물을 생성하였다. 모의시간은 10분으로 입자 흐름 및 오염물질 확산을 모의하였으며 이를 통해 10초 간격으로 저장된 60개의 출력자료(.
- pln)를 3D City모델과 통합한 결과는 Particle Viewer와 Pollution viewer를 통해 볼 수 있다. PMS와 DMS 및 카메라 제어를 통해 시각화 자료 생성 조건과 시점을 조절할 수 있도록 하였다.
- 그림 2는 CFD 모델 입력자료 생산 및 3D City 모델과 CFD 모델의 통합 시각화 작업 흐름 구상을 보여주고 있다. 국토지리정보원에서 생산한 3차원 국토공간정보 자료로부터 기하학적 정보를 생산하여 CFD 모델 입력자료에 반영하고 이렇게 생산된 CFD 모델로부터 입자의 흐름 및 오염물질 확산 시각화에 사용될 자료들을 시뮬레이터를 통해 재생산하여 3D City 모델과 통합 및 시각화 할 수 있도록 설계하였다.
- 둘째, CFD 모델로부터 바람의 흐름을 PMS와 Particle Viewer를 통해 시뮬레이션 및 시각화 환경을 구현하였다.
- 3D City 모델로부터 생성된 CFD 모델 입력파일을 이용해 CFD-NIMR-SNU로 모의하여 출력물을 생성하였다. 모의시간은 10분으로 입자 흐름 및 오염물질 확산을 모의하였으며 이를 통해 10초 간격으로 저장된 60개의 출력자료(.dat)를 생성하였다. 출력 자료에는 속도(u, v, w), 기압변동값(po), 오염물질 농도(CO), 온도(tt) 등이 실수형(float)으로 저장되어 있다.
- 입자건물 충돌 확인은 (1)물체의 축에 따라 충돌을 확인하는 Axis Alien Bounding Box(AABB)기법과 (2)물체를 감싸는 방향성을 고려한 충돌처리 기법인 Oriented Object Box(OBB), (3)3D 건물 객체의 모든 면을 이용하여 충돌을 처리하는 기법을 검토하였다. 본 연구에서는 가장 정확한 충돌처리 기법인 건물 객체의 면을 이용한 충돌처리 확인 방법을 채택하였으나 사용하는 3D Building 파일이 수백 개의 면들로 구성되어 있어 충돌 처리 확인에 많은 계산시간이 소요되어 이에 대한 해결책으로 먼저 AABB기법을 이용하여 충돌 후보 건물을 정하고 그 후보군에 한정하여 면의 충돌을 판단하는 알고리즘을 적용하였다. 입자와 건물 면(face)의 충돌을 계산에서 충돌후의 입자 이동벡터를 계산해 주어야 하기 때문에 건물의 면 정규값(face normal value)이 있어야 하며 건물 면과의 충돌계산은 식(6)을 통해 구하였다.
- 본 연구에서는 지형 격자자료를 카메라 시점의 중심에 놓기 위해 그림 4의 a)에서 보는 바와 같이 좌측 하단(LR)의 좌표를(0, 0, 0) 으로 이동시킨 후 격자자료 크기(512m×512m)의 절반만큼 왼쪽과 아래쪽으로 이동시켜 모델의 중심을 원점으로 인식하도록 하였다.
- 셋째, DMS와 Pollution Viewer를 통해 CFD모델로부터 오염물질 확산 시뮬레이션 및 시각화 환경을 구현하였다.
- 입자의 속도가 계산되면 입자는 시간 단계가 진행될 때 마다 각 건물들과 충돌 여부를 확인해야 한다. 입자건물 충돌 확인은 (1)물체의 축에 따라 충돌을 확인하는 Axis Alien Bounding Box(AABB)기법과 (2)물체를 감싸는 방향성을 고려한 충돌처리 기법인 Oriented Object Box(OBB), (3)3D 건물 객체의 모든 면을 이용하여 충돌을 처리하는 기법을 검토하였다. 본 연구에서는 가장 정확한 충돌처리 기법인 건물 객체의 면을 이용한 충돌처리 확인 방법을 채택하였으나 사용하는 3D Building 파일이 수백 개의 면들로 구성되어 있어 충돌 처리 확인에 많은 계산시간이 소요되어 이에 대한 해결책으로 먼저 AABB기법을 이용하여 충돌 후보 건물을 정하고 그 후보군에 한정하여 면의 충돌을 판단하는 알고리즘을 적용하였다.
- 첫째, 국토지리정보원에서 구축한 3D City 모델을 이용해 세밀도와 정확도가 향상된 CFD 모델 입력자료를 적용함으로써 도시 구조를 상세하게 반영하는 향상된 CFD 모델을 생산하였다.
- 3차원 국토공간정보 자료는 지형과 재질(texture) 결합에 사용될 정사영상, 지형모델 추출에 사용될 항공 LiDAR 점군자료, 3D Building 모델로 구성되어 있다. 항공 LiDAR 지면 점군(point cloud)자료로부터 ASCII 수치 표고모델(DEM) 자료를 생성하고 DEM과 3D Building 모델로부터 도시 구조에 대한 정확한 높이 및 위치를 추출하여 CDF 모델 입력자료를 생산하였으며 이를 CFD_NIMR_SNU 모델에 적용하여 63빌딩 주변의 입체적 도시구조가 묘사된 CFD 출력 자료를 생산하였다. 여의도 6 3빌딩 일대의 3D City모델과 CFD_NIMR_SNU 모델을 통합 및 시각화하기 위해서 시뮬레이션 자료를 생산하였다.
대상 데이터
- DMS를 통해 CFD_NIMR_SNU 모델로부터 60개의 오염물질 농도장 표출자료(.pln)를 생성하였으며 Pollution Viewer는 총 60프레임을 시뮬레이션 한다. Rendering frame은 10초 간격으로 600초를 계산하여 10분간의 오염물질 확산을 모의하였다.
- 3ds)을 받아 사용하였다(표 1). 사용된 입력 자료는 국토지리정보원에서 고시한 세계측지계(ITRF 2000) 중부원점 좌표계를 사용하고 있다.
- 항공 LiDAR 지면 점군(point cloud)자료로부터 ASCII 수치 표고모델(DEM) 자료를 생성하고 DEM과 3D Building 모델로부터 도시 구조에 대한 정확한 높이 및 위치를 추출하여 CDF 모델 입력자료를 생산하였으며 이를 CFD_NIMR_SNU 모델에 적용하여 63빌딩 주변의 입체적 도시구조가 묘사된 CFD 출력 자료를 생산하였다. 여의도 6 3빌딩 일대의 3D City모델과 CFD_NIMR_SNU 모델을 통합 및 시각화하기 위해서 시뮬레이션 자료를 생산하였다. (1)바람의 흐름을 꼬리 달린 입자의 흐름으로 표출하기 위해 ptc 자료를 생산하는 Particle Model Simulator(PMS)와 (2)오염물질 확산을 다수의 입자로 표출하는 pln 자료를 생산하는 Diffusion Model Simulator(DMS)를 통해 시뮬레이션 자료를 생성하였다.
- 여의도 일대의 3D City 모델 자료는 국토지리정보원(NGII)에서 서울시를 대상으로 3차원 국토공간정보 구축사업을 통해 구축한 항공 라이다자료, 정사영상, 3D building 모델(.3ds)을 받아 사용하였다(표 1). 사용된 입력 자료는 국토지리정보원에서 고시한 세계측지계(ITRF 2000) 중부원점 좌표계를 사용하고 있다.
- 이에 본 연구에서는 서울시 내에서 입체적인 공간구조로 잘 알려진 여의도 63빌딩 주변지역을 연구범위로 하였으며 공간적 범위는 512m × 512m로 하였다.
이론/모형
- 입자를 이동시키기 위해서는 격자상의 바람장 정보를 입자 위치에서 보간 하고 그 속도로 입자 위치를 갱신해야 한다. 입자가 다음 스텝으로 전진하기 위한 속도를 구하기 위해 그림 6(a)에서 보는 바와 같이 3D 입방체에서 하나의 플럭스(c)를 포함하는 8개 꼭지점 속도값을 이용한 다변량 보간기법인 Trilinear Interpolation Mothod(TIM)를 채택하였다. 본 연구에서는 정열그리드 구조로 되어 있는 CFD 모델로부터 입자의 속도를 구하기 위하여 TIM 보간 시 속도가 입방체의 면에 있다고 가정하고 계산하였다(그림 6(b)).
- CFD 모델은 국립기상연구소와 서울대학교에서 공동 개발한 CFD_NIMR_SNU 모델을 이용하였다. 3차원 국토공간정보 자료는 지형과 재질(texture) 결합에 사용될 정사영상, 지형모델 추출에 사용될 항공 LiDAR 점군자료, 3D Building 모델로 구성되어 있다.
- 그림 3은 CFD_NIMR_SNU 모델링 결과를 실사와 같이 묘사된 63빌딩 주변 3D City 모델과 통합하여 동적으로 시각화하기 위한 자료생성 흐름을 보여주고 있으며 이를 위해 Visual Studio 2008 및 Open Graphics Library(OpenGL)를 사용하였다.
성능/효과
- CFD 오염물질 가시화를 위해 모든 시작 단계에서 오염물질 스칼라 데이터를 읽게 되면 읽어 들이는 자료가 커서 오염물질 가시화에 끊김 현상이 발생한다. 본 연구에서는 CFD_NIMR_SNU 모델에서 오염물질 필드인 CO 정보만을 뽑아내고 그 중에서도 0보다 큰 값만(CO 값이 있을 때)을 저장함으로써 기존의 자료량에 비해 1%정도의 용량으로 시뮬레이션 자료 크기를 줄였다. 오염물질 추출 결과는 .
후속연구
- 지금까지 CFD에 생소한 비-전문가 또는 환경영향평가 의사결정자들은 제한된 이미지와 표를 통해 평가를 수행해야 했기 때문에 분석결과를 정확히 이해할 수 없었고 이는 명확한 의사결정에 있어 제약 요인이었다. 결과적으로 CFD 모의 및 분석 정보를 3차원 컴퓨터 그래픽스 기술을 통해 시각화하여 표출함으로서 의사결정자가 눈으로 보다 많은 정보를 제공받을 수 있는 시뮬레이션 환경 개발이 필요하다. 이에 본 연구는 (1)CFD 모델 품질 향상을 위해 3D City 모델로부터 CFD 모델 입력자료(.
- CFD 연구는 3차원 공간에서 유체 흐름 및 확산 모의를 연구 대상으로 하고 환경영향평가 및 여러 목적에 사용될 수 있다(김재진과 백종진, 2005). 그러나 CFD 모델이 실무에서 보다 효과적으로 활용되기 위해서는 현실세계와 보다 가깝게 묘사되어야 하고 이를 위해서는 입력자료의 현실세계 묘사 능력이 향상되어야 하며 3D City 모델은 이러한 과제를 해결하기 위한 유용한 재료가 될 것이다. 더불어 CFD 모델은 시간-공간 속에서 유체의 흐름을 모의하기 때문에 방대한 정보를 포함하고 있어 이들 자료를 효과적으로 시각화하기 위한 연구가 필요하다.
- 넷째, 3D 모델과 CFD 모델을 통합하여 대기환경 시각화 구현 결과 도시기후 관리를 위한 활용성이 높았으며 이 연구는 의사결정을 위한 소통에 소요되는 비용과 시간을 최소화하고 도시기후환경 계획을 통한 대기환경 쾌적성과 건강 증진에 기여할 것이다.
- 향후 서울시의 인구과밀 해소, 에너지 및 교통 등 기반시설 확충은 수직적으로 확대될 것으로 예상되며 이와 함께 서울의 도시형 기후도 도시 활동과 상호작용 하며 변화될 것이다. 따라서 향후 서울시의 도시기후 변화를 과학적으로 예측하기 위한 방법과 도시계획에 반영하기 위한 연구가 필요하다. 3D 모델과 CFD 모델을 통합한 대기환경 시각화 연구는 3차원적인 도시기후 관리에 있어 서울시를 사실적으로 묘사하고 있는 3D City모델에 바람의 흐름 및 오염물질 확산을 동적으로 시각화함으로써 사용자가 능동적으로 판독할 수 있어 의사결정 도구로써 활용성이 높다.
- 따라서 확산을 3차원적으로 시각화 하여 표출하기 위한 방법과, 자료의 크기를 줄이면서 시각화 품질을 유지하여 렌더링 부하를 줄이기 위한 추가적인 연구가 필요하다.
- 또한 3D City 모델은 위치정확도가 ±50cm로 정확하면서도 세밀한 영역을 빠르게 생성함으로써 기존의 도시 미기상 연구사례들(김철호 등, 2009; 김대욱 등, 2010; 전미영 등, 2010)에서 나타난 도시구조 모델링 자료 생산 문제점들을 개선하여 CFD 모델링을 실제 도시에서 발생하는 현상에 보다 가깝게 시각화 하는 데 기여할 것이다.
- 국토해양부에서는 3차원 현실 공간에서 발생하는 도시계획, 도시경관, 교통, 재해, 재난 등의 이슈들을 예측하고 대응할 수 있도록 서울시와 광역시를 중심으로 수요조사와 표준화 및 시범 연구를 수행하고 측량 기반의 사실적인 3차원 공간정보 구축을 진행하였다(건설교통부, 2006). 이는 2차원으로 구축된 지도 및 공간정보의 한계를 극복하고 3차원 도시 관리자료 구축 관점에서 중요 업적으로 평가되며 향후 3D City 모델을 이용해 도시 문제 해결을 해결하기 위한 다양한 활용 및 분석 기법이 연구되어야 할 것이다. 최근 3차원 도시 공간에서 시간의 흐름에 따라 발생하는 사건들을 가상 환경을 통해 정보화 하고 사실성 높게 시뮬레이션 하는 컴퓨터그래픽스 기술이 방재 GIS, 공학 분석 시스템, 멀티미디어 콘텐츠 등에 적용되고 있다.
- 도시계획을 통해 조성된 인공녹지와 초고층 건물 등의 구조물이 산악으로 둘러싸인 서울의 지형 위에 입체적으로 배치되어 있어 결과적으로 과거에 비해 도시민의 거주환경은 나빠졌다고 판단된다. 향후 서울시의 인구과밀 해소, 에너지 및 교통 등 기반시설 확충은 수직적으로 확대될 것으로 예상되며 이와 함께 서울의 도시형 기후도 도시 활동과 상호작용 하며 변화될 것이다. 따라서 향후 서울시의 도시기후 변화를 과학적으로 예측하기 위한 방법과 도시계획에 반영하기 위한 연구가 필요하다.
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