Por Reinaldo Escada Chohfi
Modelo parcial de Viena, criado pela empresa Grintec, Áustria.
Mapeamento urbano tridimensional é atualmente a área de pesquisa de ponta nos grandes centros da América do Norte e Europa. Muitas cidades já foram ou estão sendo mapeadas tridimensionalmente. Entenda esta nova tecnologia, que em breve deverá ser usada também no Brasil, no artigo de Reinaldo Escada Chohfi, PhD em urbanismo pela Universidade da Califórnia, em Los Angeles (UCLA).
Fonte dos Dados Tridimensionais
Mapeamento urbano tridimensional (3D) requer a determinação das coordenadas da geometria (X, Y, Z) de cada edificação e de outros elementos que compõem uma área urbana. Também é necessário gerar um modelo digital de terreno (MDT) da área urbana para ser usado como base onde as edificações serão projetadas. A digitalização da geometria das edificações ainda continua sendo um processo manual, demorado e caro. Existem poucos sistemas com software que oferecem um processo semi-automatizado.
A fonte de dados planimétricos (X, Y) mais usada para a digitalização da projeção das plantas das edificações e outros elementos urbanos em mapeamento urbano tridimensional é a fotografia aérea digital de alta resolução (0.5 a 0.25 metros/pixel) georreferenciada. Outras fontes desses dados incluem mapas e cadastros digitais. A altura (Z) das edificações pode ser determinada de várias maneiras: pode-se contar o número de andares e multiplicar por 3 metros; obter os valores nas plantas arquivadas em prefeituras; calcular com base nas sombras de fotografias aéreas; usar a aerofotogrametria; através de GPS; ou utilizar um Laser Scanner ou sistema Ku-Band Interferometric Synthetic Aperture Radar (IFSAR) montados em avião. Cada método tem suas vantagens, limitações e diferente nível de precisão. Os dois últimos métodos oferecem o mais alto nível de automação e precisão.
Um interessante sistema semi-automatizado foi desenvolvido no Instituto para Fotogrametria da Universidade de Bonn, Alemanha. Este sistema utiliza união estruturada da forma primitiva básica de edificações e prismas com plantas baixas arbitrárias, gerando uma biblioteca paramétrica que cobre uma grande percentagem das edificações existentes. O operador do sistema usa uma fotografia aérea na qual especifica a localização, estrutura e forma aproximada das edificações. A reconstrução tridimensional, incluindo determinação da altura e adaptação da forma, é feita automaticamente usando várias ferramentas de comparação.
A representação da textura das superfícies urbanas é outro fator a ser considerado. A maioria dos modelos urbanos tridimensionais que oferecem capacidade de fotorrealismo usam o conceito de uma-face-uma-textura, forçando que a textura de cada superfície tenha que ser recortada das fotografias aéreas. Este método é mais apropriado para projetos de pequenas áreas urbanas. Para uma grande metrópole o número de arquivos individuais cresce excessivamente. Outra metodologia obtém e aplica as texturas diretamente de fotografias aéreas georreferenciadas sem dividir as mesmas em um número muito grande de arquivos independentes. Assim é possível calcular as coordenadas das texturas diretamente da geometria tridimensional das edificações porque sabe-se a posição exata das mesmas nas fotografias aéreas georreferenciadas. Este método também facilita o processo de atualização do banco de dados.
A textura das fachadas das edificações é obtida com fotografias tomadas no local das mesmas. Estas fotografias podem ser tomadas com câmeras analógicas ou digitais. Cada fotografia analógica tem que ser convertida para formato digital. As fotografias digitais devem ser pré-processadas para remover carros, pessoas, árvores, ou qualquer outro objeto que esteja obstruindo a fachada de cada edificação. O processamento das imagens para criar o banco de dados de texturas urbanas também requer várias horas/homem.
Banco de Dados
Urbano Tridimensional
O mapeamento urbano tridimensional (3D) gera um banco de dados que pode ser 100 vezes maior que aqueles de GIS bidimensional (2D), chegando a centenas de gigabytes (GB) devido aos dados tridimensionais da geometria, muitas fotografias digitais usadas no mapeamento das texturas e atributos. Viena, na Áustria, por exemplo, tem aproximadamente 220.000 edifícios e um banco de dados urbano tridimensional de quase 200 GB. Mais de 95% dos dados são fotografias digitais usadas como textura das fachadas, ruas, telhados, etc.
Um banco de dados relacional simples não pode ser utilizado em mapeamento urbano tridimensional devido às demandas de desempenho, aumento da complexidade e organização hierárquica dos dados. Os dados espaciais são organizados usando as seguintes estruturas de banco de dados: Quadtree, R-Tree, e LOD-R-Tree (Hierarchical Level of Detail R-Tree).
Modelo de Boston feito para empresa de telecomunicações (em cima);
Modelo parcial de Frankfurt, criado com método msemi-automático desenvolvido por pesquisadores do instituto para Fotogrametria da Universidade de Bonn (centro);
Os modelos das cidades de Bath e Londres, na Inglaterra, criados por pesquisadores da CASA, são os mais detalhados geometricamente e arquitetonicamente (em baixo).
Nível de Detalhes
Os modelos urbanos tridimensionais permitem que um usuário navegue interativamente podendo fazer walkthrough (caminhar), drivebys (dirigir) ou flyovers (sobrevoar) em tempo real de áreas urbanas para vários fins.
A malha de um modelo urbano cobrindo uma área de 500 metros quadrados pode ter 25.000 triângulos. E a representação de apenas uma quadra bem detalhada com texturas, janelas e outros elementos arquitetônicos pode chegar a ter entre 10.000 e 15.000 triângulos.
Um modelo urbano com um número muito alto de triângulos causa uma navegação em tempo real que não será suave e uniforme. O conceito Nível de Detalhe (Level of Detail) foi desenvolvido para solucionar este problema. Uma representação com número baixo de triângulos é usada quando a câmera está localizada longe do modelo, vendo muitas edificações. Ao contrário, um número mais alto de triângulos é usado quando a câmera está bem perto do modelo. Desta maneira o modelo de uma quadra com 10.000 triângulos pode ser representada com 30 triângulos mostrando somente a borda dos blocos quando vista de longe, ou com 3.500 triângulos revelando mais detalhes das edificações quando examinada de mais perto. Este é um dos motivos porque uma organização hierárquica dos dados é usada em mapeamento urbano tridimensional.
Ilustração do conceito de Nível de Detalhe, usado em navegação em grandes modelos urbanos tridimensionais.
Software e Hardware Utilizados
Mapeamento urbano tridimensional requer a integração de vários softwares. O paradigma de mapeamento urbano tridimensional teve origem nas escolas de arquitetura, urbanismo e paisagismo do Canadá e EUA. A integração de GIS, CAD, sistema de animação e ferramenta de visualização tridimensional em tempo real para fins de paisagismo e planejamento urbano foi desenvolvida pela primeira vez no Centro de Pesquisa de Paisagismo (CLR) da Universidade de Toronto no Canadá. Este trabalho integrou AutoCAD, Arc/Info e MAP GIS com CLRview, uma ferramenta de visualização tridimensional em tempo real desenvolvida no CLR.
Um ambiente de integração mais robusto foi desenvolvido no Departamento de Arquitetura e Desenho Urbano (AUD) da Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA). Os seguintes softwares foram integrados no sistema da UCLA: AutoCAD, ArcCAD, IRIS Performer e MultiGem. O sistema da UCLA foi capaz de gerar simulações fotorrealísticas tridimensionais em tempo real de áreas urbanas. Ambos sistemas do CLR e UCLA utilizaram DXF como formato standard neutro para intercâmbio dos dados de geometria. Pesquisadores do AUD e Departamento da Ciência de Computação da UCLA estão criando um sistema integrado de visualização em tempo real baseado em disco rígido chamado Servidor de Dados do Mundo Virtual (Virtual World Data Server), para armazenar e visualizar grandes volumes de dados científicos, multimídia e GIS.
Caso os modelos urbanos tridimensionais sejam visualizados em tempo real via rede local ou Internet, pode-se também empregar VRML (Virtual Reality Modeling Language) e utilizar o software Cosmo Player para interação com o modelo urbano.
Também é necessário utilizar um software de processamento de imagem para editar e realçar as imagens utilizadas como textura das superfícies urbanas. Outra ferramenta de trabalho muito importante é um software de compressão e descompressão de imagens com capacidade de armazenar imagens em varias resoluções, empregando estrutura hierárquica e compressão baseada em Discrete Wavelet Transform (DWT).
A maioria dos sistemas de mapeamento urbano tridimensional com posterior visualização em tempo real dos modelos urbanos utilizam computadores que variam desde um PC até uma estação de trabalho Unix de alto desempenho gráfico, como as high-end da Silicon Graphics, Inc. (SGI). A digitalização e muitas outras tarefas podem ser feitas com PCs e estações de trabalho low-end Unix. Porém, somente as estações de trabalho Unix high-end da SGI são capazes de oferecer visualização tridimensional em tempo real de modelos urbanos que foram construídos para gerar navegação fotorrealística.
Exemplos e Aplicações
Mapeamento urbano tridimensional tem sido feito com vários graus de detalhe e precisão. Existem exemplos em que se encontra precisão espacial de menos de 0,5 metros, com muitos detalhes arquitetônicos e urbanos, fotografias digitais para textura das superfícies de edificações urbanas, e alto nível de fotorrealismo. Há outros que mantém alta precisão espacial, não tem muitos detalhes arquitetônicos e urbanos, e usam fotografias digitais como textura para alcançar fotorrealismo. Também existem aqueles que somente oferecem alta precisão espacial. Finalmente, encontramos mapeamento urbano tridimensional com pouca precisão espacial que empregam textura para criar efeitos de fotorrealismo.
A maioria do mapeamento urbano tridimensional tem sido feita para fins comerciais. As firmas geradoras desses modelos visam o mercado de telecomunicações.
Existem muitos usos de modelos urbanos tridimensionais. O setor que mais tem se utilizado desses modelos é o de telecomunicações, onde os modelos são utilizados no estudo de localização de antenas retransmissoras de sinais de telefonia celular. Os modelos também são utilizados para o posicionamento de câmeras de circuito fechados de televisão que oferecem vigilância e segurança em centros urbanos. Uma outra área onde os modelos estão sendo muito usados é o treinamento tático militar e policial. Outros usos incluem desenho e planejamento urbano, nos quais os modelos facilitam a participação da comunidade no processo de revisão de projetos urbanos, permitem uma avaliação visual e estética no contexto urbano de novos projetos arquitetônicos e urbanos, sistemas de transporte e infra-estrutura em geral, e simulação e visualização de dados urbanos ambientais (poluição, energia, clima, etc.). Também pode-se citar entretenimento e turismo virtual.
Mapeamento urbano tridimensional ainda é um setor do mercado totalmente aberto e com muitas oportunidades no Brasil. O crescimento da industria de telefonia celular no país talvez acione o desenvolvimento de modelos urbanos tridimensionais de alta precisão também no Brasil.
Reinaldo Escada Chohfi teve formação acadêmica na University of California, Los Angeles (UCLA). É engenheiro ambiental/geógrafo, mestre em arquitetura e arqueologia, Ph.D em urbanismo. Diretor Presidente da GeoDesign Internacional, sediada em Lorena (SP). E-mail: rchohfi@easygold.com.br