Geri Dön

Unmanned aerial vehicles based 3D city modeling data collection, processing and analysis the case of Yavuz Sinan neighborhood

İnsansız hava araç tabanlı 3D şehir modellemesi veri toplama, işleme ve analizi Yavuz Sinan mahallesi örneği

PDF İndir

  1. Tez No: 609595
  2. Yazar: ABDALRAHMAN ALASHI
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZHAN ERTEKİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Şehircilik ve Bölge Planlama, Urban and Regional Planning
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Şehir Planlama Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 156

Özet

Birleşmiş Milletler'in Sürdürülebilir Kalkınma Stratejileri Raporu'na (URL-17) göre, kentsel nüfusun 2030 yılına kadar küresel nüfusun %60'ını kaplaması bekleniyor. Bu büyümeyi sürdürülebilir, kapsayıcı ve esnek kılmak için kentsel alanlarda nüfusun büyümesine ilişkin stratejiler geliştirilmiştir. Bununla birlikte, kentsel alanlardaki nüfus artışı zorlayıcı değildir, ancak kaynakların gelişimi, yenilikçilik ve yaratıcılık üzerine daha fazla yoğunlaşan, iyi tasarlanmış ve iyi yönetilen kentsel alanlarda bir fırsat haline dönüşebilir (URL-17). Bu doğrultuda akıllıca düzenlenmiş teknolojik gelişmelerin ve bu tür stratejilerin etkinliğini en üst düzeye çıkarmasındaki rolü ve önemi ortaya çıkmaktadır. Son yıllarda, insansız hava araçları (İHA) sivil uygulamalarda rol almak için askeri amaçla kullanım alanından uzaklaşma evresine girmiştir ve daha küçük dronlar kullanılmaya, satın alınabilir hale gelmiştir. Bu tür İHA'lar farklı şekilde adlandırılabilmektedir. Bunlar; dronlar, insansız hava taşıtı ve uzaktan kumandalı hava taşıtı gibi adlandırmalardır. Bunların dışındaki diğer isimlendirmeler farklı sınıflandırmaları tanımlayan uzaktan kumandalı uçabilen araçlarla eş anlamlıdır. Çeşitli sınıflandırmalar (büyüklüğü ve ağırlığı, çeşitliliği, teknik sınıflandırması, otonomi düzeyi), zengin gelişen tarihi (uçurtmadan araştırma aracına) ve karmaşık kompozisyonu (MPCS, araç, taşıma yükü, iletişim, navigasyon sistemleri) ile İHA'lar son zamanlarda sivil uygulamalar konusunda çeşitli alanlarda önemli rol almaya başlamıştır. Yerel, ulusal ve uluslararası hükümetler ve politika yapıcılar, kalkınma ve teknolojiye bir engel teşkil etmeden İHA'lara ilişkin sosyo-teknik kaygıları önlemek için etkili yasal çerçeveler yoluyla strateji ve düzenlemelerin geliştirilmesi konusunda endişe duymaktadır. Araştırma ve akademik veritabanlarında (Scopus, WOS), çeşitli eğitim alanlarını kapsayan (mühendislik, bilgisayar bilimi, sosyal bilimler, çevre bilimleri, vb.) yayınlarda önemli bir artış gözlendiği tespit edilmiştir. Öte yandan, 3D şehir modelleri (3DCM) özellikle bilgisayar grafikleri ve depolama yeteneklerinin gelişmesinden sonra farklı araştırma alanlarında önemli bir yer almıştır. Manuel bir şekilde modellenen şehir modelleri, maliyet ve zaman sorununu çözmek için bulunan veri girişine, özniteliklere ve kurallara bağlı olarak, uygun şehir modellemesi sağlanıncaya kadar zaman ve işgücü maliyeti açısından uygun bulunmuştur. 3DCM, gerçek dünyaya uygulanmadan önce gelecek senaryoları simüle etme becerisine sahip güçlü bir temsil, görselleştirme ve analiz aracıdır. City GML, çeşitli görselleştirme yetenekleri, yönleri ve sınıfları ile depolanacak ve paylaşılacak modeller için teorik veya gelecekteki tasarımları analiz etme, görselleştirme becerisine sahip birden fazla disiplin uzmanı sağlayan ortak bir uluslararası taban sağlamaktadır. CityGML, 3DCM kullanım amacı ile detay seviyesinin daha uyumlu bir şekilde ayarlanmasını sağlayan aynı nesnelerin sunumu için birden fazla ayrıntı seviyesi sağlamaktadır. Önceden veriye dayalı yöntemler, lazer tarama veya fotogrametri yöntemlerinden üretilen nokta bulutu veri kümesini 3DCM yapımında kullanılacak giriş verilerine dönüştürmede güçlü bir araç olduğunu kanıtlanmıştır. Çeşitli analiz yeteneklerinin yanı sıra, hem 3DCM'nin varlığı, yerel ve bölgesel düzeyde daha fazla katılım ve gelecekteki gelişmeler için kriz, doğal afetler gibi durumlarda kullanılmak üzere hemde çoğunlukla mevcut şehir yapısını depolamak için çok önemli hale gelmiştir. Son on yılda, hem 3DCM hem de İHA'da yüksek sayıda yayın ve kümülatif yıllık büyüme oranı (CAGR) ayrı ayrı gözlenirken; 3DCM ve İHA konularını birlikte çalışan yayınların sınırlı olduğu tespit edilmiştir. Tezin ana amacı, İHA teknolojilerini 3B şehir modellemesine entegre etmektir. Hava ve yatay görüntüleri içeren veriler, tarihi yarımadada bulunan Fatih ilçesi sınırları içerisindeki Yavuz Sinan Mahallesi'nde toplanmıştır. DJI Phantom 4 drone kullanılarak birden fazla UAV uçuşu gerçekleştirilmiştir. Uçuş ve çözünürlük özellikleri önceki fotogrametri araştırmalarına bağlı olarak düzenlenmiştir. Görüntüler, GCPs ile sağlanan anahtar noktaları eşleme tekniği kullanılarak işlenmiş, sonuçlanan veriler (nokta bulutu, DSM, DTM, Ortomosaics, 3D mesh modeli) veri girişi olarak 3D modelleme platformuna entegre edilmiştir. Üretilen haritalar uydu görüntülerine göre daha yüksek çözünürlük ve doğruluktadır. Aynı zamanda üretilen ortomosaik harita 3mm çözünürlükteyken uyduya bağlı haritalar 25 mm çözünürlüktedir. DTM, bitki örtüsü, binalar veya insan yapımı özellikler olarak sınıflandırılan tüm noktaların DTM'Yİ üretmek için kaldırıldığı sınıflandırılmış nokta bulutu veri kümesinden üretilmiştir. Hem yüksek çözünürlüklü hava hem de yatay görüntülere bağlı olarak üretilen örgü modeli, bitki örtüsü ve arazinin yanı sıra bina çatıları, yükseltileri görmemizi sağlamaktadır. 3DCM uygulaması kentsel analiz yapmak amacıyla oluşturulmaktadır. Düzenlemeler, Boolean dahil olmak üzere katı cisimden akıllı modele dönüşümü test etmek için nokta bulutu verilerinden güçlü bir şekilde üretilen üçgen şeklinde örgü modeli üzerinde gerçekleştirilmiştir. Binalar, sürekli bağlanan örgü modelinden bağımsız bir nesne olarak başarılı bir şekilde ayrılmıştır. Bunun yanı sıra, decimation aracı ayrıca, şekil ve doku deformasyonu olmadan üçgen sayısının bir sınıra indirilmesine yardımcı olmaktadır. Ancak üretilen modelde; yükseklik, alan ve hacim gibi katı çokgenlerin verilerinden bazıları eksiktir. Bu nedenle, 3DCM yapısında kullanılabilecek verilerinin türev yöntemlerinin kullanılmasına ihtiyaç duyulmuştur. Üretilen verilerin hepsi 3dcm yapımı için girdi olarak kabul edilmekte ve bina ayak izleri (OSM veritabanına kıyasla yüksek doğrulukla), binaların maksimum yüksekliği, yüksekliklerin dokuları, ağaç yerleri vb. gibi verileri sağlamaktadır. Yapılan analizler sonucunda hem Openstreetmap hem de 2D CAD'nin (belediyeden) bina ayak izi, mevcut durumla uyumsuz bulundu. Bunun sonucunda normalize edilmiş DSM veya sınıflandırılmış nokta bulutu veri kümesinden bina ayak izleri türetmek gerekli bulundu. Binaların türetilen ayak izleri, mülkiyet haritasının olmamasından ve binaların başka bir binayla aynı cepheyi paylaşmasından dolayı sınırlı olduğu görülmektedir. Bu sebeplerden ötürü çokgenlerin farklı yükseklikteki ayrı binalara bölünmesi için manuel olarak düzenlenmeler gerekti. Oluşturulan yapı kütleleri en az katı poligonlardan oluşturuldu ve aynı zamanda kentsel simülasyon gerçekleştirilebilir hale geldi. İHA'nın hem kentsel hem de kırsal ortamlardaki sivil uygulamaları test edildi. Hem kentsel hem de kırsal ortamlardaki sivil uygulamalar, arkeolojik dokümantasyonlar, tarım, hava kalitesi, trafik analizi, afet sonrası hasar değerlendirmesi, itfaiye hizmetleri ve bunlara benzer diğer araştırmalar İHA sivil uygulamalarına örnektir. İHA; kentsel planlama, akıllı şehirler, kentsel sürdürülebilirlik, yerleşim iyileştirme ile ilgili birçok uygulamada bir araç olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda araştırma pratiğinin geleceği için çeşitli fırsatları ve araştırma alanlarını kapsayacağı öngörülmektedir. Üretilen modelde aynı zamanda 3DCM Kentsel Uygulamalar da test edildi. 3DCM kentsel uygulamaları çevresel uygulamalar, halkın katılımı, afet yönetimi, sel senaryosu simülasyonları, görünürlük, kültürel miras belgeleri ve diğerlerini kapsamaktadır. Bu uygulamaların incelenmesi, bu teknolojilerin analiz yeteneklerini daha geniş bir şekilde ele almaktadır. Son olarak İHA tabanlı 3DCM'nin analiz kabiliyetini inceleme girişimi ile yaya rüzgar konfor analizi yapılmıştır. Simülasyon 32 rüzgar yönü için CFD simülasyonuna bağlı olarak kullanılmıştır. Kullanılan rüzgar verileri alan çalışmasına en yakın hava istasyonundan alındı. Lawson rüzgar konfor kriterleri, yaya rüzgar konforunu yerden 1.6 metre seviyeye göre değerlendirmek için kullanıldı. Bu nedenle çalışma, veri sınırlamalarının üstesinden gelmek, İHA'nın 3DCM için bir veri toplama aracı olarak entegre edilmesinin gücünü en üst düzeye çıkarmak için önerilerle sona ermektedir. Son olarak çalışma, sırasıyla aynı iş akışını izlemesi muhtemel araştırmalara fayda sağlayabilecek bölümleri vurgulayarak iş akışı için genel bir rehberlik sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

According to United Nations' sustainable development strategies report (URL-17), urban population is expected to occupy a percentage of 60% of the global population by the year 2030, strategies with regard to the massive growth in population in urban areas were developed in order to make the growth sustainable, inclusive, and resilient. However, the population growth in urban areas isn't challenging but could be an opportunity in well designed and managed urban areas, where resources are more concentrated on the development, innovation and creativity (URL-17). Here comes the role of wisely regulated technological developments for maximizing the effectiveness of such strategies. In the recent decades, Unmanned Aerial Vehicles (UAV) shifted from being exclusive on military purpose to take a role in civilian applications, whereas small drones became available and purchasable in markets. various terms refers to the UAVs, drones, Unmanned Aircraft ,Remotely Piloted Aircraft and others are all synonyms for remotely controlled flyable vehicle defining different classifications. With various classifications (size and weight, range, technical classing, level of autonomy), rich developing history (from kite to surveying tool), complicated composition (MPCS, vehicle, payload, communication, navigation systems), UAVs lately started taking an important role in various fields with regard to civilian applications. Local, national, and international governments and policy makers are concerned about the development of strategies and regulations through effective legal frameworks to avoid socio-technical concerns regarding UAVs without standing as a barrier to the development and technology. In the research and academic databases (Scopus, WOS), significant rise in the publications was observed, covering various fields of education (Engineering, computer science, social science, environmental science, etc.). On the other hand, 3D city models (3DCM) simultaneously took a significant place in different fields of research, especially after the rise of computer graphics and storage abilities. Manually modeled city models were found to be time and labor cost consuming, until the provision of procedural city modeling, depending more on data input, attributes and rules, which is found to solve the cost and time issue. 3DCM is a powerful representation, visualization and analysis tool, with the ability to simulate future scenarios before real world implementation. CityGML provides a common international base for models to be stored and shared, with various visualization abilities, aspects and classes, providing multiple disciplinary experts with ability to analyze or visualize their theory or future designs. CityGML provides multiple level of details for the presentation of same objects, which provide more compatible adjustment of detail level with the 3DCM usage purpose. Data driven methods in advance has proven its ability as a powerful tool in converting point cloud dataset generated from laser scanning or photogrammetry methods into input data to be used in 3DCM construction. Aside from the various analysis abilities, existence of 3DCM became crucial for future developments for more participation at local and regional level, and mostly storing the current city structure, to be used in case of crisis or natural disasters. Last decade, high number of publications and their CAGR were observed in both 3DCM and UAV separately, while limited publications were observed when searching for 3DCM and UAV topics together. The thesis main motivation is to integrate UAVs' technologies in the 3D city modeling. Data including aerial and oblique imagery were collected in Yavuz Sinan neighborhood located in the historical peninsula of Fatih province in Istanbul. Multiple UAV flights were performed using DJI Phantom 4 drone and it's built in high resolution camera, flight settings depended on previous photogrammetry researches. Imagery were processed using key-points match technique provided with GCPs, the resulted data (point cloud, DSM, DTM, Orthomosaics, 3D mesh model) were all integrated to the 3D modeling platform as data input. The produced maps recognized to be of higher resolution and accuracy if compared with satellite imagery, the orthomosaic produced is 3mm resolution compared to 25 mm for satellite dependent map. DTM produced from high dense classified point cloud data-set, where all points classified as vegetation, buildings, or manmade features are removed to produce the DTM. The produced mesh model depending on both high resolution aerial and oblique imagery provides textured building roofs, elevations, aside to vegetation and terrain. 3DCM implementation was for the purpose of performing urban analysis. Editing including Boolean and decimation were performed on the reality triangulated textured mesh model generated robustly from point cloud data to test its conversion from rigid to smart model. Buildings were successfully separated as an independent object from the continuously connected mesh model, decimation tool also helped in lowering the number of triangles to a limit without the deformation of the shape and texture. But the model lacks the primitive values of solid polygons like height, area and volume. Thus there were a need of using derivative methods of 3DCM data that can be used in the 3DCM construction. The derived data can all then be considered as inputs for the 3DCM construction, providing data as building footprints, buildings' maximum height, elevations' textures, trees locations, etc. Building footprint of both Openstreetmap and 2D CAD (from municipality) were found incompatible with the existing current situation. There were need to derive building footprints from normalized DSM or classified point cloud dataset. Derived footprints of buildings had limitation due to the fact that the buildings are side attached, the lack of ownership map lead to the manual editing of the polygons to split them into separate buildings of different heights. Building masses generated were of least solid polygons, whereas urban simulation can be performed. UAV's civilian applications in both urban and rural environments were tested. UAV applications covered different application fields, archaeological documentation, agriculture, air quality, traffic analysis, post-disaster damage assessment, fire services and others, are all examples of UAV civilian applications. UAV were used as a tool in many applications regarding urban planning, smart cities, urban sustainability, settlements upgrading, it is also predicted to cover more fields in the future of research according to the various opportunities and the power of such tool. 3DCM Urban Applications also were tested. 3DCM urban applications covered environmental applications, public participation, disaster management, flooding scenario simulations, visibility, cultural heritage documentations and others. The examination of this applications give a wider consideration of the analysis abilities of these technologies. Finally, with the attempt to examine the analysis ability of UAV based 3DCM, pedestrian wind comfort analysis was performed. The simulation depended on CFD simulation for 32 wind directions, wind data used was obtained from the nearest weather station to the neighborhood. Lawson wind comfort criterion was used to judge the pedestrian wind comfort at level 1.6 meters from the ground. The study thus concludes with recommendations for maximizing the power of integrating UAV as a data collection tool for 3DCM, to overcome the limitations of data. Lastly the study provides a general guidance for the workflow, highlighting respectively the sections that can benefit the future researches likely to follow the same workflow.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    909011

    Mekânsal dijital ikizlere yönelik yapı modeli üretiminde prosedürel modelleme yönteminin tasarımı ve geliştirilmesi

    Design and development of procedural modeling method in generating structure models for spatial digital twins

    GÜÇLÜ ŞENYURDUSEV

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET ÖZGÜR DOĞRU

  2. Tez No

    787684

    Yüksek çözünürlüklü görüntülerden otomatik bina çıkarımı

    Automatic building extraction from high resolution images

    HÜSEYİN ÇOBANOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Jeodezi ve FotogrametriZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SAYGIN ABDİKAN

  3. Tez No

    640153

    Point-based matching of oblique ımages acquired from airplane and uav platforms

    Uçak ve iha platformlarından elde edilen eğik görüntülerin nokta tabanlı eşleştirilmesi

    SILA BAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Jeodezi ve FotogrametriHacettepe Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ ÖZGÜN OK

  4. Tez No

    444607

    Kentsel alanlarda İHA görüntülerinden ortofoto oluşturma ve otomatik ağaç tespiti

    Orthophoto generation and automatic tree detection from UAV images in urban areas

    MEHMET FATİH GÜRBÜZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Jeodezi ve FotogrametriHacettepe Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA TÜRKER

  5. Tez No

    606032

    SFM tabanlı yeni nesil görüntü eşleştirme yazılımlarının ortomozaik ve 3B topoğrafik model performanslarının analizi

    Photogrammetric 3D modelling potential comparison of SFM-based new generation image matching software

    FERİDE TANRIKULU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Jeodezi ve FotogrametriZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. UMUT GÜNEŞ SEFERCİK

Geri Dön