[CityEngine]문화재 보호구역을 고려한 절차적 도시설계 : Part 2/3 (디지털트윈)

관리자
2023-02-13
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문화재 보호구역을 고려한 절차적 도시설계 : Part1



GIS 데이터

김포 장릉-검단신도시 아파트 불법건축 분쟁 사례를 재현해보고자 아래와 같은 데이터를 이용하였다. 


활용 S/W

시뮬레이션에 활용된 S/W는 다음과 같다.

  • ArcGIS CityEngine 2022.1 | 절차적 도시설계 시뮬레이터
  • ArcGIS Pro 3.0.3 | 데이터 지오레퍼런싱 및 공간데이터 관리
  • Rhino 7 | 3D 문화유산 Assest 제작 




ArcGIS CityEngine을 이용한 절차적 도시설계

ArcGIS CityEngine은 GIS와 모델링 규칙에 기반한 동적 도시 설계 도구로, 3D 모델 생성을 위한 프로세스를 CGA를 통해 기록하고 실행한다. CGA는 CityEngine에서 사용되는 고유한 스크립트 언어로, 지오메트리의 생성, 변형, 돌출, 분할 등의 명령어를 통해 3D 모델링을 수행한다. 


> CityEngine에 관한 자료 :

 CityEngine을 이용한 도시설계 웨비나 | CityEngine을 이용한 도시설계 방법을 단계별로 요약하여 나타낸다.

 CityEngine 튜토리얼 | CityEngine과 CGA 규칙을 사용한 절차적 모델링의 기본 과정을 살펴볼 수 있다.


환경 데이터 가져오기

시뮬레이션 대상지는 김포시, 인천서구, 인천계양구 세 개 행정구역이 포함된 지역이다. 김포 북부는 접경지역으로 분류되어 공간데이터 확보가 제한되기 때문에 CityEngine의 Get Map Data을 이용하여 고해상도 DEM과 위성영상을 취득하였다. 

이때, 검단신도시 계획 지구는 건설이 진행 중인 관계로 DEM이 매우 불규칙하게 형성되어있으므로 입지계획에 알맞게 정리하는 것이 필요하다.

검단신도시 계획지구 DEM 조정 전후 비교


AA11, AA12-1, AA12-2 블록 단지계획 시각화

해당 블록에는 각각 최대 25층, 20층 아파트 단지가 계획되어있다. 단지계획은 분양사 홈페이지에서 제공하는 도면과 앞서 취득한 위성영상을 이용하여 지오레퍼런싱을 통해 계획 단지에 대한 위치를 결정하였다. 

AA11, AA12-1, AA12-2 단지계획 지오레퍼런싱 결과


CGA 규칙

도시의 물리적 형상을 구체화하기 위한 CGA 규칙을 작성한다. 시뮬레이션을 위해 필수적으로 요구되는 항목은 3개 아파트 단지와 김포 장릉, 그리고 주변에 위치한 건조된 건물과 식생이다. 이를 위한 CGA를 (1) 건물, (2) 랜드마크, (3) 오클루전 쿼리, (4) 식생으로 구분하고, 3D GIS 환경에서 결합한다.


(1) 건물

주변 건물의 입체적 외형을 나타내는 규칙. CityGML 3.0 표준을 참조하여 매개변수는 층수(floorCT)와 층고(floorHeight), 모델링 상세도(LOD) 등으로 구분한다. 최종 시각화에서는 랜드마크를 제외한 모든 건물은 LOD1 수준으로 모델링한다.
 

건물 CGA (위) | CityGML 3.0 LOD 구분 (아래)


(2) 랜드마크

사실적인 표현을 위해 외부 3D 모델을 결합하는 규칙. 조선 왕릉에는 문인과 무인, 석호, 석양, 석마, 장명등, 혼유석 등 다양한 형태의 석상이 배치되어 있다. 이 석상은 왕의 호위를 상징하는 갖가지 의미를 상징하고 있기 때문에 적절한 위치에 배치되는 것이 중요하다. 왕릉에 대한 3D 모델은 국가문화유산포털에서 보편화된 파일 포맷으로 취득 가능하다. 여기서 파일을 다운로드한 후 메쉬를 경량화하여 Asset으로 활용하며, 보다 사실적인 표현을 위해 돌 질감의 texture를 이용하여 bump map으로 적용한다.

3D 문화유산 연계·시각화 | 문화재청 제공 자료 가공·활용


왕릉에 위치한 정(丁)자 모양의 형태를 지닌 정자각은 3D 문화유산에 포함되어 있지 않아 한옥 CGA를 이용하여 형상을 구현한다.

한옥 CGA를 이용한 정자각 3D 모델링


봉토(封土 )는 사진 자료를 이용하여 위치 및 직경, 높이를 파악하여 primitiveSphere 함수를 이용하여 구현한다.

절차적 모델링을 통한 봉토 3D 모델링 예시


(3) 오클루전 쿼리

CGA의 지오메트리 간의 토폴로지를 연산하기 위한 함수는 오클루젼 쿼리와 컨텍스트 쿼리이다. 오클루전 쿼리는 부피를 가지는 지오메트리간의 토폴로지를 연산하는데 활용되며 컨텍스트 쿼리는 주변 환경에 따른 객체의 속성을 평가하는데 활용된다. 이와 같은 동적 연산 알고리즘은 지오메트리의 특성이나 위치에 따라 전혀 다른 결과를 생산할 수 있으므로 다양한 대안 생성에 활용된다.

컨텍스트 쿼리를 이용한 동적 설계 예시 | Esri


문화재 외곽으로부터 생성된 가상의 시선(앙각)과 대상 건축물 간의 오클루전 쿼리를 통한 관계성 파악을 통해 최대 건축 가능한 층수(높이)를 판별할 수 있다. 이를 위해 앞서 추출된 2D 건물 도면과 건물 CGA를 이용하여 LOD3 수준의 건물을 시각화한다.

검단신도시 AA11, AA12-1, AA12-2 블록 단지계획 기반 LOD3 건물 모델링 예시


시선의 생성에는 문화재 외곽 경계로부터 시선 객체를 생성하는 기하학적 정의가 필요한데, 시선이 향하는 최대 거리와 각도는 사용자에 의해 변경 가능하도록 파라메터로 정의된다. CGA의 roofShed 함수를 응용하면, 주어진 경계면으로부터 정의된 거리와 각도만큼 시선을 생성할 수 있다. 건축물 높이의 규제에 관한 관련한 예시는 Esri UC 2014 - 싱가포르 URA 사례에서 살펴볼 수 있다. 

오클루전 쿼리를 통해 계획된 건축물 층수와 시선에 의해 통제되는 층수의 비율을 살펴보기 위한 방법과 건물의 위치에 따라 동적으로 높이가 변화하는 건축물 생성 방법을 구분하여 제시하였다. 시선에 의해 통제되는 층수의 비율은 ESRI.lib내 Text.cga 를 이용하여 3D 차트를 생성하여 직관적으로 시각화하였다.


사선제한에 따른 건축물 높이 컨트롤 CGA 규칙(옵션 1) : 계획된 건축 층수 검토


사선제한에 따른 건축물 높이 컨트롤 CGA 규칙(옵션 2) : 최대 건축 가능 높이 기준


(4) 식생

일반적으로 DEM은 지표면 높이를 나타내고 있기 때문에 식생 표현을 통해 현실적인 경관을 모델링할 수 있다. scatter 함수는 무작위하게(때로는 규칙적으로) 분포하는 객체를 표현하기 위한 방법으로 다양한 분야에서 활용된다. 여기에 ESRI.lib/Plant 규칙을 응용하면 주변 산림에 대한 식생을 효과적으로 표현할 수 있다. 

식생 표현 전후 경관 비교


디지털 트윈

각각 작업의 결과를 하나의 화면으로 결합하여 디지털 트윈을 생성한다. 지리참조된 자료를 이용하였기 때문에 가시화된 3D 모델은 모두 지구상의 절대적인 위치를 가지게 된다. 이렇게 완성된 디지털 트윈 환경은 레이어를 조작하거나 카메라 시점, 그림자 등의 조정을 통해 다양한 설계 시나리오를 생성할 수 있다.

김포 장릉-검단신도시 계획 디지털 트윈


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