Modelització dels canvis minúsculs d'una ciutat

Mitjançant l'ús de models 3D, els científics computacionals poden crear representacions estàtiques i precises d'una ciutat. No obstant això les ciutats, igual que els éssers vius, gairebé sempre estan en moviment. Els principals projectes de construcció -des de nous edificis fins a infraestructures de transport públic- esdeveniments sísmics o construccions de mala qualitat poden alterar ràpidament les propietats de la ciutat tant per sobre com per sota del sòl.

Un equip d'investigadors liderats pel professor Xiaoxiang Zhu, de la Universitat Tècnica de Munich (TUM), va reconèixer que el modelatge amb precisió de les ciutats per a propòsits de gestió de riscos necessitaven una quarta dimensió: el temps. Per posar-ho en marxa amb una alta resolució d'un model tridimensional, l'equip necessitava l'ajuda de superordinadors.
"Els models estàtics tridimensionals de les ciutats estan ben establerts, sobretot a Europa", va dir Zhu. "El que ara treballem en la mesura dels canvis temporals és fins a l'escala de centímetre o mil·límetre per observar si les àrees d'edificis s'han vist pertorbades per l'augment o la disminució".
L'augment i la subsidència són el moviment de la superfície de la Terra en funció de les condicions canviants subterrànies, poden moure les estructures cap amunt (augment) o cap avall (subsidència). Utilitzant algunes de les tecnologies d'imatges de satèl·lit més avançades a la Terra i la màquina SuperMUC del Centre de Supercomputació de Leibniz (LRZ), l'equip de Zhu pren fotografies satel·litals d'aquests petits canvis, i després utilitza aquestes imatges per fer models computacionals en moviment.
En el procés, l'equip va reconstruir el primer model que il·lustra tota una ciutat en quatre dimensions. La investigació de l'equip va rebre el millor premi paper de les transaccions IEEE sobre Geoscience i teledetecció l'estiu passat.

Reconstrucció de riscos de construcció
La investigació de l'equip comença per sobre dels núvols. Usant alguns dels satèl·lits d'observació civil més avançats disponibles, com ara TerraSAR-X i TanDEM-X del Centre Aeroespacial Alemany (DLR), el grup utilitza un mètode anomenat tomografia SAR (TomoSAR) per obtenir les seves imatges en 3D.
Per mesurar els canvis dels edificis, aquests satèl·lits han de disparar ones a la superfície de la terra, alhora que mesuren la distància entre el satèl·lit i els edificis de la zona en qüestió: com més curta sigui la longitud d'ona, més precises són les mesures. L'equip Zhu utilitza imatges creades amb ones de 3 centímetres.

El satèl·lit triga uns 11 dies a revisar el mateix lloc a la Terra, després pren una imatge des d'una posició una mica diferent, permetent als investigadors combinar aquestes imatges en un model 3D. A més, atès que les imatges es prenen en diferents moments, aquestes mesures precises permeten als investigadors buscar "paràmetres de deformació" observant fins i tot els canvis més mínims -en aquest context, l'anomenada quarta dimensió- a la distància de l'edifici del satèl·lit.
Els investigadors es posen a treballar per posar aquestes imatges en moviment. Cada imatge és aproximadament 10,000 per 5.000 píxels, i l'equip ha de fer càlculs per a cada píxel. L'equip ha treballat en conjunts de dades per a diverses ciutats -Las Vegas, Berlín, Xangai, Beijing, Washington DC i París- i té conjunts de dades que van des d'aproximadament 25 imatges fins a 550.
El mètode de detecció de compressió de l'equip és una de les claus en la generació d'aquests models de 4D d'alta qualitat. En termes simples, mitjançant l'ús de la detecció compressiva, els investigadors es beneficien de la sparsity del model o el fet que només estiguin recreant un model tridimensional de la superfície de la Terra en lloc del volum sencer del planeta. Això permet als investigadors augmentar la resolució en els seus models fins a 25 vegades el que podrien fer simulant el volum de la Terra.
"Els preus que vam pagar per aquests models de ciutats 4D precisos i rècord mundials són despeses computacionals", va dir Zhu. "Per a cada píxel, estem resolent un costós problema d'optimització convexa amb una dimensió de centenars de milions de vegades. Això només és possible amb una informàtica d'alt rendiment".
L'equip va utilitzar 26 milions d'hores bàsiques en el sistema SuperMUC de LRZ. Aquests models són molt intensius en la memòria, i l'equip utilitza l'illa greix de SuperMUC, de manera que podria centrar les seves reconstruccions en els 8.200 nuclis de la màquina amb una memòria molt alta per nucli.

Ronda i volta
Com que va ser el primer equip a crear models 4D a partir de dades d'imatges de satèl·lit, l'equip ha ajudat a començar un camí per obtenir mètodes més detallats i de vigilància de la ciutat. En crear els seus diferents models de ciutats, l'equip va descobrir que el centre de convencions de Las Vegas mostrava una disminució notable, i el sòl s'enfonsava aproximadament a 30 mil·límetres per any en alguns llocs.
A mesura que les ciutats continuen augmentant i arriben a ser cada cop més poblades, es prenen imatges d'alta resolució de l'espai i el poder informàtic continua creixent, l'equip confia que els seus mètodes s'utilitzaran amb més freqüència, cosa que conduirà a treballs de construcció més segurs i avançats, avís d'edificis que comencen a mostrar signes de risc estructural i, al seu torn, perill.

L'equip ha estat guardonat amb una altra assignació de l'equip GCS per al 2017, que rep 20 milions d'hores bàsiques en el sistema SuperMUC de LRZ. Zhu va indicar que l'equip va planificar obrir els conjunts de dades de l'equip a la comunitat perquè altres investigadors poguessin estudiar el seu enfocament i, amb sort, segueixin incorporant-se al creixent conjunt de treballs de modelatge realitzats al camp.
Amb l'accés a les màquines de pròxima generació, l'equip espera generar models 4D globals a aquest nivell de precisió i incorporar cada vegada més dades més complexes com ara tipus de sediments al voltant dels edificis. Aquests conjunts de dades globals donarien lloc a un gran salt per a la investigació de la geografia urbana, així com a ajudar els planificadors de la ciutat, els responsables de prendre decisions i els grups d'interès a prendre decisions més informades. Juntament amb el suport de GCS, Zhu ha aconseguit recentment una subvenció de 1,5 milions d'euros per donar suport a la seva recerca cap a aquest objectiu, i el projecte de subvenció del Consell Europeu de Recerca So2Sat va començar l'1 de setembre de 2017.

Font: PHYSorg