Whitepaper Técnico — Hex3D Geospatial Framework v0.1
📘 Whitepaper
Técnico — Hex3D Geospatial Framework v0.1
Autor:
[Luciano Leite Galvão]
Data:
Outubro de 2025
Status:
Versão inicial de especificação conceitual
1. Visão
Geral
O Hex3D Geospatial Framework é um
sistema de referência espacial baseado em unidades hexagonais hierárquicas
tridimensionais, concebido para representar e medir propriedades do mundo
real em área, volume e localização georreferenciada.
Cada unidade, chamada de HexCell,
possui um identificador único (HexID), e é capaz de se ajustar em escala
para permitir tanto a visão macro (territórios, zonas urbanas) quanto o
detalhamento micro (imóveis, cômodos, elementos construtivos).
O sistema combina:
- A
lógica do H3 (Uber Hexagonal Hierarchical Indexing System);
- Uma extensão
vertical (z-index) para representação volumétrica;
- Uma estrutura
de zoom hierárquico inteligente, permitindo medições com precisão
variável conforme o nível de interesse.
2.
Motivação e Contexto
A medição e representação espacial
convencional (coordenadas, polígonos, voxels) enfrenta desafios de:
- Fragmentação
e redundância em dados espaciais;
- Complexidade
na integração vertical (3D);
- Dificuldade
de escalonamento para consultas volumétricas em grandes
áreas.
O Hex3D surge como uma solução uniforme
para:
- Representar
terrenos, edificações e volumes construídos de forma contínua e
hierárquica;
- Permitir
medições precisas de área e volume;
- Integrar-se
facilmente a sistemas geográficos oficiais (SIRGAS, WGS84);
- Servir
como base para modelos urbanos inteligentes, análises de ocupação e
digital twins.
3. Conceito
Estrutural
3.1.
Unidade Hexagonal (HexCell)
Cada HexCell é definida como:
- Um hexágono
regular (base) projetado sobre a superfície terrestre (esfera WGS84);
- Um prisma
vertical de altura constante dz representando
o volume espacial.
O conjunto das células forma uma tesselação
contínua e hierárquica, sem sobreposição nem lacunas.
3.2.
Hierarquia e Escala
O Hex3D opera em níveis de resolução (R):
- Resolução
baixa → hexágonos maiores (análise territorial);
- Resolução
alta → hexágonos menores (análise detalhada).
Verticalmente, cada célula possui camadas
z-indexadas, que podem representar pisos, pavimentos ou volumes naturais.
Hex3D(lat, lon, alt, R, dz) = (h3(lat, lon,
R), z = floor(alt / dz))
4. Sistema
de Identificação (HexID)
Cada unidade possui um identificador único,
garantindo integridade e rastreabilidade dentro do sistema.
4.1.
Estrutura de HexID
Formato genérico:
[País/Região]-[Resolução]-[CamadaZ]-[ÍndiceH3]
Exemplo:
BR-09-Z05-8a3f09
Ou, em formato binário/compacto:
HexID =
(H3Index << n_bits) | z
4.2.
Propriedades
- Unicidade
global garantida.
- Hierarquia
preservada: o HexID de um nível inferior pode ser derivado do superior.
- Compatível
com sistemas de indexação e busca espacial.
5. Modelo
de Dados
Cada célula hexagonal é armazenada como um
registro com atributos espaciais e semânticos:
{
"HexID":
"BR-09-Z05-8a3f09",
"Centroide":
[-18.5107999, -54.7391821, 0.0],
"Resolução":
9,
"CamadaZ": 5,
"Atributos": {
"Uso": "Residencial",
"Volume": 12.5,
"Altura": 3.2,
"Área": 6.9,
"Ocupação": 0.85
}
}
5.1.
Tabelas Relacionais
|
Campo |
Tipo |
Descrição |
|
HexID |
string |
Identificador
único da célula |
|
GeoRef |
geometry |
Geometria
(ponto ou polígono) |
|
Resolução |
int |
Nível
hierárquico (1–15) |
|
CamadaZ |
int |
Índice
vertical |
|
Uso |
string |
Categoria
(residencial, comercial, etc.) |
|
Volume |
float |
Volume
representado em m³ |
|
Atributos |
JSON |
Dados
adicionais customizados |
6. Tradução
de Geometria Real
Para converter propriedades reais em
hexágonos, aplica-se o processo de tesselação adaptativa:
6.1. Fluxo
2D
- Receber
polígono cadastral do lote (GeoJSON ou medidas).
- Aplicar
polyfill(polygon, resolução) → gera conjunto de hexes que cobrem a
área.
- Atribuir
atributos de área, uso e identificação cadastral.
6.2.
Extensão 3D
- Extrudar
o polígono base até a altura do imóvel.
- Dividir
o volume em camadas de espessura dz.
- Para
cada camada:
- Calcular
interseção com hexes horizontais;
- Gerar
HexIDs 3D (encode(h3_index, z));
- Atribuir
volume, cômodos, altura e demais atributos.
6.3.
Exemplo Prático (Caso de Campo)
Localização: -18.5107999,
-54.7391821
Descrição resumida:
Lote com 394,84 m², contendo residência principal e duas
quitinetes independentes.
Área construída total de 122 m², distribuída entre:
- Casa
principal: 4 cômodos, 2 banheiros;
- Anexos:
2 quitinetes (2 cômodos e 1 banheiro cada), com saídas distintas (Rua
Piauí e Rua Amapá).
Aplicando o Hex3D:
- Resolução
base horizontal: R = 10 (~2–3 m por hex).
- Altura
por camada: dz = 1 m.
- Volume
total estimado: 122 m² × 3 m = 366 m³ → distribuído entre 3 camadas
verticais (Z=0–2).
- Cada
HexCell recebe proporção de área construída e atributos funcionais.
7.
Estrutura Hierárquica
A hierarquia Hex3D permite:
- Zoom
vertical e horizontal sem perda de contexto.
- Agregação
automática de dados (soma de volume/área entre
camadas).
- Consultas
espaciais rápidas:
- GetHexByCoords(lat, lon, z)
- GetNeighbors(HexID, radius)
- GetVolumeByHexRange(hex_range)
8.
Implementação e Integração
8.1.
Bibliotecas e Ferramentas
- Indexação: h3-py, geojson, pyproj
- Geometria: shapely, rtree
- Banco
de Dados: PostGIS, TileDB, GeoParquet
- Visualização: Deck.gl, Kepler.gl, CesiumJS
8.2.
Armazenamento
- Estruturas
híbridas:
- Banco
relacional: atributos e hierarquia.
- Banco
espacial: geometria e indexação
geográfica.
- Cache
NoSQL: busca e agregação rápida
de HexIDs.
9.
Aplicações Potenciais
- Mapeamento
cadastral inteligente.
- Gestão
urbana e zoneamento 3D.
- Monitoramento
ambiental volumétrico.
- Modelagem
de ocupação e sombra.
- Digital
Twins urbanos.
- Simulações
de impacto construtivo e ventilação urbana.
10. Futuras
Extensões (v0.2 e além)
- Suporte
a sistemas de referência locais (UTM/SIRGAS).
- Camadas
semânticas (ex.: materiais, energia, ruído).
- Algoritmos
de compressão hierárquica de HexIDs.
- APIs
RESTful e integração com GIS existentes.
- Implementação
de Hex3D Visual Studio (visualizador interativo).
11.
Conclusão
O Hex3D Geospatial Framework propõe um
novo paradigma para mensuração e representação espacial, unindo eficiência
geométrica, escalabilidade hierárquica e precisão volumétrica.
Sua aplicação prática vai desde a modelagem de
lotes residenciais até a gestão inteligente de cidades inteiras, oferecendo uma
linguagem comum e matemática para descrever o espaço — em área, altura e volume
— com unicidade, simplicidade e poder de expansão.
Versão: 0.1
Licença: Aberta para pesquisa, uso e desenvolvimento experimental.
Contato / Autor: Luciano Leite Galvão / +55 (67) 99958-8207 / luciano198541@gmail.com - ChatGPT
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