Опыт создания и применения трехмерных моделей городов

Тема: общие вопросы

Автор: Г.В. Сапрыкина, «Ракурс», Россия. 2014

В последние годы 3D технологии существенно расширили границы своего прикладного использования. Трехмерное моделирование стало доступно не только для отдельных сооружений и сетей инженерных коммуникаций, но и для целых городов. Эти модели нашли свое применение в городском планировании, архитектурном и градостроительном проектировании, в муниципальном управлении, образовании.

Мы рассмотрим опыт зарубежного партнера «Ракурса» — компании Zmapping, которая с 2003 г. занимается созданием трехмерных цифровых моделей городов. Компания производит сложные 3-мерные модели городов и позиционирует результаты своей работы как наиболее детальные и высокоточные.

Создание 3-мерных объектов Zmapping основано на классической фотограмметрической технологии обработки космических и аэрофотоизображений. Для своих работ компания использует программное обеспечение PHOTOMOD и AutoCAD. Уравненные в PHOTOMOD снимки оцифровываются в стереорежиме с использованием классификатора для тематического подразделения объектов по слоям. Трехмерные векторы экспортируются в формат DXF, который является базовым форматом продуктов компании Autodesk. В процессе обработки векторов в AutoCAD: опускания крыш на поверхность земли и достраивания стен, — происходит трансформация векторов в трехмерные твердотельные объекты. В зависимости от пожеланий заказчика трехмерные объекты могут быть текстурированы наземными, аэрофото - и космическими снимками, экспортированы в другой формат.

Интерактивность моделей достигается за счет использования свободно распространяемых инструментов TurnTOOL, которые легко встраиваются в функционал программы Autodesk 3ds-Max. С их помощью конечная модель может быть открыта в обычном интернет-браузере. В том же интернет-браузере существует возможность осуществлять простейшие операции по манипулированию моделью: масштабирование, вращение, полет над моделью, проход по модели на уровне земли.

Точность созданных трехмерных моделей коррелирует с точностью исходных данных и соответствует требованиям к детальности, предъявляемым заказчиком. Один и тот же дом может быть представлен как простейший параллелепипед или же, как сложный объект с мельчайшими деталями — трубами и слуховыми окнами. Для исходной фотограмметрической обработки используются снимки с разрешением на местности от единиц до десятков сантиметров. Размеры создаваемых моделей ограничиваются только требованиями заказчика: от сотни квадратных метров на местности до размеров целого города и даже страны.

Области применения трехмерных моделей достаточно разнообразны, порой неожиданны. Сколько-нибудь унифицированной их классификации не существует, поэтому мы будем отталкиваться от представлений о ней компании Zmapping.

Высотный анализ

Одной из наиболее распространенных областей применения цифровых моделей трехмерных объектов является высотный анализ, позволяющий проводить мониторинг зон затопления, рассчитывать объемы возможных земляных работ, проектировать дренажные системы. Ключевым в данном случае является сравнение фактических высотных показателей объектов местности с абстрактной информацией.

Моделирование зоны затопления	Выявление нарушений местных ограничений по высоте при проектировании и строительстве зданий и сооружений

Планирование и проектирование

Трехмерные модели местности успешно используются в комплексном архитектурном планировании и проектировании зданий и сооружений. Следующая серия изображений показывает насколько легко можно спланировать тот или другой участок земной поверхности, исключая реальные объекты из текущего градостроительного плана или добавляя к существующим объектам совершенно новые. Созданные модели позволяют проанализировать пространственные и визуальные характеристики будущих архитектурных объектов. При этом настоящая методика касается не только зданий, зафиксированных на крупномасштабных картах и планах. Ее можно с успехом применять и к другим сооружениям: паркам, дорогам, водным объектам. Фотореализм текстурированных объектов позволяет спланировать цветовые и стилистические решения будущих построек, гармонично вписывающихся в существующее окружение, оценить их эстетическую выразительность.

Оценка видимости

Простая, но не менее значимая область применения моделей трехмерных объектов, особенно для архитекторов — оценка видимости. Высотное здание, показанное красным цветом, спроектировано в непосредственной близости от церкви (выделена зеленым цветом). Каким образом изменится местный пейзаж при том или ином угле обзора? Будет ли нанесен вред историческому виду центра города? Вставка архитектурной модели в трехмерную модель города позволяет ответить на эти вопросы в течение нескольких минут. Оценка видимости может быть проведена из любой точки в любом направлении.

Фотомонтаж

Фотомонтаж по сути своей является продолжением оценки видимости. Фотомонтаж позволяет увидеть, как будет выглядеть проектируемое здание на фоне окружающей застройки при том или ином инженерном решении: увеличении/уменьшении высоты, добавлении архитектурных элементов.

На следующей серии изображений показано как фотомонтаж помогает оценить проект реконструкции здания и ответить на вопрос: корректна ли высота проектируемого здания относительно его окружения.

На первом изображении фотомонтаж вида проектируемого здания, выполненный обычными средствами. Берем наземную фотографию, выполненную из той же точки. Ориентируем модель соответственно фотографии, учитывая настройки и позицию камеры при фотографировании. Встраиваем 3D-модель проектируемого здания в модель города, сохраняя месторасположение, масштаб и ориентировку здания. Это дает точное представление о размерах и позиции здания относительно окружения. Снова ориентируем модель как на фотографии, вырезаем модель здания и переносим на фотографию. Сравниваем исходный фотомонтаж с получившимся и обнаруживаем, что запроектированное здание гораздо выше, чем было изначально представлено на фотомонтаже.

Фотомонтаж вида проектируемого здания.	Наземная фотография, выполненная из этой же точки.
Трехмерная модель городской застройки ориентируется соответственно фотографии, с учетом настройки и позиции камеры при фотографировании.	3D-модель проектируемого здания встраивается в модель города, сохраняя месторасположение, масштаб и ориентировку здания. Это дает точное представление о размерах и позиции здания относительно окружения.
Снова ориентируем модель как на фотографии.	Полученная модель здания «вырезается» и переносится на фотографию.
Далее сравнивается исходный фотомонтаж с получившимся, обнаруживается, что проектируемое здание выше, чем было изначально представлено на фотомонтаже.

Визуализация

Визуализация — ключевая область применения трехмерных моделей городов. По большому счету она пересекается со всеми другими областями применения трехмерных моделей. В плане визуализации трехмерные изображения несравнимо более наглядны и узнаваемы, чем соответствующие им 2-мерные планы, что позволяет неподготовленным пользователям легче ориентироваться в пространстве и принимать верные решения. При чем современное программное обеспечение позволяет создавать качественные реалистичные трехмерные модели городов с высоким уровнем детализации.

В видеоролике представлен визуальный ряд вариантов преобразования автомобильной парковки в деловой центр и обустройство территории. Опыт градостроительной деятельности показывает: чем точнее и реалистичнее исходная модель, тем легче создать на ее основе реальный архитектурный объект. Возможность создания анимаций с их последующей публикацией в интернет делает эту область применения чрезвычайно перспективной.

Анализ инсоляции зданий и территорий

Расчет инсоляции необходим при проведении работ по градостроительному развитию территорий, особенно в условиях плотной городской застройки, и является обязательным разделом в составе предпроектной и проектной документации. Будучи пропорциональными и точными по своей географической привязке трехмерные модели позволяют рассчитывать инсоляцию зданий, сооружений и территорий на определенный момент времени или в течение определенного промежутка времени, определять время максимальной и минимальной освещенности объектов, количество интервалов инсоляции и процент инсолируемой территории, а также помогают при проектировании солнцезащитных мероприятий. 

Проектирование организации дорожного движения

Любое строительство, реконструкция и ремонт дорожной сети требуют грамотной организации дорожного движения. От этого зависит, насколько безопасной и удобной станет транспортная инфраструктура для участников дорожного движения.

Трехмерные модели существующей местности с легкостью интегрируются с проектируемой схемой организации дорожного движения. Полученную модель можно представить для публичных консультаций. Заказчиком моделей на территорию, прилегающую к супермаркету ASDA, является городской совет Манчестера. Трехмерная модель позволяет не только лучше понять схему транспортных потоков на данном участке, но и виртуально проследовать по новым маршрутам предполагаемой схемы дорожного движения.

Публичные консультации

Возвращаясь к проведению публичных слушаний и консультаций, следует заметить, что все архитектурные проекты, будь то схема организации дорожного движения или проект озеленения территории, непосредственно перед своим воплощением в жизнь размещаются в интернете, транспорте и других общественных местах. Это нужно для того, чтобы получить от местных жителей отзыв о проекте, своевременно внести в него соответствующие изменения и дополнения. Для широкой аудитории трехмерное представление пространства наиболее понятно. 

Проект озеленения Лондона, реализованный компанией Zmapping.

Интеграция с ГИС

Трехмерные модели, созданные в Zmapping, представляют собой интерактивные геопривязанные CAD- модели, которые могут быть объединены с базами данных для создания единой интегрированной геоинформационной среды. Большинство объектов (рельеф, здания и сооружения, древесная и кустарниковая растительность, элементы инфраструктуры) моделируются раздельно друг от друга. Это значит, что к каждому из них можно привязать индивидуальную базу данных с неограниченным набором полей и атрибутов.

Прототипирование объектов

Нередко презентация общественно значимых объектов требует создания их физических моделей. 3D CAD — файлы свободно конвертируются в формат STL, и реальный прототип может быть отпечатан на цветном 3D- принтере. В качестве материалов могут быть использованы как прозрачные так и цветные виды пластика, статичные и легко меняющие свою форму, водостойкие и обладающие высокой степенью температурного сопротивления.

Планирование мероприятий в чрезвычайных ситуациях

Специфические особенности трехмерных моделей делают их идеальным инструментом для планирования мероприятий в условиях чрезвычайных ситуаций. Модели Zmapping реалистичны и полностью интерактивны, что позволяет интегрировать их с программным обеспечением, специализирующимся на симуляции и прогнозировании стихийных бедствий, организации планов эвакуации и проведения спасательных операций. Связь модели с геоинформационной системой позволяет быстро получить необходимую информацию по каждому объекту. Бесчисленное количество ситуаций можно просчитать в камеральных условиях без выезда в конкретное место. С помощью трехмерных моделей можно определять маршруты передвижения, в том числе крупногабаритной и специальной техники, измерять высоту строений и расстояния между заданными точками, рассчитывать безопасные расстояния от мест катастроф для размещения аварийного штаба и удаленно руководить спасательными операциями.

Расследование криминальных ситуаций

Обладая интерактивными трехмерными моделями городских территорий, можно с успехом воссоздавать сценарии происшествий и криминальных ситуаций на улицах города, моделировать зоны обстрела, зоны видимости из конкретных точек. 

Телекоммуникация

Телекоммуникационные компании используют трехмерные модели городов при проектировании размещения линий связи и телекоммуникационных мачт, расчете зон покрытия сотовой связью.

Научно-исследовательская деятельность и обучение

Ученые и инженеры используют трехмерные модели для осуществления своих экспериментов в режиме, максимально приближенном к реальности, не оказывая вредного воздействия на окружающую среду. В результате интеграции трехмерных моделей объектов со специализированным программным обеспечением можно создать модели распространения шума и загрязняющих веществ, модели скорости и направления движения ветра в узких городских каньонах. Эксперименты могут быть повторены на физических моделях-прототипах. Исследовательская деятельность может охватывать огромные географические территории. Кроме того, трехмерные модели позволяют организовать обучение летчиков в форме виртуальных полетов над местностью.

В представленном материале приведены далеко не все примеры возможного использования трехмерных моделей, а только те, которые уже с успехом используются заказчиками компании Zmapping, клиентура которой насчитывает более 200 частных и государственных компаний и организаций (в том числе муниципалитеты Нотингема, Шеффилда, Ньюкасла и Бирмингема, полиция лондонского метрополитена и агентство Лондона по строительству).

Компания «Ракурс» благодарит компанию Zmapping (Великобритания) и лично Raju Pookottil за предоставленные материалы.

Рубрики