Об использовании измерительных реалистичных 3d-моделей при картографическом мониторинге городской среды

Журнал: «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель», №9, 2018 10:28:00г.

524.4;528.7;332

Using of realistic metrical 3d-models for urban environment monitoring

The authors propose using of realistic metrical 3D-models for urban environment monitoring that can simplify an assessment of ecological situation and changes of environmental conditions. The article contains the principles of the realistic metrical 3D-models and the analysis of modern technologies necessary for their creation. The writers recommend widespread adoption of such 3D-models for monitoring of urban areas

Raklov V.P.

Evstratova L.G.

Keywords:ealistic metrical 3D-model, satellite images, urban environment monitoring, ecological state of territories, GIS technologies, visualization

В XXI в. процесс урбанизации охватил большую часть нашей планеты. Рост числа городов и их территорий приводит к техногенной нагрузке на окружающий ландшафт, где происходит изменение естественных экосистем, которые образуют техногенные комплексы. Степень антропогенных преобразований городских территорий, в особенности мегаполисов, чрезвычайно высока. Можно утверждать, что ландшафты крупных городов не могут сохранять устойчивость без поддержки человека [1].

Картографический метод пространственного анализа является одним из широко применяемых методов при изучении антропогенной нагрузки. Геоэкологические проблемы городов и прилегающих территорий можно изучать по различным показателям, например плотности населения, месторасположению предприятий промышленности, энергетики, степени развития транспортной инфраструктуры, розы ветров и т. д. Геоэкологическое картографирование направлено на определение условий и свойств, которые характеризуют среду, окружающую человека [2].

Сегодня все более широкое применение находят материалы аэрокосмических съемочных систем, которые позволяют вести экологический мониторинг различного уровня детальности, периодичности и охвата территорий.

Двумерное представление объектов местности в традиционном виде — карты, ортофотопланы, фотокарты содержат в себе качественные и количественные характеристики объектов и используются для изучения взаимосвязи между объектами, природными процессами и техногенной деятельностью человека. Однако эти материалы имеют ряд недостатков, поэтому в последнее время для анализа и прогнозирования состояния окружающей среды и инфраструктуры городских территорий применяются технологии трехмерного моделирования. Так, при решении таких задач, как построение карт экспозиции склонов, карт эрозионной опасности, выявление зон повышенного риска наводнений и т. п., используются цифровые модели рельефа и цифровые модели местности (ЦМР и ЦММ). Например, системы оперативного мониторинга и прогнозирования гидрологической ситуации (основанные на ГИС-технологиях) успешно используются на водных объектах Российской Федерации [3].

Принципиально новые возможности исследования как самих объектов, так и их окружения открывают технологии построения измерительных реалистичных 3D-моделей. Такие модели позволяют увидеть в привычном для человека ракурсе исследуемые объекты и явления, а также рассматривать модель с разных точек пространства. Внедрение технологий создания и применения 3D-моделей городов обусловлено бурным развитием цифровых технологий, программных продуктов и ГИС-технологий.

Оценка фактического состояния городской среды и прогнозирование тенденций его изменения — наиболее актуальная проблема в области охраны окружающей среды.

Для этого необходимо решить ряд концептуальных вопросов: определить необходимость визуализации ЦМР и ЦММ в виде реалистичной измерительной 3D-модели, ее соответствие реальности, точность как в метрическом (пространственное положение элементов объекта), так и в качественном плане, оценить возможность их применения в решении задач посредством геоинформационного моделирования.

В качестве примера перечислим некоторые, задачи, при решении которых целесообразно применение измерительных реалистичных 3D-моделей: 1. Градостроительное планирование территорий.

В настоящее время, по приказу Министерства строительства и жилищнокоммунального хозяйства РФ от 29.12.2014 № 926/пр «Об утверждении Плана поэтапного внедрения технологий информационного моделирования в области промышленного и гражданского строительства» (ред. от 04.03.2015) идет поэтапное внедрение технологий BIM (Building Information Modeling). Один из основных этапов работы по BIM-технологиям — это построение объектно-ориентированной цифровой модели как всего объекта, так и процесса его строительства. Это не только виртуальная 3D-модель объекта, но и числовые характеристики, таблицы, спецификации, электронные адреса и т. п. [4, 5]. Информационная 3D-модель объекта строительства сопровождается обширными данными, из которых формируется база данных, далее эти данные могут служить как основой при эксплуатации и техническом обслуживании этих объектов, так и для других задач. Например, атрибуты строительного объекта или его элементов, установленные строительные материалы, включая их свойства (например, теплопроводность, свойства звукоизоляции, срок службы, циклы техническогообслуживания), дают соответствующую информацию об окружающей среде и прочих свойствах, таких как звукопроницаемость или состояние противопожарной защиты.

BIM-модели могут использоваться также в качестве моделей в других областях.

Нужно отметить важную роль трехмерной визуализации проектирования объектов инфраструктуры при публичных слушаниях, когда визуализация способствует тому, что граждане чувствуют себя более информированными, это, в свою очередь, повышает приемлемость проекта и уменьшает возникновение протестов граждан, тем самым провоцируя возможные замедления в реализации проекта.

2. Кадастр объектов недвижимости.

Пространственные объекты недвижимости, имеющие объем, такие как земельные участки, здания, сооружения, помещения и объекты незавершенного строительства, невозможно достоверно отобразить в двумерной проекции, что в дальнейшем делает практически невозможным осуществить учет некоторых объектов недвижимости, таких как тоннели, мосты, дорожные развязки, здания с нависающими этажами, которые попадают на чужую территорию.

В мегаполисах стоимость земельных участков порой выше, чем объектов, которые находятся на нем, поэтому в ближайшие годы ожидают бурное развитие подземного строительства сооружений и зданий различного назначения.

Подземные объекты, такие как метрополитен, переходы, парковки, коллекторы, трубопроводы, туннели и шахты, являются важнейшими элементами инфраструктуры городов, однако обозначенная проблема ограничивает возможность регистрации муниципалитетами прав на них и порождает различные имущественные споры. Кроме того, действующая система учета объектов недвижимости не имеет возможности учитывать особенности рельефа, несомненно оказывающие существенное влияние на оценку их кадастровой стоимости.

Сложившаяся ситуация указывает на острейшую необходимость развития систем трехмерного кадастра недвижимости с наложенной атрибутивной информацией, а внедрение трехмерных географических информационных систем позволяет использовать трехмерный подход к кадастровому учету.

В 2012 г. был завершен российско-нидерландский проект «Создание модели трехмерного кадастра недвижимости в России» [6].

На рис. 1 приведен пример прототипа 3D-кадастра (трехмерная модель здания), который был подготовлен с использованием поэтажных планов и дополнительной информации.

С помощью условных цветов отображены соответствующие правообладатели [6].

Продолжением реализации и развития модели трехмерного кадастра недвижимости в России может стать проект, анонсированный в декабре 2017 г. на заседании Госсовета губернатором Новгородской области, где было заявлено о проблеме территориального планирования и землепользования в регионе. Решение этих проблем планируется выполнить с помощью запуска пилотного проекта в Новгородской области по созданию 3D-модели региона с помощью технологий ГЛОНАСС и беспилотной аэрофотосъемки в рамках проектов «Национальной технологической инициативы» [7].

Внедрением в строительство BIM-технологий позволит повысить эффективность ведения кадастра объектов недвижимости (при условии взаимодействия этих органов управления), так как на всех стадиях проектирования, строительства и ввода в эксплуатацию формируются различные чертежи строительного объекта (3D-модели и 2D-чертежи), планы производства строительно-монтажных работ, эксплуатационная документация. В частности, информация о каждом отдельном элементе (материал, изготовитель, срок службы, циклы технического обслуживания и т. п.) формируется в цифровом виде в одной комплексной согласованной модели.

3. Управление инфраструктурой городов.

Формирование городской инфраструктуры происходит с учетом морфологии земной поверхности, объектов, расположенных на ней, и потребностей населения. Без единого учета и анализа невозможно объективно оценить и планировать долговременное развитие инфраструктуры города. Таким образом, единое координационное пространство 3D-моделей позволит наглядно, оперативно видеть взаимодействия коммунальной инфраструктуры с учетом пересекающихся связей с объектами городской инфраструктуры. Инженерная устойчивость и экологическое благополучие напрямую зависит от рационального использования и управления инфраструктурой городов.

Важно отметить, что при выполнении работ для сохранения памятников архитектуры измерительные реалистичные 3D-модели зданий весьма полезны для восстановления исторического облика фасадов и всего архитектурного ансамбля в целом [8, 9].

4. Экологическая оценка территорий и экологическая безопасность городских территорий.

На основе реалистичных 3D-моделей можно моделировать траекторию распространения загрязняющих веществ различного происхождения в городской среде. Совместный пространственный анализ информации о гидрографической сети города, типах почв и состоянии грунтов, характер стока поверхностных и подземных вод и т. п. в единой 3D-модели позволит вырабатывать рекомендации по эксплуатации различных участков местности, борьбе с эрозией и зонированию по разным характеристикам.

Использование тематических данных и 3D-моделей позволит объективно и оперативно получать информацию о полигонах твердых бытовых отходов (ТБО), находящихся на территориях городов и близлежащей к ним местности, оценить изменения площадных характеристик, границ полигонов ТБО, границ деградаций почвенно-растительных сообществ и эффективно наметить точки отбора проб воды и геохимического анализа почв [10].

3D-модели позволяют не только определить площадные характеристики полигонов ТБО, но и рост полигонов в высоту, т. е. изменение объемов захоронений, чему до последнего времени уделялось крайне мало внимания.

Комплексный анализ повысит достоверность выявления основных закономерностей загрязнений, что будет способствовать экологически безопасному планированию развития селитебной застройки.

Например, комплексный анализ и оценка различного типа информации о материале изоляции зданий, сроке службы строительных конструкций, систем отопления, вентиляции, горячего водоснабжения, технологических процессах и т. п.

на основе измерительных 3D-моделей позволяет создать реальную картину энергетического баланса.

Это позволит осуществить экономию топливно-энергетических ресурсов, их эффективное и рациональное использование и таким образом оптимизировать общие инвестиции при техническом обслуживании и замене. 3D-модели, включающие семантическую информацию, также полезны при исследовании способов защиты от шума путем моделирования распространения звуковых волн (таким способом можно определять и документировать шумовое загрязнение в городах).

Таким образом, наиболее эффективным является комплексный подход, который позволит использовать согласованные данные о различных элементах среды городской территории.

Комплексное использование 3D-моделей и семантических данных позволяет выполнить сравнение их с предыдущими данными или с прогностическим значением элемента на рассматриваемый срок, обеспечивает возможности навигации по территории, улучшает торговлю (оценку) недвижимостью, проектирование сетей сотовой и беспроводной связи (структура зависит от топографии местности и расположения зданий), планирование городской инфраструктуры.

Для изучения возможности применения реалистичных измерительных 3D- моделей при мониторинге городской среды возникает задача выбора технологии создания таких моделей.

Под измерительной реалистичной 3D-моделью понимается 3D-модель, построенная по аэрокосмическим снимкам или по результатам лазерного сканирования, с заданной геометрической точностью в метрической системе координат и имеет реальную текстуру, а также позволяет измерить координаты любых точек этой модели [11].

В качестве исходных материалов для построения реалистичных 3D- моделей городов могут использоваться различные данные: — материалы лазерного сканирования (наземного, мобильного, воздушного);

  • материалы наземной стереофотосъемки;
  • материалы аэрокосмической съемки;
  • топографические планы и карты.

Технологии создания реалистичных измерительных 3D-моделей можно разделить по методу сбора данных для формирования 3D-моделей на геодезические, картографические, стереофотограмметрические, технологии наземной и воздушной лазерной съемки.

Отметим, что для достижения реалистичности 3D-модели необходимо использовать реальные фотографические текстуры, трансформированные на соответствующую поверхность 3D-модели. На рис. 2 приведена реалистичная измерительная 3D-модель г. Иерусалима, созданная компанией VisionMap [13].

По степени автоматизации построения реалистичных измерительных 3D- моделей различают интерактивные, автоматизированные и автоматические.

Геодезический метод позволяет получать пространственные характеристики объектов местности с помощью электронных тахеометров и спутниковых радионавигационных систем (ГЛОНАСС, GPS и др.). Основными недостатками геодезического метода создания 3D-моделей является сложность проведения измерений на городских территориях, что вызвано большой трудоемкостью полевых работ (особенно на большие территории).

Применение технологий наземной и воздушной лазерной съемки исключает недостатки геодезического метода, но требует больших вычислительных мощностей и трудозатрат.

Данная технология является перспективной, но на сегодняшний день является одной из самых дорогостоящих.

Одним из перспективных методов является использование цифровых наземных снимков в комплексе с аэрокосмическими снимками или снимками, полученными с БПЛА.

Картографический метод позволяет получать только плановые координаты объектов местности по картам, реальные высоты для каждого элемента объекта практически определить невозможно.

При использовании картографического метода для построения 3D-моделей применяются алгоритмы «выдавливания», когда известны только плановые координаты основания объекта, а средние высоты точки объекта задаются примерно (на основании априорных знаний или взятых с карты или ортофотоплана).

В этом случае используются пространственные примитивы для формирования в основном трехмерных искусственных объектов.

Стереофотограмметрический метод позволяют строить цифровые модели рельефа и местности по стереопарам снимков, рассматривать и измерять пространственные координаты точек модели, рисовать контуры, все детали объектов (сложные формы крыш, козырьки, мансарды, основания опор ЛЭП и т. п.), а также горизонтали (или формировать ЦМР).

Стереофотограмметрический метод позволяет оперативно создавать измерительные реалистичные 3D-модели на большие, труднодоступные территории с различной детальностью и точностьюВыполненный анализ работ [7–14] позволяет утверждать, что в настоящее время наиболее востребованы и бурно развиваются автоматизированные технологии создания реалистичных измерительных 3D-моделей городов стереофотограмметрическим методом по материалам аэрокосмических съемок.

Это обусловлено относительной доступностью космических снимков и широким внедрением беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) самолетного и коптерного типов. Съемка с БПЛА быстро зарекомендовала себя как самый оперативный метод получения данных для создания реалистичных 3D-моделей.

Стереофотограмметрический метод позволяет получать с высокой измерительной точностью координаты всех точек объектов, из которых состоит 3D-модель, что достигается стереовекторизацией всех деталей объектов.

Недостатком этого метода является большая трудоемкость процесса стереовекторизации, который в настоящее время недостаточно автоматизирован.

Построение пространственной структуры для 3D-модели основано на алгоритмах стереоотождествления точек (построение плотного «облака точек») для формирования цифровой модели поверхности (ЦМП) и цифровой модели рельефа (ЦМР). Построенное облако точек может быть сопоставимо (по количеству точек) с точками, полученными при лазерном сканировании.

Методы построения ЦМП (плотного «облака точек») по стереомодели, в свою очередь, делятся на локальные, полуглобальные и глобальные.

Все перечисленные технологии используются для решения поставленных задач, однако наиболее перспективными во всех отношениях для создания трехмерной реальности пригодны две из них — по материалам аэрокосмических съемок или по материалам, полученным при использовании технологий наземной и воздушной лазерной локации. Первая из них идеально подходит для высокоточного моделирования больших по площади территорий.

Вторая — эффективна при высокой плотности застройки и для получения точной трех мерной модели с предельной погрешностью расчетов до 2 см. На основе полученных трехмерных моделей и современных ГИС становится возможным создание геоинформационных проектов, которые не только позволят отобразить различную информацию об объектах (их название, назначение, кадастровый номер, адрес, фактические внешние размеры, этажность, материал постройки, форму собственности, вид права и его ограничения и пр.), но и обеспечат полноценную визуализацию и пространственный анализ. Кроме того, их можно будет использовать для решения широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических управленческих решений.

Для ведения мониторинга городской среды реалистичные измерительные 3D-модели должны включать метрическую информацию об объектах и всех элементах этих объектов, (например, размеры балконов, ступеней крыльца, провисание кабеля, высоты конька от основания крыши и т. д.), а также сопровождаться семантической информацией. Таким образом, измерительные 3D-модели городов должны позволять измерять координаты любой части этой модели, что дает возможность определять размеры различных деталей, из которых состоит 3D-модель города и оперативно определять их качественные характеристики. При выборе исходных материалов и технологии работ необходимо комплексно оценивать следующие параметры: точность, достоверность, оперативность, рентабельность работ.

В настоящее время требуется реализовать первый этап — обеспечить широкое внедрение реалистичных измерительных 3D-моделей городов.

Для этого необходимо:

  • выполнить анализ современных технологий построения реалистичных измерительных 3D-моделей и выявить «узкие» места технологии, изменив которые можно повысить эффективность технологии;
  • определить требования, предъявляемые заказчиками к реалистичным измерительным 3D-моделям городов;
  • исследовать метрические и изобразительные свойства реалистичных измерительных 3D-моделей и разработать модель оптимальных параметров для их создания;
  • разработать соответствующую методику построения 3D-моделей для каждого конкретного объекта;
  • выбрать технологические средства получения информации и программные средства для обработки; обеспечить обмен данными между производителем и пользователем без потери информации (регламентировать необходимые форматы данных, используя международные стандарты).
  • обеспечить потенциальных пользователей соответствующими аппаратными и программными средствами;
  • разработать единую систему координат для создания реалистичных измерительных 3D-моделей для оперативного обновления информации в ГИС для конкретного варианта городской территории

Далее, на втором этапе внедрения 3D-моделирования, требуется разработать технологии мониторинга городских территорий на основе реалистичных измерительных 3D-моделей.

Для этого необходимо:

  • выделить объект мониторинга и определить параметры, которые требуется контролировать;
  • определить продолжительность и периодичность слежения за объектом;
  • установить уровни детализации, с которыми должны поставляться данные, а также в каком объеме должны проводиться визуализации и результаты моделирования;
  • выбрать технологические и программные средства, а также определить методы функциональной обработки с целью выявления изменений, происходящих с объектом мониторинга;
  • определить контент и его «объем», который необходимо хранить в ГИС для обеспечения всеобъемлющего мониторинга городских территорий.

Подводя итоги, можно констатировать: измерительные реалистичные 3D-модели городов могут способствовать не только более рациональному управлению градостроительством, инфраструктурой городов, кадастром недвижимости и т. д., но и в целом осуществлять контроль за экологической безопасностью городских территорий.