Kaupunkimallintamisen kokemuksia Tampereelta

Jarkko Sireeni

Kehitimme yhdessä Tampereen kaupungin kanssa Tampereen kaupunkimallin tuotantoa ilma- ja dronekuvauksista. Tavoitteena oli, että kaupunki voi itse tuottaa, päivittää ja jakaa kaupunkimallia projektien käyttöön. Tavoite on toteutunut ja kaupungin tuottamia uusia malleja tehdään jo kuukausittain.

Katso esimerkkimalleja selaimessa (toimii myös mobiililaitteilla):

Tampereen keskustan 47 neliökilometrin laajuinen malli syntyi viikossa
Katso ja kokeile!

Kustannustehokkuutta projektilähtöisesti

Tampereen lähtökohta kaupunkimallintamiseen on tuottaa projekteille niiden tarvitsemaa aineistoa. Kaupungista on tehty laaja koko keskustan kattava pohjamalli, jota täydennetään projektikohtaisesti tuotettavilla päivitysmalleilla. Tämä mahdollistaa rajallisten resurssien optimaalisen hyödyntämisen ja kaupunkimallin päivittämisen kustannustehokkaasti pienemmissä paloissa.

Tammelan projektialueen drone -kuvauksesta tuotettu osamalli
Katso ja kokeile!

Tarkkoja malleja oikeassa koordinaatistossa

Fotogrammetriset mallinnusohjelmat mahdollistavat mallien tarkan asemoinnin koordinaatistoon mitattujen kontrollipisteiden avulla. Ohjelma osaa pakottaa mallin geometrian oikeisiin sijainteihin kontrollipisteiden kohdalla. Mitä enemmän kontrollipisteitä on, sitä tarkemmin malli osuu koordinaatistoon ja oikeaan korkoon. Kontrollipisteinä voidaan käyttää myös mitattuja ja selkeästi valokuvissa näkyviä maastokohteita kuten kaivon kansia tai teräviä rakenteiden kulmia.

Mallit ovat myös mittatarkkoja tietyllä tarkkuudella. Mallien tarkkuus riippuu ensisijaisesti siitä, kuinka suuria kuvapikselit on maastossa. Tämä taas riippuu kuvauksessa käytettävän kameran optiikasta, sensorista, pikselimäärästä ja lentoetäisyydestä. Mallien tarkkuus voidaan määritellä etukäteen ja siten suunnitella kuvauksien lentoreitit. Esim. 24 megapikselin dronekameralla 150 m korkeudella lennettäessä saadaan noin 10 cm resoluution malleja.

Kaupunkimallin laskennassa kuvat asemoidaan oikeisiin sijainteihin ja suuntiin (vihreä pyramidi), ja lopullinen malli asemoidaan kontrollipisteiden (vihreät merkit) avulla koordinaatistoon.

Tuloksena myös ortokuvia ja pistepilviä

Kaupunkimallintamisessa syntyy ensisijaisesti 3d mesh -malli (kolmioverkkomalli), jonka pinnassa on valokuvista laskettu oikean näköinen pintatekstuuri. Tämä soveltuu hyvin esim. nykytilan inventointiin ja suunnitelmien visualisointiin osana nykytilan mallia.

Kaupunkimallin sivutuotteina syntyy myös ortoilmakuvia ja pistepilviä. Etenkin 2d-suunnittelussa on iloa tarkoista ajantasaisista ortoilmakuvista esim. suunnitelmakarttojen tausta-aineistona. Alla esimerkki ortoilmakuva yhdistettynä kaupungin kantakarttaan. Kantakartan kasvillisuus ja rakennukset menevät hyvin yhteen oikeassa koordinaatistossa olevan ortoilmakuvan kanssa.

Monet 3d-suunnitteluohjelmat tukee pistepilviaineistoja, joten ajantasaisen tiedon tuonti suunnitteluun tätä kautta auttaa paljon suunnittelijaa ymmärtämään kohteen nykytilannetta. Työmaista voidaan tuottaa ajantasaisia malleja ja pistepilviä vaikka viikoittain, jolloin suunnittelu ja projektin toteutus voi reagoida ajantasaiseen tilannekuvaan ja mahdollisiin muutoksiin nopeasti. Alla kuvia dronekuvauksista tuotetuista pistepilvistä:

Mallien jakaminen Internetissä

Kaupunkimallia halutaan myös jakaa Internetissä. Mallit ovat keskimäärin hyvin raskaita ja sellaisenaan niitä ei voi kaupungin laajuudessa julkaista Internetissä vaan tarvitaan teknologiaa, joka osaa ladata mallia osissa ja eri tarkkuuksilla katselijan sijainnista ja katselukulmasta riippuen. Näin malli lataantuu nopeasti ja katselu on sujuvaa. Paras tekniikka tähän on OGC:n 3D Tiles -standardi ja sitä tukeva ilmainen avoimen lähdekoodin Cesium Web3D katseluohjelma. Näillä tekniikoilla massiivisia koko kaupunginkin kokoisia malleja voidaan katsella kevyilläkin mobiililaitteilla, kuten puhelimilla ja tableteilla. Kokeile vaikka katsella tämän blogin linkeissä olevia malleja omalla kännykälläsi. Mallit avautuvat heti ja mallissa voi navigoida yhtä helposti kuin normaaleissa karttasovelluksissa.

Bentley ContextCapture ohjelma generoi Cesium katselupaketit automaattisesti. Katselupaketin tiedostot tarvitsee vain kopioida web palvelimelle ja mallit ovat heti katseltavissa. Bentley on tehnyt lisäksi oman parannetun Cesium -katseluohjelman, jossa on käteviä mittaus ja koordinaattityökaluja. Eli mallista voi tehdä selaimella mittauksia ja kysellä koordinaatteja. Kätevää!

Rantaväylän UAV mallista voidaan mitata koordinaatteja, etäisyyksiä ja pinta-aloja.
Katso ja kokeile!

Lisää tarkkuutta kuvaamalla enemmän ja lähempää

Fotogrammetrinen mallinnus ei aseta rajoja kuinka tarkkoja malleja voidaan tuottaa. Mitä lähempää kohdetta kuvataan ja mitä enemmän kuvia otetaan, voidaan tehdä hyvinkin tarkkoja malleja. Esimerkiksi siltojen inventoinnissa tehdään niinkin tarkkoja malleja, joista voidaan mitata betonin halkeamia ja muita kulumisia. Kun suunnittelet mallin tekemistä, mieti ensin tarvittava mallin tarkkuus ja tee sen perusteella optimaalinen kuvaussuunnitelma.

Kaupunkimallien tarkkuutta voidaan parantaa myös kuvaamalla kohteita maan tasosta esim. katuja pitkin autosta tai lentämällä dronella myös alhaalla. Alhaalla dronella kuvattaessa on apua, jos dronessa on kamera joka voidaan kääntää ylöspäin. Näin voidaan kuvata esim. rakennuksien julkisivujen ja siltojen alapintoja. Tämänlaisten kuvien avulla rakennusten julkisivut ja maantason elementit tarkentuvat huomattavasti.

Lisää tarkkuutta laserkeilaamalla

Kaupunkimallin tarkkuutta voidaan lisätä myös käyttämällä laserkeilaus -aineistoja. Kohteita voidaan keilata sekä ilmasta että maan tasosta. Fotogrammetriset mallinnusohjelmat osaavat yhdistää laserkeilatun pistepilven ja fotogrammetrisin menetelmin kuvista lasketun pistepilven ja generoida niistä hybridimallin. Aina näin ei kuitenkaan saada parasta tulosta etenkin, jos laserkeilaus ja valokuvaus aineistot ovat eri ajankohdilta, jolloin aineistossa on selviä eroja tai ristiriitaisuuksia, tai jos laserkeilauksesta ei ole siivottu pois muuttuvia elementtejä, kuten autoja ja ihmisiä.

Vesialueet tasaisiksi

Vesialueet ja muut heijastavat pinnat tuottavat ongelmia fotogrammetrisille mallinnusohjelmille. Hyvissä ohjelmissa on kuitenkin työkalut lukea sisään valmiiksi mallinnettuja “pakko” -pintoja. Esimerkiksi vesipinnat on helppo pakottaa oikeaan tasoon meren, järvien ja jokien mitattujen rantaviivojen avulla. Näin vesipinnat tulevat tasaisina malliin ja silti pinnoissa on valokuvista tuotettu teksturointi. Myös rakennusten julkisivujen paljon heijastavia lasipintoja voi yrittää tasoitella näillä pakkopinnoilla.

Näsijärven vesipinta on tasoitettu oikeaan korkoon kaupunkimallissa.

Esikuvana Helsingin kaupunkimalli

Helsinki on ollut pioneeri kaupunkimallintamisen kehittämisessä jo 90 -luvulta lähtien. Tampereen kaupunkimallia toteutetaan samoilla työkaluilla ja menetelmillä kuin Helsingin kaupungin mesh -malli. Erona Helsingin mallissa on sen paljon massiivisempi laajuus (kattaa koko kaupungin) ja kaupunki on tuottanut myös CityGML muotoisen kaupunkitietomallin. Kaupunkitietomalli on mesh -mallia kehittyneempi versio, koska sillä on selkeä rakenne, kohteet on luokiteltu ja kohteilla on hyödyllisiä ominaisuustietoja, mutta se ei läheskään aina sisällä kaikkia rakenteita kuten kasvillisuutta tai kalusteita. Mesh -mallilla on omat etunsa ja käyttökohteensa, se on teksturoituna mallina usein tarkempi, se sisältää kaikki olemassa olevat rakenteet, se voidaan laskea eri tarkkuustasoilla ja se on paljon edullisempi ja nopeampi tuottaa.

Katsele molempien kaupunkien kaupunkimalleja näistä linkeistä:

Muita käyttökohteita

Fotogrammetriset mallinnusohjelmat eivät rajaudu vain kaupunkimallintamiseen. UAV kuvauksia ja niistä tehtyjä mallinuksia käytetään paljon esim. rakennustyömaiden tilannekuvan tuottamiseen, teollisuuslaitosten, tuulimyllyjen, radiomastojen, yksittäisten rakennuksien ja siltojen mallintamiseen. Näitä malleja voidaan käyttää kohteiden inventointiin, korjaamiseen, ylläpitoon tai esim. laajennusten suunnitteluun.

Laskentaan vauhtia konekapasiteetilla

Mallien laskenta on hyvin raskas prosessi. Isossa kuva-aineistossa voi olla tuhansia kymmenien megapikselin kuvia, jolloin kokonaisuudessaan ohjelma joutuu laskemaan jopa satoja miljardeja pikseleitä ja sovittamaan niitä yhteen muodostaakseen 3d pistepilven, joska mallit voidaan tuottaa. Parhaat mallinnusohjelmat osaavat käyttää tietokoneissa olevia useita ytimiä rinnakkain ja tietyt laskennat voidaan suorittaa supernopeilla 3d-grafiikkasuorittimilla. Jos yhden koneen kapasiteetti ei riitä, voidaan laskentaa tehdä myös rinnakkain useammalla koneella.

Yhdellä 3d-työasemalla Tampereen keskustan noin 47 neliökilometrin kokoisen kaupunkimallin laskenta kesti noin 3 päivää. Pienemmät neliökilometrin kokoiset dronekuvauksista tehdyt mallit syntyivät yön aikana. Optimaalisin laskentakone on sellainen, jossa on mahdollisimman korkea prosessorin kellotaajuus ja mahdollisimman monta ydintä. Laskentakoneeseen on hyvä laittaa myös riittävän nopeat ja isot levyt, koska kuva-aineistot ovat massiivisia ja laskentaan tarvitaan nopeaa aineiston käsittelyä. Muistiakin laskentaan on hyvä varata vaikkakin hyvät laskentaohjelmat osaavat jakaa laskennan osiin, jolloin muistintarve ei ole kovin suuri.

Suurempiin laskentoihin kannattaa jo hankkia useampi kone, jotka voivat laskea rinnakkain. Mikäli laskennat on kertaluonteisia ja satunnaisia, mutta kuitenkin massiivisen isoja, kannattaa harkita laskennan tai laskentakapasiteetin ostamista ulkopuolelta.

xD Visuals auttaa – Opi itse tai tilaa palveluna

xD Visuals Oy auttaa sinua kaupunkimallien tuottamisessa. Voimme kouluttaa ja ohjeistaa teidät tekemään itse mallinnuksia, tai voimme tehdä teille mallinnukset palveluna. Jos sinulla on valmiita ilmakuvaus tai dronekuvaus -aineistoja, niin ole yhteydessä, niin tehdään sinunkin kaupungista tai kunnasta kaupunkimalli kustannustehokkaasti!

Ota yhteyttä: Jarkko.Sireeni@xd-visuals.fi

Lisätietoja Tampereen kaupunkimallista

Tässä blogissa linkitetyt mallit on xD Visuals Oy tekemiä omia laskentoja, jotka syntyivät työnkulkujen kehittämisen ohessa, eivätkä ole virallisia Tampereen kaupunkimalleja. Tampereen kaupunki on tekemässä heidän omaa virallista laajempaa mallinnusta, joka liitetään myöhemmin osaksi Tampereen karttapalvelua. Lisätietoja Tampereen kaupunkimallista antaa:

Janne Lindberg, Tietohallintokoordinaattori, Tampereen kaupunki

Rodrigo (Roope) Coloma, Tietomallikoordinaattori, Tampereen kaupunki

Mitä seuraavaksi?

Nyt kun kaupungin nykytilanne on mallinnettu ja se on netissä avoimesti saatavilla, niin mitä seuraavaksi? Ainakin haluamme tuoda kaupungin tulevaisuudennäkymät ja kaupunkikehittämisen suunnitelmat osaksi kaupunkimallia. Kehitämme paraikaa työkaluja, joilla suunnitelmien tietomallit ja esittelymallit voidaan lisätä netissä oleviin kaupunkimalleihin. Tästä lisää myöhemmin…

Jos sinulla on hyvä idea kaupunkimallin hyödyntämiselle, xD Visuals Oy voi olla sinulle oikea kumppani sen toteuttajaksi. Teemme räätälöityjä ohjelmistoratkaisuja, jotka hyödyntävät mm. tässä artikkelissa kuvattuja avoimia tekniikoita.

Ota yhteyttä, niin kerron lisää!

Jarkko Sireeni
CEO, xD Visuals Oy