Semantiikka mullistaa 3D-kaupunkimallin käyttömahdollisuudet

Kirjoittaja: Katri Isotalo, katri.isotalo@viestintaisotalo.fi

Artikkelin pdf-versio

3D-kaupunkimalli oopperatalon ympäristöstä.

Helsingin uusi 3D-kaupunkimalli kertoo sekä visuaalisesti että sijaintitarkasti Meilahden sairaala-alueen helikopterikentän paikan (kuva: Helsingin kaupunki, www.hel.fi/3d)

Maailman edistyksellisimmän semanttisen kaupunkitietomallin odotetaan kutkuttavan mielikuvitusta ja parantavan suunnittelua.

Helsinki on ottanut ensimmäisenä kaupunkina maailmassa yhtäaikaisesti käyttöön kaksi uuden sukupolven 3D-kaupunkimallia: älykkään semanttisen kaupunkitietomallin ja visuaalisesti korkeatasoisen kolmioverkkomallin. Molemmissa malleissa näkyy koko kaupunki saarineen.

”Olimme itsekin yllättyneitä, että vastaavaa ei ole kukaan aiemmin tehnyt”, kertoo hankkeen projektipäällikkönä toiminut arkkitehti Jarmo Suomisto Helsingin kaupunginkansliasta.Uutta koko kaupungin kattavuuden lisäksi on mallien julkaisu avoimena datana.

Helsingin tavoitteena oli laatia nykyaikainen koko kaupungin kattava 3D-malli, jotta laskelmia ja visualisointeja esimerkiksi täydennysrakentamisen ja liikenteen vaikutuksista voidaan tehdä koko kaupungin laajuudelta. Kolmioverkkomalli saatiin samaan yhteyteen Suomiston mukaan vähän sivutuotteena. Eli hyvää yritettiin, mutta priimaa tuli.  

Semanttinen malli pitää sisällään rakennuksen geometrian lisäksi kohteiden ominaisuustiedot. Sen tietosisältöä voidaan edelleen rikastaa lisäämällä tehtyjen analyysien tulokset kohteen ominaisuustiedoksi tietokantaan.

Helsingin kaupunkitietomalli perustuu CityGML-standardiin, ja työssä on käytetty useita avoimen lähdekoodin sovelluksia. CityGML-luokituksen mukaan rakennusten tiedot ovat LOD 2-tasoa. Helsinki on myös liittynyt Open Geospatial Consortiumiin (OGC), joka vastaa globaalista kaupunkimallien 3D-standardisoinnista. Projektissa saatiin samalla rakennukset Inspire-yhteensopiviksi.

Montako kuutiota vettä mahtuu parkkiluolaan?

Lista käyttökohteista, joissa uuden sukupolven kaupunkimalleja voi hyödyntää, yltää pitkälle. Semanttista kaupunkimallia hyödynnetään jo ainakin Alankomaissa tulvakartoituksiin ja -simulaatioihin sekä suojatoimenpiteiden suunnitteluun. ”Rotterdamissa on esimerkiksi laskettu, kuinka paljon tulvavettä mahtuu kaupungin parkkiluoliin”, Suomisto havainnollistaa.

Malleja voidaan käyttää myös melulaskentaan ja ilmansaaste-ennusteisiin sekä täydennysrakentamisessa merkittäviin näkyvyys- ja varjostustarkasteluihin. Koulutus- ja turva-ala hyödyntää kaupunkimalleja liikennesimulaattoreissa, saattueiden turvajärjestelyissä ja pommien räjäytysanalyyseissä. Saksassa kaupunkialueilta löytyy edelleen toisessa maailmansodassa räjähtämättä jääneitä pommeja. Ne räjäytetään etukäteen virtuaalisesti, jotta nähdään, kuinka laajalta alueelta ihmiset on evakuoitava ja rakennukset suojattava. Rakennusliike voi kaupunkimallin ansiosta kertoa kuinka monesta asunnosta on merinäköala ja onko näköala esteetön vai rajoitettu. Käyttäjiä löytyy myös matkailun, navigaation, pelastustoimen, televerkkojen rakentamisen ja muun elinkeinoelämän alueelta sekä kiinteistöhallinnasta ja aluesuunnittelusta.

Suomessa yksi lupaavimpia käyttökohteita on Suomiston mielestä aurinkoenergiasovellukset. Semanttinen malli kertoo, mitkä osat kuvaavat rakennuksen kattoa tai seiniä. Seinä- ja kattopinnat on analysoitu aurinkoenergiapotentiaalia varten kahden metrin gridillä Münchenin teknisessä yliopistossa. Säteily voidaan laskea suorana säteilynä, hajasäteilynä tai kokonaissäteilynä kuukausittain. 

”Meidän 80 000 rakennuksen kokonaisuus oli sopivan kokoinen aineisto, jonka laskenta kiinnosti yliopiston väkeä niin, että saimme työn nimellisillä kustannuksilla”, Suomisto kertoo tyytyväisenä. Helsinki on ensimmäinen kaupunki, johon tätä uutta aurinkoenergialaskentaa sovelletaan.   

Mittatarkka kolmioverkkomalli helpottaa tapahtumien järjestelyjä

Mittatarkkaa kolmioverkkomallia eli teksturoitua kolmioverkkoa varten otettiin 50 000 ilmakuvaa kesällä 2015. Maastoresoluutioltaan 10 x 10 cm aineiston laskenta kolmiulotteiseksi malliksi kesti tehokkailla koneilla kolme kuukautta. Mittatarkkuuden ansiosta esimerkiksi tapahtumatuottaja voi suunnitella tapahtuma-alueen tarkasti poistumisteitä ja bajamajojen sijainteja myöten. Visuaalisesti kolmioverkkomalli tuo kaupunkimalliin pienetkin rakennukset, laivat ja puut kuvaushetken mukaisesti.

Alkusysäyksen kaupunkimallinnukseen Helsingissä antoi 1980-luvulla Kampin-Töölönlahden ideakilpailu. Kun kilpailun tulokset sijoitettiin malliin ja suunnitelmia katsottiinkin muualta kuin Mannerheimintieltä, kohtasivat myös kilpailuun osallistuneet arkkitehdit yllätyksiä. Töölönlahden suunnittelun tueksi ja useiden arkkitehtuurikilpailujen lopputulosten yhteensovittamiseksi kaupunkisuunnitteluvirasto toteutti vuonna 1999 Töölönlahden alueen virtuaalimallin.

Sekä ohjelmistot että mittaustekniikka ovat ottaneet noista ajoista pitkän loikan. Tänä päivänä semanttinen CityGML-malli generoidaan lähes automaattisesti 2D-kartan rakennuspohjakuviosta ja pistepilviaineistosta. Aiemmin mallinnustyö tehtiin täysin manuaalisesti paperikarttojen ja rakennuspiirustusten avulla.

Uuden sukupolven kaupunkimalleja tehtiin Helsingissä kaksi vuotta. Tuotannosta yksi kolmasosa on tehty kaupungin omana työnä ja kaksi kolmasosaa teetettiin talon ulkopuolella, pääosin Keski-Euroopassa, jossa kolmiulotteisen tiedon esittämiseen kehitetty CityGML on tuttu ja tunnettu. Kolmioverkkoa varten otetut valokuvat prosessoitiin kaupunkimalliksi Pariisissa. Rakennusten geometria- ja semantiikkamallinnus on tehty Berliinissä ja rakennusten tekstuuri Itävallassa. Kantakartasta saatavat kivijalkavektorit eli geometriatiedot ja pistepilvistä saadut kattopintatiedot yhdistyivät Saksassa EU-tuella kehitetyllä ohjelmistolla. Helsingissä työstä vastasi projektipäällikkövaljakko Jarmo Suomisto ja Kari Kaisla apunaan korkeakouluharjoittelija Enni Airaksinen. 

”Suomessa ei valitettavasti opeteta 3D-kaupunkimallinnusta riittävästi yliopistoissa, mutta toivottavasti meidän mallimme vie osaltaan kehitystä eteenpäin”, Suomisto toteaa.
Parhaillaan Helsingin yliopistossa tehdään kaupungille puustotulkintaa laserkeilausaineistosta. Päivitetyn puurekisterin puut voidaan sijoittaa tietomalliin, ja näin voidaan laskea esimerkiksi puurivistön vaikutus liikenteen meluvallina. 

Pelillisiä pilotteja asukkaille ja yrityksille

Havainnollistaakseen kaupunkimallin mahdollisuuksia Helsinki on tehnyt aurinkoenergia-analyysin lisäksi pilottihankkeita muun muassa rakennusten energiankulutuksen havainnollistamisesta, tietomallien yhteiskäytöstä rakentamisessa, Aleksanterinkadun huoltotunnelista ja Oulunkylän asemanseudun kehittämisestä.

Oulunkylän asemanseudusta tulee Raidejokerin myötä joukkoliikenteen solmukohta, ja Ogelikoneeseen on laadittu kolme vaihtoehtoista esitystä siitä, miten aseman ympäristöä voisi rakentamisella tiivistää. Periaatteelliset rakennemallit näytetään 3D-malleina vaalikoneen tavoin: annettujen vastausten perusteella kone näyttää, mikä vaihtoehdoista kuvaa parhaiten omia toiveita. Ogelikone avautuu yleisölle kevään aikana.

Aleksanterinkadun huoltotunnelin käytön tehostamiseksi tehdyllä tietokonepelimäisellä sovelluksella voi puolestaan tutustua tunnelin sisäänajoreitteihin ja liikkumiseen itse tunnelissa. Tavoitteena on saada Aleksin jakeluliikennettä siirrettyä kadulta tunneliin.  
Pilotit eivät ehkä ole sovellusten järeimmäistä päästä, mutta Helsinki haluaa varmistaa, että mallien mahdollisuudet ymmärretään ja niitä aletaan hyödyntää. Esimerkiksi Saksassa on Suomiston mukaan laadittu paljon hienoja kaupunkimalleja, joiden hyötykäyttö on vähäistä.

Suurimmat hyödyt tuo integrointi

Helsingilläkään ei ole päätöstä siitä, miten kaupunkimallia ylläpidetään. Varteenotettava vaihtoehto voisi olla ilmakuvaus kahden vuoden välein. ”Kaikki uusi suunnittelu tehdään diginä. Ylläpidon tietovirta syntyy pienistä digitaalisista puroista”, Suomisto uskoo.

Suurimmat ja varmimmat hyödyt ainakin lyhyellä aikavälillä kaupunkimalleista saadaan, kun ne integroidaan kaupungin omiin tuotanto- ja palveluprosesseihin. Realistisemmat aikataulut, virheiden väheneminen, digitalisoidut toimintaketjut ja reaaliaikainen tiedonkulku ovat suoria hyötyjä. Lisäksi kaupungin käyttämät konsultit saavat käyttöönsä tasalaatuisen ja tarkan mallialustan eikä aikaa tarvitse eikä saa käyttää mallinnustyöhön. Kaupunkimallin käyttö CAD-pohjana pitäisi pudottaa konsulttityön hintaa useita kymmeniä prosentteja.  Lopputuloksena pitäisi olla myös entistä parempi kaupunkiympäristö.

Avoimen kaupunkimallidatan toivotaan tuottavan myös uusia innovatiivisia palveluja. Markkina-alueen muodostavat CityGML:n ansiosta kaikki ne Euroopan suuret kaupungit, jotka käyttävät avointa kaupunkimallistandardia. Euroopan ulkopuoleltakin standardin käyttäjiä löytyy. Tietomalliaineiston ominaisuustietoihin voi tehdä vapaasti kyselyjä.

”Meillä on Suomessa paljon puhuttua ja osaavaa peliteollisuutta. Toivon, että osaamista käytettäisiin myös hyötypelisovelluksiin”, Suomisto sanoo.

Helsingin 3D-kaupunkimallisivut: www.hel.fi/3D ja katselu- ja latauspalvelu http://kartta.hel.fi/3d

Näin mallit tehtiin

CityGML-muotoisen kaupunkitietomallin lähtötietoina ovat kaupungin kartta- ja paikkatietoaineistot, rekisterit, laserkeilauksella saadut pistepilvet, ilmavalokuvat sekä rakentamisen tietomallit. Tietomallin ylläpidon ja käytön kannalta on tärkeää, että mallin kohteet vastaavat kartoilla esitettäviä kohteita. Esimerkiksi rakennusten pohjakuvion tulee mallissa perustua kantakartan pohjakuvioon. Helsingin perinteiset kartta-aineistot (muun muassa kantakartta) ovat osittain vielä kaksiulotteisia, mutta niitä voidaan hyödyntää 3D-kaupunkimallin rakentamisessa.

Rakennusten 2D-pohjakuvio saadaan oikeaan korkeustasoon siirtämällä se luokitellusta pistepilvestä työstetylle maanpintamallille. Näin voidaan tehdä myös muille karttakohteille, esimerkiksi puille. Kohteille saadaan korkeus käyttämällä toista pintamallia; tämä luodaan pistepilvestä, johon on otettu mukaan vain rakennuksiin osuneet pisteet. Pohjakuviot ”pursotetaan” tällä pinnalle, jolloin rakennuksiin syntyvät seinät.

Rakennusten kattomuodot tulkitaan niin ikään pintamallista ja kirjastosta sijoitetaan rakennukselle parhaiten sopiva katto. Rakennusten ohella tietomalli kattaa ensimmäisessä vaiheessa maanpinnan, vesistön, sillat ja puut.

Kolmiulotteinen kolmioverkkomalli eli mesh-malli on tuotettu sovelluksella, jolle on annettu lähtötietoina pääasiassa kuvasarjoja, jotka sovellus on rekonstruoinut teksturoiduksi kolmioverkoksi. Sovellus muodostaa kuvista lähes automaattisesti 3D-malleja.
Verkkomallin muodon tarkkuus riippuu kolmioverkon tiheydestä. Mallin automaattinen laskenta perustuu vastinpisteiden löytämiseen kuvilta, minkä vuoksi heijastavia, peilaavia tai liikkuvia pintoja ei pystytä mallintamaan oikein.

Helsingin kolmioverkkomallissa näyttäytyy kaupunki kesällä 2015. Helsingin kaupungin kattava kolmioverkkomalli on kooltaan yksi suurimpia yhtenäisiä kolmioverkkomalleja maailmassa? Yli neljänsadan neliökilometrin alueelta löytyvät myös lukuisat Helsingin edustan ja ulkosaariston saaret. Helsingin lentokeilaukset on tehty noin puolen kilometrin lentokorkeudesta, jolloin laserpisteitä saadaan noin 20 kappaletta neliömetriä kohden. Jokaiselle pisteelle saadaan sijainti alle 10 cm:n tarkkuudella. (Teksti: Helsingin kaupunki).