О трехмерной модели городского пространства Санкт-Петербурга

АВРУТИН В.Д., РУДЕНКО В.Ю., ООО «Институт территориального развития», г.Санкт-Петербург

ЛОМТЕВ А.Ю., ООО «Институт прикладной экологии и гигиены», г.Санкт-Петербург

3D Model of St. Petersburg City Environment

Трехмерная модель городского пространства Санкт-Петербурга (далее Модель) разработана ООО «Институт территориального развития» (далее ООО «ИТР»).

При подготовке Модели были определены базовые требования, которым должна удовлетворять Модель, как высокоточный геоинформационный инструмент, предназначенный для эффективного использования как органами государственной власти, так и юридическими и физическими лицами, а именно:

1. Необходимость и достаточность информационных ресурсов, наборы и комбинации которых позволят решать задачи государственного управления в области территориального развития и обеспечивать компромисс между инициативой конкретного инвестора и интересами всего общества.
2. Распространенность и общедоступность программных средств, обеспечивающих, кроме прочего, многопользовательский доступ, доступ на основе WEB-ресурсов и устойчивую работу с промышленными СУБД.
3. Универсальность форматов представления информационных ресурсов для обеспечения возможности обмена с другими ГИС и средствами автоматизированного проектирования.
4. Соблюдение требований секретности.
5. Точность.
6. Методичность в построении 3D модели, как базы геоданных, в целях последующего развития самой модели города, формирования стандартов и, возможно, технических регламентов на трехмерное представление реального мира (на федеральном уровне).

Модель создана в электронном виде на основе актуального топографического плана М1:10000 с уточнением планово-высотных характеристик отдельных элементов по данным дистанционного зондирования (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент топографического плана М1:10 000.

Касаясь вопросов точности, следует отметить, что в условиях отсутствия ГОСТов и технических регламентов в отношении трехмерного построения моделей территории, при создании Данной Модели в качестве оценочных критериев использованы не заданные одинаковые параметры точности планово-высотных характеристик в отношении всех элементов, а максимально достижимые показатели, определенные в отношении каждого информационного ресурса и/или его характеристик индивидуально в процессе создания модели (рис. 2).

    
Рис. 2. Точки фотограмметрических измерений, характеризующие высотные параметры объектов модели – рядовых строений, зеленых насаждений, труб, инженерных сооружений и пр.

Для разработки и последующего представления Модели использована программная платформа ArcGIS. Данный программный продукт и дополнительные модули разработаны компанией ESRI^®, лидером в создании и продвижении ведущих геоинформационных систем, с учетом передовых тенденций развития информационных технологий. Эта платформа является оптимальным решением для создания ГИС-моделей больших территорий. ArcGIS построена на основе открытых стандартов компьютерной отрасли (включая современные объектные архитектуры COM, .NET, Java, XML, SOAP), что обеспечивает поддержку общепринятых стандартов, гибкость предлагаемых решений, широкие возможности редактирования пространственных данных. Отличительной особенностью применяемой ГИС является ее широкая распространенность, а также отсутствие необходимости специальной технической поддержки на протяжении всего цикла формирования геоинформационных данных.

В модели представлены следующие элементы городского пространства Санкт-Петербурга:

•  рельеф (рис. 3-4)
• здания и сооружения с подразделением на наиболее значимые, являющиеся высотными доминантами, средовыми ориентирами, ключевыми объектами визуальной охраны и исторически значимыми архитектурными ансамблями, определяющими облик Санкт-Петербурга, сформированные в виде каркасных трехмерных моделей, а также прочие здания и сооружения, представленные в виде трехмерных контуров (рис. 5-10)
• зеленые насаждения, элементы гидрографии, улично-дорожная сеть (рис. 11-12)
• мосты, виадуки, путепроводы (рис. 13-16)
• дымовые трубы, градирни, воздушные линии электропередач (опоры) (рис. 17, 18)

Рис. 3. Рельеф, представленный в виде TIN, элементы гидрографии.

Рис. 4. Рельеф в виде TIN, железнодорожные пути, инженерные сооружения, элементы гидрографии.

Рис. 5-10. Средовые ориентиры (выдающиеся строения) в виде каркасных высокополигональных моделей, горизонтальные проекции фундаментов рядовых строений, «вытянутые» на соответствующую высоту, зеленые насаждения, улично-дорожная сеть, мосты, элементы гидрографии.

Рис. 11. Зеленые насаждения в виде 3D символов деревьев, отмасшабированные в соответствии с высотными характеристиками древостоя по высоте.

Рис. 12. Элементы гидрографии, улично-дорожная сеть (в информационном окне показаны атрибуты выделенного объекта улично-дорожной сети).

Рис. 13. Модель моста (Троицкий мост), элементы гидрографии, средовые ориентиры (Петропавловская крепость).

Рис. 14. Модели виадука, моста (Ушаковская развязка); телерадиобашня.

Рис. 15. Модель моста (Большеохтинский мост).

Рис. 16. Модели мостов (Дворцовый, Биржевой).

Рис. 17. Опоры воздушнных линий электропередачи; элементы улично-дорожной сети; горизонтальные проекции фундаментов рядовых строений, вытянутых на соответствующую высоту.

Рис. 18. Дымовые трубы, горизонтальные проекции фундаментов рядовых строений, вытянутых на соответствующую высоту.

Основным результатом использования модели являются предоставляемые ею возможности по оценке восприятия проектируемых объектов в створе охраняемых в соответствии с действующим законодательством панорам (макроуровень), и/или на фоне окружающей застройки (микроуровень), рис. 19-21.

    
Рис. 19, 20. Оценка восприятия проектируемых объектов в створе охраняемых панорам (микроуровень).

Рис. 21. Оценка восприятия проектируемых объектов на фоне окружающей застройки (макроуровень).

В соответствии с этим, она может использоваться при решении вопросов рассмотрения объемно-пространственных решений развития отдельных территорий города и/или отдельных зданий и сооружений на этапах подготовки (корректировки), а также мониторинга Генерального плана Санкт-Петербурга и Правил землепользования и застройки Санкт-Петербурга; документации по планировке территории; проектной документации на строительство (реконструкцию) отдельных объектов; предоставления разрешений на отклонения от предельных параметров разрешенного строительства, реконструкции объектов капитального строительства в части предельной высоты зданий и сооружений, а также при рассмотрении указанных вопросов на публичных слушаниях, заседаниях градостроительного совета и комиссии по землепользованию и застройке.

Основные результаты работы Модели могут быть представлены в виде:

• статических изображений панорам существующей и проектируемой застройки с заданных произвольным образом точек (рис. 22)
• зон видимости на территории города объектов существующей и проектируемой застройки заданной высоты (рис. 23)
• видеоизображений панорам существующей и проектируемой застройки с заданных произвольным образом маршрутов, а также в виде числовых значений превышения высоты оцениваемых объектов над исторической застройкой в створе охраняемых панорам.

Рис. 22. Изображение панорамы существующей и проектируемой застройки с произвольной точки.

Рис. 23. Схема зон обратной видимости объекта заданной высоты, предполагаемого к размещению.

Модель была положена КГА и Комиссией по землепользованию и застройке Санкт-Петербурга в основу при оценке допустимых значений «локальных увеличений предельной высоты зданий, строений сооружений» в составе Правил землепользования и застройки Санкт-Петербурга (рис. 24).

Рис. 24. Фрагмент альбома, положенного в основу историко-культурной экспертизы, выполненной ГУ «НИПЦ Генплана Санкт-Петербурга» и согласованной КГИОП.

Представители ООО «ИТР» являлись членами рабочей группы по указанному вопросу. Материалы, подготовленные с помощью Модели, в виде изображений «локальных увеличений предельной высоты зданий, строений сооружений» на фоне охраняемых в соответствии с действующим законодательством панорам были положены в основу историко-культурной экспертизы, выполненной ГУ НИПЦ Генплана Санкт-Петербурга и согласованной КГИОП (рис. 25).

Рис. 25. Пример корректировки значений «локальных увеличений предельной высоты зданий, строений сооружений» по результатам деятельности рабочей группы.

Актуальность скорейшего внедрения Модели в практику градостроительной деятельности в Санкт-Петербурге связана с рядом положений Правил землепользования и застройки Санкт-Петербурга, для реализации которых необходимо проведение «оценки видимости планируемых к строительству (реконструкции) зданий (сооружений) на фоне охраняемых панорам (макроуровень) и на фоне окружающей застройки (микроуровень), осуществленной в соответствии с методикой, выполненной в соответствии с требованиями законодательства в сфере охраны объектов культурного наследия и утвержденной органом градостроительства Санкт-Петербурга».

Основными направлениями развития Модели являются уточнение планово-высотных характеристик объектов в привязке к М 1:2000, 1:500, а также уточнение отображения в Модели формы крыш зданий, расположенных в центральной и прилегающих к ней частях города, в первую очередь – в створах охраняемых в соответствии с действующим законодательством панорам. В настоящее время Модель широко используется ООО «ИТР» при подготовке материалов по оценке видимости отдельных объектов, планируемых инвесторами к размещению на территории города. В рамках выполнения таких работ сведения базовой модели о местоположении и геометрических характеристиках зданий и сооружений, окружающих рассматриваемый объект, а также о зданиях и сооружениях, расположенных в створах охраняемых в соответствии с действующим законодательством панорам в направлении рассматриваемого объекта, дополняются и уточняются.

По результатам разработки Модели с применением различных средств и методов получения данных дистанционного зондирования (фотограмметрические измерения по результатам аэрофотосъемки, наземное лазерное сканирование, тахеометрические измерения, ортогональные фотоснимки) и использовании топографических материалов, а также ее практического применения можно сделать следующие В Ы В О Д Ы:

I. Для моделирования различных объектов реального мира в качестве Базовых пространственных данных (БПД), интегрируемых посредством планово-высотной привязки в базовую модель городского пространства, необходимо использовать различные средства и методы. Критериями выбора того или иного средства являются необходимость и достаточность информации для отображения как базовой геометрии объекта (внешний периметр объекта), так и отдельных его элементов (оконные и дверные проёмы, арки, фронтоны, декоративные элементы, характерные инженерные элементы и т.п.). В свою очередь, «необходимость» определяется заданной, исходя из решаемых задач (макро-, микро- уровень оценки), точностью, а «достаточность» – временными и материальными затратами на получение информации с заданной точностью.

Примеры:

1. Уникальные исторические здания и сооружения, обладающие сложной геометрией и большим количеством характерных элементов, что в совокупности с назначение объекта определяет его культурную значимость, необходимо моделировать с максимальной точностью, используя наземное лазерное сканирование с высокой плотностью точек лазерных отражений. Данный метод позволяет не только точно представить объект в базовой модели городского пространства, но и обеспечит создание электронного трехмерного паспорта, что в совокупности с фотоматериалами и историческими чертежами и описаниями расширит возможности сохранения культурного наследия (рис. 26).

Рис. 26. Пример уникального исторического здания, представленного в виде высокополигональной каркасной модели по материалам наземного лазерного сканирования.

2. Здания, не являющиеся типовыми, обращенные фасадными частями на основные городские улицы, проспекты и площади, достаточно моделировать по результатам тахеометрических измерений основных элементов (основание, конёк, карниз и т.п.), комбинируя с ортогональными фотоснимками (рис. 27).

Рис. 27. Модель нетипового здания, отмоделированного по результатам тахеометрических измерений основных элементов (основание, конёк, карниз), комбирированных с ортогональными фотоснимками.

3. Здания, являющиеся типовыми, обращенные фасадными частями на основные городские улицы и проспекты, обладающие плоской крышей, достаточно моделировать по результатам фотограмметрических измерений высоты, комбинируя с ортогональными фотоснимками (рис. 28).

Рис. 28. Модели типовых зданий, обладающих плоской крышей, отмоделированные по результатам тахеометрических измерений, комбирированных с ортогональными фотоснимками.

4. Здания, расположенные в дворовых территориях, не являющиеся средовыми ориентирами:

• с плоскими крышами – достаточно моделировать по результатам фотограмметрических измерений высоты, присваивая основной материал (цвет) по фотоснимкам;
• с неплоскими крышами – достаточно моделировать по результатам тахеометрических измерений основных элементов, присваивая основной материал (цвет) по фотоснимкам (рис. 29).

Рис. 29. Модели типовых зданий (не являющиеся средовыми ориентирами и расположенные в дворовых территориях) с плоскими и неплоскими крышами.

5. Опоры высоковольтных воздушных ЛЭП достаточно моделировать классифицированными по напряжению условными трехмерными знаками, построенными в САПР на основе соответствующих ГОСТов, и при планово-высотной привязке разворачивать основную плоскость опоры перпендикулярно трассировке ЛЭП.

Комментарий: Необходимость применять инструментальные средства измерения (тахометр, лазерный сканер и т.п.) при построении трехмерных моделей зданий обуславливается тем, что сложная геометрия некоторых зданий и сооружений, сосредоточенных, в основном, в центральной части города, в значительной степени определяет видимость – в общем, и характер визуального восприятия – в частности, как существующих объектов городской среды относительно друг друга, так и предполагаемых к строительству объектов относительно существующей застройки. Фотограмметрические измерения не во всех случаях позволяют построить детальную модель сложного в геометрическом смысле архитектурного или инженерного объекта. Руководствуясь практическим опытом получения исходных данных, построения и применения базовой трехмерной модели городского пространства, разработчики оценивают затраты времени на моделирование всех зданий в центральной части Санкт-Петербурга площадью 250кв.км, включая инструментальные измерения (замена экструдированных полигонов – плановых контуров зданий – точными трехмерными моделями), в 6-8 месяцев при стабильном финансировании.

II. При моделировании базового рельефа в целях проецирования на него всех остальных объектов, а также в целях точного статического позиционирования «наблюдателя» и построения динамических маршрутов обзора необходимо использовать не только данные, полученные с топографической карты масштаба 1:10.000, но и данные с топографических материалов более крупных масштабов (1:2.000; 1:500). При такой комбинации информационных источников необходимо придерживаться принципа «территориального замещения» для исключения противоречий в исходных данных. Подобные противоречия могут привести к некорректности построения рельефа.

Примеры:

1. Рельеф под крупными массивами древесной растительности и рельеф открытых пологих незастроенных территорий (поля, обширные пустыри, луга, заболоченные территории и т.п.) достаточно моделировать по данным топографической карты масштабы 1:10.000.

2. Рельеф относительно пологих застроенных территорий за пределами исторического центра, не предполагаемых к освоению и/или реновации в ближайшей перспективе, необходимо и достаточно моделировать по топосъемке масштаба 1:2000.

3. Рельеф центральной части города, а также территорий с большим количеством ярко выраженных изменений высотных отметок (характеризующих набережные, мосты, насыпи, пандусы, объекты гидрографии, подпорные стенки, значительные уклоны дорог и т.п.) необходимо моделировать по топосъемке масштаба 1:500.

III. В целях обеспечения актуальности базовой трехмерной модели городского пространства необходимо обеспечить мониторинг исходных данных модели. Период обновления модели должен соответствовать параметрам времени изменения исходных данных модели и может устанавливаться для разных групп объектов модели (или их характеристик) индивидуально.

Примеры:

1. Строительство капитальных объектов занимает многие месяцы.
2. Монтаж опор воздушных ЛЭП занимает несколько месяцев.
3. Снос или посадка древесной растительности занимает недели.
4. Имущественно-правовой статус объекта капитального строительства может измениться за несколько дней.

IV. Для обеспечения большей достоверности и узнаваемости при отображении плоскостных объектов реального мира в базовой трехмерной модели города можно использовать растровое изображение, спроецированное на рельеф, полученное посредством «загрубления» ортофотопланов (в целях соблюдения требований секретности) или использования космических снимков (рис. 30).

Рис. 30. Космический снимок, спроецированный на рельеф; горизонтальные проекции фундаментов рядовых строений, «вытянутые» на соответствующую высоту (скриншот из ArcGlobe (3D Analyst) с включенной функцией тумана для повышения реалистичности).

Пример:

Комбинация векторного отображения улиц (с условной шириной) с их растровым отображением позволяет идентифицировать улицу как через обращение к атрибутивной таблице векторного слоя, так и путем интеллектуального анализа, визуально воспринимая реальные очертания и характерные детали, отображённые на растровом слое (рис. 31).

Рис. 31. Пример комбинации векторного отображения элементов улично-дорожной сети с их растровым отображением в целях сохранения возможности идентификации объектов при одновременном повышении уровня визуального восприятия.

Кроме сформулированных выше методических рекомендаций в виде выводов, сделанных на основе практического опыта построения и использования базовой трехмерной модели городского пространства, представляется целесообразным использовать для повышения точности и актуальности модели точки лазерных отра­жений, полученные по результатам воздушного лазерного сканирования, которое было выполнено в 2008 году по заказу Правительства Санкт-Петербурга.

Примеры:

1. Уточнение рельефа посредством применения GRID-анализа, присваивая текущей ячейке GRIDа минимальное значение координаты Z (в Балтийской системе высот) из множества точек лазерных отражений, чьи плановые координаты (X и Y) ограничены текущей ячейкой. Предварительно должна быть произведена классификация точек с целью выделения только тех, которые отразились от рельефа. При этом часть рельефа, расположенная под зданиями и сооружениями, достраивается сплайном. Данная работа должна быть выполнена с соблюдением требований секретности, предъявляемых к геодезическим, топографическим и картографическим работам.
2. Использование точек лазерных отражений, полученных при воздушном лазерном сканировании, в качестве альтернативного или дополнительного информационного источника (по отношению к наземному лазерному сканированию, тахеометрическим измерениям, фотограмметрическим измерениям) для построения трехмерных моделей зданий и сооружений.

Дополнительные направленияразвития трехмерной модели городского пространства Санкт-Петербурга:

1. Поиск новых областей применения

•  использование для хранения, обработки и представления пространственных данных по подземным инженерным и транспортным системам (инженерные сети, тоннели, шахты, объекты метрополитена и пр.);
• использование при проведении экологических расчетов: учет рассеивания загрязняющих веществ в модели, определение параметров инсоляции, выполнение акустических расчетов с учетом реальной застройки, оценка рисков для здоровья населения; оценка рисков при прогнозировании чрезвычайных ситуаций и пр.

2. Перенос модели на сервер пространственных данных

•  многопользовательский доступ и редактирование;
•  упрощение внесения изменений в пространственные слои за счет расширенных возможностей управления данными через технологию ArcSDE;
•  построение дерева истории модели (например, для пользователя модели появится возможность просмотреть состояние городской среды в указанную дату, наблюдать градоформирующие процессы и пр.);
•  публикация фрагментов модели в internet/intranet с ограничением по территории и набору слоев.

Иллюстрации к статье сняты с экранов рабочих станций (персональных компьютеров).

Холдинг Агентство Территориального Развития включает в себя Институт территориального развития, Институт прикладной экологии и гигиены и Институт географических информационных технологий. Каждый из институтов имеет свою специализацию в соответствии с основными направлениями их деятельности, а во взаимодействии институты успешно дополняют друг друга, что позволяет комплексно, в сжатые сроки разрабатывать проекты любого уровня сложности в сферах градостроительного и архитектурно-строительного проектирования, экологии и гигиены, а также географических информационных технологий. Дополнительную информацию можно получить на веб-сайте http://www.atr-sz.ru, по e-mail: atr-sz@atr-sz.ru, тел.: +7 812 4994400.