Kolmemõõtmeline maailm GIS-is


Traditsiooniline GIS tegeles kaua ainult kahemõõtmelises keskkonnas. Samas ei ole maapind tasane ning kahest koordinaadist alati ei piisa, et iseloomustada mingit nähtust. Sageli tuleks juurde tuua ka kõrgusega seotud mõõde. Paljusid küsimusi ei ole võimalik lahendada ainult kahemõõtmelises vaates – kolme mõõtmega visualiseerides saab leida seoseid erinevate nähtuste vahel ja analüütilised GIS-vahendid suudavad muuta need seosed vastavaks mudeliks. Kolmemõõtmeline simulatsioon loob arusaamise, kuidas mingid süsteemid toimivad. Uuritavad on erinevad perspektiivid, kuhu on lisatav juurde kõrgekvaliteetne visualiseerimine ja interaktiivsus. Visuaalne efekt võimaldab paljudel inimestel (sh neil, kel kokkupuude GIS-iga üldiselt puudub) tõlgendada andmeid lihtsamalt ja nendest paremini aru saada. GIS, mis on traditsiooniliselt kasutanud ruumiliste seoste uurimiseks 2D kaarte, pakub üha enam efektseid lahendusi mägede, orgude, majade profiilide ja teiste kolmemõõtmeliste objektide omavaheliste seoste presenteerimiseks. Lisaks on teostatavad rida analüüse (nt mahtude arvutus, vaateväljade leidmine jm).

Üldiselt 3D GIS-ist

3D vaade loob realistliku simulatsiooni konkreetsest situatsioonist, keskkonnast, kriisiolukorrast, et toetada planeerimist ja ennetavat tegevust. Kolmemõõtmeliste andmete analüüside komplekssus kasvab võrreldes kahemõõtmelistega eksponentsiaalselt. Taoliste andmetega tegelemiseks ongi 3D GIS loodud.

Andmed ja mudelid GIS-is jagunevad dimensioonide põhjal järgmiselt:

  • 2D – põhineb tavalisel tasapinnalisel ristkoordinaatsüsteemil (x, y);
  • 2,5D – on põhiline enamikus GIS-ides. Sel juhul modelleeritakse pinda või maastikku läbi x,y ja atribuudiväärtuse;
  • 3D – kahemõõtmelise punkti, joone või pinna esitust laiendatakse, lisades z-koordinaadi;
  • 4D – lisades aja, saame neljanda mõõtme.

Põhilised kõrgusmudelid (kuigi neid kutsutakse tihti kolmemõõtmelisteks) on 2,5-mudelid – kolmas mõõde tuuakse sisse kõrgusatribuudi abil.

Nähtuste esitamiseks 3D GIS-is kasutatakse põhiliselt järgmisi andmetüüpe:

  • TIN (Triangulated Irregular Network – ebakorrapärane kolmnurkne tesselatsioon) – pind esitatakse erineva suurusega kolmnurksete tahkudena. Lubab lihtsalt interpoleerida väärtusi ja modelleerida;
  • Rastermudel – koosneb pikslitest, iga piksli väärtus iseloomustab näiteks maapinna kõrgust, lume paksust jne;
  • Vektorobjektid – punktid, jooned, pinnad, samuti erinevad spetsiaalsed geomeetriatüübid.

 

Joonis 1. Raster- ja TIN-mudel.

Ülaltoodud struktuuride vahel on võimalikud erinevad teisendused (nt TIN-mudel rastermudeliks jne).

Esri ArcGIS tarkvara kasutab lisaks tavalistele andmemudelitele (raster, TIN) ka terrain-andmehulka, mis oma olemuselt on mitmeresolutsiooniline TIN-andmestruktuur. See on tõhus vahend suure hulga punktide (LIDAR, SONAR, fotogramm-meetriliselt saadud andmed) visualiseerimiseks, analüüsiks ja haldamiseks. Terraini abil saab pindu luua lennult ja erinevate mõõtkavade korral on detailsuse aste erinev.

 

Joonis 2. Terrain-andmehulk erinevates mõõtkavades.

LIDAR andmed

Iseäranis aktuaalseks on 3D vaadete ja analüüside olukord muutunud seoses uute andmeallikate tekkimisega. Oluliseks märksõnaks on antud teema juures saanud LIDAR. Neid andmeid kasutades on võimalik teostada väga keerulisi ruumianalüüse ja teha efektseid visualiseerimisi.
Praeguseks on kogu Eesti kaetud kõrguspunktidega, mille keskmine vahemaa on 2 m ja vertikaalne viga maksimaalselt 20 cm. Selle baasil on koostatavad nii maapinna kõrgusmudelid, mis sisaldavad ainult maapinnapunkte (DTM – Digital Terrain Model), kui ka pinnamudelid, mis sisaldavad lisaks taimestikku, ehitisi jne (DSM – Digital Surface Model). Nende mudelite abil on võimalik määrata taimestiku tihedust ja kõrgust ning realiseerida ka keerukamaid analüüse.

 

Joonis 3. DTM ja DSM kõrgusmudelid.

Oluline on küsimus LIDAR-andmete töötlemisest. Senini oli probleemiks andmete haldamine, analüüsid ja levitamine. ArcGIS-il on alates versioonist 10.1 mitmeid uusi vahendeid, mis on arendatud spetsiaalselt LIDAR-andmetega töötamiseks. Nüüdseks on olemas ka vastav andmestruktuur – LAS-andmehulk, mis seob kokku palju .las-faile. Tänu sellele struktuurile on lihtne teha andmete statistilist analüüsi. Mudeli reaalsemaks muutmiseks on võimalik lisada erinevad vektorandmed (nt veejuhtmed) las-andmehulka. Lisandunud on andmehulkade sirvija, mis visualiseerib kiiresti punktipilve (kasutades lisaks kõrgusele ka klassifikatsiooni, peegelduse numbrit jne), mille kaudu saame vaadata andmeid mitte ainult kui punktipilve, vaid ka kui pinda, samuti kuvada neid (andmeid) koos vektorobjektidega. Andmeid on võimalik redigeerida – muuta klassi väärtusi otse las-failis. Saadud tulemused on jagatavad mosaiik-andmehulkadena.

Andmete loomine, haldamine ja 3D andmete kasutusalad

Andmete saamiseks on Esri ArcGIS 3D Analyst tarkvaraga võimalik nii teisendada oma 2D andmed 3D-sse kui ka luua andmed otse 3D-s. Ruumiandmeid hallatakse 3D keskkonnas (näiteks ei saa 2D-s vaadata vertikaalset joont, küll aga 3D-s – nt torud maja sees). Nähtusi saab redigeerida samuti selles keskkonnas ja lisada 3D komponente 2D andmetele. Täiendavalt on kasutatavad standardsed redigeerimisvahendid, mille kaudu 3D Analyst kaudu on koostatavad fotorealistliku tekstuuriga kompleksobjektid (hooned). 3D vaadete ilmestamiseks on kasutatavad erinevad spetsiifilised formaadid nii andmete impordiks kui ekspordiks (nt COLLADA, SketchUp jt).
Värvi lisab mitmesuguste 3D stsenaariumide loomine, kasutades juba olemasolevaid 2D andmehulki ja luues uusi 3D-s. On loodud 500 spetsiaalset 3D sümbolit (nt puude ja autode kui punktobjektide, torude kui joonobjektide, rohumaade kui pindobjektide sümbolid).

 

Joonis 4. 3D sümbolid.

ArcGIS Desktop laiendus 3D Analyst annab võimaluse visualiseerida andmeid, luua kõrgusmudeleid, kasutada erinevaid geotöötlusvahendeid. Laienduses sisaldub kaks spetsiaalset rakendust:

  • ArcScene – andmete kolmemõõtmelise visualiseerimise vahend, mis lubab luua perspektiivvaateid, navigeerida, genereerida animatsioone, hõlmab erinevaid geotöötlusvahendeid. Lubab 3D redigeerimist. Rakendus sobib väiksemate alade kohta;
  • ArcGlobe – Kolmemõõtmelise visualiseerimise vahend, mis tekitab gloobuspinna. On navigeerimisvahendid, mis lubavad määrata kõrguse ja vaatesuuna, nii et saab määrata perspektiivi. Saab navigeerida üldiselt vaatelt (gloobuse vaade) kitsasse piirkonda väga kiiresti. On võimalik liikuda nii maa all kui peal, väljaspool ehitist kui ka ehitise sees. Teostatavad on ülelennud ja animatsioonide tekitamine. Lubab samuti 3D redigeerimist. Erinevalt ArcScene-st mõeldud suuremate andmemahtude töötlemiseks. Tulemusi saab avaldada ArcGIS Serveri kaudu.

 

Joonis 5. ArcScene ja ArcGlobe.

ArcMap kui ArcGIS põhiline kaardirakendus lubab andmeid kuvada kahemõõtmeliselt, kuid võimaldab teha erinevaid analüüse, samuti 3D objektide digitaliseerimist. Lisaks on Esri-l tasuta tarkvara ArcGIS Explorer, mis on kaardiandmete brauser informatsiooni vaatamiseks.
Täpsete ja visuaalselt köitvate linnamudelite genereerimiseks on suurepärane vahend Esri CityEngine. See ArcGIS lisarakendus pakub professionaalidele erinevatest valdkondadest (arhitektuur, linnaplaneerimine, meelelahutus, GIS) unikaalset 3D keskkondade modelleerimise ja disainimise võimalust. Mudelite loomine toimub spetsiaalsete reeglistike ja protseduuride põhiselt. Kasutades ära olemasolevate 2D andmete ruumikujusid ja atribuute, saab defineerida 3D objektide täpsed parameetrid: hoone kõrgus, korruste arv, korruse kõrgus, katusetüüp, seinamaterjal.
CityEngine on terviklik lahendus 3D ruumiandmete loomiseks, haldamiseks ja kasutamiseks, mis muuhulgas toetab suurt hulka andmeformaate ning võimaldab teostada mitmesuguseid GIS-analüüse. Loodavasse 3D mudelisse saab lõimida nii olemasolevaid 2D kui 3D andmeid ning neid siis vastavalt vajadusele juba CityEngine keskkonnas täiendada. Lisaks ükshaaval 3D objektide tekitamisele on võimalik ehitada korraga suuri linnapiirkondi, automatiseerides hoonete genereerimist, tänavamööbli paigutamist, tekstuuride lisamist ja detailsete fassaadide loomist.

Kellel oleks oluline kasutada 3D-d? Nendeks võiksid olla:

  • Linnaplaneerijad ja -arendajad saavad visualiseerida projektide mõju ja näidata neid otsustajatele;
  • Kaevandusspetsialistid ja geoloogid saavad uurida pinnaaluseid struktuure ja arvutada pinnamahtusid;
  • Rajatiste valdajad saavad luua ja hallata ehitiste infrastruktuure ja tehnovõrke;
  • Insenerid võivad teha otsenähtavuse ja varjutusanalüüse ehitistele, tornidele;
  • Politsei ja turvafirmad saavad täiuslikuma pildi olukorrast;
  • Kaitseväelased saavad simuleerida missiooni, määrata lennumarsruute;
  • Keskkonnakaitsjad, metsamehed, insenerid saavad modelleerida maastikku, et leida nt veeäravoolu suunad või hinnata üleujutuste arengut;
  • Kohalikud võimud, linnaplaneerijad, kaitseorganisatsioonid saavad esitada kompleksseid küsimusi inimtekkeliste struktuuride kohta (eriti projekteeritavate rajatiste korral).

Kasutusalad ja võimalused kasvavad seda enam, mida rohkem on turul erinevat tüüpi andmeid ja vastavat tarkvara.

3D visualiseerimine

3D visualiseerimise lihtsamad meetodid on aerofotode kõrgusmudelile panemine, majade õigele kõrgusele tõstmine jne. Tihti saavutatakse visuaalne efekt analüüsi tulemusena (nt nõlvavarjutus).

2D andmeid visualiseeritakse 3D vaates, et parandada arusaamist ruumilistest seostest erinevate objektide vahel keskkonnas. Luuakse mulje, et olete kolmemõõtmelises keskkonnas. Saate visualiseerida raster-, vektor- või ka LIDAR-andmeid, et esitada 3D vaade. Erinevad kihid (aerofotod, vektorandmed) drapeeritakse kõrgusmudelile. On võimalik modelleerida valgusallika asukohta, vaatleja asukohta (nt lennukist), sisse tuua vertikaalseid liialdusi (rõhutamaks maastiku reljeefsust), venitada kahemõõtmelisi objekte kolmemõõtmeliseks (nt majad). On võimalik vaadelda suurt hulka andmeid ruumiliselt, kasutades erinevaid vaatluspunkte, luues realistlikke vaateid.

 

Joonis 6. LIDAR- andmed eraldi ja koos ortofoto drapeeringuga.

3D analüüsid

Ruumiandmete analüüs aitab lahendada probleeme, mida ei ole võimalik lahendada kahemõõtmelise analüüsi korral. Põhilised ruumianalüüsid on nähtavusanalüüs, kõrgusprofiili leidmine, mahtude arvutamine, pindade analüüsid. On võimalik lahendada palju erinevat tüüpi ülesandeid, näiteks:

  • Horisontaalide, maapinna kallete, kõrguste genereerimine;
  • Pindade analüüs – maapinna kallakuse ja aspekti, samuti nõlvavarjutuse arvutamine;
  • Nähtavusanalüüs, mis leiab punktid või alad, mida on võimalik näha teatud vaatluspunktidest;
  • Mahuanalüüs, mis võimaldab linnaplaneerijatel ja arendajatel ehitada mudeleid, et näidata, kuidas ehitatav maja mõjutab ümbrust, saab määrata mahte ka pinnase all olevatele nähtustele, luues geoloogilisi ristlõikeid, diagramme;
  • Pinnaaluste nähtuste nagu kaevud, kaevandused, põhjavesi, tehnovõrgustikud modelleerimine;
  • Rajatiste optimaalsete asukohtade või ressursside paiknemise määramine;
  • Lennumarsruutide riskide hindamine, see nõuab 3D analüüsi, mis võtab arvesse nii topograafia kui ka relvade andmed;
  • Virtuaalse 3D linna tekitamine, et abistada planeerimist ja haldamist.

3D analüüs aitab kaasa ka tavaliste kahemõõtmeliste andmebaaside redigeerimisel. Näiteks nõlvavarjutus LIDAR-i andmete põhjal võimaldab kergesti leida veejuhtmeid ka taimestikuga kaetud aladel.

Analüüsidesse saab sisse tuua ka ajalise komponendi.

Andmete jagamine

3D vaadete, animatsioonide ja analüüside jagamine kiirendab otsuste vastuvõtmist. Animeeritud 3D ülelend on situatsiooni, projekti või ettepandud lahenduse jaoks hindamatu. Kui jagada tulemusi realistlikus 3D perspektiivis, aitab see otsuste tegijaid paremini aru saada situatsioonist. On võimalik saada kõrgresolutsioonilisi ekraanipilte, videoanimatsioone, jagada ArcGIS Online-is, muudes veebirakendustes või oma kodulehel ning saada ligipääs töökohaarvutist või mobiilseadmest.
3D mudeleid saab salvestada erinevatesse formaatidesse (nt kasutamiseks Google Earth-is).
Valmis 3D mudelit on võimalik jagada mitmel viisil. Selle võib tuua tagasi geoandmebaasi, et teostada põhjalikke analüüse ArcGIS 3D Analyst abil. Mudeli võib salvestada visualiseerimise eesmärgil ühte suurest valikust formaatidest või hoopis laadida üles ArcGIS Online keskkonda ja jagada läbi veebibrauseri kõigile huvilistele.
Lisaks on olemas veel laiendus ArcGIS 3D Analyst for Server, mis annab GIS serverile 3D andmete analüüsi ja pindade genereerimise võimaluse veebiteenuste abil. Saab luua võimsaid 3D analüüsi töövahendeid desktop-tarkvarale mobiilile ja veebirakendustele, nõudmata kasutajalt GIS-i tarkvara installeerimist. See annab pinna modelleerimise vahendi erinevatele kasutajatele, sõltumata nende GIS-i kogemustest.
CityEngine abil loodud 3D linnamudeleid on võimalik jagada nüüd ka veebibrauseri ja pilvekeskkonna kaudu. Selle teeb võimalikuks spetsiaalne veebirakendus CityEngine Web Viewer, mis on mõeldud just 3D mudelite brauseripõhiseks vaatamiseks. ArcGIS Online keskkonda üles laetud mudelis saab liikuda ringi, pöörata seda erinevatest vaatenurkadest vaatamiseks, suurendada/vähendada vaate ulatust, lülitada kihte sisse ja välja, otsida objekte, atribuute või metaandmeid, muuta valgustatust vastavalt kella- ja aastaajale ning lisada varjud. Nimetatud funktsioonid pakuvad suurepärast võimalust näiteks erinevate planeeringute või arhitektuuriliste lahenduste võrdlemiseks.

 

Joonis 7. CityEngine ArcGIS Online-s.

Kokkuvõte

Kaasajal on erinevate andmeallikate (LIDAR, GNSS, fotogrammeetria, kaugseire jne) laienenud kasutuselevõtu ja 3D andmete kättesaadavuse tõttu geoinformaatikas kasvanud võimalused erinevat liiki kolmemõõtmelise informatsiooni töötlemiseks, visualiseerimiseks, analüüsimiseks ja jagamiseks. Piirangud andmemahtudele ja tehnoloogiale on vähenenud ja uued GIS-i tarkvaratooted on viimastel aastatel 3D valdkonnas väga kiiresti arenenud, eriti just lisandunud 3D analüüsi, visualiseerimise ja jagamise võimalustega. Tulemusi on võimalik esitada veebis, nutiseadmetes ning samuti pilveteenustena, mis teeb andmed vajalikel platvormidel kättesaadavaks ning omakorda lihtsustab erinevatel kasutajatel otsuste tegemist nende igapäevatöös.