Maailman paras 3D-malli paranee vanhetessaan

Helsingin 3D-kaupunkimalli saa pian 2-vuotispäivityksen. Entistä tarkempi rakennetun Helsingin digitaalinen kaksonen voi tulevaisuudessa olla pohja kaikelle kaupunkisuunnittelulle, toivovat mallin rakentajat.

Julkistushetkellään maailman hienoimmiksi mainostetut Helsingin 3D-kaupunkimallit ovat pian entistä hienommat. Joulun 2018 alla kymmenen tietokoneen farmi yhdistelee kesällä 2017 lentokoneesta kuvattuja 50 000 ilmakuvaa koko Helsingin kattavaksi fotorealistiseksi 3D-malliksi. “Julkaisemme sen alkuvuodesta 2019 avoimena datana”, lupaa erityissuunnittelija Enni Airaksinen. Samalla nykymallin vuoden 2015 Helsinki päivittyy kesän 2017 Helsingiksi.

Helsinki 3D
Kun uudet suunnitelmat tuodaan fotorealistiseen 3D-kaupunkimalliin, voi kuka tahansa tutkia suunnitelmia haluamastaan perspektiivistä oman tietokoneensa ruudulla.

Lisäksi 500 neliökilometriä ja kaupungin kaikki 80 000 rakennusta kattavan kaupunkitietomallin tarkkuus paranee huomattavasti. Sen pohjana toimiva uusi laserkeilausaineisto on entistä tarkempaa. “Nykymallin resoluutio on 10 cm, uuden 7,5 cm, eli uudessa pistepilvessä on pisteitä kaksi kertaa nykyistä enemmän”, kertoo projektipäällikkö Kari Kaisla.

3D-kaupunkimallit eivät ole mikään uusi keksintö. Ensimmäisiä palasia 3D-Helsingistä on ihasteltu jo vuonna 1985, mutta vasta tällä vuosikymmenellä mallit näyttävät tulleen jäädäkseen. Koko Helsingin kattavan mallin rakentaminen lähti liikkeelle neljä vuotta sitten, kun Airaksisen ja Kaislan kollega, projektipäällikkö Jarmo Suomisto onnistui vakuuttamaan kaupungin johdon mallin hyödyistä.

Tuotanto automatisoitui

Ennen mallien rakentaminen oli hidasta käsityötä CAD-ohjelmistolla, mutta nyt aika oli kypsä automaattiselle tuotannolle. Työtä helpotti myös avoin CityGML-standardi, ensimmäinen standardi esitystapa 3D-kaupunkitietomalleille.

3D-Helsinki koostuu kahdesta erillisestä mallista. Erilaisiin visualisointitarpeisiin tarkoitettu mesh- eli kolmioverkkomalli koostetaan kaikkiaan 50 000 sadan megapikselin ilmakuvasta. Fotorealistisesta 3D-mallista voi esimerkiksi muutamalla hiiren klikkauksella ottaa kotisohvaltaan käsin haluamansa “valokuvan” mistä päin Helsinkiä tahansa. Verkosta ladattu digitaalinen näkymä on avointa dataa, joten sitä voi hyödyntää miten parhaaksi näkee.

Helsingin CityGML-tietomallin 3D-näkymä taas pitää sisällään suuren määrän metatietoa kaupungin rakennuskannasta. Se koostetaan puolen kilometrin lentokorkeudesta tehdystä laserkeilausaineistosta. 7,5 senttimetrin resoluutiolla skannattu pistepilvi kartoittaa kaupungin kolmiulotteisen rakenteen. Kun dataan yhdistetään kaupungin kartta- ja paikkatietoaineistot sekä rekisterien tiedot, syntyy mittatarkka tietomalli kaupungista.

CityGML-tietomalli syntyi jo varsin vähällä ihmistyöllä. Esimerkiksi rakennusten eri pinnat luokitellaan automaattisesti katoiksi ja seiniksi. Tietotekniikka osaa myös päätellä omin neuvoin, onko rakennuksen katto mansardi vaiko perinteinen harjakatto. Rakennusten lisäksi Helsingin malli sisältää tiedot pinnanmuodoista ja vesistöistä.

Helsinki 3D Mesh
Helsingin kolmioverkkomalli on koostettu samalla tekniikalla kuin Google Earthin 3D-maailma. Sekä Helsingin kaupunkimallin resoluutio että mittatarkkuus ovat kuitenkin Googleen verrattuna aivan omaa luokkaansa.

Tärkein edellytys mallien luomiselle on laadukas lähtöaineisto. “Kaupunkitietomallia varten tarvitaan koko kaupungin kattava pistepilvi. Vuonna 2015 meillä oli ensi kertaa käytössämme koko kaupungin kattava tasalaatuinen laserkeilausaineisto”, Kari Kaisla kertoo. “Samaan aikaan saimme ensimmäisen viistoilmakuva-aineiston koko Helsingistä kolmioverkkomallin tekoa varten”, Enni Airaksinen kertoo.

Uudet mallit on myös päätetty pitää ajan tasalla. Ilmakuvauksia kaupungista tehdään noin kahden vuoden välein ja aineistosta koostetaan aina uusi ajantasainen kolmioverkkomalli. Kaupunkitietomalliin kaupungin uusi rakennuskanta päivitetään lähes reaaliajassa. “Aina kun uusi rakennus viedään kaupungin rekistereihin, se tulee myös tähän kaupunkitietomalliin”, Kari Kaisla kertoo. Aivan automaattisesti tämä ei vielä tapahdu, sillä rajapinnat tietojen liikutteluun järjestelmästä toiseen puuttuvat.

Kaupunkisuunnittelijat ensimmäisiä hyödyntäjiä

3D-Helsingin ensimmäisiä hyödyntäjiä ovat kaupunkisuunnittelijat. Jotta esimerkiksi arkkitehtisuunnitelmia voidaan esitellä yleisölle, on aiemmin myös suunnittelukohteen lähiympäristö pitänyt mallintaa erikseen joko 3D-suunnitteluohjelmistolla tai valokuvaamalla. Nyt sama data saadaan suoraan 3D-kaupunkimalleista.

“Ennen toimitimme suunnittelijoille lähtöaineistona erilaisia tiedostoja. Nyt voimme antaa vain linkin avoimena datana julkaistuun kaupunkimalliin. Suunnittelijat voivat ladata sieltä tiedostoja haluamiltaan alueilta ja haluamassaan formaatissa”, kertoo kaupunkiympäristön toimialan it-asiantuntija Hannu Heinonen. Osa suunnittelijoista on jo oivaltanut kaksi vuotta sitten esitellyn 3D-mallin mahdollisuudet. “Jotkin suunnittelutoimistot ovat tehneet omia työkaluja ja alustoja, jotka hyödyntävät 3D-Helsingin dataa”, Heinonen kertoo.

Kaupunkisuunnittelussa suunta on selvä: 2D-suunnittelusta ollaan menossa hyvää vauhtia kohti 3D-suunnittelua. Toiveena on, että Helsingin 3D-malleja voitaisiin tulevaisuudessa käyttää paitsi kaiken suunnittelun lähtöaineistona, myös erilaisten analyysien tekoon. “Suunnitelmat tuotaisiin osaksi 3D-mallia, ja tekisimme siellä erilaisia simulaatioita, joista valitaan sitten paras suunnitelmavaihtoehto”, Heinonen visioi.

Uudenlaista suunnittelua pilotoidaan parhaillaan Kalasatamassa. Kaupungin 3D-mallin avulla voidaan simuloida uusia suunnitelmia ja niiden vaikutuksia vaikkapa liikenteeseen, kaupunkimeluun tai pienhiukkaspitoisuuksiin. Enni Airaksinen kertoo, että ensimmäisenä Kalasatamassa saadaan käyttöön tuulisimulaattori, jolla voidaan tutkia, millaiset ovat parhaillaan suunnittelupöydällä olevien merenrantakorttelien tuuliolot. Simulaatioiden perusteella ongelmakohtia on helppo parantaa, eivätkä huonoksi osoittautuneet ratkaisut etene tietokoneen ruutua pidemmälle.

Ympyrätalon tiedot
Helsingin CityGML-tietomalli sisältää laajat tiedot kaikista Helsingin rakennuksista.

Mallin rakentajien visiona on, että 3D-mallit muodostavat tulevaisuudessa koko kaupungin digitaalisen kivijalan. “Yritämme ajaa kehitystä siihen suuntaan, että esimerkiksi kaikki uudet rakennushankkeet esitettäisiin 3D-kaupunkimallilla”, Kari Kaisla kertoo. Tämä avaisi kaupungin suunnittelua myös tavallisille kaupunkilaisille aivan uudella tavalla.

Mallin rakentajien toiveena on, että muutaman vuoden kuluttua 3D-kaupunkimalli on fyysisen kaupungin aina ajan tasalla olevan digitaalisen kaksonen – ja keskeinen osa suunnitteluprosessia. “Aina kun uusi suunnitelma valmistuu, se voitaisiin tuoda kaupunkimalliin kaikkien nähtäville. Ja sitten kun itse rakennushanke valmistuu, malli päivittyisi heti ajan tasalle”, Kaisla visioi.

Hyödyntäminen vasta alussa

Tähän mennessä 3D-mallien hyödyntämisessä on vasta raapaistu pintaa. “Mallien hyödyntämisessä ollaan vasta aivan alkutaipaleella kaupungin omassakin organisaatiossa”, kertoo Hannu Heinonen. Kaupunkisuunnittelun lisäksi käyttömahdollisuuksia on kymmenillä muilla kaupunkielämän alueilla.

Mallin rakentajat ovat demonneet 3D-Helsingin hyödyntämismahdollisuuksia esimerkiksi keväällä 2018 valmistuneella Helsingin energia- ja ilmastoatlaksella. Enni Airaksinen avaa verkkopalvelun ruudulle ja alkaa penkoa kaupungin 80 000 rakennuksen energiatodistuksia ja laskennallisia energiankulutustietoja. Kaupungin omistamista asuintaloista saa näkyviin jopa toteutuneet energiankulutustiedot vuosilta 2015 ja 2016.

Palvelu on hämmästyttävä aarreaitta kenelle tahansa rakentamisen energiatehokkuudesta kiinnostuneelle. Pikainen tutkimusretki energiankulutustietoihin paljastaa, että esimerkiksi kaukolämmön kulutus näyttää tipahtaneen huimasti, kun verrataan 1980-luvulla rakennettua kerrostaloa juuri valmistuneeseen naapuriinsa.

Helsingin kaupunkitietomallin kaltaisia malleja on rakennettu myös muutamiin Keski-Euroopan kaupunkeihin. Helsingin mallien tietosisältö on niihin verrattuna omaa luokkaansa. Helsingin tietomallia selaava näkee mitä tahansa kaupungin rakennusta hiirellä klikkaamalla esimerkiksi rakennuksen valmistumisvuoden, kerrosluvun, korkeuden ja katuosoitteen. Saksalaiset kadehtivat Airaksisen mukaan Helsingin täydellisiä rekisteritietoja. “Saksalaisilta tulee paljon palautetta. He esittelevät tätä Helsingin mallia ympäri maailmaa”, Enni Airaksinen nauraa.

Aurinko- ja maalämpöpotentiaali selville

Energia-atlaksessa on oma näkymänsä aurinkoenergian tuotantopotentiaalille. Mitä punaisempi pinta, sitä enemmän auringon säteilyä sille lankeaa. Kaikkein punaisimpina hehkuvat etelään suuntautuvat harjakattojen lappeet. Kun klikkaa jotakin Helsingin 80 000 rakennuksen kaikkiaan miljoonasta katto- tai seinäpinnasta, avautuu ruudulle laskelma vuotuisesta auringonsäteilystä kyseiselle pinnalle. Oman kotitaloni tasakatolle näyttää tulevan suoraa auringonsäteilyä 400 000 kWh:a vuodessa. Jos kymmenesosakin siitä saataisiin muutettua sähköksi, katettaisiin huomattava osa kiinteistösähkön kulutuksesta.

“Laskelma perustuu NASA:n tietoihin 22 vuoden toteutuneista auringon säteilymääristä. Kun saamme vielä lisättyä puuston kaupunkitietomalliin, teemme analyysin uudestaan”, Airaksinen lupaa. Näin päivitetty malli on entistä tarkempi apu aurinkosähköinvestointia suunnittelevalle. Seuraavaan versioon Energia- ja ilmastoatlaksesta on luvassa myös oma laskurinsa rakennusten maalämpöpotentiaalille.

Maailman parhaasta entistä paremmaksi

Kun Helsingin 3D-kaupunkimallit saatiin julki joulukuussa 2016, ovat kehitystiimin kiireet vain lisääntyneet. Kokeilualueeksi valitussa Kalasatamamassa on kokeiltu esimerkiksi mallidatan hankintaa lentokoneen sijasta kevyillä droneilla. “Kesällä kokeilimme Kalasatamassa sekä laserkeilausta että valokuvausta dronella. Testasimme esimerkiksi, montako lentolinjaa tarvitaan mallin tekemiseen”, Airaksinen kertoo.

3D-mallinnus onnistuu myös sisätiloissa. Airaksinen esittelee tuloksia 3D-mallissa. Kun tietää oikean kohdan, pääsee kaupungintalon seinästä puskemaan läpi. Kaupungintalon parveke, juhlasali ja lähimmät huoneet on laserkeilattu kävellen ja niistä luodut 3D-sisätilat on lisätty kaupungin 3D-mallliin. “Mallin pohjana on laserkeilausdata ja muutama korkearesoluutioinen valokuva”, Airaksinen kertoo.

Helsinki 3D -tiimi
Kolmikko Helsingin 3D-mallien taustalla: Kari Kaisla (vas.), Enni Airaksinen ja Jarmo Suomisto kaupunginkanslian ICT-kehityksestä.

Kaupungin tietomalli on sekin jatkuvan kehityksen kohteena. “Testaamme aluksi Kalasataman alueella, miten rakennusten lisäksi myös sillat, kadut ja puistot saadaan tuotua kaupungin rekistereistä kaikkine ominaisuustietoineen mahdollisimman helposti 3D-malliin”, Airaksinen kertoo. Samalla datan laatu paranee. Kaupungin 2D-rekisteritiedon virheet paljastuvat armotta, kun ne tuodaan visuaaliseen 3D-maailmaan.

Myös 20 000 Helsingin seudun julkista palvelupistettä sisältävä pääkaupunkiseudun palvelukartta on pian kolmiulotteinen. “Palvelukarttaa voi tulevaisuudessa käyttää joko nykyisessä 2D-näkymässä tai sitten 3D-Helsingissä. Toivottavasti siitä tulee hyvä näyteikkuna Helsingin 3D-malleille”, Kari Kaisla toivoo.

Aina kun oman kehitystyön hedelmät päätyvät hyötykäyttöön, ovat kehittäjät iloisia. Esimerkiksi Helsingin Sanomien Unreal-pelimoottorilla tekemä visualisointi Pasilan pilvenpiirtäjäsuunnitelmista lämmitti mieltä. “Siinä oli käytetty pohjana avoimena datana julkaisemaamme kolmioverkkomallia”, Kari Kaisla kertoo.

Airaksista taas ilahdutti 3D-teknologiaa pelitaloille kehittävän Umbra Softwaren uusi aluevaltaus. He ovat tuoneet Helsingin massiivisen 3D-mallin omaan pilvipalveluunsa, joka palvelee esimerkiksi suunnitelmien visualisoijia. Raskas 3D-malli saadaan Unity-pelimoottorin ja Umbran streamauspalvelun avulla pyörimään nykimättä vaikka kännykän ruudulla.

3D-kaupunkimallien rakentajien vinkit kaupunkidatan avaajille

Helsingin 3D-mallit

Helsingistä on laadittu kaksi uuden sukupolven 3D-kaupunkimallia: semanttinen kaupunkitietomalli ja visuaalisesti korkeatasoinen kolmioverkkomalli. Molemmat ovat avointa dataa.

https://www.hel.fi/3D

Projektipäällikkö Kari Kaisla

  • Kaupungin prosessit pitäisi kehittää sellaisiksi, että ne tuottavat oletusarvoisesti avointa dataa ja myös hyödyntävät avointa dataa omassa toiminnassaan. Datan avaamisen ei pitäisi olla erillinen toimenpide, joka seuraa varsinaista toimintaa.
  • Tukeudu standardeihin. Näin esimerkiksi pääkaupunkiseudun kunnat voivat tuottaa yhteismitallista avointa dataa. Se palvelee aineistojen hyödyntäjiä.

Erikoissuunnittelija Enni Airaksinen

  • Datan avaaminen tekee tietovarantoja tutuiksi myös oman organisaation ulkopuolella. Sen ansiosta voi syntyä uusia yhteistyökuvioita ja projekteja niin oman toimialan sisällä kuin toimialojen välillä. Tämä johtaa tietovarantojen tehokkaampaan hyödyntämiseen.
  • Datan avaaminen laajentaa datan potentiaalista käyttäjäkenttää myös kaupungin ulkopuolelle. Yksityisellä sektorilla on usein kaupunkia paremmat edellytykset kehittää sellaisia innovatiivisia tuotteita ja palveluita, jotka voivat tuottaa hyvää jokaiselle kaupungissa asuvalle tai liikkuvalle.