​Bentley Systems в Сингапуре: моделирование реальности вместе с BIM – путь к «умному городу»

Настоящая публикация – вторая из «сингапурского» цикла автора. Первая давала общее впечатление о работе конференции Bentley Year In Infrastructure 2017 (https://ardexpert.ru/article/10853 ). Сегодняшняя статья посвящена одной из основных тем прошедшего мероприятия - моделированию реальности, её связи с BIM и созданию «цифрового фундамента» для реализации концепции «умного города».

Без преувеличения можно сказать, что интерес к моделированию реальности (reality modeling) последние несколько лет растет лавинообразно. Причем на уровне конкретных работ по крупным городам или территориям, предприятиям, транспортным узлам и магистралям, отдельным создаваемым или существующим объектам строительства, целым районам перспективного развития, а также многим другим инвестиционным проектам, причем в разных странах мира.

Моделирование реальности – это в первую очередь трехмерная модель рельефа местности со всеми имеющимися искусственными сооружениями и точной геодезической привязкой. Попытки ставить и решать подобные задачи предпринимались давно, причем с все возрастающим успехом. Но в чем причина такого резкого повышения интереса к этому виду деятельности именно сейчас?

Прежде всего в том, что наконец-то техническое оснащение и программное обеспечение, необходимые для моделирования реальности, достигли нужного уровня развития. Прежде всего я говорю о программе Bentley ContextCapture, которая средствами фотограмметрии, то есть на основе координатно привязанных фотоснимков, воссоздает геометрическую модель исследуемого объекта. О том, что именно фотограмметрия будет на многие годы лидировать в моделировании реальности, уже отмечалось в недавнем интервью со старшим вице-президентом компании Bentley Systems по программному обеспечению Бупиндером Сингхом (http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=19290).

В результате сегодня все стали говорить о фотограмметрии, хотя еще год назад популярнейшей темой для обсуждений по геоинформационным системам было лазерное сканирование. Поэтому есть смысл немного рассказать о «главном герое» сегодняшнего дня, который, как это ни странно, имеет уже пятисотлетний возраст.

Фотограмметрия – суть и краткая история

Фотограмметрия - наука, изучающая способы определения форм, размеров, пространственного положения и степени изменения во времени различных объектов, по результатам измерений их фотографических изображений. Термин "фотограмметрия" происходит от греческих слов: photos – свет, gramma – запись, metreo – измерение. Следовательно, дословно его можно понимать как «измерение светозаписи».

Предметы изучения фотограмметрии - геометрические и физические свойства снимков, способы их получения и использования для определения количественных и качественных характеристик сфотографированных объектов, а также приборы и программные продукты, применяемые в процессе обработки.

В настоящее время в фотограмметрии выделяют три направления исследований:

1. изучение и развитие методов картографирования земной поверхности по снимкам, причем под картографированием все больше понимается трехмерное моделирование;
2. решение прикладных задач в различных областях науки и техники;
3. развитие технологии получения информации об объектах Земли, Луны и планет солнечной системы с помощью аппаратуры, установленной на космически летательных аппаратах.

К основным достоинствам стереофотограмметрического метода решения отмеченных задач всегда относились:

• высокая точность результатов, так как снимки объектов получают прецизионными фотокамерами, а их обработку выполняют, как правило, строгими методами;
• высокая производительность, достигаемая благодаря тому, что измеряют не сами объекты, а их изображения (это позволяет обеспечить автоматизацию процесса измерений и последующих вычислений);
• объективность и достоверность информации, возможность при необходимости повторения измерений;
• возможность получения в короткий срок информации о состоянии как всего объекта, так и отдельных его частей;
• безопасность ведения работ, так как съемка объекта выполняется неконтактным (дистанционным) методом, (это особенно важно, когда объект недоступен или пребывание в его зоне опасно для здоровья человека);
• возможность изучения движущихся объектов и быстро протекающих процессов;
• возможность изучения уже утраченных объектов по их оставшимся изображениям (особенно важно для памятников истории и архитектуры).

Конечно, наряду с отмеченными достоинствами рассматриваемые методы имеют и недостатки, в первую очередь зависимость фотографических съемок от метеоусловий и необходимость выполнения полевых геодезических работ с целью контроля всех технологических процессов. Поэтому только разумное сочетание средств фотограмметрии с другими методами получения информации может обеспечить решение поставленной задачи с минимальными затратами труда и средств.

Без преувеличения можно сказать, что история фотограмметрии насчитывает уже пять веков. Научная основа теории определения формы, размеров и положения объектов по их перспективным изображениям была положена еще в эпоху Возрождения работами Р. Альберти (1511 г.), А. Дюрера (1525 г.), Ж. Дезарга (1636 г.). Созданные ими предпосылки для развития теории перспективы позволили швейцарскому математику И. Ламберту опубликовать в 1759 г. обобщающий труд ≪Свободная перспектива≫. Практическое применение перспективных рисунков, полученных камерой-обскурой, в топографии связано с именами М.А. Капеллера (1725 г.), М.В. Ломоносова (1764 г.), Ш.-Ф. Ботан-Бопре (1791 г.). О некоторых этапах развития и применения теории перспективы мы уже писали ранее (http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=14197 ). Затем было появление фотографии, развитие воздухоплавания и авиации, совершенствование фотографической техники (прежде всего фирмой К. Цейсса) и алгоритмов построения трехмерных изображений на плоскости, а также многое другое.

Современная фотограмметрия как техническая наука тесно связана с науками физико-математического цикла, достижениями радиоэлектроники, вычислительной техники, приборостроения, фотографии, она органически связана с геодезией, топографией и картографией. При этом последние достижения в области компьютерных технологий моделирования и обработки информации, а также успехи в создании беспилотных летательных аппаратов открывают в развитии фотограмметрии принципиально новый этап, качественно повышая её возможности и делая при этом доступной практически для рядового пользователя.

Рис. 1. Свято-Троицкий кафедральный собор в Калуге. Слева – фотография, справа вверху – геометрическая модель и летящий дрон, с которого производилась фотосъемка, справа внизу – фрагмент модели с фресками над главным входом. Работа выполнена специалистами ООО «Фотометр» в программе Bentley ContextCapture.

Bentley ContextCapture – современная воплощение в жизнь идей фотограмметрии

Программа ContextCapture (https://www.bentley.com/en/products/product-line/reality-modeling-software/contextcapture ) – это не новинка 2017 года. Её «дебютом» в инструментальной линейке Bentley можно считать 2015 год (прежнее название Acute3D), который сразу ознаменовался первыми серьезными успехами применения, в том числе кадастровой моделью Сингапура (http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=18188 ) – победа на Be Inspired 2015. Также заметным событием 2015 года стала модель Филадельфии, выполнявшаяся к визиту Папы Римского в этот город (http://isicad.ru/ru/news.php?news=18211 ).

В следующем году уже наблюдался эффект «снежного кома» - серьезных работ по фотограмметрическому построению моделей крупных объектов стало так много, что на конкурсе Be Inspired 2016 появилась специальная номинация – «Моделирование реальности», а первым её победителем стала модель города Хельсинки. Кстати, эта «модель реальности» явилась не итоговым результатом, как думают некоторые, а лишь составной частью планомерно и результативно разрабатываемой информационной модели финской столицы (https://ardexpert.ru/article/5317 ).

Рис. 2. Построенная методами фотограмметрии трехмерная модель Хельсинки стала геодезической основой для информационной модели города.

Для более полного понимания впечатляющего успеха (правильнее даже сказать – триумфа) программы ContextCapture отметим, что на конкурс Be Inspired 2016 представлялись также еще 14 «моделей реальности» из Великобритании, Японии, Германии, США, Китая, Мексики, Италии и Тайваня. От нашей страны заявлялась выполненная компанией «Фотометр» (обработано 3300 снимков) модель Новоиерусалимского монастыря (https://thedrone.ru/dron-na-sluzhbe-u-boga-novejshie-texnologii-i-drevnejshaya-religiya/ ).

Особенностью проектов с использованием ContextCapture, представленных на конкурс Bentley Be Inspired 2017, стало повсеместное объединение «модели реальности» с BIM. Причем это проявлялось абсолютно во всех проектах, вне зависимости от номинации или уровня решаемой задачи.

Рис. 3. Победители конкурса Be Inspired 2017: в номинации «BIM инновации в эксплуатации муниципальных объектов» - «Применение BIM для развития муниципальной инфраструктуры Шэньчжэнь Цяньхай», город Шэньчжэнь, провинция Гуандун, Китай (слева); в номинации «BIM инновации в моделировании реальности» - «Проектирование участка дороги Anderson», Гонконг (справа).

По мнению автора, особого внимания заслуживает еще один финалист конкурса – «Виртуальный кампус университета PennState» (Пенсильванский государственный университет, США). Эта работа меня впечатлила сразу по нескольким параметрам:

1. Высокое качество понимания и исполнения работы. Дело в том, что PennState – один из мировых «законодателей моды» в BIM (достаточно упомянуть хотя бы разработанный в его стенах BIM-стандарт). Так что вполне ожидаемо, что он практически подошел к синтезу BIM с «моделированием реальности».
2. Работа экономически оправдана. Дело в том, что кампус PennState насчитывает 947 построек, общая площадь кровли которых составляет почти 320 000 квадратных метров, также в «университетском городке» имеются 124 километра тротуаров и многое другое, при этом 65% зданий насчитывает возраст более 25 лет. Содержание такого хозяйства, да еще перед началом периода массового капитального ремонта – дело дорогостоящее, поэтому в университете приветствуются все инициативы по оптимизации хозяйственных расходов и совершенствованию управления.
3. Университет PennState – еще и кузница BIM-кадров, причем не только американских. Поэтому представленный проект носит и ярко выраженный образовательный характер, позволяя вузу привлекать к работе студентов и таким образом рационально объединять расходы на обучение с затратами на содержание вуза. Инициатором проекта стал факультет Архитектурной инженерии. Последнее особенно интересно, поскольку еще раз подтверждает, что информационное моделирование синтезирует все виды строительной деятельности и требует подготовки достаточно универсальных специалистов. Наша страна еще недавно тоже шла по этому пути, осуществляя подготовку в строительных вузах по специальности «Проектирование зданий» с квалификацией инженер-архитектор (http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=16260 ). В настоящее время, якобы в связи с переходом на систему «бакалавр-магистр», такая специальность закрыта. Однако, насколько я знаю, наш ведущий строительный вуз МГСУ не оставляет попыток вернуться к подготовке инженеров-архитекторов, так что хочется пожелать ему успехов в этом благородном деле.

Рис. 4. Слева – схема развития «Виртуального кампуса PennState», справа – один из руководителей проекта профессор Джон Месснер с автором этих строк.

Особенности использования Bentley ContextCapture

Как уже отмечалось, фотограмметрия, как и любая другая технология, при практической реализации сталкивается с определенными проблемами. В первую очередь это качество фотоснимков. Например, авторы еще одного представленного на конкурсе проекта, на этот раз моделирования системы автодорог в Сингапуре, жаловались на постоянные дожди (по 5-6 в день), которые не только непосредственно мешали вести фотосъемку, но и создавали в воздухе водяную дымку, сказывавшуюся на четкости получаемых изображений. К сожалении, основное решение такой проблемы только одно – «ждать у моря погоды», что в Сингапуре с восточным терпением и делали.

Другая проблема – информационность снимков, более точно – борьба с «информационным шумом» в виде деревьев, людей, автомашин и т.п. Сегодня такую чистку получаемой модели приходится вести почти вручную, но, как было объявлено на конференции, в ближайшее время необходимый инструментарий, распознающий характерные «шумовые» элементы, появится в программном обеспечении Bentley Systems.

Рис. 5. На фрагменте модели Хельсинки хорошо виден этот самый «шум», хотя в таком виде модель тоже имеет практическую ценность, поскольку она передает реальную городскую среду, необходимую, например, для визуальной оценки будущей застройки.

Еще одна проблема – большой объем обрабатываемой информации. Прежде всего это связано с тем, что «правильные» фотоснимки должны на 60-80% перекрывать друг друга, тогда «модель реальности» получается наиболее точно. На сегодняшний день можно констатировать, что Bentley ContextCapture с этой задачей справляется хорошо.

Наконец, самое важное для дальнейшего использования – объединение «модели реальности» с BIM. Здесь должны быть задействованы уже BIM-программы, поскольку ContextCapture создает только «модель реальности». Для решения этой задачи наиболее подходит Bentley OpenRoads Designer, который уже сейчас содержит инструментарий для полуавтоматической обработки полигональных моделей (например, для классификации растительности, рельефа и структурных линий), а также для присоединения BIM-объектов. Последнее, например, требуется для создания геоинформационных моделей, в которых данные обычно организованы в виде отдельных информационных объектов (с определенным набором прикрепленной информации), привязанных к общей электронной топографической основе. Отметим также, что с «моделями реальности», созданными в ContextCapture, хорошо работают и другие программы Bentley Systems, например AECOsim Building Designer.

Рис. 6. Еще один вид модели Хельсинки раскрывает степень использования в ней BIM-объектов – это уже основа информационной модели города.

«Модель реальности» + BIM — прямая дорога к «умному городу».

Когда у вас есть «модель реальности» и BIM, дальнейший переход к концепции «умного города» становится уже совершенно естественным, о чем также говорилось в упомянутом интервью со старшим вице-президентом Bentley Systems Бупиндером Сингхом (http://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=19290 ). И компания Bentley к этому активно идет.

Рис. 7. Принципиальная схема «умного города» - как она видится автору после общения с многочисленными коллегами по информационному моделированию.

«Умный город» - это не тогда, когда все фонари освещения включаются в 19-00, и даже не тогда, когда все они включаются с наступлением темноты, а тогда, когда основные задачи управления городской инфраструктурой, а также планирования решаются на основе интерактивно поступающей и анализируемой информации.

На сегодня в мире, пожалуй, только одни город уверенно идет к уровню «умного» - это Сингапур. В нашей стране в утвержденной программе «Цифровой экономики» (http://static.government.ru/media/files/9gFM4FHj4PsB79I5v7yLVuPgu4bvR7M0.pdf ) также предполагает движение к «умным городам». Это, безусловно, хорошо. Но давайте сначала хотя бы BIM внедрим!