MikroKods

Ģeotelpiskās informācijas
un tālizpētes tehnoloģijas

Par Mums Aktualitātes Programmatūra Pakalpojumi Tālizpēte Sadarbība Jautājumi un atbildes

3D modelēšana

REALITĀTES 3D MODELĒŠANA UN TĀS PIELIETOJUMI

Realitāte ir tikai ilūzija, kaut arī ļoti noturīga.
Alberts Einšteins
Šis Alberta Einšteina izteiciens ir ļoti bieži citēts, it īpaši interneta vidē, lai gan daudzi apšauba tā autentiskumu – līdzīgas domas par telpu un laiku ir sastopamas daudzās dižā zinātnieka publikācijās, bet ne tieši šādā kontekstā. Tomēr minētais izteiciens diezgan trāpīgi raksturo mūsu subjektīvo uztveri par to, kas ir ap mums – reālo pasauli. Jau no seniem laikiem cilvēki ir centušies izzināt šo pasauli ar objektīvu mērījumu palīdzību un šo mērījumu attēlošanu grafiskā formā – kā kartes un plānus, kas papildināti ar skaitlisku un aprakstošu informāciju. Šis reālās pasaules atspoguļojums parasti ir divās dimensijās, t.i., plakans, ko noteica informācijas iegūšanas, glabāšanas un apstrādes tehniskās iespējas.
Pēdējos gadu desmitos modernās mērīšanas metodes mūs nodrošina ar iespējām samērā vienkārši veikt mērījumus trijās dimensijās un savukārt datoru pielietošana ļauj šo mērījumus glabāt un attēlot telpiskā reprezentācijā – kā virtuālu realitāti. Tomēr vairumā gadījumu šī reprezentācija ir realizēta ļoti vienkāršu modeļu veidā, kuru izskats ir tikai attāli līdzīgs detalizētai patiesai realitātei. Lai raksturotu šo līdzību, izmanto jēdzienu “detalizācijas līmenis” (Level of Details – LoD), kuru standartizē dažādiem pielietojumiem. Attēlā kā piemērs ir parādīti detalizācijas līmeņi, ko nosaka datu apmaiņas un glabāšanas standarts CityGML.
Image001
Tālākā uzmērīšanas tehnoloģiju attīstība pēdējā desmitgadē mums ir devusi iespējas atsevišķu mērījumu vietā iegūt masveida datus par reālo pasauli, kas ļauj šo pasauli attēlot datorizētā vidē ar tādu detalizācijas pakāpi, kas jau ir salīdzināma ar pašu reālo vidi. Šīs mērīšanas metodes ir ieguvušas apzīmējumu “realitātes iegūšana” (Capturing Reality), kas faktiski nozīmē realitātes detalizētu dokumentēšanu. Šobrīd datu iegūšanai par reālo vidi galvenokārt pielieto divas metodes – 3D lāzerskenēšanu un modernizēto fotogrammetriju. Pirmā metode izmanto aktīvo sensoru - lāzeru, bet otrā – pasīvu sensoru – fotokameru.
Lāzerskenēšana, kuru pēc analoģijas ar labi pazīstamo radara tehnoloģiju sauc arī par lidara tehnoloģiju (LIght Detection And Ranging - LIDAR) ir attālumu un leņķu mērīšana ar apvidu vai telpu skenējošu lāzera staru, kas dod miljoniem telpisku lokalizētu punktu – punktu mākoni. Tā ir tieša mērīšanas metode.
Image004
Modernā fotogrammetrija analizē reālās vides attēlus, kas ir uzņemti no vairākiem skatu punktiem, un automātiski detektē pikseļus attēlā, kuri atbilst vienam un tam pašam fiziskam punktam. No daudzām šādām atbilstībām nosaka attēlu relatīvo orientāciju un fotografēto objektu 3D formu. Tā ir netieša mērīšanas metode.
Image006
Abām metodēm ir savas stiprās un vājās puses. Lāzerskenēšana vispārīgā gadījumā dod augstākas precizitātes mērījumus un nav nepieciešami labi apgaismojuma apstākļi, bet tai ir ierobežots attāluma diapazons. Savukārt fotogrammetrija ir pieejamāka, jo neprasa pielietot dārgu aparatūru – datu iegūšanai pietiek ar parastu kompaktkameru, kuru var lietot uzņemšanai no zemes, kā arī kopā ar mehāniskiem palīglīdzekļiem, no kuriem šobrīd lietošanai ērtākie ir bezpilota lidaparāti - droni. Tieši modernās fotogrammetrijas pieejamība plašam lietotāju lokam ir apstāklis, lai tai pievērstu lielāku izmanību.
Modernās fotogrammetrijas pieejamību nosaka tas, ka tā ir lielā mērā automatizēta, ietverot gan uzņemšanas plānošanu, gan tās veikšanu un iegūto datu apstrādi.
Image007
Uzņemšanas plānošana ir ļoti svarīgs etaps, lai nodrošinātu pietiekamu iegūto attēlu pārklājumu un informatīvo saturu attiecībā uz apvidus objektiem. Uzņemšanas plāni lielā mērā ir atkarīgi no reālās vides vai fizisko objektu īpatnībām: klajš apvidus ar reljefu, teritorijas ar blīvu veģetāciju (mežs), apbūvētas teritorijas, atsevišķas būves, lineāri koridora objekti (ceļi, dzelzceļi), augsti vertikāli objekti (torņi, skursteņi, masti), iekštelpas. Katram objekta tipam ir jāizvēlas piemērotākais plāns un tā parametri, no kuriem svarīgākie ir attālums līdz objektam vai lidojuma augstums, pārklājuma lielums starp blakus attēliem un kameras orientācija. Plānošanas procesa veikšanai uzņemšanai ar dronu ir noderīgas tādas programmas kā Pix4Dcapture, DroneDeploy u.c. Šīs programmas nodrošina arī drona lidojuma automātisku vadību vienkāršāko plānu gadījumā.
Image010
Datu apstrāde ir iespējama divos veidos – izmantojot darbvirsmas programmatūru vai mākoņdatošanas pakalpojumus. Darbvirsmas programmatūra dod lielākas iespējas vadīt automātisko datu apstrādes procesu, jo rezultātu iegūšanai daudzos gadījumos iteratīvi ir jāpielieto „mēģinājumu un kļūdu” metode. Plašāk pazīstamās darbvirsmas programmas ir Bentley ContextCapture, Pix4Dmapper, Agisoft PhotoScan. Mākoņdatošanas pakalpojumu piemēri ir Pix4D cloud, DroneDeploy, Hexagon Geospatial GeoApp.UAS. Rezultātā iegūst 3D režģa modeli, punktu mākoni un ortofoto karti pēc lietotāja izvēles.
Image012
3D režģa modeli un ortofoto karti, kuri fotoreālistiski attēlo realitāti trijās un divās dimensijās var izmantot tiešā veidā. Uz tiem var veikt koordināšu, attālumu un platības mērījumus, bet 3D modelim papildus vēl tilpuma mērījumus. Ortofoto karti var veidot vertikālā projekcijā vai kā projekciju uz jebkuras plaknes, kas var noderēt, piemēram, ēku fasāžu un ģeoloģisko atsegumu dokumentēšanai un uzmērīšanai. Bez tam metode nodrošina to, ka ortofoto karte visos punktos nodrošina precīzu vertikālu projekciju (patiesa ortofoto karte), tas ir, ēkas tajā „negāžas” uz sāniem, kā tas ir tradicionālajās ortofoto kartēs.
3D modeļa izmantošanas varianti ir atkarīgi no izmantotās programmatūras iespējām. Vienkāršākajā veidā tos var aplūkot 3D pārlūkos, piemēram, Acute3D Viewer, FBX Review, MeshLab, Open 3D Model Viewer u.c., pie kam dažiem no tiem ir arī mērīšanas, kā arī modeļa koriģēšanas iespējas. Straumējama formāta modeļi ir arī aplūkojami ar interneta pārlūku, kas atbalsta WebGL formātu. To nodrošina attiecīga servera programmatūra, piemēram, Accute3D Web Viewer, Cesium.
Esošās situācijas dokumentēšana kopā ar iespējām konstatēt izmaiņas un novērtēt to apjomu ir noderīga daudzos citos pielietojumos kā kadastra datu aktualizācija, karjeru izstrādes uzraudzība, mežu stāvokļa un postījumu dokumentēšana, virszemes inženierkomunikāciju inspekcija, grūti pieejamu objektu tehniskā stāvokļa uzraudzība u.c.
Realitātes 3D modelēšanas rezultāti ir ļoti noderīgi būvniecības informācijas modelēšanas (BIM) procesa realizācijai – situācijas dokumentēšanai pirms izmaiņu veikšanas, kā sākotnējo datu avots (reljefs, izejas dati rekonstrukcijai) konceptuālās un detalizētās projektēšanas etapu laikā, būvniecības ieceres vizualizācijai būvprojekta saskaņošanas laikā, kā izmaiņu kontroles rīks būvniecības laikā un datu avots izpildmērījumiem būves pieņemšanas etapā.
Urbanizētai teritorijai tiek iegūts fotoreālistisks pilsētas 3D modelis, kurš var kalpot daudziem pielietojumiem: pilsētplānošana un arhitektūra, nekustamo īpašumu pārvaldība, avāriju un drošības pārvaldība, kultūras pieminekļu aizsardzība, telpiskā analīze (redzamība, saules ekspozīcija, ēku termogrāfija, piesārņojuma un trokšņu simulēšana utt.), 3D ĢIS uzturēšana, iedzīvotāju un tūristu informēšana portālos. Vajadzības gadījumā realitātes modeli var izmantot kā izejas datu avotu, lai izveidotu vienkāršotu pilsētas 3D modeli atbilstoši CityGML standartā paredzētajiem detalizācijas līmeņiem LOD 0 – LOD 4.
Image014

Mūsu ar Bentley ContextCapture programmatūru izveidoto realitātes modeļu piemērus var aplūkot demonstrāciju vietnē demo.mikrokods.lv, video versijā https://youtu.be/VA-xLGDBCL8. Pilna apjoma Helsinku pilsētas realitātes modelis ir aplūkojams vietnē 3d.hel.ninja/mesh/. Pilsētas 3D modeļa radīšanas process un tā izmantošana ir uzskatāmi parādīta video sižetā par gatavošanos pāvesta vizītei Filadelfijā, ASV: https://www.youtube.com/watch?v=dYJd36opBmY.

3D realitātes modelēšana saules enerģijas analīzei

Šobrīd dažādi iemesli, tai skaitā valsts piedāvātais atbalsts, daudziem liek apsvērt iespējas ražot elektroenerģiju savās mājsaimniecībās pašu patēriņam, izmantojot saules paneļus. Tas prasa diezgan lielus ieguldījumus, tādēļ, domājot par šo ieguldījumu atgūšanu, ir svarīgi novērtēt iespējamo saņemtās saules enerģijas apjomu, kā arī optimāli izplānot nepieciešamos tehniskos līdzekļus un to izvietošanu konkrētajos apstākļos. Galvenais mērķis ir saņemt maksimāli iespējamo elektroenerģijas apjomu no saules paneļiem un samazināt zudumus.01 Saules Energija

Galvenie faktori, no kā atkarīgs saņemtās elektroenerģijas apjoms, ir:
• Saules starojuma līmenis konkrētajā apvidū, kas atkarīgs no ģeogrāfiskās atrašanās vietas;
• Klimatiskie apstākļi, kas nosaka, cik bieži līdz zemei nonāk tiešais saules starojums un kāds ir izkliedētā starojuma līmenis;
• Saules paneļu režģa novietojums attiecībā pret debess pusēm;
• Paneļu noēnojums no blakus apbūves un veģetācijas (kokiem);
• Ražotāja noteiktā paneļu jauda;
• Paneļu elektrisko parametru saderība;
• Paneļu šūnas temperatūra;
• Paneļu virsmas tīrība;
• Zudumi paneļu elektriskā saslēguma vados;
• Strāvas pārveidotāja (invertora) efektivitāte.
Daļu no šiem faktoriem nosaka izmantoto elektrisko komponenšu parametri, to uzstādīšanas kvalitāte un apkopšana, bet pārējie ir ņemami vērā un to ietekme optimizējama, veicot ēkas, uz kuras vai kuras tuvumā plānota saules paneļu uzstādīšana, un tās apkārtnes 3D realitātes modelēšanu.

3D realitātes modelis

3D realitātes modelis apraksta ēkas un tās apkārtnes virsmu režģa šūnu veidā un tas ir izmantojams dažādiem analīzes veidiem, kur svarīga ir virsma, tā forma un novietojums, tai skaitā saules ekspozīcijas un no tā saņemtās enerģijas aprēķiniem. Modeli iegūst, veicot teritorijas aerofoto uzņemšanu ar dronu, kas pārlido teritoriju pēc iepriekš uzdota maršruta. Uzņem vairākus simtus attēlu, kurus apstrādā ar fotogrammetrijas programmatūru, lai rekonstruētu teritorijas un objektu ģeometriju trijās dimensijās. Iegūtais 3D modelis ir piesaistīts ģeogrāfiskai koordinātu sistēmai, kas nodrošina informācijas par atrašanās vietu un objektu orientāciju izmantošanu saules enerģijas aprēķinos. Modelim ir jāaptver arī tuvākā apkārtne, lai tālākā analīzē varētu ņemt vērā ietekmi no apkārtnes apbūves un veģetācijas.
02 Aerofoto Uznemsana

Teritorijas aerofoto uzņemšana ar dronu.

Saules enerģijas analīze

Analīzes pamatā ir interesējošo parametru aprēķināšana uz 3D realitātes modeļa virsmas, vadoties no saules ceļa pie debess juma, saules radiācijas parametriem, attiecīgās virsmas orientācijas, apkārtnes apbūves un veģetācijas ietekmes, klimatisko apstākļu novērojumiem. Tālāk dosim analīzes piemēru konkrētai dzīvojamai mājai, par atskaites periodu izvēloties laika posmu no 1. marta līdz 31. oktobrim, kas Latvijas apstākļos ir uzskatāms par produktīvāko laiku saules enerģijas izmantošanai.
Vienkāršākais analīzes veids ir saules ekspozīcijas un noēnojuma novērtēšana, aprēķinot stundu skaitu, kurās aplūkojamā virsma saņem saules gaismu, vai kurās tā ir noēnota dienas gaišajā laikā. Šīs analīzes rezultāts gan vairāk varētu interesēt dārzniekus, jo ir tieši izmantojams stādījumu plānošanā.
03 Saules Ekspozicija(03 10)
04 Saules Noenojums(03 10)
Virsmas saņemtās saules enerģijas aprēķini notiek, izejot no vidējās saules radiācijas lieluma, kuru Zeme saņem no Saules. Tas gada laikā ir mainīgs lielums, jo mainās Zemes attālums no Saules (vidēji 1366,1 W/m2), bet aprēķinos ir pieņemts izmantot vērtību 1000 W/m2. Virsmas saņemtā saules enerģija dalās divās komponentēs: tiešā saules enerģija, kuru virsma saņem, atrodoties tiešos saules staros, un izkliedētā saules enerģija, kuru virsmai atnes mākoņos, miglā un no apkārtējiem šķēršļiem izkliedētā saules gaisma. Maksimālo lielumu saņemtā tiešā saules enerģija sasniedz, ja virsma atrodas perpendikulāri saules stariem un šeit svarīga loma ir virsmas orientācijai, bet izkliedētas saules enerģijas saņemšanai virsmas orientācija nav tik būtiska.

Ja aprēķinos neņemam vērā klimata datus, iegūstam saņemto tiešo saules enerģiju, kuras lielums ir atkarīgs tikai no virsas orientācijas un noēnojuma, bet Latvijas apstākļiem šis lielums nav piemērojams, jo neatrodamies Arābijas tuksnesī. Klimata datu faili (climate.onebuilding.org vai ladybug.tools/epwmap)  satur gadskārtējos tiešās un izkliedētās saules enerģijas mērījumus. Pievienojot aprēķiniem klimata datu failu Rīgas apkārtnei par laika periodu 2007. - 2021. gadam, aina iznāk pavisam citādāka, kā tas parādīts nākošajos attēlos.

  06 Tiesa Saules Energija Ar Klimatu(03 10)

07 Izkliedeta Saules Energija Ar Klimatu(03 10)

08 Kopeja Saules Energija Ar Klimatu(03 10)

Skaitliskie rezultāti dzīvojamās ēkas dažādi orientētajām jumta plaknēm ir apkopoti tabulā un grafikā. Tur redzam, ka mūsu klimatiskajos apstākļos reāli saņemamā saules enerģija nepārsniedz trešo daļu no maksimāli iespējamās un dotajā ēkas situācijā (atklāta apkārtne un neliels jumta slīpums) nav tik būtiskas nozīmes jumta plaknes orientācijai, lai gan priekšrocība dodama DA un ZA virzienos orientētām jumta plaknēm. Pēdējais iespējams skaidrojams ar faktu, ka rīta stundās mākoņu parasti ir mazāk, un ir lielāks tiešās saules enerģijas īpatsvars, kā tas redzams tabulā.

Screenshot 2022 05 17 At 14.15.33

09 Saules Energija Pa Menesiem

Saules enerģijas analīze dod vērtīgu informācija, lai pieņemtu pamatotu lēmumu par nepieciešamo saules paneļu daudzumu un to izvietojumu mājsaimniecībā. Iespējamos risinājumus var virtuāli aprobēt, izmantojot papildinātās realitātes pieeju, vizualizējot paneļu novietojumu realitātes modelī un izvērtējot alternatīvas no funkcionālā un arhitektoniskā skata punkta.

10 Saules Panelu Novietojums

Šajā apskatā realitātes modelēšana un saules enerģijas analīze ir veikta ar programmām Bentley ContextCapture un Bentley Descartes, konsultējoties ar uzņēmuma SIA “Saules Grauds” speciālistiem.