3D-mallinnustekniikat ovat kehittyneet viimeaikoina voimakkaasti ja lähes kaikki CAD – suunnittelu tapahtuu nykyisin kolmiulotteisesti. Myös virtuaalikaupunkimalleja on kehitetty jo pitkään, mutta niiden soveltaminen on toistaiseksi ollut usein kertakäyttöistä, tapauskohtaista havainnointimallinnusta. Viimeaikainen selainkehitys (3D WebGL -teknologia) ja 3D-esitystekniikka (3D Cave, 3D AR/VR lasit/silmikot) ovat luoneet edellytykset monimuotoisemmalle ja myös kuluttajatasoiselle mallien hyväksikäytölle, jolloin kertakäyttöisyyden sijaan niiden hyödyntäminen alustamaisesti on noussut esille. Tässä kirjoituksessa luodaan tiivis katsaus kaupunkimallinnuksen nykytilaan, mallinnuksen kokonaisarkkitehtuuriin, työkaluihin sekä käyttökohteisiin käyttäen esimerkkinä Oulun kaupungissa tuotettuja malleja.

Kaupunkimallit

3D -kaupunkimallit jaetaan nykyisin ns. CityGML -standardin mukaisiin tarkkuustasoihin (Level of Detail) LOD0-LOD4, sen mukaan miten tarkka kyseinen malli on. LOD0 -malli on pelkkä 2D -kuva, LOD1 sisältää rakennuksen reunaviivojen mukaan rakennuskorkeuteen nostetun ”laatikkomallin”, LOD2 -taso tuo mukaan tarkemmat kattomuodot, LOD3 lisää tähän ikkuna- ja ovirakenteet ja LOD4 sisältää myös sisätilat.

3D-mallin luonti

Kaupunkimalli voidaan luoda usealla eri tavalla. LOD1 -tason mallit voidaan helposti luoda automaattisesti esimerkiksi kaupungin paikkatietojärjestelmästä rakennusten pohjaviivojen ja kerrosluvun perusteella. LOD2-tason malliin tarvitaan lisäksi myös räystäs- ja harjaviivat, jotka voidaan saada esimerkiksi laser- tai fotogrammetrisen ilmakuvauksen avulla saadusta pistepilvestä joko käsin tai automaattisesti tuotettuina vektoreina. Nämä voidaan tallentaa paikkatietojärjestelmään, jolloin kaupunkimalli on automaattisesti päivitettävissä kun aineistoon tulee lisäyksiä tai muutoksia. Tarkemmissa LOD3/LOD4 -tason malleissa voidaan käyttää esimerkiksi julkisivuvalokuvia tai valmiita rakennusmalleja (ns. BIM-malleja), jolloin myös rakennusten sisätilat saadaan haluttaessa malliin mukaan. Oulun kaupungilla käytössä olevaan Trimble Locus -paikkatietojärjestelmään voidaan tallentaa myös nämä kuvat/mallit, jolloin ne saadaan mukaan 3D-näkymään. Rakennusten lisäksi malli voi sisältää myös muita paikkatietoon perustuvia kohteita kuten valaisinpylväitä, istutettuja puita, aitoja yms. Lisäksi maanpintana voidaan käyttää ilmavalokuvaa, joka lisää mallin havainnollisuutta huomattavasti. Ilmakuva voi myös olla asetettu maastomallin päälle, jolloin maaston korkeusmuodot tulevat näkyviin. Alla oleva kuva havainnollistaa tätä 3D-kaupunkimallinnuksen kokonaisarkkitehtuuria.

Ylläkuvatun arkkitehtuurin pohjalta syntyy alla olevan kuvan mukainen rakenne. Paikkatietojärjestelmästä saadaan maastomalli, joka voidaan värjätä ilmakuvalla, rakennusvektorit, joihin halutessa voidaan kytkeä seinätekstuurit sekä paikat muille malliin haluttaville kohteille kuten puille, pylväille jne. Nämä muut kohteet haetaan malliin yleensä kopioimalla kirjastokomponentteja. Mikäli kyseisestä rakennuksesta on saatavilla ainoastaan pohja, nostaa Locus-järjestelmä sen kerrosmääräiseen korkeuteen tasakattoisena LOD1-elementtinä. Rakennusvektorien ja seinätekstuurien kytkentä vaatii kohtuullisesti esityötä, mutta tämän jälkeen mallit ovat automaattisesti generoitavissa Locus-järjestelmästä. Malliin voidaan lisätä myös esim. vasta suunnitteilla/rakenteilla olevia kohteita valmiista rakennusmallista, kuten alla kuvassa vasemmalla valmistuva Kalevan uusi toimitalo.

3D-mallien käyttöesimerkkejä

Oulun kaupungissa 3D-mallien käyttö on kohdistunut lähinnä osallistavaan kaupunkisuunnitteluun, suunnitelmien havainnollistamiseen kaupunkilaisille ja muille osallisille sekä palautteen keräämiseen niistä. 6Aika hankkeen myötä kaupungille on hankittu Satavision Oy:n toimittama CAVE 3D-teatteri, jossa lähes luonnollisessa koossa voidaan esittää kaupunkimallia, kaava- ja rakennussuunnitelmia sekä sisätilamalleja. Mallit voidaan esittää myös stereoskooppisesti, jolloin niihin saadaan mukaan realistinen syvyysvaikutelma. Tämä edellyttää 3D-lasien käyttöä CAVE-tilassa tai ns. 3D-silmikoiden käyttöä. CAVE-tilan etu silmikoihin verrattuna on ryhmätyön mahdollisuus, silmikot ovat kerrallaan vain yhden henkilön käytettävissä. Siirrettävyytensä ansiosta ko. CAVE-tilaa on käytetty viimeisen 1/2 vuoden aikana noin kymmenessä eri kohteessa, mm. Oulun pääkirjastossa, Hiukkavaarassa, kaupunginteatterissa, Tampereen MindTrek-päivillä ja lukuisissa sisäisissä tapahtumissa. Muina aikoina CAVE-tila on tutustuttavissa Oulun Ympäristötalolla, josta alla oleva kuva. Viereisessä kuvassa on esitetty tyypillinen CAVE:n käyttötilanne. Kuvassa näkyvä Oulun 3D malli on katsottavissa myös kotona verkkoselainta (Chrome tai Firefox) käyttäen osoitteessa: http://www.oulu3d.fi/virtuaali-oulu/.

Oulun kaupungin entiselle Hiukkavaaran kasarmialueelle on kaavoitettu uusi n. 20.000 asukkaan kaupunginosa, jonka suunnittelussa on hyödynnetty 3D-mallinnusta. Alueesta on luotu malli, johon CAVE-tilan lisäksi on voinut käydä tutustumassa ja jättää palautetta omalla Web selaimellaan osoitteessa http://hiukkavaara3d.ouka.fi/. Samalta sivulta löytyy myös pelillinen kaupunkisuunnittelusovellus vanhan Hiukkavaaran keskustan alueelta, jonka kaavoitustyö on juuri käynnissä. Sovelluksen avulla on jokaisen mahdollista itse laatia oma kaavaehdotuksensa suoraan 3D-malliin. Sovelluksen on toteuttanut Oululainen Playsign Oy Unity5 pelimoottorilla ja sen teossa on osin hyödynnetty kaupungin Locus-järjestelmästä tuotettuja malleja.

Edellä mainittu Hiukkavaaran 3D-malli on tuotu esille myös FCG:n Mapgets 3D-paikkatietoalustan päälle toteutetulla SmartOulu-sovelluksella http://smartoulu.mapgets.com. Kyseinen alusta https://mapgets.com/ käyttää avoimiin tietolähteisiin perustuvaa materiaalia, kuten OpenStreetMap-karttoja ja kaupunkien avointa dataa sekä rakentaa sen pohjalta reaaliaikaisesti selaimeen 3D-kaupunkimallinäkymän. Alustan päälle voi kuka tahansa ilmaisen kehitystukipaketin avulla luoda omia sovelluksiaan, kuten em. SmartOulu. Alusta on osin toteutettu Oululaisen RealXtend-teknologian avulla https://realxtend.org/.

Yksinkertaisin 3D-mallien käyttösovellus lienee niiden jakelu suoraan ladattavina malleina/tiedostoina. Locus-järjestelmästä luodut Oulun 3D-mallit on osin saatavissa SketchUp 3D Warehouse:sta osoitteesta https://3dwarehouse.sketchup.com/search.html?q=oulu City of Oulu -kokoelman alta, josta niitä voi ladata ja hyödyntää omissa malleissaan/sovelluksissaan. Tyypillinen käyttökohde on esimerkiksi uuden rakennuksen suunnittelu, jolloin sen ympärstöä ei tarvitse enää mallintaa. Rakenteilla on myös Oulun kattava lataussivusto, josta mallit olisivat alueittain ladattavissa eri tiedostomuodoissa. Kehitysversio tästä on kokeiltavissa osoitteessa: http://oulu.sopit.fi/.

Mallien katselu suoraan 3D-työkaluilla ei ole aina mahdollista, tai mallien esittelyn ja jakelun helpottamiseksi niistä halutaan luoda valokuvia ja/tai elokuvapätkiä. Lisäksi pelkät 3D-mallit sellaiseen ovat yleensä hyvin elottomia ilman minkäänlaista elämää, kuten käveleviä ihmisiä, liikkuvia kulkuvälineitä, luonnonilmiöitä kuten tuulta ja sadetta, auringon/kuun valoa/varjoja jne. Tälläisia tarpeita varten löytyy useita visualisointityökaluja, joilla em. elementtejä ja animaatioita voi helposti lisätä malliin ja tuottaa siitä valo/elokuvia. Näin tuotettuja elokuvapätkiä on helppo julkaista esim YouTubessa. Oheisissa linkeissä pari esimerkkiä Twinmotion työkalulla visualisoituja pätkiä yllä esitellystä Locus järjestelmästä luodusta Oulun ympäristötalon mallista havannollistaen miltä tuleva rakenteilla oleva Kalevan toimitalo sen vieressä tulee näyttämään: https://www.youtube.com/watch?v=-hetLE73J8c https://www.youtube.com/watch?v=9YmHIl3eKR0.

Lisätietoja Oulun 3D-mallinnuksesta voi kysellä Timo Mukarilta sekä Taneli Hiltuselta, sähköpostitse etunimi.sukunimi@ouka.fi.