Virtuaalinen luonnonmaisema rakennetun ympäristön suunnittelussa

<em>Uunisaari-projekti</em>

Hankkeen alkuperäinen Idea ja tavoitteet

Hankkeen tavoitteena oli kartoittaa työtapoja, joilla voimme luoda rakennetun ympäristön suunnittelun avuksi dynaamisen vuodenkierron mukaan muuttuvan ympäristömallin suunnittelukohteesta. Lähtöaineistona toimi alustavassa kokeiluvaiheessa käytetyt menetelmät ja tehdyt mittaukset Helsingin Uunisaarista. Tutkimme hankkeessa sitä, kuinka mittausaineiston pohjalta luoduista kolmioverkko- ja pistepilvimalleista voidaan tietomalli- ja pelimoottoriohjelmia apuna käyttäen tehdä suunnittelun apuna toimiva malli, jonka avulla voidaan kohdetta tutkia ympärivuotisena kokemuksena kesä-, syksy-, talvi- ja kevätasussa.

Tavoitteenamme oli saada mittausaineiston tuominen tietomalli- ja pelimoottoriympäristöön sujuvaksi ja tiedon käsittely ja siirtyminen joustavaksi tietomalli- ja pelimoottoriympäristöjen välillä. Tällaisen työkalun avulla meillä suunnittelijoina olisi ensimmäistä kertaa mahdollista tutkia suunnittelun yhteydessä suunnittelemamme ympäristön ajallista käyttäytymistä kokemuksen muodossa valitsemillamme suunnitteluratkaisuilla. Tällainen työtapa mahdollistaisi tehokkaan kommunikaation suunnitteluhankkeen osallisten välillä sekä aivan uudenlaisten työtapojen syntymisen rakennusalalle.

Hankkeemme ytimessä oli työtapojen ja ohjelmistojen kehittäminen, jotta voimme parhaalla mahdollisella tavalla hyödyntää teknologian kehityksen mahdollistamia uusia menetelmiä suunnittelutyössä luodaksemme parempaa rakennettua ympäristöä.

Hankkeen kokonaiskesto oli noin 21 viikkoa ajanjaksolla helmikuu 2018 – heinäkuu 2018. Hankkeen mallinnuskohteena oli Helsingissä sijaitseva Uunisaari, jossa toteutimme tämän hankkeen käynnistämiseen liittyvän koekartoituksen aiemmin tänä vuonna.

Hankkeen tulokset julkaistiin lisäksi rakennetun ympäristön digitalisaatiota käsitelleessä konferenssissa WDBE 2018:ssa Helsingissä 11.9.2018.

Hankkeen toteutuksen kuvaus

Vaihe 1: Aineiston kokoaminen

<em>Vaiheen 1 tavoitteena on kerätä kaikki saatavilla oleva mallinnuksen kannalta oleellinen avoin paikkatietoaineisto hankkeen käyttöön, sekä käsitellä kohteesta itse kerätty aineisto hankkeeseen sopivaksi ja tutkia tehokkainta menetelmää tehdä se.</em>

<em>Aineiston keräämisen lähtökohtana oli sen keräämisen sujuvuus ja helppous, jotta hankkeessa tutkittava menetelmä olisi mahdollisesti tehokkaasti hyödynnettävissä tavanomaisissa rakentamisen hankkeissa.</em>

Aineiston kerääminen toteutettiin ensin keräämällä kaikki tarpeisiimme sopiva avoin paikkatietoaineisto. Tämän jälkeen teimme kartoitussuunnitelman omaa kartoitustamme varten, jossa määrittelimme, millaista aineistoa vielä tarvitsemme, jotta voimme rakentaa haluamamme virtuaalisen mallin kohteesta.

Avoimen aineiston avulla pystyimme luomaan ympäröivän maiseman elementit riittävällä tarkkuudella, sekä luomaan ne oikeassa suhteessa kohteeseemme. Näiden aineistojen avulla pystymme tarvittaessa myös liittämään mallimme osaksi yhtenäiskoordinaattijärjestelmiä. Avoimen aineiston avulla voimme myös tarkistaa omien menetelmiemme avulla luodun aineiston mittasuhteiden ja korkeusasemien oikeellisuuden.

Itse kohteesta keräämämme aineisto koostuu multikopterilla kuvatusta valokuva- ja videomateriaalista, sekä käsin kuvatuista kasvillisuusotteista. Tämän aineiston tavoite oli kartoittaa kohteen maaston muodot ja tekstuurit sekä kohteen elementtien ominaispiirteet eri vuoden aikoina. Kohteen perusgeometria ja kasvillisuuden habitus kuvataan kesällä ja muut vuodenajat simuloitaisiin malliin erillismateriaalin avulla.

Tekemämme multikopterikuvaus Uunisaarista on suoritettu kesäaikaan (15. ja 20.8.2017). Kopterilla kuvatusta aineistosta loimme fotogrammetrisen mallin Reality capture-ohjelman avulla. Mittauksen avulla saatua aineistoa verrattiin avoimen aineiston tietoihin Cloud comapare työkaluilla aineiston yhtenäistämiseksi. Tämän toimenpiteen jälkeen saatu malli kohteesta toimi mallinnuksemme pohja-aineistona. Fotogrammetrian katvealueet korjattiin malliin erikseen kuvatun aineiston avulla, sekä tarkentavien avoimen aineiston tietojen perusteella. Tarkempaa kohteen kartoitusta päätettiin jatkaa tarvittaessa projektin aikana. Lisäkäyntejä kohteeseen tulikin hankkeen aikana kaksi.

Vaihe 2: Digitaalisen maiseman luominen kartoituksen pohjalta

<em>Vaiheen 2 tavoitteena oli luoda monipuolisesti muokattavissa oleva, tarkat maastonmuodot ja kasvillisuuden sisältävä digitaalinen maisema mallinnuskohteesta tietomalli- ja pelimoottoriympäristöihin.</em>

Hankkeen toisessa vaiheessa loimme digitaalisen maiseman tietomalliympäristöön yleisesti käytössä olevassa Autodeskin Revit-tietomalliohjelmassa, sekä pelimoottoriohjelmana tunnetussa Unityssä. Kokeilimme myös käytössämme Rhinocerosin liitännäistä Visual Arq-ohjelmaa, mutta totesimme, että vaikka Rhino joustaa hyvin muuten maisema-arkkitehtuurin tarpeisiin ohjelmaympäristönä, käyttäisimme hankkeen puitteissa yleisemmin käytössä olevaa ohjelmaa Revitiä.

Toteutimme mallinnuksen tietyiltä osin molemmissa ympäristöissä, jotta pystyimme arvioimaan tiedonsiirron sujuvuutta näiden ympäristöjen välillä. Nykyisin rakennetun ympäristön suunnittelutyö tehdään pääasiassa tietomalliohjelmilla, joiden ymmärtämät tiedostoformaatit toimivat rakennushankkeiden tiedon välityksen standardina.

Kun työskentelemme molemmissa ympäristöissä, voimme tutkia temporaalisten ilmiöiden kokemisen mahdollistaman mallin vaikutuksia suunnitteluun ja suunnittelussa käytetyn tietomalliformaatin sopivuutta tällaisen tiedon välitykseen. Käytimme tietomalliohjelmalla tehdyssä mallissa yleisesti käytössä olevia työkaluja ja kasvillisuusobjekteja mallin luomiseen. Luomme myöhemmin Unity-ympäristöön kasvillisuuden olemassa olevien kasvillisuuden luontiin tarkoitettujen lisäosien tarjoamien työkalujen avulla, kuten Speed Treen ja Blenderille tehdyn The Grove-ohjelman avulla.

Vaiheen 2 jälkeen meillä oli käytössämme maastotiedot kolmioverkkona tietomalliohjelmassa ja Revit-natiivimuodossa Reivt-maastona. Lisäksi meillä oli yksittäisistä kasveista malleja sekä kasvillisuuden sijainnit ja kasvimassojen lajisto ja dimensiot tiedossamme.

Vaihe 3: Temporaalisten ilmiöiden luominen malliin

<em>Vaiheen 3 tavoitteena oli luoda temporaalisesti vuodenkierron mukaan muuttuva koettava digitaalinen malli Uunisaaren kasvillisuudesta.</em>

Hankkeen kolmannessa vaiheessa edellisten vaiheiden työ puhallettiin eloon. Teknisesti tämä tapahtui kokoamalla palaset yhteen ja kiinnittämällä ne loogiseen järjestykseen.

Mallin maasto rakennettiin pelimoottorissa yhdistämällä fotogrammetria ja Helsingin kaupungin avointa LIDAR-dataa. Unityyn tuotiin sekä pelkkää maastoa kuvaava mesh, että mesh jossa oli puusto mukana. Pelkkää maastoa kuvaava mesh käännettiin Unity 3D:n maastoksi. Unityn maasto tunnetaan nimellä terrain. Tämän päälle asetettiin mesh, jossa oli puusto mukana. Näin toimiessamme saimme tuotua LIDAR-tiedon puumassojen sijainnista ja korkeudesta. Tieto osoittautui hyvin soveltuvaksi puuyksilöiden ja kasvillisuusmassojen paikkoja malliin määriteltäessä.

Kasvillisuuden mallintamisessa päähuomio oli puissa ja pelimoottorin arvioidussa suorituskyvyssä. Puita mallintaessa tutkimme sekä Grove 3D, että Speed Tree -ohjelmistojen soveltuvuutta tarpeisiimme. Lopulta hankkeen puut päätettiin tehdä Speed Tree -ohjelmalla, jonka puualgoritmeisin yhdistimme itse kuvatut paikallisen lajiston mukaiset lehvästöt. Speed Treen tarjoama kontrolli puiden habituksen ohjaamiseen vaikutti lopulta valintaan ratkaisevasti. Puita mallinnettaessa tutkittiin mm. erilaisia tapoja kuvata lehvästö, erilaisia tapoja rajata valokuvan ja mallin suhde ja eri polygonimääriä. Lopulta puut päätettiin tehdä melko suurilla kuvatuilla yksittäisillä oksilla. Puumallissa tavoiteltiin n. 15000 polygonin kokonaismäärää. Tämä määrä osoittautui virtuaalitodellisuuskokemusta testaillessamme riittävän kevyeksi pelimoottorille ja virtuaalitodellisuuskokemuksen kannalta erittäin oleellinen osa, käyttökokemus säilyi sujuvana. Yhdestä puuyksilöstä mallinnettiin kolme ikäversiota neljään eri vuodenaikaan, jokainen yksittäinen puuyksilö sisälsi siis yhteensä 12 eri puumallia.

Teknisistä syistä päädyttiin siihen, että jokaiselle vuodenajalle rakennettiin oma stage. Toisaalta jokainen puu rakennettiin siten, että tyhjän kehikon (empty gameobject) sisällä oli jokainen kyseisessä vuodenajassa esitettävä ikäversio. Pelaaja kontrolloi sitä, että mikä stage on käynnissä ja mikä vuodenaikaversio puusta on näkyvissä. Näin ollen saatiin esitettyä kaikki neljä vuodenaikaa ja puiden ikäversiot. Eri vuodenajoissa maasto ja valaistusolosuhteet oltiin muokattu esittämään stereotyyppistä säätä kyseisenä vuodenaikana.

Kaiken kaikkiaan menetelmä oli toimiva ja lopputulos hyödyllinen. Työtavassa on kuitenkin edelleen hankkeen jälkeen kehitettävää. Seuraavaksi olisi tarpeellista kehittää systeemi, jossa vuodenaikaa ja vuotta voi manipuloida portaattomasti. Tämä vaatisi käytännössä joustavaparametriset algoritmiset puumallit tai algoritmit sisältävän kasvillisuuseditorin tuomisen pelimoottoriin. Uskomme, että ensimmäinen on kestävämpi ja tehokkaampi vaihtoehto. On myös tärkeää lisätä vuorokaudenajan muutos kontrolloivien asioiden piiriin. Tähän meillä on jo ratkaisut eri pelimoottorialustalle.

Voimme olla tyytyväisiä tapaan, jolla voimme kehitetyn ohjelmiston avulla ohjata puiden käytöstä ajassa. Koodi toimii moitteettomasti ja on sovellettavissa myös muihin vastaaviin hankkeisiin joustavasti.