NMT W BIM

Każda inwestycja budowlana, niezależnie od lokalizacji czy zakresu prac, związana jest z terenem traktowanym jako powierzchnia odniesienia. Działanie w metodyce BIM bez odniesienia do terenu byłoby więc niepełne, a na pewno mniej wartościowe.

Posiadanie aktualnego modelu terenu jest przydatne nie tylko podczas projektowania czy realizacji inwestycji, ale również podczas jego eksploatacji. Dostępne narzędzia i oprogramowanie sprawia, że stworzenie Numerycznego Modelu Terenu (NMT lub ang. DTM – Digital Terrain Model) – bo o nim mowa, jest możliwe bez szczególnego zwiększenia nakładów pracy projektowej. Jeśli zadbamy o wysoką jakość NMT, może on stać się przydatną biblioteką wiedzy dla inwestora lub późniejszego zarządcy.

Pozyskiwanie danych
NMT to cyfrowa reprezentacja fizycznej powierzchni terenu z jej morfologicznymi formami (KURCZYŃSKI, 2014), zaś teren wraz ze wszystkim, co się na nim znajduje, to Numeryczny Model Pokrycia Terenu (NMPT lub ang. DSM – Digital Surface Model). Już to proste rozróżnienie pojęć ukazuje pierwszy problem z wygenerowaniem NMT, tj. określenie, co w danym projekcie uznać za powierzchnię odniesienia. Inaczej będzie w przypadku prac budowlanych, inaczej zaś przy zarządzaniu urobkiem górniczym. Drugie pytanie to: jak pozyskać dane terenowe? Najpowszechniejszą formą pozyskiwania informacji o terenie są klasyczne metody geodezyjne (niwelacja), metody fotogrametryczne (opracowania na podstawie zdjęć lotniczych lub zdjęć z dronów) oraz popularny skaning laserowy (naziemny: TLS – Terrestrial Laser Scanning lub lotniczy: ALS – Airborne Laser Scanning). Dobór metodyki pozyskiwania danych uzależniony jest od docelowych dokładności, rodzaju NMT i przede wszystkim – jego przyszłych zastosowań. Mowa tu o bardzo szerokim spektrum wykorzystania NMT. Począwszy od obliczeń i optymalizacji prac dotyczących robót ziemnych, logistyki placu budowy, symulacji podtopień i powodzi, modeli nachylenia terenu i planowania odwodnienia, aż po prostsze, ale często bardziej efektowne analizy przestrzenne czy symulacje krajobrazu. Im większa będzie dokładność modelu oraz zakres przechowywanych danych, tym więcej będzie miał on zastosowań w przyszłości. Tym samym pozwoli to oszczędzić czas i fundusze związane z kosztownymi oraz nieprzewidywalnymi pracami terenowymi. Często spotykanym na polskim rynku wykorzystaniem modelowania 3D terenu jest zarządzanie hałdami na składowiskach odpadów oraz wspomniane wcześniej obliczanie urobku górniczego na podstawie modeli 3D z powtarzalnych pomiarów terenowych (skaning lub drony). Każdy: archiwalny, aktualny czy prognozowany model terenu – jest wyodrębniany i wizualizowany w ramach jednego projektu, umożliwiając podgląd zmian terenu w czasie. Daje to możliwość lepszego harmonogramowania prac (ang. phase planning), ale i wglądu w stan archiwalny.
Teren jako powierzchnia odniesienia jest też niezwykle ważny w przypadku inwentaryzacji i modelowania infrastruktury podziemnej. Pozwala wykryć znaczną liczbę błędów projektowych, takich jak kolizje czy nieprzepisowa głębokość projektowanego przyłącza sieci. Wbrew pozorom błędy tego typu zdarzają się nawet w zatwierdzonej dokumentacji budowlanej i wykonawczej, generując – poza kosztami – dodatkowy bałagan na budowie. Tego typu mankamenty nie mają miejsca w projektach wykonanych zgodnie z technologią BIM. Uwydatniona jest w tym miejscu przewaga tej technologii nad pozornie tańszymi rozwiązaniami tradycyjnymi typu CAD. Opisane błędy, w modelu 3D uzupełnionym o NMT, wychwytywane są na etapie koordynacji wewnętrznej modelu. Możliwa jest też automatyzacja kontroli poprzez stworzenie skryptów kontrolujących na podstawie wybranych przez użytkownika reguł. Przykładowo system może porównywać głębokość umiejscowienia rury gazowej z jej atrybutem, mówiącym o dopuszczalnym zakresie głębokości.
NMT pozwala łatwo przeanalizować i zwizualizować nasłonecznienie terenu, obrazowo wyrażając potencjał energetyczny poprzez paletę barw uzależnioną np. od wartości kWh/m2. Rzecz jasna poza efektowną wizualizacją daje to możliwość generowania różnorodnych zestawień i optymalizować ustawienie paneli fotowoltaicznych. O złożonych zastosowaniach NMT można napisać dużo więcej, ale warto zauważyć, że nawet zwykła symulacja przestrzenna zyskuje na wartości, gdy nie jest zlokalizowana na płaskim, zielonym prostokącie, lecz na realnie ukształtowanej powierzchni.

Warunki dla modelu terenu
Gdy mamy już ogólny ogląd na zastosowania NMT w technologii BIM, należy zadać pytanie: jak stworzyć lub rozpoznać dobrej jakości NMT? Warunki, jakie powinien spełniać model terenu, to:
• dokładność adekwatna do zastosowania,
• wydajność pracy (dobór formatu plików i ich wielkości do możliwości komputera),
• łatwość edycji i wykonywania analiz.
Sprawdzenie pierwszego warunku jest często najprostsze. Model powinien składać się z odpowiednio gęstej siatki powierzchniowej w dobranej do zadania strukturze. Rozróżniamy dwie formy reprezentacji siatki wysokościowej: regularna – najczęściej siatka kwadratów, tzw. GRID lub nieregularna siatka trójkątów, tzw. TIN (Triangulated Irregular Network). W strukturze GRID punkty węzłowe siatki przechowują informacje o wysokościach interpolowanych z danych źródłowych, czyli punktów pomiarowych (ang. mass points) uzupełnionych liniami nieciągłości (ang. breaklines). Struktura TIN najczęściej zachowuje oryginalne punkty pomiarowe oraz uwzględnia linie nieciągłości na etapie generowania siatki. W przypadku skaningu laserowego danymi wejściowymi do NMT są przefiltrowane i oczyszczone lub sklasyfikowane punkty chmury.
Główną różnicą pomiędzy opisanymi typami NMT jest gęstość siatki. GRID na całym obszarze modelu zachowuje jednakową gęstość, określoną na podstawie parametru wielkości oczka siatki (długości jej boku). Gęstość TIN jest zmienna i uzależniona od charakteru terenu – im bardziej złożone formy terenowe, tym więcej trójkątów i mniejsze ich wymiary. W przypadku gęstej siatki GRID różnice modelu względem TIN nie będą znaczące. Jednakowoż należy pamiętać, że wszelkie krawędzie, szczególnie obiektów powstałych w wyniku działalności człowieka, jak np. skarpy czy rowy, w modelu GRID zostaną wygładzone. Wygładzenie krawędzi ma wpływ m.in. na walory hydrologiczne modelu, np. kierunki i prędkości spływu wody, co z kolei pomaga wyznaczyć zasięg fali powodziowej. Co ważne, należy unikać sztucznego zagęszczania siatki. Łatwo wyobrazić sobie sytuację, gdy wykonawca NMT, chcąc wypełnić zapis w umowie odnośnie do GRID o oczku 0,25 m, wykorzysta istniejący model z oczkiem 1 m, zmieniając tylko gęstości siatki poprzez interpolacje już wcześniej interpolowanych wartości. Zapis z umowy będzie wypełniony, lecz wartość takiego modelu – znikoma. Podobnie więc jak w przypadku pseudo-BIM-u, taki swoisty pseudo- -NMT przynieść może więcej szkód niż pożytku.

Optymalizacja modelu
W celu optymalizacji działania modelu 3D, np. w trybie jego przeglądania lub wizualizacji, cechy terenu, takie jak ziarnistość podłoża, mogą być przechowywane jako atrybut wybranego fragmentu lub całego NMT. Analogicznie można przechowywać informacje o przepuszczalności gruntu, jego nośności czy średniej gęstości, a wszystko to wewnątrz jednego projektu BIM. Zgromadzenie licznych informacji o terenie w jednym miejscu ułatwia koordynację międzybranżową oraz zarządzanie inwestycją. Przeładowanie projektu zbędnymi informacjami taką koordynację utrudnia, więc jak zwykle trzeba szukać „złotego środka”.
W przypadku NMT do symulacji i analiz, szczególnie tych związanych z hydrologią, dane wejściowe należy uzupełnić o linie szkieletowe terenu (grzbiety, linie cieków), powierzchnie planarne (zbiorniki wodne, powierzchnia pod zabudową) oraz pikiety ekstremalne w punktach charakterystycznych (wierzchołki, dna zagłębień). Jednak nawet zebranie wysokiej jakości danych terenowych na nic się nie zda, jeżeli wybrany zostanie nieodpowiedni algorytm interpolacji wysokości. Źle dobrane parametry wygładzania powierzchni mogą znacząco obniżyć ostateczną dokładność modelu terenu. Przykładowo przy analizach podtopień dwukrotnie większy błąd wysokościowy może generować nawet kilkusetmetrowy błąd wyznaczenia strefy zalewowej.
Biorąc pod uwagę wymienione wyżej przykłady, widać, że jakość NMT to nie tylko jego dokładność wysokościowa czy sytuacyjna, ale także odpowiedni dobór metod pozyskania i przetwarzania danych. Kluczowe jest więc określenie, do czego chcemy wykorzystać model terenu i jakie korzyści z jego zastosowania osiągnąć. W przypadku BIM nadrzędnym celem jest lepsze zarządzanie informacją o budowli, jej otoczeniu i cyklu życia oraz eliminacja błędów projektowych. Odpowiednio dobrany do naszych celów NMT jest jak samochód dobrze dopasowany do kierowcy – spełnia funkcje praktyczne, cieszy użytkownika, a przy okazji dobrze wygląda. Taki też jest poprawnie wdrożony BIM.

Krzysztof Rosłoń
Geodeta, Fotogrametra
Koordynator modelu BIM w firmie Graphit Studio

Bibliografia:
KURCZYŃSKI Z., Fotogrametria, Wydawnictwo Naukowe PWN SA, Warszawa 2014.