Prvá 3D mapa sveta s 2.75 miliardami budov: ako GlobalBuildingAtlas prekresľuje planétu

Domov » Pytón » Prvá 3D mapa sveta s 2.75 miliardami budov: ako GlobalBuildingAtlas prekresľuje planétu

Planéta potichu získala mimoriadnu novú vrstvu informácií: globálna 3D mapa s 2.75 miliardami budov, ktoré pokrývajú približne 97 % všetkých ľudských stavieb na Zemi. Od rozľahlých mrakodrapových štvrtí v Číne až po roztrúsené vidiecke domy v Saheli sa takmer každá strecha premenila na merateľný objekt v troch rozmeroch.

Za týmto výkonom stojí GlobálnyAtlasBudova, rozsiahly otvorený súbor údajov, ktorý rekonštruuje výšku, pôdorys a objem prakticky každej budovy pomocou satelitných snímok a strojového učenia. Projekt nie je len lesklou vizualizáciou, ale je prezentovaný ako základný nástroj pre urbanistické plánovanie, modelovanie klímy a energie, hodnotenie rizika katastrof a sociálny výskum v skutočne planetárnom meradle.

Čo presne je 3D mapa s 2.75 miliardami budov?

Vo svojej podstate je GlobalBuildingAtlas celosvetový inventár budov v 3D, vytvorené s priestorovým rozlíšením 3 × 3 metre. Každá mapovaná štruktúra je reprezentovaná ako 2D stopa na mieste a zjednodušene 3D blok s odhadovanou výškou, čo umožňuje výskumníkom vypočítať podlahovú plochu, objem a to, aká hustá alebo riedka je skutočná zástavba.

Podľa tímu atlas obsahuje 2.75 miliardy stavebných polygónov. Asi 2.68 miliardy z nich (približne 97 %), dáta dosiahnu to, čo je známe ako Úroveň detailov 1 (LoD1): geometricky zjednodušené pevné bloky, ktoré zachytávajú základný tvar a výšku každej budovy. Nejde o detaily na architektonickej úrovni, ale sú dostatočne presné na to, aby slúžili ako podklad pre numerické modely, simulácie a systémy umelej inteligencie, ktoré vyžadujú konzistentné globálne pokrytie.

V porovnaní s predchádzajúcimi globálnymi súbormi údajov o budovách, ktoré dosiahli vrchol približne 1.7 miliardy stavieb, nová mapa pridáva viac ako miliardu ďalších budov a poskytuje oveľa jemnejšiu granularitu. Priestorový detail je opísaný až do 30 krát vyššie než niektoré z najpoužívanejších predchádzajúcich inventárov, najmä v regiónoch, ktoré boli predtým sotva zastúpené.

Toto zvýšené pokrytie je dôležité, pretože predtým nedostatočne zmapované oblasti, ako sú veľké časti Afriky, Južnej Ameriky a vidieckej Ázie teraz sa zobrazujú s úrovňou detailov podobnou tej, ktorá je tradične vyhradená pre Európu alebo Severnú Ameriku. Inými slovami, atlas nie je len väčší, ale je aj geograficky vyváženejší.

Šesť až sedem rokov práce: ako bola vytvorená globálna 3D mapa

Vytvorenie 3D modelu takmer každej budovy na planéte nebolo záležitosťou jediného spustenia algoritmu. Projekt trval približne šesť až sedem rokov vývoja, ktorá kombinuje diaľkový prieskum Zeme pomocou satelitov, hlboké učenie a mozaiku referenčných súborov údajov poskytovaných rôznymi mapovacími iniciatívami a verejnými agentúrami.

Chrbticou projektu sú snímky z Povrchová odrazivosť PlanetScope, súhvezdie komerčných satelitov, ktoré zobrazujú Zem približne vo vzdialenosti 3 metre na pixelPre tento atlas výskumníci zhromaždili a spracovali približne 800 000 satelitných scén, prevažne z roku 2019 a v niekoľkých prípadoch doplnených údajmi z roku 2018, pričom boli starostlivo vybrané snímky, ktoré boli prevažne bez oblakov a atmosférických porúch.

Tieto scény neboli len tak naskladané. Boli ortorektifikované a atmosféricky korigované tak, aby každý pixel zodpovedal presnej ploche zeme a odrážal vlastnosti povrchu, a nie opar alebo svetelné artefakty. Tím potom tento obrovský archív spojil do globálna mozaika, vyberanie, pixel po pixeli, najčistejšie pozorovanie pre každé miesto.

Aby sa výpočtový výkon sústredil tam, kde ľudia skutočne tvoria, výskumníci použili predchádzajúci produkt, Globálna mestská stopa, na identifikáciu políčok, ktoré pravdepodobne obsahujú osady. Iba tieto segmenty prešli následným kanálom detekcie budov, čím sa skrátil výpočet a zároveň sa zachytili izolované osady a malé mestá.

Jednou z najzložitejších výziev bolo rozlíšiť skutočné budovy od iných jasných alebo štruktúrovaných objektov videné z vesmíru – ako sú cesty, útesy, priemyselná infraštruktúra alebo koruny stromov. Skupina vyvinula viackrokový pracovný postup na detekciu, spresnenie a nakoniec konverziu potenciálnych budov na použiteľné vektorové stopy.

Od satelitných pixelov až po jednotlivé budovy

Prvým krokom pri premene snímok na mapu budov bolo trénovanie hlbokej neurónovej siete na rozpoznávanie prítomnosti budov. Na tento účel tím rozrezal satelitnú mozaiku na menšie oblasti a spároval ich s... existujúce pôdorysy budov zo zdrojov ako OpenStreetMap a rozsiahleho anotovaného súboru údajov z Číny.

Tieto vektorové stopy boli rastrované tak, aby zodpovedali trojmetrová mriežka snímkov PlanetScope, pričom sa vytvorili tréningové dáta, kde bol každý pixel označený ako „buduje sa“ alebo „nebuduje sa“. A neurónová sieť typu encoder-dekodér potom sa naučil vygenerovať „masku budovy“: obrázok, kde jasné pixely označujú predpokladané polohy budov.

Hrubý výstup tohto modelu však mal tendenciu zlúčiť susedné budovy do súvislých guľôčok, najmä v husto osídlených mestských centrách. Aby sa tento problém vyriešil, tím postavil druhý sieť regularizacie na vyčistenie masiek, rozdelenie zlúčených tvarov a zaostrenie hraníc pred ich premenou na polygóny. Na prevod týchto binárnych masiek na vektorové stopy boli použité algoritmy na detekciu kontúr, zjednodušenie polygónov a filtrovanie malých objektov.

Ani vtedy neboli všetky detekované objekty skutočnými štruktúrami. Výskumníci porovnali výsledky s... globálna mapa krajinnej pokrývky (WorldCover), čím sa odstraňujú prvky jasne umiestnené nad vodnými plochami, ľadovcami, kompaktnými lesmi alebo inými typmi pôdy, kde je výstavba budov mimoriadne nepravdepodobná. Tento dodatočný krok filtrovania sa ukázal ako nevyhnutný na obmedzenie falošne pozitívnych výsledkov v odľahlých oblastiach.

Keďže žiadny súbor údajov o stopách nie je úplný alebo konzistentný v globálnom meradle, projekt používa stratégia fúzie zameraná na kvalituV každom administratívnom regióne si tím vybral najspoľahlivejší zdroj – často OpenStreetMap, ale aj Open Buildings od spoločnosti Google pre časti Afriky a Južnej Ameriky, údaje o budovách od spoločnosti Microsoft alebo regionálny súbor údajov pre východnú Áziu (CLSM) – ako primárnu vrstvu a potom ho obohatil o sekundárne zdroje tam, kde existovali medzery.

V praxi to znamená, že v každom regióne atlas ponecháva si všetky budovy z najlepšieho dostupného zdroja, pridáva neprekrývajúce sa budovy z druhého najlepšieho zdroja a spolieha sa na vlastné automaticky generované pôdorysy na vyplnenie zostávajúcich medzier. Výsledkom je jedna, harmonizovaná vrstva polygónov budov, ktorá je podľa autorov úplnejšia ako ktorákoľvek z jej zložiek samostatne.

Ako tím odhadol výšku a objem

Premena 2D obrysov budov na 3D objekty si vyžadovala ďalší dôležitý krok: odhad výšky každej stavby. Na tento účel skupina zhromaždila rozsiahlu zbierku letecké dáta LiDAR krytina 168 mestá, najmä v Európe, Severnej Amerike a Oceánii, kde sa vo veľkom rozsahu nasadilo letecké laserové skenovanie.

Z týchto zdrojov LiDAR odvodili normalizované digitálne modely povrchov (nDSM), kde každá bunka mriežky označuje, o koľko metrov sa daný bod týči nad povrchom zeme. Tieto nDSM slúžili ako „Základná pravda“ pre tréning samostatnú neurónovú sieť, ktorá by mohla odvodiť výšku budovy priamo z jedného optického satelitného snímku.

Po zaškolení toto monokulárny model odhadu výšky bol spustený cez globálnu mozaiku PlanetScope, posúvajúc sa po povrchu s prekrývajúcimi sa oknami, aby pokryl každý pixel. Pre každú bunku s rozmermi 3 × 3 metre sieť vygenerovala predpokladanú hodnotu výšky. Na kvantifikáciu spoľahlivosti systém vygeneroval viacero mierne narušených predpovedí a merali, ako veľmi sa líšili, pričom každému miestu sa priradí odhad neistoty.

Posledným krokom bolo spojiť zdokonalené pôdorysy budov s týmto výšková mriežkaPre každý jednotlivý polygón budovy v atlase systém vzorkoval výškovú vrstvu a typicky jej priradil maximálna hodnota výšky nájdená v rámci tejto plochy ako reprezentatívna výška budovy spolu s príslušnou metrikou neistoty. Z tejto výšky a plochy plochy, celková objem pre každú budovu je možné vypočítať.

Hoci sú modely LoD1 vizuálne jednoduché – skôr pripomínajú starostlivo naskladané krabice než plne detailnú architektúru – zachytávajú dostatok vytvorený formulár na podporu robustnej analýzyTesty v mestách Severnej Ameriky, Južnej Ameriky, Európy, Ázie a Oceánie ukazujú, že hoci sa chyby líšia v závislosti od regiónu a typu mesta, globálny súbor údajov funguje prinajmenšom na rovnakej úrovni a často aj lepšie ako existujúce produkty pre rozsiahle budovy.

Čo prezrádza 3D atlas budov o svete

Po zavedení technického postupu je možné atlas použiť na nakreslenie akéhosi numerický röntgen zastavaného prostrediaNa všetkých kontinentoch má súbor údajov súčet približne 506 640 miliónov štvorcových metrov zastavanej plochy a približne 2.85 bilióna kubických metrov zastavanej plochy.

Jedným z okamžitých zistení je, že predchádzajúce globálne odhady počtu budov sa zdajú byť príliš vysoké. Bežný údaj kolujúci v správach OSN naznačuje, že by mohlo ísť približne 4 miliardy budov na celom sveteČíslo 2.75 miliardy identifikovaných v tomto dokumente – v kombinácii so systematickým spôsobom ich detekcie – naznačuje, že skoršie číslo pravdepodobne nadhodnotilo skutočný celkový počet.

Regionálne porovnania prinášajú viac nuans. Ázie sa javí ako nesporný ťažký váhový prvok, čo sa týka počtu budov aj celkového objemu. Atlas počíta približne 1.22 miliardy budov na kontinente, popri približne 1.27 bilióna kubických metrov zastavanej plochyTieto čísla odrážajú rýchly rozmach miest a vysokú hustotu obyvateľstva v krajinách ako Čína, India a krajiny juhovýchodnej Ázie.

Afrika má druhý najväčší počet budov, približne 540 miliónov štruktúr, ale s oveľa menším nahromadeným objemom – rádovo 117 miliárd kubických metrovTento nesúlad medzi počtom budov a ich objemom podčiarkuje prevalenciu nízkopodlažné obydlia s malou zastavanou plochou, najmä v neformálnych osadách a vidieckych komunitách.

In Európa a Severná AmerikaAtlas nachádza menej budov ako v Afrike, ale priemerný objem na stavbu je podstatne vyšší. Mestské oblasti často kombinujú stredne vysoké a výškové bloky, sklady a väčšie samostatne stojace domy, ktoré všetky zvyšujú typický objem budov, aj keď je počet budov nižší.

Južná Amerikamedzitým v analýze vyniká tým, že obsahuje niektoré z najväčšie chyby v odhade výšky a objemuTím to spája s komplexnou zmesou výškových jadier a neformálnych, husto osídlených štvrtí, ktoré je pre model náročnejšie konzistentne interpretovať, a zdôrazňuje, kde by boli najužitočnejšie budúce vylepšenia a viac lokálnych referenčných údajov.

Nová metrika: objem vybudovaných budov na osobu

Asi najprovokatívnejším aspektom projektu je zavedenie nového indikátora: objem výstavby na obyvateľaNamiesto merania len rozlohy urbanizovanej pôdy sa táto metrika zameriava na celkový objem zastavanej plochy v pomere k počtu ľudí žijúcich v danej oblasti.

Výskumný tím tvrdí, že tento prístup zachytáva nerovnosti, ktoré ploché 2D mapy majú tendenciu skrývaťDve štvrte môžu na tradičnej mape pokrývať rovnakú plochu, ale ich vertikálne profily – a životné podmienky, ktoré ponúkajú – sa môžu dramaticky líšiť.

Pomocou nového 3D súboru údajov zdôrazňujú prípady, ako napríklad Fínsko a GréckoUkazuje sa, že Fínsko má zhruba šesťkrát väčšia zastavaná plocha na osobu ako Grécko, čo naznačuje viac priestoru na obyvateľa a odlišné mestské a bytové vzorce. Na druhej strane stupnice, Niger objavuje sa s rozlohou zastavanej plochy na obyvateľa, ktorá je približne 27-krát nižšie ako celosvetový priemer, čo poukazuje na vážne nedostatky v infraštruktúre a bývaní.

Tieto rozdiely sa neobmedzujú len na Európu alebo Afriku. Atlas ukazuje, že naprieč kontinentmi bohatšie regióny zvyčajne využívajú väčší objem na osobu, širšie ulice a väčšie budovy, zatiaľ čo chudobnejšie štvrte často kombinujú stiesnené, nízkopodlažné bývanie s obmedzenou verejnou infraštruktúrou. Kontrast je výrazný napríklad pri porovnaní bohatých štvrtí veľkých miest s blízkymi neformálnymi osadami.

Pre vedúceho vedca projektu, Profesor Xiaoxiang Zhu Technickej univerzity v Mníchove je tento posun zásadný. Ona a jej kolegovia tvrdia, že mestá by sa mali považovať za trojrozmerné objekty pri posudzovaní pokroku smerom k Cieľ trvalo udržateľného rozvoja OSN 11, ktorá sa zameriava na udržateľné mestá a komunity, a nie sa spolieha výlučne na to, aká veľká časť územia je klasifikovaná ako „mestská“.

Podľa ich názoru, objem budov na obyvateľa ponúka priamejší, hoci stále nedokonalý, pohľad na životnú úroveň, dostupnosť infraštruktúry a intenzitu využívania pôdy ako mapy, ktoré iba vyznačujú okraje zastavaných oblastí.

Od modelovania klímy k reakcii na katastrofy

Okrem opisu globálnych vzorcov je 3D mapa budov navrhnutá tak, aby... prakticky užitočné pre širokú škálu aplikácií. Keďže každá budova má priradený pôdorys, výšku a umiestnenie, atlas môže priamo slúžiť ako podklad pre modely, ktoré potrebujú podrobné znázornenie zastavaného prostredia.

Jedna jasná oblasť je analýza klímy a energieOdhaduje sa, že budovy tvoria približne 40 % celosvetových emisií CO₂, prevažne prostredníctvom vykurovania, chladenia a spotreby elektriny. Konzistentné 3D údaje o budovách na celom svete umožňujú výskumníkom lepšie odhadnúť dopyt po energii, simulovať rôzne scenáre modernizácie a kvantifikovať potenciálne zníženie emisií zo zmien v konštrukcii, izolácii alebo urbanistickom riešení.

Ďalším okamžitým použitím je znižovanie rizika katastrofInštitúcie ako Nemecké letecké stredisko, ktorý sa podieľa na Medzinárodná charta: Vesmír a veľké katastrofy, už skúmajú, ako môže atlas pomôcť posúdiť, ktoré stavby a populácie sú vystavené povodniam, zemetraseniam, zosuvom pôdy alebo búrkam. S trojrozmernými údajmi je jednoduchšie odhadnúť, koľko ľudí môže byť postihnutých na rôznych poschodiach alebo aký veľký objem zastavanej plochy sa nachádza v záplavovej oblasti.

Pre urbanistov a miestne orgány, ktoré majú konzistentná 3D základná línia otvára možnosti simulácie zásahov pred ich realizáciou. Mestské samosprávy môžu napríklad identifikovať štvrte, kde je ponuka bývania výrazne nižšia ako potreby obyvateľstva, nájsť potenciálne lokality pre nové školy alebo zdravotné strediská a otestovať, ako by pridávanie zelených plôch alebo zmena usporiadania ulíc mohli ovplyvniť vystavenie teplu alebo dostupnosť.

Kľúčová je otvorenosť súboru údajov. Atlas je dostupný online prostredníctvom Interaktívna mapa ktorý funguje spôsobom, ktorý bude mnohým používateľom známy: je možné posúvať, približovať, vyberať rôzne vrstvy pozadia, ako sú štandardné mapy alebo satelitné pohľady, a vyhľadávať konkrétne miesta podľa názvu alebo adresy. Používatelia môžu prepínať medzi vizualizácie objemu a 3D blokové reprezentácie LoD1 preskúmať svoje vlastné mesto alebo odľahlé regióny.

Pre tých, ktorí potrebujú hlbší prístup, základné dáta a kód je možné stiahnuť z GitHubuTo umožňuje výskumníkom, verejným agentúram a dokonca aj súkromným spoločnostiam vykonávať vlastné analýzy, integrovať atlasy do existujúcich systémov alebo ich prijať. spravované grafové databázy reprezentovať zložité vzťahy.

Monitorovanie urbanizácie takmer v reálnom čase

Jedným z najlákavejších prísľubov GlobalBuildingAtlas je, že nemusí zostať len jednorazovým momentom roku 2019. Pretože projekt je založený na pravidelne získavané satelitné údaje a trénovaných modelov sa v zásade môže pravidelne spúšťať, aby sa vytvorili aktualizované pohľady na svetový stavebný fond.

Vedec urbanistického plánovania Dorina Pojaniz University of Queensland zdôraznil, že by to mohlo umožniť výskumníkom a tvorcom politík sledovať vývoj miest počas nasledujúcich piatich až desiatich rokov, namiesto spoliehania sa na nepravidelné sčítania ľudu alebo lokálne súbory údajov, ktoré sú medzi krajinami zriedkavo harmonizované.

V regiónoch, kde informácie o plánovaní sú nedostatočné alebo zastarané, ako sú rýchlo rastúce sekundárne mestá v Afrike alebo Ázii, by to mohlo poskytnúť prvú spoľahlivú a aktuálnu základnú líniu zastavaného prostredia. Plánovači by napríklad mohli vidieť, ako sa rozširujú neformálne osady, kde priemyselné zóny zasahujú do poľnohospodárskej pôdy alebo ktoré prímestské oblasti sa zapĺňajú novou výstavbou.

V prípade demografických a socioekonomických štúdií by sa takéto časové aktualizácie mohli krížiť s odhadmi populácie, aby sa pozorujte, ako sa objem zastavanej plochy na osobu mení v priebehu časuDobiehajú niektoré oblasti zameškané, čo sa týka bývania a infraštruktúry, alebo sa rozdiely prehlbujú? Ktoré politiky sú spojené s vyváženejším rastom objemu zastavanej výstavby a populácie?

Z technického hľadiska bude možnosť častejších aktualizácií závisieť od faktorov, ako sú dostupnosť satelitných údajov, výpočtové zdroje a schopnosť spresniť modely s novými referenčnými súbormi údajov, najmä v nedostatočne zastúpených regiónoch. Postup demonštrovaný pre mapu z roku 2019 však ponúka šablónu pre budúce „snímky“ budov sveta.

Výskum transparentnosti, riadenia a dokonca aj korupcie

Okrem fyzického plánovania a klimatických štúdií môže mať atlas dôsledky aj pre riadenie a transparentnosťKeďže umožňuje systematické prepojenie medzi fyzickou prítomnosťou budov a inými súbormi údajov, niektorí výskumníci ho považujú za nástroj na skúmanie toho, ako moc a peniaze formujú zastavané prostredie.

Expert na urbanistické plánovanie Dorina Pojani poukázal na to, že v zásade by sa dali použiť údaje na úrovni budovy na spájať konkrétne projekty s vývojármi, spoločnosťami alebo politickými aktérmiPrekrývaním katastrálnych záznamov, záznamov spoločností alebo údajov o verejnom obstarávaní by si analytici mohli začať klásť otázku, či určité siete jednotlivcov nemajú neúmerne veľkú prítomnosť v vysokohodnotné alebo strategicky umiestnené projekty, podporovaný Amazonský Neptún.

Takéto analýzy by mohli prispieť k štúdiám korupcia v mestách, špekulácie s pozemkami a ovládnutie plánovacích procesovMôžu pomôcť identifikovať vzorce, kde stavebný boom koinciduje so zmenami politík alebo kde niektoré štvrte opakovane dostávajú luxusnú výstavbu, zatiaľ čo iné zostávajú systematicky zanedbávané.

Ďalší odborník, Liton Kamruzzaman z Monash University zdôraznil, že atlas ponúka mimoriadnu hodnotu v krajinách, ktoré v súčasnosti chýbajú spoľahlivé informácie o plánovaníV takýchto kontextoch, kde môžu chýbať aj základné mapy rozširovania miest, by dostupnosť globálnej 3D vrstvy budov mohla podporiť transparentnejšiu diskusiu o tom, ako mestá rastú, ktoré komunity dostávajú infraštruktúru a ako sú rozložené riziká a vybavenie.

Atlas samozrejme neposkytuje úplný obraz o vlastníctve, právach na držbu alebo sociálnej dynamike. Avšak tým, že fyzická stránka príbehu oveľa viditeľnejšia a merateľnejšia, môže slúžiť ako východiskový bod pre informovanejšie diskusie o rovnosti, spravodlivosti a zodpovednosti v rozvoji miest.

S výhľadom do budúcnosti je skutočnosť, že súbor údajov je verejné a reprodukovateľné znamená, že novinári, občianska spoločnosť a výskumníci môžu nezávisle overovať tvrdenia o stavebných modeloch, poskytovaní infraštruktúry alebo výsledkoch veľkých rozvojových programov, namiesto toho, aby sa spoliehali výlučne na oficiálne štatistiky.

Vo všetkých týchto oblastiach – urbanistické štúdie, klimatické vedy, riadenie rizík a riadenie – nové 3D mapa s 2.75 miliardami budov predstavuje zásadnú zmenu v spôsobe, akým možno pozorovať a analyzovať zastavané prostredie sveta. Nahradením plochého, nejednotného obrazu trojrozmerným, takmer globálnym inventárom ponúka GlobalBuildingAtlas spoločný referenčný rámec pre pochopenie toho, kde a ako ľudia žijú, čo pre nich bolo postavené a ako nerovnomerne je tento zastavaný objem rozdelený.