Городское планирование. Цифровой двойник города

Аннотация

Данная статья рассматривает современные проекты и технологи в городском планировании. Такие проекты как GEOURBAN, UN-Habitat и прочие являются примерами таковых программ. Статья описывает, как эти проекты используют данные дистанционного зондирования Земли для улучшения городской инфраструктуры и управления ею.

Для простого пользователя статья будет полезна, так как она дает представление о том, как современные технологии улучшают жизнь в городе. Она также поможет пользователям понять, какие проекты и технологии используются в их городе и как они влияют на их жизнь.

Для человека, близкого к планированию, статья может быть полезна тем, что она предоставляет информацию о новых технологиях, проектах. которые могут помочь улучшить городскую инфраструктуру и сделать ее более устойчивой. Она также даст понять, что использование данных дистанционного зондирования Земли может помочь в планировании городской инфраструктуры и управлении ею.

Таким образом, статья предоставляет полезную информацию для широкой аудитории, которая интересуется городским планированием и современными технологиями.

Введение

Городское планирование — это процесс разработки и реализации стратегий и планов, нацеленных на улучшение использования городской территории, обеспечение экономического развития и качества жизни горожан. Городское планирование может включать в себя регулирование земельных и строительных правил, развитие транспортных систем, распределение населения, развитие экономики, охрану окружающей среды, создание пространств для общения горожан и многое другое. Городское планирование играет важную роль в создании устойчивых городов, которые могут быть социально, экологически и экономически устойчивыми. Оно помогает обеспечить баланс между экономическим ростом и качеством жизни горожан, а также справиться с вызовами, связанными с изменением климата, ростом населения и глобализацией экономики.

Современные мировые проекты по городскому планированию направлены на использование новых технологий и инновационных подходов для улучшения городской среды и повышения качества жизни горожан. Они включают в себя использование данных дистанционного зондирования Земли, аналитики больших данных, интернета вещей и других технологий для управления городской инфраструктурой, повышения безопасности, улучшения транспортной доступности и снижения негативного воздействия на окружающую среду.

Дистанционные методы зондирования Земли в городском планировании.

Аэрофотосъемка — это метод получения изображений земной поверхности с помощью фотокамер, установленных на самолетах или беспилотных летательных аппаратах. Эти изображения могут быть использованы для создания карт и планов городов, которые могут быть полезны в городском планировании.

Аэрофотосъемка может помочь в городском планировании в следующих областях:

• Изучение территории, чтобы определить ее особенности, такие как рельеф, реки, озера, леса и т. д. Это может помочь городским планировщикам определить, как использовать землю и какие меры необходимо принять для ее защиты.
• Планирование транспортной инфраструктуры, такой как дороги, мосты, железные дороги и т. д. Изображения могут помочь определить наиболее эффективные маршруты и места для строительства новых дорог и мостов.
• Планирование застройкитакой как строительство новых зданий и жилых комплексов. Изображения могут помочь определить наиболее подходящие места для строительства и понять, как новые здания будут вписываться в окружающую среду.
• Оценка экологических рисков, таких как загрязнение воздуха и воды, опасные отходы и т. д. Изображения могут помочь определить места, где находятся источники загрязнения, и помочь городским планировщикам принять меры для уменьшения рисков.

Космические методы зондирования Земли (КМЗЗ) играют важную роль в городском планировании, предоставляя ценные данные и информацию для анализа и принятия решений. Вот несколько примеров использования КМЗЗ в городском планировании:

• КМЗЗ позволяют создавать детальные карты городской застройки, которые могут быть использованы для планирования новых проектов и обновления существующих. Например, помогают определить границы городских районов, оценить плотность населения и выявить проблемные зоны, такие как районы с низким уровнем благоустройства.
• Мониторинг изменений в городской застройке. Космический аппарат (КА) способен обнаружить незаконное строительство, изменения в зонировании земли и несанкционированные изменения в градостроительстве. Такой мониторинг помогает в обеспечении соблюдения планировочных норм и повышении эффективности управления городскими ресурсами.
• Оценка экологической устойчивости, спутниковые изображения могут определить зеленые зоны, оценить качество воздуха и воды, а также выявить природные ресурсы и экологические угрозы. Такие данные могут помочь в разработке планов устойчивого развития городов и принятии мер для снижения негативного воздействия на окружающую среду.
• Планирование градостроительных проектов. Снимки позволяют определить наиболее подходящие места для строительства, учитывая факторы, такие как доступность транспорта, наличие инфраструктуры и экологические условия.

Использование БПЛА (беспилотных летательных аппаратов) в городском планировании может быть очень полезным. БПЛА могут использоваться для сбора данных о городской инфраструктуре, землепользовании, транспортной системе, жилой и коммерческой застройке, а также для оценки социальных и экономических условий в городе.

• С помощью БПЛА можно получить высококачественные фотографии и видео с высоты птичьего полета, что позволяет получить более полное представление о городской среде и ее особенностях. Эти данные могут быть использованы для создания трехмерных моделей городской среды, которые могут быть использованы для анализа и планирования городской инфраструктуры.
• БПЛА также могут использоваться для мониторинга состояния городской инфраструктуры, такой как дороги, мосты, здания и другие сооружения. Это позволяет быстро обнаруживать повреждения и проблемы, такие как трещины, разрушения и другие повреждения, что позволяет быстро принимать меры по их устранению.
• Кроме того, БПЛА могут использоваться для оценки экологической ситуации в городе, например, для мониторинга качества воздуха и воды, а также для обнаружения и анализа загрязнения окружающей среды.

Использование дистанционных методов зондирования в городском планировании может значительно улучшить качество данных и обеспечить более точную и полную информацию о городской среде. Это позволяет принимать более обоснованные решения при планировании городской инфраструктуры и создании более устойчивых, безопасных и комфортных городов.

Независимо от метода зондирования, ко всем снимкам предъявляются одинаковые требования:

• Разрешение. Снимки должны иметь достаточно высокое пространственное разрешение, чтобы обеспечить детализированное изображение городской среды, до 1 метра. Это позволяет выделить различные объекты и особенности, такие как здания, дороги, парки, остановки общественного транспорта и другие элементы инфраструктуры.
• Многоканальность. Снимки должны предоставлять информацию в различных спектральных диапазонах (Видимый и ИК диапазоны), для использования различных вегетационных и других индексов. Различные индексы позволяют получать данные о разных типах поверхности: о растительности, водных объектах, земле и других элементах городской среды. Это обеспечивает возможность анализа и классификации различных типов земельного покрова.
• Временная частота. Снимки должны быть доступны в разные временные периоды. Это позволяет отслеживать изменения в городской среде с течением времени и проводить мониторинг различных процессов, таких как расширение города, изменение использования земли, изменение структуры зданий и других факторов, которые могут влиять на городское планирование.
• Качество изображения. Снимки должны быть высокого качества с минимальным уровнем шума, облачности и искажений. Более четкое и чистое изображение обеспечивает более точную и надежную интерпретацию данных и результатов анализа.

Учитывая эти требования, городское планирование с использованием ДЗЗ может получить актуальную и детализированную информацию о городской среде, что помогает принимать более обоснованные решения относительно развития и улучшения городской инфраструктуры.

Проект GEOURBAN

Управление территорией – процесс динамичный, а стремление к эффективному и устойчивому развитию города требует совершенствования методов, изучения альтернативных решений, создания новых инструментов наблюдения и использования актуальной пространственной информации о городе. В настоящее время источниками подобной информация являются статистика, геодезия и картография. Однако, используемые способы обработки данных часто приводят к сравнительно грубым пространственным и временным результатам либо являются материально- и трудозатратными.

Увеличение числа методов дистанционного зондирования земли (далее – ДЗЗ) открывают новые возможности для создания перспективных инструментов, обеспечивающих поддержку планирования и принятия решений по управлению территорией города органами местного самоуправления и предоставляющих пространственные данные о территории заинтересованным лицам, в т.ч. градостроителям, архитекторам, проектировщикам, инвесторам, девелоперам, кадастровым инженерам и пр. Интеграция различных источников данных, их совместная обработка повышает качество и информативность результатов, полученных с использованием этих данных.

Рисунок 1. Методология GEOURBAN

Проект GEOURBAN был создан с целью формирования многостороннего научного сотрудничества России со странами Евросоюза и семи ассоциированными странами в рамках программы ERA.Net-RUS. Для реализации проекта GEOURBAN были выбраны в качестве пилотных три города с различными типологиями: город Тюмень (Россия), отличающийся континентальным климатом и динамичным процессом произошедших в течение последних двух десятилетий политических изменений; средиземноморский город Тель-Авив (Израиль) и центральный европейский город Базель (Швейцария), где налажено сотрудничество между учеными в области наблюдения Земли и градостроителями.

Цель проекта заключается в использовании комплексных подходов и объединении ученых в области наблюдения Земли и градостроителей, путем демонстрации возможностей современных систем мониторинга для отображения параметров градостроительной ситуации и качества городской экологии на больших территориях с высоким уровнем детализации.

Задачи проекта GEOURBAN:

- анализ требований к данным ДЗЗ, определение источников этих данных и методов их обработки для использования в процессе управления развитием территории на примере пилотных городов;

- анализ потенциала использования результатов космической деятельности в процессе управления развитием территории;

-подбор показателей (индикаторов), полученных на основе данных ДЗЗ и отражающих состояние городской среды;

- создание веб-ориентированной информационной системы (далее – ИС), позволяющей автоматизировать процесс вычисления индикаторов, и демонстрация разработанной ИС на примере пилотных городов.

Основные достижения первого этапа проекта:

- проведение регулярных встреч сообщества с целью определения потребностей перспективных пользователей ИС;

- формирование перечня индикаторов, отображающих качество и развитие городской среды;

- получение результатов на основе обработки данных космической деятельности и использование их для вычисления индикаторов;

- разработка прототипа ИС GEOURBAN.

Рисунок 2. Процент непроницаемости поверхности для г. Тюмени
(Космические аппараты ДЗЗ - RapidEye и TerraSAR-X)

Программа Организации Объединенных Наций по населенным пунктам (ООН-Хабитат)

Группа по наблюдению за Землей (GEO) и программа ООН по населенным пунктам (UN-Habitat) создают программу "Инструментарий наблюдения за Землей для устойчивых городов и сообществ", которая разработана для поддержки государств-членов ООН, включая города, в достижении 11 цели «Целей устойчивого развития ООН (ЦУР)» : "сделать города и поселки комфортными, безопасными, жизнестойкими и устойчивыми", а также для реализации Новой городской повестки дня (НГП) через постоянное использование данных и приложений дистанционного зондирования Земли.

Программа направлена на разработку настраиваемого и постоянно обновляемого инструментария по внедрению наблюдений за Землей и геопространственной информации в процессы мониторинга и отчетности городов по целям и показателям ЦУР на основе вкладов государств-членов ООН и городов.

Инструментарий, разработанный с участием стран и городов, будет дополнять руководство, опубликованное ООН-Хабитат, и будет производиться в сотрудничестве с ней и выбранным количеством регионально представительных стран и городов. Он будет определять потребности, требования к данным и предоставлять практические рекомендации по использованию данных, полученных с помощью дистанционного зондирования и наземных средств наблюдения за Землей, с национальной статистикой, социоэкономическими данными и другой вспомогательной информацией, чтобы помочь странам мониторить, отчитываться и продвигаться в достижении 11 ЦУР и НГП. Программа "Инструментарий наблюдения за Землей для устойчивых городов и сообществ" поможет странам обмениваться знаниями, связывать опыт разных национальных, субнациональных сообществ и улучшить понимание между техническими аналитиками и принимающими решениями. Она также способствует пониманию относительно ценности вклада данных ДЗЗ в достижении Целей устойчивого развития и НГП.

Ключевые области включают: мониторинг расширения и уплотнения городов, отслеживание доступности общественного транспорта, оценка открытого общественного пространства и его распределение по городским территориям, картографирование трущоб, неформальных поселений и непригодных жилищных условий, оценка эколого-климатических условий и пространственной типологии, а также уязвимости городов, и снижение негативного воздействия городов на душу населения, включая качество воздуха.

Эта программа поможет людям использовать данные о Земле, чтобы лучше понимать, как улучшить жизнь в городах. Она будет использовать новые технологии, чтобы быстро получать данные и использовать их для принятия решений. В программе будут участвовать страны и города, которые будут использовать инструментарий для мониторинга, отчетности и планирования в отношении Целей устойчивого развития 11 и Новой Глобальной Партнерства.

Совет по управлению, состоящий из выбранных стран и городов из этих стран, Жилищной программы ООН, поставщиков НЗ и представителей городских деятельностей GEO, будет встречаться (лично или дистанционно) по мере необходимости и консультироваться между встречами. Участвующие страны и города будут использоваться в качестве примеров и демонстрационных проектов, чтобы показать, как инструментарий используется для поддержки их мониторинга, отчетности и планирования в отношении ЦУП 11, Новой глобальной городской повестки и других приоритетов, связанных с городской средой.

Программа поможет ускорить использование данных и инструментов наблюдения за Землей на уровне города, национального, регионального и глобального уровней. Также участники программы получат дополнительные преимущества, такие как возможность общаться с экспертами и практиками, продвижение устойчивости городов, получение технической поддержки и развития квалификации, а также обращение к ГЕО-Пленару с иллюстрациями конечных приложений НЗ в странах и городах. Дополнительные преимущества для отдельных лиц и организаций включают:

• Присоединение к глобальной сети экспертов и практиков из национальных / поднациональных, региональных или тематических инициатив, где можно обмениваться методами, извлеченными уроками, практиками и опытом в области геопространственной информации и интегрированных с ЦУР усилий по наблюдению за Землей, имеющих отношение к ЦУР 11 и НГП;
• Помощь в продвижении устойчивости городов в вашей стране и городах, которые выберут поддержку программы;
• Работа на национальном уровне для координации деятельности и обеспечения коммуникации и сотрудничества вокруг национальной городской повестки дня и связанных с ней приоритетов;
• Получение прямой технической поддержки и развития квалификации от GEO, Жилищной программы ООН и поставщиков НЗ (космических агентств), в том числе по вопросам воспроизведения глобальных подходов с использованием локальных наборов данных для поддержки их мониторинга, отчетности и планирования деятельности в отношении ЦУР 11 и НГП;
• Обращение к ГЕО-Пленару с иллюстрациями конечных приложений НЗ в странах и городах.
• Становление глобальной точкой отсчета и "местом обращения" для обучения от города к городу и от страны к стране.

Цифровой двойник на примере города Москва

«Цифровой двойник Москвы» — точная 3D-копия (фотограмметрическая модель) территории столицы в виртуальной реальности, на которую нанесены все сети инженерных и транспортных коммуникаций, станции метро, остановки автобус, инфраструктура города. Чтобы создать ее, потребовалось более 12 миллионов фотографий всей территории города, сделанных под разным углом с воздуха и земли. Каждый год снимки полностью обновляются, чтобы поддерживать фотограмметрическую модель в актуальном состоянии.

Важно понимать, что 3D-модель города представляет собой виртуальное трехмерное представление городской среды. Она создается с использованием компьютерных программ и технологий, которые позволяют создать детализированную трехмерную модель городского ландшафта, зданий, улиц, парков и других объектов, которые составляют городскую среду.

Цифровой двойник города используется для различных целей, включая управление городской инфраструктурой, оптимизацию городской мобильности, повышения безопасности, улучшения качества жизни горожан и многих других аспектов. Он может служить основой для разработки и тестирования новых городских решений и технологий, таких как умные города (Smart Cities).

Цифровой двойник города также может использоваться для анализа данных и прогнозирования различных событий, таких как дорожные заторы, изменения климата, распространение эпидемий и другие явления, что может помочь городским властям в принятии более обоснованных решений и планировании будущего развития города.

Цифровой двойник города помимо того, что так же является цифровой 3D-моделю, содержит в себе данные о физической структуре, инфраструктуре, ресурсах, населении, транспорте и других аспектах. Цифровой двойник города может включать не только визуальные данные, но также и информацию о состоянии и функционировании городских систем. Двойник города служит для сбора и анализа данных о городе, моделирования и прогнозирования процессов и событий, доступа к информации для улучшения управления и принятия решений в городском контексте. Он может использоваться для оптимизации систем управления, ресурсного планирования, улучшения общественных услуг и других аналитических целей. Например, Геоинформационная система «Цифровой двойник Анапы» выявила на территории Большой Анапы более 3,6 тыс. земельных участков, которые не поставлены на кадастровый учет. Об этом сообщает пресс-служба администрации города.

По данным сравнительного анализа аэрофотосъемки и Росреестра, налог от неучтенных объектов будет ежегодно приносить в бюджет курорта не менее 45 млн рублей. Мэрия города планирует поставить все объекты на кадастровый учет с помощью цифрового двойника.

Рисунок 3. Аэрофотосъемка Анапа (2023г)

Фотограмметрическую модель дополняют пять тысяч аналитических слоев с массивами данных по всем сферам жизни города, которые обновляются в режиме реального времени. Также в платформе находится архив панорам 13 тысяч километров всей территории Москвы с 2013 года, которые позволяют не только просматривать актуальные и ретроспективные изображения города, но и проводить высокоточные измерения.

Именно «Цифровой двойник Москвы» — ключевой инструмент принятия градостроительных решений и планирования развития. Одной из основных функций платформы является возможность встраивать в фотограмметрическую модель 3D-копии проектируемых зданий, сооружений и любых других трехмерных объектов города. Это позволяет еще на этапе принятия решения о строительстве оценить, как постройка впишется в архитектуру города и какую нагрузку создаст на инфраструктуру, спланировать транспортную доступность. «Цифровой двойник Москвы» помогает принимать взвешенные градостроительные решения и выбирать оптимальное место для строительства, учитывая не только текущую ситуацию, но и перспективу развития города.

Рисунок 4. Цифровой двойник города Москвы

Платформу активно используют на разных этапах реализации программы реновации — от моделирования эффективного использования пространства и новых точек притяжения в районах до оперативного контроля строительных работ с помощью видео с городских камер и квадрокоптеров.

Преимущества цифрового двойника:

• Лучшее планирование: Городские планировщики и архитекторы могут создавать и проверять проекты в виртуальной среде, что улучшает качество планирования и экономит деньги на строительстве.
• Лучшее управление: Городские власти могут отслеживать изменения в городе, прогнозировать и управлять различными ситуациями, такими как аварии, пробки и другие непредвиденные события.
• Лучшая коммуникация: Жители города могут получать информацию о городе, такую как расписание общественного транспорта и информацию о дорожных работах, что улучшает коммуникацию между жителями и городскими властями.
• Лучшая экология: Городские власти могут отслеживать и управлять экологическими параметрами города, такими как уровень загрязнения воздуха и воды, что позволяет принимать меры для улучшения экологической ситуации в городе.
• Лучшая безопасность: Городские власти могут отслеживать и управлять безопасностью города, такой как контроль за транспортом и общественными местами, что повышает уровень безопасности для жителей города.

ArcGIS Urban

ArcGIS Urban это интерактивная 3D среда для городского планирования и реновации, в которой можно быстро организовать разнообразную геопространственную информацию о городской среде, правила городского зонирования, этапы жизненного цикла проектов строительства и сценарии территориального планирования, провести оценку влияния проектов развития на городскую среду. Позволяет упростить взаимодействие между департаментами и агентствами для своевременного принятия взвешенных решений и снижения возможных рисков.

Инструментарий основан на геопространственных технологиях, которые позволяют интегрировать данные о городской среде из различных источников и представлять их в виде карт и графиков. Он использует геоданные, такие как данные о земельных участках, зданиях, дорогах, транспорте, населении и других факторах, чтобы помочь городским планировщикам и разработчикам принимать более обоснованные решения.

ArcGIS Urban был создан совместно с городскими планировщиками и разработчиками, чтобы удовлетворить их потребности в инструментах для более эффективного и точного городского планирования. Он использует передовые технологии, такие как машинное обучение и анализ больших данных, чтобы обеспечить максимальную точность и надежность данных.

Это программное обеспечение предоставляет инструменты для создания и визуализации планов и проектов, а также для анализа и прогнозирования их воздействия на городскую среду. Он также позволяет участникам проекта взаимодействовать и обмениваться информацией в режиме реального времени, что ускоряет процесс принятия решений и повышает эффективность работы.

ArcGIS Urban используется для визуализации и анализа различных аспектов городской среды: транспортная инфраструктура, здания, зеленые насаждения парки и тд. Он позволяет проводить анализ воздействия городской застройки на окружающую среду и здоровье людей: оценка уровня шума, загрязнения воздуха.

Рисунок 5. Интерфейс ArcGIS Urban

Преимущества использования ArcGIS Urban в городском планировании:

• Более точное и надежное прогнозирование воздействия планов и проектов на городскую среду
• Более эффективное использование ресурсов и сокращение времени на принятие решений
• Улучшение взаимодействия между участниками проекта и повышение прозрачности процесса принятия решений
• Более точное и надежное планирование городской среды, что способствует устойчивому развитию городов.

Рисунок 6. Пример работы в ArcGIS Urban – 3D-модель города Рига (2023)

Экономическая эффективность городского планирования

Городское планирование может иметь значительное экономическое воздействие на город и его жителей. Если городское планирование проводится правильно, то его экономическая эффективность может быть значительной.

Некоторые из основных экономических преимуществ городского планирования включают в себя:

1. Улучшение экономических возможностей: Городское планирование может создавать благоприятную экономическую среду, что способствует повышению производительности, созданию новых рабочих мест и увеличению доходов жителей.
2. Улучшение качества жизни: Улучшение городской среды, которое часто является частью городского планирования, может повысить качество жизни жителей, что может повлиять на приток новых жителей и более прибыльную деятельность в городе.
3. Повышение эффективности транспортной инфраструктуры: Городское планирование может помочь оптимизировать транспортную инфраструктуру, что может повысить эффективность городского транспорта, снижение затрат на транспорт, а также снижение загрязнения воздуха и выбросов парниковых газов.
4. Снижение затрат на энергию: Городское планирование может помочь создать городскую среду, которая принимает во внимание возможность использования возобновляемых источников энергии и эффективных технологий, что может снизить затраты на энергию и, следовательно, увеличить экономическую эффективность.
5. Уменьшение затрат на землю: Городское планирование может помочь оптимизировать использование земельных ресурсов, чтобы повысить их производительность и снизить затраты на сельское хозяйство, что способствует повышению экономической эффективности.
6. Привлечение инвестиций: Правильное городское планирование может привлечь в инвестиции в различные секторы экономики, такие как строительство, производство и туризм, что может способствовать росту экономики города. Однако, городское планирование может иметь и некоторые затраты, например, на разработку планов и программ, за что необходимо платить высокую цену. Однако в целом, городское планирование часто считается одним из наиболее эффективных инструментов для решения экономических и социальных проблем городов.

Заключение

Городское планирование является ключевым элементом в создании устойчивых и комфортных городов, которые соответствуют потребностям и желаниям жителей. Использование всех методов ДЗЗ (демографических, землепользования и земельного планирования) в городском планировании позволяет учитывать все аспекты развития города, включая экологические, социальные и экономические факторы.

Преимущества использования всех методов ДЗЗ в городском планировании включают:

• Улучшение качества жизни жителей города, создание комфортной и безопасной среды для жизни и работы.
• Эффективное использование земельных ресурсов, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду и сохранение природных ресурсов.
• Содействие экономическому развитию города, создание благоприятных условий для бизнеса и инвестиций.

Современные проекты и программы по городскому планированию, такие как GEOURBAN, UN-HABBITAT, цифровой двойник и другие, используют новейшие технологии и инструменты, такие как геоинформационные системы, анализ больших данных и моделирование городской среды. Эти проекты и программы помогают улучшить качество жизни жителей городов, повысить эффективность использования ресурсов и создать более устойчивые и экологически чистые города.

В целом, городское планирование является важным инструментом для создания устойчивых и развивающихся городов, которые соответствуют потребностям и желаниям жителей. Использование всех методов ДЗЗ и современных технологий позволяет достичь наилучших результатов в городском планировании и создать более комфортную и безопасную среду для жизни и работы.