Avainsana-arkisto: tietomallinnus

GIGO-periaate ja mallinnus

Koronaviruksen mielenkiintoisimpia aspekteja matemaattisesti tarkasteltuna ovat kiivaat keskustelut pandemian kulkua ennustavista malleista. Laaja yleisö on nyt oppinut, että mallit ovat yksinkertaistuksia ja niiden tarkkuus ja epävarmuus riippuvat muun muassa lähtötiedon laadusta, laskentatavoista sekä muista asetetuista reunaehdoista. Näin olemme saaneet tarkastella lukuisten epidemiologien ja tilastotieteilijoiden, ammattilaisten ja harrastelijoiden, tuotoksia, joiden lopputulos vaihtelee varsin suuresti. Osa mallintajista käyttää jopa taloustieteestä tuttuja mallinnustapoja. Koronaviruksen aiheuttaman Covid-19-tauti on kuitenkin monilta osiltaan vielä varsin tuntematon.

Näin mittaussektorilta tarkasteltuna erilaiset mallinnukset ovat osoittaneet hyvin toteen vanhan ”roskaa sisään-roskaa ulos” periaatteen, englanniksi ”garbage in, garbage out” (GIGO) tai ”rubbish in, rubbish out (RIRO). Suomessa käytetään myös tuttavallisemmin ilmaisua ”paskaa sisään, paskaa ulos”.

Itse tilastollinen analyysi tai matemaattinen algoritmi voi sinänsä olla ihan validi, mutta laskennan tuottama lopputulos heijastaa siis auttamatta myös lähtötiedon laatua. Tällä hetkellä näemme kaiken päälle lukuisia eri laskentamalleja, joten ilmankos ennustusten lopputulokset vaihtelevat huomattavasti. Jokainen voi käydä itse kokeilemassa New York Timesin sivuilla, miten lopputulokset muuttuvat parametrejä vaihtamalla. Tai vastaavasti tällä sveitsiläisvetoisella laskurilla on myös mielenkiintoista leikkiä.

Kaiken pandemiakurjuuden keskellä käytävä keskustelu on sinänsä varsin ilahduttavaa, sillä tämä on mittausmaailman arkea. Ehkäpä nyt jatkossa myyntineuvottelussa myös ostava osapuoli ymmärtää mittausaineistojen laadullisen eron? Jos mallinnuksen lähtöaineiston laatu ja tarkkuus on heikko, niin lopputuloksen epävarmuus kasvaa. Myös mallinnusohjelmalla sekä käytetyillä laskentaparametreilla on vaikutus lopputulokseen.

Jos kyseessä on kriittinen mittauskohde, niin lopulliset kustannukset voivat kasvaa huomattavasti vaikka tuotettu malli näyttäisi visuaalisesti kauniilta mutta tarkkuus on ala-arvoinen. Antaako huonosta aineistosta tehty geometrinen malli muuta lisäarvoa kuin jonkinlaisen visuaalisen elämyksen katsojalle? Jätämme tämän lukijan mietittäväksi.

Otetaanpa esimerkki tiemittauksen puolelta. Luimme kuviin Riegl VMX-1HA mobiilimittausaineistoamme päälle  Digiroadin tietokannasta haetun keskilinjatiedoston.

Teiden geometrisella keskilinjalla on horisontaalinen ja vertikaalinen komponentti (vaaka- ja pystygeometria). Kuten kuvista näkyy, pelkästään vaakatasossa mallinnettu keskilinja saattaa sahata mielenkiintoisin tavoin ja ongelmat ovat yleensä suurempia pystytason komponentissa, pystygeometriassa. Hankalimmat tiemittauskohteet ovat mäkisiä ja mutkaisia ja kaiken päälle tien vieressä kasvava metsä katkoo satelliittiyhteyksiä lisäten satelliitteihin pohjautuvan mittauksen epävarmuutta. Näissä olosuhteissa mittauksen on perustuttava kovatasoiseen INERTIA-tekniikkaan. Kuvan mallinnettu keskilinja (violetti murtoviiva) on peräisin Digiroadin tietokannasta.
Keskilinjan korkeuskomponentissa näkyy äkillinen usean metrin korkuinen hyppy. Ei tie oikeasti käyttäydy noin tai autoilijalle kävisi kehnosti. Kyseessä ei ole edes mittauksellisesti vaikea paikka, vaan ollaan keskellä suurta ja avointa pääväylää.

Tarkastelemissamme aineistoissa näkyy paljon sekä horisontaalista että vertikaalista soutamista ja huopaamista, mikä viittää mittauskalustojen (jos tämä keskilinjatieto on ajoneuvosta tuotettu) huonoon keskiakselin kalibrointiin (boresight calibration). Aineistoa tarkastellessa sekä Roll, Pitch ja Yaw -kulmissa on ongelmia, mutta nuo äkkinäiset muutokset kuvaavat joitain muita virhelähteitä. Surullisinta on, ettei käyttäjä ei voi edes hallita näitä ongelmia, jos mittauskaluston integrointi on tehty väärin tai käytetty prosessointiohjelma ei anna siihen toimivia työkaluja.

Tien keskilinjan toteuma on itse asiassa varsin haastava määrittää kuluneiden teiden kohdalla. Uudella tiellä keskilinja kulkee tien korkeimmalla kohdalla kaistojen asfalttisauman keskellä, mutta kulunut tie on tasaantunut myös tuon sauman kohdalla. Tien maalauksilla ei ole suoraa yhteyttä tien keskilinjan tai muuhunkaan geometriaan, sillä tyypillisesti maalauksien sijainti riippuu maalausauton kuljettajan ”silmästä”, ei hyvästä paikannuksesta. Tarkasta mobiililaserkeilausaineistosta geometrisen keskilinjan määrittäminen on kuitenkin mahdollista huomattavasti muita käytettävissä olevia menetelmiä tarkemmin massatuotantona.

Kuvassa vasemmalta oikealle kulkeva kummallinen korkeusgeometrian ”porras” sillan kohdalla. Korkeus hyppää alaspäin ennen alla kulkevaa risteävää tietä ja ja palautuu lähtötasolle taas sen jälkeen. Miksi?

Viime vuosina on keskitytty mallinnettujen aineistojen siirtämiseen uusille alustoille, mutta itse sisällön suhteen ei ole tehty merkittäviä parannuksia. Kaikki erilaisten tiemittausten kanssa työtä tekevät toimijat kärsivät kuitenkin aineistojen laadusta, epätarkkuudesta, joten eikö olisi vihdoinkin jo aika tehdä asialle jotain? Jos referenssiainesto olisi parempi, niin myös heikkolaatuisempien aineistojen tuottajien olisi helpompi sovittaa omat aineistonsa referenssin. Nyt paukkuvat esimerkiksi sijainnit ja tieosuuksien pituudet siihen malliin, että jokainen toimija joutuu kärsimään turhat  lisäkustannukset omassa selkänahassaan. Alkaen ihan väärään pituustietoon perustuvasta urakkatarjouksesta.

Pidemmän päälle esitämme myös sellaista ajatustapaa, että jokaisen uudelleenasfaltoinnin yhteydessä muotonsa menettänyttä vanhan tien keskilinjageometriaa ja kallistuksia voitaisiin parantaa. Itse työ tehtäisiin jyrsinnän yhteydessä, jolloin asfaltoinnin jälkeen tien geometriset ominaisuudet olisivat paremmat. Jossain vaiheessa tietkin ovat luonnollisesti elinkaarensa päässä, jolloin auttaa vain suurempi tierunkoon ulottuva korjaus.

Rautatiesektorilla toppakoneilla tehdään muuten tätä geometrian korjausta palauttaen kiskojen sijainnin taas lähemmäksi suunniteltua mallia, jolloin juna kulku raiteilla on matkustajille sekä turvallisempaa että miellyttävämpää. Tosin sielläkin on todettu, että toppakoneen laskema korjaus perustuu melko lyhyeen mittausalueeseen, joten tarkan INERTIA-GNSS tekniikan mobiililaserskannaus tuottaisi matkustajien kannalta mieluisamman lopputuloksen. Junien nopeuksien noustessa tarkka INERTIA-GNSS tekniikka tulee olemaan ainoa massamittaukseen perustuva toimiva ratkaisu myös rautateillä. Muun muassa Ranskan rautateillä on jo käytössä kaksi kappaletta RIEGLin uusinta rautateiden mobiililaserskanneria VMX-RAIL. Niillä tehdään Ranskan rautateiden virtuaalikaksonen, mutta oikein mitattuna aineistosta voi analysoida myös raidegeometriaa ja varmistaa sen pysyvän toleranssien sisällä.

Design by Lauri

TV5-kanavalla on tällä viikolla alkanut Lauri Ylösen uusi TV-sarja Design by Lauri. Ohjelma on jatkoa Laurin talot -sarjalle.

Näissä sarjoissa on alusta alkaen ollut mukana asiakkaamme UnitC, jonka Riegl VZ-400 -skannerin työjälkeä voimme ihailla hologrammivisualisointeina. Näin suunnitellut kohteet voidaan esitellä virtuaalisesti luonnollisessa ympäristössään. Pistepilveä ei siis suinkaan tarvitse aina mesh/vektori/tietomallintaa, vaan hyödyntää myös monin muin tavoin rakentamisessa.

Mukavaa syksyä Laurin uusien talojen kanssa!

Autodesk ReCap ja Bentley Pointools, AD 2014

Parhaat kilpailijat Autodesk ja Bentley Systems ovat jälleen julkaiseet uusia ohjelmistopäivityksiä. Autodesk elää tavoilleen tyypillisesti jo vuotta 2014 jaa ja Bentley päivitti V8i -versiotaan. Puuttumatta aihepiiriin sen laajemmin, käsittelen seuraavassa vain uutuuksia pistepilvien käsittelyn suhteen.

Autodesk on lisännyt tuoteskaalaansa kokonaan uuden ja ilmaisen pistepilvien käsittelyohjelman nimeltään ReCap Studio, jonka se sanoo demokratisoivan pistepilvien käytön. Pistepilviä Autodeskin ohjelmillä aikaisemmin käsitelleet henkilöt muistanevat Autodeskin viimeksi ostaneen AliceLabs-nimisen hollantilaisen pistepilvien käsittelyohjelman ja tätä aiemmin se oli hankkinut jo pari pistepilvimoottoria. Vielä viime vuonna AutoCADissä oli käytössä kokeilumielessä lisätyökaluja esimerkiksi leikkausten tekoon, mutta ne poistuvat yllättäen käytöstä kesken vuotta – käyttäjien tyrmistykseksi. Ohjelmien ja ominaisuuksien ikä tuntuu vain lyhenevän, esimerkiksi Googlen ilmaisohjelmissa se on keskimäärin vain 1495 päivää.

Mitä ReCap siis tuo mukaan kuvioihin? Käytännössä ilmainen Recap on välivaihe pistepilvien tuomiseksi Autodeskin eri ohjelmiin, sillä siihen luetaan sisään eri skannereiden natiiviformaatteja sekä tietysti LAS ja E57-tiedostoja. Ennen sisääntuontia pistepilvet on rekisteröitävä keskenään ja vietävä haluttuun koordinaatistoon. ReCapissä pistepilvet indeksoidaan ensin Autodeskin omaan Reality Capture Scan formaattiin (RCS), jonka jälkeen niitä voi organisoida, siivota ja analysoida. Tämä tarkoittaa käytännössä pisteiden segmentoimista käsin haluttuihin osiin jatkokäsittelyä varten ja aineiston tarkastelemistä esimerkiksi korkeuden ja pisteiden normaalien avulla. Indeksoinnin jälkeen aineisto on valmis käytettäväksi Autodeskin muissa ohjelmissa eli varsinainen mallinnus voidaan aloittaa.

ReCap Studion lisäksi Autodesk julkaisi maksullisen ReCap Photo -ohjelman, joka on saatavissa käyttöön pilvipalveluna. Autodesk tarjoaa toimitusjohtajansa mukaan tulevaisuudessa ainoastaan pilvipohjaisia palveluita, joten kaikki on vähitellen siirtymässä sinne kuuluisaan pilveen. ReCap Photolla tehdään kuvista 3D-meshejä ja näin Autodesk on oman markkinointinsa mukaan ensimmäisenä yhdistänyt laserskannauksen ja fotogrammetrian samaan tuoteperheeseen…hämmentävää historiankirjoitusta. Onneksi sentään markkinnoinnin viesti pistepilvien rekisteröimisestä ReCap Studiossa poistettiin salamannopeasti blogeista, koska tähän tehtävään ohjelmasta ei tosiaan ole. On myös erittäin vaikea yhtyä tuohon demokratisoitumisajatukseen, koska näiden ohjelmien käyttämisen jälkeen ainoa jatkokäsittelymahdollisuus on Autodeskin muissa maksullisissa ohjelmissa. Mutta tosiaan, nyt insinöörit ja arkkitehdit, Autodeskin olemassa olevat asiakkaat, ovat saaneet muutamia käsityökaluja pistepilvien pyörittämiseen ja ohjelma kehittynee jatkossa.

Bentley esitteli Pointools V8i-ohjelman, joka vaikuttaa olevan kilpailijaansa huomattavasti hienostuneempi ohjelma. Käytännössä Bentley on integroinut viime vuonna hankkimansa englantilaisen Pointoolsin paremmin osaksi omia ratkaisujaan ja täydentänyt kokonaisuutta muutamin lisäominaisuuksin. Lähtökohtaisesti myös Pointools indeksoi pistepilvet  – käytössä on pod-formaatti, jolloin aineistoja voi käyttää muissa Bentleyn ohjelmissa. Lisäksi Pointoolsin perinteisin työkaluin pistepilviä voi aika tehokkaasti segmentoida osiin, visualisoida eri tavoin ja pistepilvissä voi tehdä myös törmäystarkasteluja. Alla olevassa kuvassa pistepilvestä on segmentoitu liukuhihnalla liikkuva osa, jonka kopiota voidaan siirrellä aineistossa tarpeen mukaan ja merkitä sen tielle joutuvat elementit.

Törmäystarkastelu ja animaatio

Törmäystarkastelu ja animaatio

Lisäksi Bentley Pointoolsissa voi tehdä videoita pistepilvien visualisoimiseksi ja tosiaan näissä videoissa voi nyt myös olla animaatioita – vaikka tiellä kulkeva auto. Katsottuani Pointoolsin esittelevän webinaarin ainoa moitteen sanani kohdistuu vastaukseen pistepilvien luokittelemisesta. Koska Pointoolsissa, sen enempää kuin ReCapissä, ei kyseistä ominaisuutta ole, niin tekijöiden on helppo sivuuttaa aineistojen luokittelun tarve vain pienen piirin erikoistarpeeksi. Näinhän ei suinkaan ole, vaan huomattava käyttäjäjoukko kaipaa pisteiden automaattista luokittelua vaikkapa maanpinnaksi, kasvillisuudeksi, tiiliseinäksi, ikkunaksi, yms., jolloin mallintaminen usein nopeutuu ja sitä voidaan automatisoida.

Lopputuloksena voi todeta, että pistepilvien käyttö suunnitteluohjelmissa on ottanut jälleen pienen edistysaskeleen, mutta veikkaan monella taholla olevan edelleen käyttöä monipuolisemmisille pistepilvien mallinnusohjelmille, jotka tukevat vähintään puoliautomaattista mallintamista.

Rakennusten tietomallinnuspuolella, kun lähtöaineistona ovat pistepilvet, veikkaan suuremman hyödyn uutuuksista olevan Bentleyn käyttäjillä Pointoolsin ominaisuuksista johtuen. Toivottavasti käyttäjät kommentoivat tilannetta heti kun näitä työkaluja otetaan käyttöön ja niistä saadaan laajempia kokemuksia. Mutta kilpailu jatkuu taas ensi vuonna, 2015 jaa. Toivottavasti jatkossa näemme ratkaisuja myös ArchiCADin käyttäjille ja Bentleyn sopisi myös vihdoin julkaista 64-bittinen versio.