اگر از بالای یک شهر به خیابان‌ها نگاه کنید، ساختمان‌ها فقط مجموعه‌ای از سقف‌ها و سازه‌ها به نظر می‌رسند. اما حالا تصور کنید بتوانیم تقریباً تک‌تک ساختمان‌های روی زمین را به‌صورت سه‌بعدی روی یک نقشه قرار دهیم.

ارتفاع هر ساختمان مشخص باشد، شکل آن ثبت شده باشد و موقعیتش روی کره زمین معلوم باشد.

پژوهشگران حالا قدم بزرگی در این مسیر برداشته‌اند.

یک تیم تحقیقاتی بین‌المللی، اطلس سه‌بعدی عظیمی ساخته که حدود ۲٫۷ میلیارد ساختمان در سراسر جهان را در خود جای داده است.

این پروژه فقط یک نقشه زیبا نیست؛ بلکه می‌تواند به ابزاری مهم برای مطالعه شهرها، تغییرات اقلیمی، جمعیت، مصرف انرژی و حتی برنامه‌ریزی شهری تبدیل شود.

۲٫۷ میلیارد ساختمان؛ عددی که تصورش سخت است

برای درک بزرگی این پروژه کافی است به عدد آن فکر کنیم.

۲٫۷ میلیارد ساختمان.

یعنی تقریباً هرجایی که انسان روی زمین سازه‌ای ساخته، می‌تواند بخشی از این داده عظیم باشد.

اما قرار دادن این تعداد ساختمان روی نقشه کار ساده‌ای نیست.

پژوهشگران باید برای هر ساختمان اطلاعاتی مانند موقعیت جغرافیایی، شکل، مساحت و ارتفاع را تا حد امکان استخراج کنند.

این کار به حجم عظیمی از داده‌های ماهواره‌ای و الگوریتم‌های پردازش تصویر نیاز دارد.

ماهواره‌ها؛ چشم‌هایی که از فضا شهرها را می‌بینند

مهم‌ترین منبع اطلاعات چنین پروژه‌هایی، تصاویر ماهواره‌ای هستند.

ماهواره‌ها می‌توانند در بازه‌های زمانی مختلف از سطح زمین تصویربرداری کنند.

اما یک تصویر ماهواره‌ای معمولی لزوماً به شما نمی‌گوید یک ساختمان چند متر ارتفاع دارد.

برای رسیدن به اطلاعات سه‌بعدی، پژوهشگران باید تصاویر و داده‌های مختلف را با یکدیگر ترکیب کنند.

اینجاست که پای هوش مصنوعی و یادگیری ماشین به میان می‌آید.

هوش مصنوعی چگونه ساختمان‌ها را پیدا می‌کند؟

تصور کنید یک تصویر ماهواره‌ای در اختیار دارید که هزاران ساختمان در آن دیده می‌شود.

یک انسان می‌تواند ساختمان‌ها را تشخیص دهد، اما اگر قرار باشد همین کار برای میلیاردها ساختمان انجام شود، دیگر نیروی انسانی راه‌حل مناسبی نیست.

الگوریتم‌های بینایی ماشین می‌توانند الگوهای موجود در تصاویر را شناسایی کنند.

برای مثال، مدل می‌تواند یاد بگیرد که:

• کدام قسمت تصویر احتمالاً سقف ساختمان است
• مرز ساختمان کجاست
• چه چیزی جاده است
• کدام بخش زمین خالی است
• ساختمان چه شکلی دارد

بعد از آموزش، مدل می‌تواند همین فرآیند را روی حجم بسیار بزرگی از تصاویر اجرا کند.

اما بخش سخت‌تر؛ ارتفاع ساختمان

تشخیص وجود یک ساختمان یک مسئله است.

تشخیص ارتفاع آن مسئله‌ای کاملاً متفاوت است.

فرض کنید دو ساختمان در تصویر ماهواره‌ای دقیقاً مساحت مشابهی دارند.

یکی دو طبقه است و دیگری بیست طبقه.

اگر فقط از یک تصویر دوبعدی استفاده کنیم، تشخیص تفاوت ارتفاع آن‌ها بسیار دشوار خواهد بود.

برای همین پژوهشگران از داده‌های سه‌بعدی و مدل‌های ارتفاعی استفاده می‌کنند.

با ترکیب این اطلاعات، می‌توان تخمین زد که یک ساختمان نسبت به سطح زمین چه ارتفاعی دارد.

یک مدل سه‌بعدی از شهر

وقتی موقعیت و ارتفاع ساختمان‌ها مشخص شد، می‌توان آن‌ها را به شکل مدل‌های سه‌بعدی نمایش داد.

نتیجه چیزی شبیه یک شهر دیجیتال عظیم است.

به‌جای اینکه فقط نقاطی روی نقشه داشته باشیم، ساختمان‌ها دارای حجم و ارتفاع هستند.

این مدل می‌تواند برای تحلیل‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

برای مثال می‌توان بررسی کرد:

کدام مناطق ساختمان‌های بلندتری دارند؟

چقدر از یک شهر با ساختمان پوشیده شده است؟

کدام مناطق احتمالاً تراکم بیشتری دارند؟

در صورت وقوع سیل، کدام ساختمان‌ها در معرض خطر قرار می‌گیرند؟

اینجاست که یک نقشه ساده تبدیل به یک ابزار علمی می‌شود.

چرا داشتن چنین اطلس جهانی مهم است؟

یکی از مهم‌ترین کاربردهای این داده‌ها، مطالعه شهرنشینی است.

جمعیت جهان به‌سرعت در حال شهرنشین شدن است و شهرها دائماً گسترش پیدا می‌کنند.

اما برای درک دقیق این تغییرات فقط دانستن تعداد جمعیت کافی نیست.

دانشمندان باید بدانند:

• مردم کجا زندگی می‌کنند؟
• ساختمان‌ها با چه تراکمی ساخته شده‌اند؟
• شهرها به چه سمتی گسترش پیدا می‌کنند؟
• چه مقدار زمین به ساخت‌وساز اختصاص یافته است؟

اطلس‌های سه‌بعدی می‌توانند بخشی از این اطلاعات را در اختیار پژوهشگران قرار دهند.

کاربرد در تغییرات اقلیمی

ساختمان‌ها فقط سازه‌های بی‌جان نیستند.

آن‌ها مقدار زیادی انرژی مصرف می‌کنند.

گرمایش، سرمایش، روشنایی و تجهیزات الکتریکی ساختمان‌ها همگی روی مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای تأثیر دارند.

اگر بتوانیم شکل و اندازه ساختمان‌های یک منطقه را تخمین بزنیم، می‌توان مدل‌های دقیق‌تری برای مصرف انرژی شهری ایجاد کرد.

برای مثال، ساختمان‌های بلند ممکن است الگوهای متفاوتی از مصرف انرژی نسبت به ساختمان‌های کوتاه داشته باشند.

همچنین شکل ساختمان‌ها و تراکم آن‌ها می‌تواند بر نحوه حرکت هوا و گرمای شهری تأثیر بگذارد.

شهرهای سه‌بعدی برای مقابله با گرمای شهری

یکی از مشکلات شهرهای بزرگ، چیزی است که به آن Urban Heat Island یا جزیره گرمایی شهری گفته می‌شود.

سطوحی مانند آسفالت و بتن می‌توانند مقدار زیادی گرما جذب کنند.

در نتیجه، بعضی مناطق شهری به‌خصوص در شب گرم‌تر از مناطق اطراف خود باقی می‌مانند.

داشتن مدل سه‌بعدی از ساختمان‌ها می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا تأثیر ارتفاع ساختمان‌ها، تراکم شهری و شکل خیابان‌ها بر جریان هوا و توزیع گرما را بهتر بررسی کنند.

این اطلاعات می‌تواند در طراحی شهرهای آینده اهمیت زیادی داشته باشد.

کاربرد در بلایای طبیعی

یکی دیگر از کاربردهای مهم، مدیریت بحران است.

فرض کنید زلزله‌ای در یک شهر بزرگ رخ داده است.

اگر یک مدل سه‌بعدی دقیق از ساختمان‌های شهر داشته باشیم، می‌توانیم اطلاعات ارزشمندی درباره ساختار شهری قبل از حادثه در اختیار داشته باشیم.

همچنین در زمان وقوع سیل، مدل‌های سه‌بعدی می‌توانند برای بررسی ارتفاع ساختمان‌ها و مناطق در معرض آب‌گرفتگی استفاده شوند.

در آتش‌سوزی‌های گسترده نیز شناخت ساختار شهری و فاصله ساختمان‌ها می‌تواند به برنامه‌ریزی عملیات امدادی کمک کند.

این اطلس فقط برای دانشمندان نیست

چنین داده‌ای می‌تواند کاربردهای صنعتی و تجاری نیز داشته باشد.

برای مثال:

شرکت‌های انرژی می‌توانند از اطلاعات ساختمان‌ها برای مدل‌سازی مصرف انرژی استفاده کنند.

شرکت‌های مخابراتی می‌توانند برای برنامه‌ریزی شبکه‌های ارتباطی از مدل‌های شهری کمک بگیرند.

شرکت‌های نقشه‌برداری می‌توانند از داده‌های سه‌بعدی برای بهبود نقشه‌ها استفاده کنند.

معماران و شهرسازان نیز می‌توانند ساختار فعلی شهرها را بهتر تحلیل کنند.

حتی صنعت بازی و واقعیت مجازی نیز می‌تواند از مدل‌های سه‌بعدی جهان واقعی بهره ببرد.

ساخت چنین دیتابیسی چه چالش‌هایی دارد؟

۲٫۷ میلیارد ساختمان یعنی حجم عظیمی از داده.

اما مشکل فقط حجم نیست.

جهان دائماً در حال تغییر است.

یک ساختمان امروز ممکن است فردا تخریب شود.

یک ساختمان جدید ساخته می‌شود.

طبقه‌ای به ساختمانی اضافه می‌شود.

خیابانی تغییر می‌کند.

بنابراین چنین اطلس جهانی نمی‌تواند یک پروژه «یک‌بار ساخته‌شده و تمام‌شده» باشد.

برای حفظ دقت آن، داده‌ها باید مرتباً به‌روزرسانی شوند.

این موضوع یکی از چالش‌های اصلی پروژه‌های نقشه‌برداری در مقیاس جهانی است.

آیا مدل سه‌بعدی همه ساختمان‌ها کاملاً دقیق است؟

نه.

و این نکته بسیار مهم است.

اطلس‌های جهانی معمولاً بر اساس داده‌های ماهواره‌ای، مدل‌های ارتفاعی، الگوریتم‌های هوش مصنوعی و منابع مختلف اطلاعاتی ساخته می‌شوند.

بنابراین دقت داده‌ها در همه نقاط جهان یکسان نیست.

در مناطق شهری که داده‌های ماهواره‌ای باکیفیت و منابع اطلاعاتی بیشتری وجود دارد، مدل می‌تواند دقیق‌تر باشد.

در مناطق دورافتاده یا مناطقی که داده‌های باکیفیت کمتری در دسترس است، میزان خطا ممکن است بیشتر باشد.

بنابراین بهتر است چنین اطلس‌هایی را یک مدل بسیار بزرگ از جهان واقعی بدانیم، نه یک کپی میلی‌متری از تمام ساختمان‌های کره زمین.

وقتی زمین تبدیل به یک مدل دیجیتال می‌شود

ایده ساخت مدل دیجیتال از جهان دیگر فقط یک رؤیا نیست.

ما همین حالا نیز در بسیاری از پروژه‌ها از Digital Twin یا دوقلوی دیجیتال استفاده می‌کنیم.

در دوقلوی دیجیتال، یک نسخه مجازی از یک شیء، ساختمان، کارخانه یا حتی شهر ساخته می‌شود تا بتوان رفتار نمونه واقعی را بررسی و شبیه‌سازی کرد.

اطلس‌های سه‌بعدی جهانی می‌توانند یکی از قطعات مهم برای ساخت چنین مدل‌هایی باشند.

در آینده ممکن است بتوانیم نه‌تنها ساختمان‌ها، بلکه جاده‌ها، پل‌ها، پوشش گیاهی، رودخانه‌ها و زیرساخت‌های شهری را نیز در مدل‌های بسیار دقیق کنار هم قرار دهیم.

آن زمان دیگر فقط یک نقشه نخواهیم داشت.

بلکه یک نسخه دیجیتال از جهان واقعی خواهیم داشت.

آینده؛ شهری که قبل از ساختنش آزمایش می‌شود

تصور کنید شهرداری می‌خواهد یک ساختمان ۵۰ طبقه در مرکز شهر بسازد.

قبل از ساخت، مدل سه‌بعدی شهر را در اختیار دارد.

می‌تواند بررسی کند:

• سایه ساختمان در ساعات مختلف کجا می‌افتد؟
• جریان باد چگونه تغییر می‌کند؟
• ترافیک اطراف چه تغییری خواهد کرد؟
• مصرف انرژی منطقه چقدر افزایش پیدا می‌کند؟
• آیا ساختمان روی دید ساختمان‌های اطراف تأثیر دارد؟

در این حالت، شهر دیگر فقط روی کاغذ طراحی نمی‌شود.

ابتدا در یک محیط دیجیتال آزمایش می‌شود.

جمع‌بندی؛ نقشه‌ای که آرام‌آرام به جهان تبدیل می‌شود

اطلس سه‌بعدی ۲٫۷ میلیارد ساختمان نمونه‌ای جذاب از ترکیب ماهواره، هوش مصنوعی، داده‌های جغرافیایی و پردازش عظیم اطلاعات است.

پژوهشگران با استفاده از این فناوری‌ها می‌توانند تصویری بسیار گسترده‌تر از ساختار ساخته‌شده جهان در اختیار داشته باشند.

اهمیت واقعی چنین پروژه‌ای فقط در عدد ۲٫۷ میلیارد خلاصه نمی‌شود.

ارزش اصلی آن در این است که برای نخستین بار می‌توانیم در مقیاس جهانی، شهرها و ساختمان‌های ساخته‌شده توسط انسان را به شکل داده‌های قابل تحلیل بررسی کنیم.

شاید در آینده وقتی از «نقشه جهان» صحبت می‌کنیم، دیگر منظورمان فقط خطوط، جاده‌ها و نام کشورها نباشد.

شاید نقشه آینده جهان، یک مدل سه‌بعدی زنده و دائماً در حال به‌روزرسانی باشد؛ مدلی که در آن ساختمان‌ها، شهرها و زیرساخت‌های انسان‌ها به بخشی از یک نسخه دیجیتال از سیاره تبدیل شده‌اند.

سوالات متداول

اطلس سه‌بعدی ساختمان‌ها چیست؟

یک مجموعه داده جغرافیایی گسترده است که موقعیت و ویژگی‌های سه‌بعدی تعداد بسیار زیادی از ساختمان‌های سراسر جهان را ثبت و مدل‌سازی می‌کند.

این اطلس چگونه ساخته شده است؟

برای ساخت چنین مدل‌هایی از تصاویر ماهواره‌ای، داده‌های ارتفاعی، اطلاعات جغرافیایی و الگوریتم‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین استفاده می‌شود.

۲٫۷ میلیارد ساختمان در این پروژه چه اهمیتی دارد؟

این تعداد نشان‌دهنده مقیاس بسیار بزرگ پروژه است و امکان مطالعه ساخت‌وساز و الگوهای شهری را در بخش وسیعی از جهان فراهم می‌کند.

کاربرد اطلس سه‌بعدی ساختمان‌ها چیست؟

از چنین داده‌هایی می‌توان در شهرسازی، مدیریت بحران، مطالعات اقلیمی، مدل‌سازی مصرف انرژی، نقشه‌برداری و ساخت دوقلوهای دیجیتال استفاده کرد.

آیا اطلاعات این اطلس کاملاً دقیق است؟

خیر. میزان دقت به کیفیت داده‌های ماهواره‌ای و منابع موجود در هر منطقه بستگی دارد و ممکن است بین مناطق مختلف متفاوت باشد.