Pałac Marii Kazimiery odtworzony w 3D

Jak wyglądał pałacyk królowej Polski Marii Kazimiery na warszawskim Marymoncie w XIX w.? Odpowiedź m.in. na to pytanie przynosi artykuł Alicji Nieć, absolwentki kierunku geoinformatyka na Uniwersytecie Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie, przygotowany na podstawie własnej pracy inżynierskiej.
Autor: ALICJA NIEĆ

W ramach projektu inżynierskiego opracowany został projekt wirtualnych makiet oraz animacji zespołu budowlanego pałacu Marii Kazimiery w Warszawie na podstawie materiałów z lat 1897, 1945, 1982 i 2005. W tym celu wykonano trójwymiarową wizualizację, która pokazuje, w jaki sposób zmieniała się historyczna zabudowa tego miejsca, oraz jak Marymont wygląda obecnie. Do opracowania wirtualnej makiety użyto programów: ArcGIS, SketchUp Pro 2022, CityEngine 2022.0, Blender 3.2.2, Unreal Engine 5.1 i Adobre Premiere Pro. Dzięki nim możliwy był szereg operacji pozwalających na przetworzenie danych, przygotowanie modeli trójwymiarowych i makiet obszaru, a także opracowanie przelotu kamery i montaż animacji. W poniższym artykule przybliżone zostają założenia, cel, metody badawcze i proces realizacji pracy projektowej nagrodzonej w 14. edycji Ogólnopolskiego Konkursu Prac Dyplomowych z zakresu Kartografii, Geomatyki i Geoinformacji.

• Rys historyczny

Marymont, jedna z części Warszawy, swoje początki zawdzięcza królowi Janowi III Sobieskiemu, który nabył te tereny i nazwał je na cześć swojej żony Marii Kazimiery – Marie Mont (Góra Marii). Ziemie te ograniczały: od północy – Las Bielański, od południa – ul. Bieniewickiej aż do skrzyżowania ul. Marii Kazimiery z ul. Potocką, od zachodu – droga Marymoncka, a od wschodu – droga na obszarze Rudej.

W latach 1691–1696 na wzgórzu wzniesiona została willa królowej Marii Kazimiery, którą zaprojektował Tylman z Gameren. Po śmierci Jana III Sobieskiego posiadłość odziedziczył jego syn, który zlecił zbudowanie winnicy. Sam pałacyk został przebudowany na willę myśliwską, a pawilony stały się domkami dla łowczych. Wtedy też na północ od wzgórza urządzono Zwierzyniec.

Pod koniec XVIII wieku Marymont najechały wojska pruskie, w wyniku czego spłonęły niemal wszystkie obiekty użytkowe, a ocalał jedynie pałacyk i kilka otaczających go budynków. W 1815 roku teren stał się majątkiem Królestwa Polskiego, a rok później powołano tam Instytut Agronomiczny – wyższą szkołę rolniczą, przekształcony następnie w Instytut Gospodarstwa Wiejskiego i Leśnictwa. Początkowo to pałacyk był siedzibą uczelni, jednak szybko okazał się niewystarczający. W połowie XIX wieku wybudowano nowy okazały budynek Instytutu, połączony z dwiema oficynami bocznymi i ogrodem w stylu włoskim. Powstała wówczas aranżacja w kształcie podkowy otwarta w stronę pierwotnego pałacyku, który przekształcono w kaplicę uczelnianą. Zabudowę zespołu uzupełniały dwie oficyny wolnostojące oraz szereg budynków gospodarczych. W południowej części majątku zaaranżowano staw z wyspą. Od strony wschodniej całość kompozycji dopełniała piętrowa willa Grossów.

W 1861 roku Instytut Gospodarstwa Wiejskiego i Leśnictwa przeniesiono do Puław, a dobra ziemskie Marymont przeszły pod zarząd artylerii Warszawskiego Okręgu Wojennego. Budynki Instytutu przekształcono w koszary. Po I wojnie światowej w dawnym Instytucie urządzono schronisko dla nieuleczalnie chorych pw. św. Józefa, a pałacykowi przywrócono funkcje sakralne. W 1924 roku pałacyk-kaplicę rozbudowano w kościół.

W drugiej połowie lat 30. XX w. zasypano staw i uzyskany teren przeznaczono pod budownictwo mieszkaniowe. Podczas II wojny światowej najbardziej ucierpiała zabudowa dawnego Instytutu Agronomicznego, a pałacyk-kościół spłonął. W latach powojennych Marymont został obrabowany z resztek zabytków. Dopiero w latach 1956–1960 dokonano gruntownej przebudowy kościoła, a w 1966 r. konsekrowano go jako siedzibę parafii Matki Bożej Królowej Polski. Na terenie pozostałym po Instytucie Agronomicznym wybudowano szkołę (ob. Specjalny Ośrodek Szkolno-Wychowawczy nr 9). W latach 70. zaczęto rozbudowywać Trasę Toruńską, która podzieliła teren dawnego Marymontu na dwie części.

• Materiały źródłowe

Do rekonstrukcji pałacu Marii Kazimiery posłużyły rozmaite materiały archiwalne: mapy, plany gruntów, projekty architektoniczne, szkice sytuacyjne, zdjęcia naziemne i lotnicze. Większość materiałów pochodzi ze zbiorów Archiwum Państwowego w Warszawie, Narodowego Archiwum Cyfrowego, Instytutu Historii PAN, Muzeum Warszawy oraz Urzędu Miasta Stołecznego Warszawy. Wykorzystano także archiwalia z Wikimedia Commons oraz innych kolekcji internetowych.
Najstarsza zachowana mapa przedstawiająca opisywany teren została wykonana w 1778 roku pod kierunkiem J. G. Daumana (rys. 1).

Rys. 1. Plan Marymontu J. G. Daumana, 1778 r. (źródło: Tomasz Pawłowski, Jarosław Zieliński, Żoliborz – przewodnik historyczny, Warszawa 2008, s 80)

Szczególną uwagę należy zwrócić na plany miasta przygotowane pod kierunkiem Williama Heerleina Lindleya, które powstały w związku z budową wodociągów i kanalizacji Warszawy w latach 1883–1915. Są to bardzo szczegółowe materiały kartograficzne (rys. 2 i 3), na podstawie których opracowano warstwy wektorowe przedstawiające informacje o budynkach na przełomie XIX i XX wieku. Znakomicie przygotowane kopie cyfrowe planów Lindleya pozyskano dzięki uprzejmości zespołu ONTO-HGIS Instytutu Historii PAN w Warszawie.

Rys. 2. Plan Lindleya (poziomicowy) z 1897, arkusz 4, skala 1:2000 (źródło: Archiwum Państwowe w Warszawie/Instytut Historii PAN w Warszawie)

Rys. 3. Plan Lindleya z 1897–1901, arkusz 4, skala 1:2000 (źródło: Archiwum Państwowe w Warszawie/Instytut Historii PAN w Warszawie)

Do rekonstrukcji układu zabudowy z okresu II wojny światowej wykorzystano zdjęcia lotnicze z lat 1935, 1945 (rys. 4) oraz mapę z 1936 roku dostępne na Serwisie Mapowym Miasta Stołecznego Warszawy – zakładka „Warszawa Historyczna”. Widok z lat 80. XX w odtworzono na podstawie zdjęć lotniczych z lat 1976–1977 i 1982 r. (rys. 5) oraz map topograficznych GUGiK. Ze względu na czytelność zdjęć zdecydowano się przedstawić rok 1982.

Rys. 4. Zdjęcie lotnicze Warszawy z 1945 r. (źródło: Serwis Mapowy Miasta Stołecznego Warszawy/Muzeum Warszawy)

Rys. 5. Zdjęcie lotnicze Warszawy z 1982 r. (źródło: Serwis Mapowy Miasta Stołecznego Warszawy/GUGiK)

Okres współczesny przedstawiono na podstawie zdjęć lotniczych z roku 2005 (rys. 6), ortofotomap lotniczych i danych BDOT10k (rys. 7). Zauważalne jest, że dynamika zmian zabudowy w tym okresie jest już nieduża, różnice dotyczą tylko kilku nowopowstałych budynków. Wybrane materiały cechują się najwyższą jakością i wskazują na kluczowe momenty rozwoju obszaru. W skład danych referencyjnych wchodziła warstwa wektorowa budynków (PL.PZGiK.330.1465__OT_BUBD_A), która została pozyskana z bazy BDOT10k zawierającej obiekty wraz z ich lokalizacją, charakterystyką opisową, kodami kartograficznymi oraz metadanymi.

Rys. 6. Zdjęcie lotnicze Warszawy z 2005 r. (źródło: Serwis Mapowy Miasta Stołecznego Warszawy/GUGiK)

Rys. 7. Budynki z BDOT10k na podkładzie mapowym z ortofotomapy (źródło: opracowanie własne na podstawie danych z PZGiK)

Szczegółowe materiały kartograficzne umożliwiły precyzyjną lokalizację budynków, natomiast materiały mniej szczegółowe wykorzystywano do rozpoznania kontekstu sytuacyjnego i modelowania topografii okolicy.

• Modelowanie układu przestrzennego

Pierwszym etapem modelowania układu przestrzennego było pozyskanie materiałów źródłowych, co zostało szczegółowo przedstawione powyżej. Dokumentacja została uporządkowana, a następnie ujednolicono podstawy matematyczne map i planów Marymontu – nadano im georeferencję. Proces ten przeprowadzono w programie ArcMap w sekwencji retrogresywnej (rys. 8), tj. od materiałów najnowszych do najstarszych. Za mapę referencyjną posłużyła ortofotomapa o standardowej rozdzielczości pozyskana z Geoportalu Krajowego w formie usługi danych rastrowych WMTS. Jako punkty stabilne do georeferencji wykorzystano obiekty, takie jak budynki, które nie uległy znacznej zmianie między analizowanymi okresami.

Kolejnym etapem było opracowanie georeferencyjne zdjęcia lotniczego z 1982 roku, co wymagało większej uwagi, ponieważ zostało wykonane z nieznacznym nachyleniem. Fotografia ta posłużyła następnie jako materiał pośredni do georeferencji zdjęcia lotniczego z 1945 roku, na którym udokumentowanych jest wiele budynków, które uległy zniszczeniu podczas wojny. Stopień przekształcenia terenu między latami 80. XX w a rokiem 1945 był dosyć znaczny, dlatego do kalibracji wykorzystano charakterystyczne elementy obiektów budowlanych powtarzających się na obydwu materiałach.

Ostatnimi danymi wymagającymi kalibracji były plany Lindleya z końca XIX wieku. Przez to, że zostały wykonane w odręcznie, istniało większe ryzyko niepoprawności wpasowania się elementów, niż to miało miejsce w przypadku kalibracji zdjęć lotniczych. Materiały pozyskane z IH PAN odznaczały się wysoką dokładnością georeferencji, jednak ze względu na stopień szczegółowości modelu 3D konieczne było wycięcie odpowiednich fragmentów map i ich ponowne dopasowanie.
Rys. 8. Proces spasowania materiałów kartograficznych w sekwencji retrogresywnej (źródło: opracowanie własne)

Dla poszczególnych okresów historycznych (1897, 1945, 1982 oraz 2005) powstały odrębne warstwy wektorowe (powierzchniowe) budynków – jedna warstwa odpowiadała jednemu okresowi. Wykorzystano do tego obiekty z bazy BDOT10k, które zaimportowano do programu SketchUp Pro i dopasowano do wcześniej zaimportowanych płaszczyzn podstaw budynków.

• Modelowanie obiektów architektonicznych

Kolejny etap prac w zakresie wirtualnej rekonstrukcji obejmował modelowanie 3D poszczególnych obiektów architektonicznych. Proces ten wykonano na podstawie danych referencyjnych z bazy BDOT 3D, które poddano obróbce i teksturowaniu w środowisku SketchUp. Dane wejściowe powstały w skutek połączenia 3 źródeł: obiektów 2D z BDOT10k z warstwy BUBD_A, informacji pozyskanych w technologii laserowego skaningu lotniczego (lidar) oraz numerycznego modelu terenu (NMT/NMPT).

Najtrudniejszą częścią projektu była rekonstrukcja obecnie nieistniejących obiektów architektonicznych. Modele 3D poszczególnych budynków były przygotowywane na podstawie zachowanej dokumentacji fotograficznej, a także odręcznych rycin i szkiców. Skrupulatna analiza fotografii kościoła Matki Boskiej Królewskiej w Warszawie z 1916 i 1924 roku pozwala zauważyć, że wygląd dawnego pałacu został zachowany wewnątrz istniejącego do dziś budynku.

Rys. 9. Willa królowej Marii Kazimiery (źródło: Strona Parafii Matki Bożej Królowej Polski Warszawa-Marymont, https://www.parafia-marymont.pl/historia/ [dostęp: 02.11.2022])

Rys. 10. Kościół Matki Bożej Królewskiej w Warszawie – rok 1916 (źródło: Strona Parafii Matki Bożej Królowej Polski Warszawa-Marymont, https://www.parafia-marymont.pl/historia/ [dostęp: 02.11.2022])

Aby odwzorować Instytut Agronomiczny, wykorzystano rycinę, która pochodzi prawdopodobnie z 1841 roku, a także zachowane fotografie powstałe najpewniej przez rokiem 1939. Co ciekawe, zdjęcia lotnicze z 1945 roku pokazujące budynki w stanie ruiny umożliwiły odczytanie cech strukturalnych budynków – rozmieszczenia ścian nośnych, umiejscowienia kominów i klatek schodowych. Okazało się to szczególnie pomocne w obliczu trudności z dotarciem do oryginalnych projektów architektonicznych.

Rys. 11. Instytut Agronomiczny na Marymoncie – centralna cześć budynku, ok. 1841 r. (źródło: strona fundacji WARSZAWA1939, https://www.warszawa1939.pl/galeria-powiazany/gdanska-6-b/galeria-powiazana-5869-rycina-z-okolo-1841 [dostęp: 23.12.2022])

Rys. 12. Instytut Agronomiczny na Marymoncie przed 1939 (źródło: Narodowe Archiwum Cyfrowe)

• Modelowanie terenu

Do wizualizacji wykorzystano numeryczny model terenu pobrany z Geoportalu Krajowego. W pracy wykorzystano arkusze: 70709_847191_N-34-138-B-b-4-1, 70709_847191_N-34-138-B-b-4-2, 70709_847191_N-34-138-B-b-4-3, 70709_847191_N-34-138-B-b-4-4. Z kolei mapa z 1897 roku dostarczyła informacji, że na południu, w miejscu obecnej zabudowy Marymontu, znajdowało się jezioro, którego nie ma w pozostałych okresach.

Zgodnie z przyjętą koncepcją stworzono cztery modele terenu: dwa mniejsze powierzchniowo modele Marymontu (jeden z jeziorem, drugi bez) oraz analogiczne dwa większe dla przestrzeni otaczającej obszar badań. NMT – w celu uwzględnienia jeziora – został wyedytowany za pomocą narzędzi obsługiwanych w programie ArcMap. Wszystkie modele terenu zostały wyeksportowane do formatu rastrowego PNG.

Mniejsze powierzchniowo modele terenu posłużyły do rozmieszczenia na nich obiektów trójwymiarowych w programie SketchUp Pro, który okazał się nieprzystosowany do działania na takich danych, przez co praca z programem po załączeniu modelu wysokościowego była bardzo spowolniona. Wymodelowane budynki wraz z terenem zostały wyeksportowane do formatu FBX. Służyło to zachowaniu wspólnej referencji pomiędzy budynkami i terenem. Większe modele terenu posłużyły do opracowania wirtualnej makiety w silniku graficznym Unreal Engine.

Rys. 13. Rozmieszczenie budynków na modelu terenu bez jeziora (źródło: opracowanie własne)

• Kompozycja wirtualnej makiety

Finalna kompozycja wirtualnej makiety została opracowana w silniku Unreal Engine. Składa się z obiektów trójwymiarowych, oświetlenia, tekstury, terenu oraz ścieżek ruchu kamery. Większość modeli 3D została wykonana przez autorkę pracy. Tylko pojedyncze elementy, jak roślinność, pozyskano za pomocą aplikacji Quixel Bridge stworzonej dla silnika Unreal Engine, a mosty – z ogólnodostępnej biblioteki 3dwarehouse.sketchup.com. Oświetlenie sceny i symulacja zachowania atmosfery pochodzą z predefiniowanych ustawień narzędzia Archviz, które zostały zaktualizowane pod kątem współrzędnych geograficznych i kąta padania promieni słonecznych.
Ostateczna wizualizacja przedstawia cztery makiety historyczne z 1897, 1945, 1982 i 2005 roku, a każda z nich zawiera najważniejszą część rekonstrukcji, czyli budynki. Do wykonania oddzielnych kompozycji w Unreal Engine użyto opcji Levels.




Rys. 14. Kompozycja wirtualnych makiet dla lat (od góry): 1897, 1945, 1982 oraz 2005 (źródło: opracowanie własne)

• Montaż animacji i wyniki pracy

Animacja została wykonana w typie fly-through, który umożliwia pokazanie widoku z powietrza (widz „lata” pośród obiektów trójwymiarowych). Trasa przelotu została zaprojektowana w taki sposób, by dokładnie pokazać każdą wirtualną makietę. Uwaga została skupiona na najważniejszych obiektach, które dobrze obrazowały zmienność czasową opracowanego terenu. Dzięki zastosowaniu odpowiednich ustawień związanych z oświetleniem oraz kątem padania promieni słonecznych otrzymano efekt lepiej wyeksponowanych detali budynków. Tak przygotowaną animację wygenerowano w postaci sekwencji zdjęć (Image Sequence JPG) o rozdzielczości 1920 x 1080 oraz częstotliwości 60 FPS.

Efektem pracy jest film udostępniony na platformie YouTube. Jest to owoc starannie przemyślanej sekwencji zdjęć, który przenosi widza do 1897, 1945, 1982 i 2005 r. Dzięki temu może on doświadczyć historii w pełniejszej sposób, niż na to pozwalają mapy.

Inż. Alicja Nieć, UMCS w Lublinie

Artykuł powstał na podstawie pracy inżynierskiej pt. „Opracowanie modelu 3D zespołu budowlanego Pałacu Marii Kazimiery w Warszawie” napisanej przez Alicję Nieć pod kierunkiem dr. Jakuba Kuny, nagrodzonej w 14. edycji Ogólnopolskiego Konkursu Prac Dyplomowych z zakresu Kartografii, Geomatyki i Geoinformacji – pierwsze miejsce kategorii prac I stopnia (licencjackich i inżynierskich)