Дипломная (вкр): Технології побудови тривимірних моделей у ГІС

Технології побудови тривимірних моделей у ГІС

Вступ

Монітор комп’ютера або аркуш паперу, де відтворене тривимірне зображення місцевості, - це плоскі (двовимріні) поверхні. Відображення тривимірних об’єктів у комп’ютерній графіці відбувається за рахунок спеціальних перетворень двовимірних об’єктів, які зображаються під різними кутами, утворюючи грані багатовимірних фігур та зменшуються, створюючи ефект віддалення від точки спостереження. При створенні тривимірних об’єктів застосовуються декілька моделей растрової і векторної графіки. У геоінформаційних системах (ГІС) найбільшого поширення набули регулярна растрова модель GRID та нерегулярні моделі, коли зображення формується з трикутників (TIN) або багатокутників (полігони Тіссена, полігони Вороного).

Процес відображення тривимірної моделі на моніторі комп’ютера складається з двох стадій:

1)      геометричних обчислень, в результаті яких відбувається апроксимація тривимірного об’єкту, що буде складатися зі згаданих трикутників, багатокутників або інших поверхонь;

2)      процесу рендерингу - тобто візуалізації отриманих фігур на плоскій поверхні, заповнення їх кольором чи певною текстурою, розподіл яскравості за рівнем “освітленості”.

Велика кількість операцій зі створення тривимірних об’єктів, поверхонь, відтворення освітлення, текстури зображень тощо реалізовано у графічних бібліотеках Direct 3D та OpenGL.

Сучасні ГІС мають достатньо розвинений апарат тривимірної графіки, що здатний з достатньою точністю відтворювати різноманітні тривимірні зображення, як от рельєф земної поверхні, топографічна ситуація з урахуванням висоти об’єктів, поверхні та об’єми верств та пластів у земних надрах тощо.

Практично кожна сучасна ГІС з розряду багатоцільових має у своєму розпорядженні вбудовані або додаткові модулі для створення тривимірних карт, просторового аналізу тривимірних величин (наприклад, об’ємів, проективних покриттів) та операцій із цифровими моделями рельєфу (ЦМР). ArcInfo первісно створювався як пакет програм, де об’єкт описувався значеннями X, Y, Z (та m), таким чином в ньому чи не вперше була реалізована побудова тривимірних карт, система “вирощування” будівель з проекції площини і таке інше. Аналогічний за типом і часом створення модуль Virtual GIS дозволив виконувати аналогічні операції в ERDAS Imagine.

Згодом для багатоцільових ГІС середнього класу - ArcView та MapInfo - були розроблені модулі для тривимірного аналізу, які виявилися в деяких аспектах навіть функціональнішими та зручнішими порівняно із вище згаданими. Пакет 3D Analyst постачається як окремий модуль, що надбудовується над базовою версією ArsView (ArcGIS). В ньому реалізована TIN-модель побудови тривимірних карт. Версії 3D Analyst під АrcView третього й восьмого-дев’ятого поколінь дозволяють ефективно працювати з ЦМР (DEM) - будувати карти крутизни схилів, експозиції, розраховувати покриття для систем радіозв’язку, зони затоплення тощо; разом із тим останні мають поліпшені можливості для відображення будівель різної висоти та обрисів, дерев та інших об’єктів місцевості, що зазвичай використовуються при стовренні 3D-моделей місцевості крупного масштабу при проектно-вишукувальних роботах, у містобудуванні, ландшафтній архітектурі.

Модулі для стоврення 3D-зображень у MapInfo - канадський Vertical Mapper та російський Поверхность використовуються принципово іншу схему побудову растрових зображень на основі традиційного для MapInfo гріду (MIG - MapInfo GRID). За можливостями обидва модулі на даному етапі поступаються 3D Analyst, проте все ж таки мають деякі вигідні особливості і не такі вибагливі до системних ресурсів. Явний недолік тривимірних ГІС для MapInfo, принаймні на даному етапі, - неможливість створювати тривимірні зображення будівель, інших інженерних споруд, дерев тощо різної висоти або ж “сажати” їх на поверхню землі, як це реалізовано у пакетах ESRI чи CAD.

Побудова тривимірних моделей як експонованого, так і “підземного” рельєфу (тобто поверхонь і підошв пластів) неодмінно включаються до функцій цільових гірничо-геологічних ГІС, наприклад, GemCom, Geo Xmap тощо.

Мета даної роботи:

·        проаналізувати ефективність алгоритмів комп’ютерної графіки, які використовуються у ГІС при створенні тривимріних моделей рельєфу;

·        порівняти інформативність, функціональність та хоча б у першому наближенні оцінити точність тривимірних моделей рельєфу, що створюються на основі растрових і векторних моделей, описаних вище;

·        відпрацювати технологію побудови 3D карт на ділянці з різко розчленованим і великою різноманітністю форм рельєфу, на основі використання програмних продуктів „ArcGIS/3D Analyst” та «MapInfo»/»Поверхность».

Новизна даної роботи полягає у тому, що в ній порівнюються і оцінюються можливості сучасних ГІС для створення тривимірних моделей рельєфу Землі, а також створення похідних моделей (карт крутизни схилів, експозиції, побудови профілів, відмивок рельєфу тощо).

1.     
Тривимірні карти у ГІС. Цифрові моделі рельєфу

програма карта комп'ютерний графіка

1.1 Огляд основних ГІС, що дозволяють створювати тривимірні картографічні зображення

Визначення ГІС часто публікуються і в географічній, і в комп’ютерній літературі, лунають на конференціях і входять у лексикон фахівців із різних спеціальностей. Слід зазначити, що визначень ГІС досить багато. Причина цього в тому, що часто намагаються одним реченням дати вичерпну характеристику геоінформаційних систем. Якщо ж визначення спростити, то можна сказати, що ГИС - це комп’ютерні системи, які зображують об'єкти двомірного й тривимірного світу й дозволяють аналізувати їх.

Таким чином, ГІС - це комп’ютерні системи, що обробляють дані про Землю. Досить важливою особливістю цих даних є їхня здатність працювати одночасно з різноманітними даними по території. Ці дані згруповані у тематичні шари. Таким чином одночасно можна аналізувати, наприклад, рельєф, геологічну будову і геофізичні поля на території при прогнозуванні покладів корисних копалин, або ж рельєф, грунти та існуючу забудови при землевпорядних роботах.

Ще 12 - 15 років тому 95% всіх розповсюджених ГІС були двомірними. З нарощуванням потужностей обчислювальних засобів спочатку стали з'являтися, а потім і широко розповсюдилися тривимірні ГІС. Серед фахівців іноді вживається таке не зовсім науково обгрунтоване визначення як „2,5-вимріна ГІС”. „2,5-мірність” означає те, що тривимірний об'єкт коректно моделюється в плані (осі X, Y), а по вертикалі йому задається тільки одне значення Z, що не може змінюватися в межах вільним чином. Так, будинок із двосхилим дахом не може бути змодельований системою, а будинок із плоским дахом моделюється цілком успішно. Гора - гострий пік - зображається на 3D-карті нереалістично, а гора із плоскою вершиною - коректно [9, 40].

Тривимірні ГИС дозволяють створювати в середовищі тривимірного простору об’єкти будь-якої складності: рельєф в усіх деталях, архітектурні будівлі, дорожні конструкції, навіть дерева й автомобілі й т.д. При цьому важливо зрозуміти відмінність тривимірних ГІС від інтерактивних тренажерів або симуляторов, які часто застосовуються, наприклад, у комп'ютерних іграх. У ГІС будь-який об'єкт має географічні координати. Його можна просторово зрівняти з іншими об'єктами, зв'язати з ним базу даних, накласти плоскі об’єкти чи результати обчислень на реальну поверхню із западинами, долинами, пагорбами тощо.

ГІС, що дозволяли створювати тривимірні карти, на ринку програмного забезпечення спочатку було не так вже й багато. Першою й відразу вдалою спробою створення такої системи був модуль для програмного комплексу “ERDAS Imagine” за назвою “Virtual GIS”. Причому сама фірма, розроблюючи систему, мала намір насамперед розширити можливості своєї системи растрових геокодованих зображень (наприклад, ортофотопланів, космічних карт). Потім практично одночасно два „законодавці мод” в області ГІС - американські компанії “ESRI” і “Maplnfo Сorp”. - випустили модулі, відповідно, за назвою „3D Analyst” і „Vertical Mapper” для продуктів ArcView і MapInfo. Російські розробники ГІС «Панорама» також включили до неї модуль тривимірного моделювання. Більш вдалим і зрчним модулем виявилася програма „Поверхность” - російськомовний аналог „Vertical Mapper” з функціями відтворення тривимірних карт засобами і растрової, і векторної графіки.

В Україні, і в Росії для створення і аналізу моделей рельєфу також традиційно використовують систему “Surfer”, розроблену “Golden Software”. Цей популярний програмний пакет не належить до класу геоінформаційних систем, адже був розроблений для широкого кола споживачів, а не тільки фахівців у галузі наук про Землю. Крім цього, у ранніх версіях GS Surfer можливо було працювати лише з даними у прямокутних координатах, заданих за рівномірною сіткою. В останніх версіях цього пакету значно розширені можливості для роботи з геопросторовими даними. Surfer - унікальний програмний продукт, який дозволяє застосовувати для аналізу геопросторових даних потужний арсенал чисельних методів та методів математичної статистики. Ці можливості реалізуються і при візуалізації тривимірних зображень, хоча крім цифрових моделей поверхонь та їхніх похідних у Surfer дуже важко відобразити інші компоненти геосистем.

Найбільш потужною й повнофункціональною тривимірною системою є “Arc Info”, що у принципі не розділяє мир на „тривимірний” „двовимірний” й однаково добре обробляє всі об'єкти. Нажаль, висока ціна системи “Arc Info” - 8000 - 15000 доларів - неприйнятна для рядових користувачів. Тому компанія ESRI  не  тільки  розробила відносно недорогу спрощену версію для обробки „двомірних даних” - ГІС

„ArcView” (поточна версія - „ArcGIS / ArcView 9.2”), але й приклала до неї тривимірний модуль „3D Analyst” (вартість ліцензійного пакету 1000 доларів).

У своїй роботі ми використовували цей модуль. Опис технології відбудови рельєфу і взагалі тривимірних карт за його допомогою подається у главах 3 - 5. Що ж дозволяє цей модуль? Насамперед, можна створювати у звичному для нас тривимірному просторі об'єкти типу будинків. Як підкладка використається відтінений рельєф або растрові дані дистанційної (авіаційної чи космічної зйомки). Таку модель можна обертати навколо своєї вісі, наближатися й віддалятися до неї. Практичні тести на комп'ютері з обсягом оперативної пам'яті 512 Мбайт і відеокартою, що підтримує Open GL, 128 Мбайт, показали, що одночасно можна відображати до 10 тисяч простих будинків на растрі з рельєфом, оцифрованим за сіткою 50 х 50 м. При цьому розмір проекту становить 2,7 Гбайт, швидкістб відтворення - 7 - 8 кадрів на секунду на екрані i 1024 x 768. Хоча використання цього модуля має також і своє недоліки, у тому числі і при візуалізації рельєфу земної поверхні - про це буде сказано окремо.

При цьому застосовуються два типи моделей - регулярна й нерегулярна. Перша служить для опису растрового зображення, прив’язаного до системи координат, розбитого на квадрати (GRID). Для нерегулярної моделі (TIN) створюються поверхні у вигляді трикутників, що прилягають один до одного (тріангуляція). Всі інші тривимірні об’єкти розміщаються над моделлю рельєфу; вони повинні задаватися у векторній формі і у кожній вершині зберігатися з координатами X, Y, Z.

Компанія MapInfo випускає тривимірний модуль за назвою “3D Map”, щоправда, з деяким відставанням від ESRI. Характерно, що розробником системи під торговельною маркою „Vertical Mapper” є канадська компанія „Technologies”, добре відома на ринку програмного забезпечення для планування стільникового зв'язку. Поява цього продукту дозволила застосвувати тривимірні методи обробки й визуализації розповсюдженої двомірної ГИС “MapInfo Professional”. Характерно, що для в “MapInfo Professional 5.0” тривимірний модуль відображає тільки рельєф, але не об'єкти. Наприклад, тривимірний об'єкт у вигляді дерева з гілками, побудований в AutoCAD, не може бути «посаджений» на земну поверхню за допомогою „Vertical Mapper”. Побудова 2,5-мірної сцени можлива, але вертикальні стіни можуть бути дещо нахиленими. Проте відносна простота Maplnfo у користуванні та його низька вартість (у порівнянні із продуктами ESRІ) дозволяє також використовувати цей програмний продукт певному колу споживачів.

Разом із тим, модуль „Поверхность” для “MapInfo Professional 5.5” і вище має доволі потужний апарат інтерполяції, побудований на алгоритмах тріангуляції Делоне. Це дозволяє відтовреювати рельєф земної поверхні, використовуючи полігони Тісена (Вороного) і полігони TIN, а також і користуватися традиційними для більшості ГІС растровими поверхнями.

Однією з найбільш вражаючих з усіх точок зору, в тому числі з позицій архітекторів, військових, географів і геологів, є розробка фірми ERDAS Imagine (зараз Leica ERDAS Geosystems) - „Virtual GIS”. Від „Vertical Mapper” і „3D Analyst” вона відрізняється значно більшою швидкістю відображення й істиною деталізацією отримуваних зображень. Модуль орієнтований на показ великих обсягів інформації, у тому числі растрових файлів (аеро-, космознімків), нанесених на рельєф, і, одночасно, будь-яких шарів, імпортованих з “Arc Info” чи „ArcGIS / ArcView”. Крім того, навіть дуже складний об'єкт, скажемо, палац чи інша пам’ятка архітектури, створений зовнішньому середовищі (наприклад, в “3D Studio MAX”), може бути успішно занурений i „посаджений” на змодельований рельєфом. Тоді як „Vertical Mapper” і „3D Analyst” вкривають рельєф та інші поверхні текстурами, „Virtual GIS” успішно драпірує поверхні текстурами космічних знімків чи цифрових фотографій. Програма досить критична до апаратної частини через високе навантаження з перерахування растра і текстур-заповнювачів. Графічна плата повинна обов'язково підтримай мати обсяг відеопам'яті не менш 128 Мбайт і оперативної - 512 Мбайт. До 1999 р. Вона взагалі не ставилася на персональні комп’ютери, а була призначена виключно для роботи на робочих станціях з двома процесорами.

Тривимірні ГІС все частіше застосовуються у різних сферах і не тільки у геодезії, картографії чи фотограмметрії, а й в архітектурі, територіальному плануванні, інженерній геології і навіть в економіці. При цьому створюються тривимірні карти, на яких одним з ключових елементів смислового навантаження є рельєф. Особливостям використання описаних вище ГІС для моделювання рельєфу земної поверхні присвячені наступні розділи.

.2 Представлення земної поверхні як поля висот

Для графічного зображення рельєфу земної поверхні найбільш широке поширення одержали проекції із числовими позначеннями, які будуються шляхом проектування об'єктів на площину, що називається основнною, перпендикулярними до неї променями. На основній площині отримується проекція об'єкта у двох вимірах; третій вимір - вертикальна відстань точок об'єкта від основної площини - виражається числовими відмітками, що проставляють при проекціях точок. При проектуванні таким способом земної поверхні третім виміром є висота Н. Вона цілком визначається своїм числовим значенням у кожній точці основної площини, що задає значеннями планових координат х, у. Таким чином, у проекціях із числовими відмітками висота Н виявляється функцією двох змінних - планових координат х, у:

Н =H(x,y).          (1.1)

Проекціями в числових відмітках у буквальному значенні слова є батиметричні карти (карти глибин), на яких обмежуються виписуванням глибин з точками промірів. На топографічних картах земну поверхню зображують як правило за допомогою горизонталей - ліній, що з'єднують точки з однаковими числовими відмітками. Інакше горизонталь визначають як проекцію на основну площину упущеної лінії земної поверхні, всі точки якої відстоять на рівну відстань від основної площини [ 15, 23].

Той же спосіб ізоліній найбільш вживаний для зображення скалярних полів. Скалярними величинами, або скалярами, називаються такі величини, для характеристики яких досить указати абсолютну величину й алгебраїчний знак. Прикладами скалярів можуть служити об'єм, щільність, температура. Скалярним полем називається деяка площа або область простору, кожній точці яких відповідає певне значення якої-небудь скалярної величини. Сама ця скалярна величина називається функцією поля.

При деяких обмеженнях рельєф земної поверхні можна представити як скалярне поле геометричних об'єктів, кожній крапці М якого, певним плановими координатами х, у, відповідає деяке значення функції поля - висоти Н. Отже, висоту Н можна представити як функцію точки М:

Н = Н(М)            (1.2).

Оскільки положення точки М є в свою чергу функцією планових координат х,у

М = М (х,у),

Н = Н(М) = Н (М (х,у)) = Н (х,у),

функція (1.1) виявляється еквівалентної функції (1.2).

Таким чином, скориставшись уявленням про скалярне поле, дослідження функції Н двох змінних - планових координат х, у - можна звести до дослідження тієї ж величини Н як функції одного змінної - положення крапки М [23].