Тикунов В.С. (ред.) Основы геоинформатики. В 2 книгах. Книга 1

Подождите немного. Документ загружается.

объекта Вселенной, о котором имеется информация. Так, суще-

ствуют наглядные виртуально-реальностные модели атомов, че-

ловеческого организма, объектов живой природы (например, му-

равейников), отдаленных или невидимых космических объектов

(например, ядра кометы Галлея), а также модели прочих объек-

тов и систем, зачастую весьма далеких от геоинформатики.

В данной главе учебного пособия рассмотрим их на примере

наиболее важной для геоинформатики разновидности

—

виртуаль-

ных моделей местности. Виртуальная модель местности (ВММ) —

это математическая модель местности (содержащая в себе инфор-

мацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях

и объектах, расположенных на данной территории), предназна-

ченная для интерактивной визуализации и обладающая эффек-

том присутствия на местности.

Следует также отметить, что в настоящее время возможен не

только облет поверхности, но и движение в среде (например,

погружение под воду с имитацией эффектов освещения и дина-

мики движения). Однако визуализация многослойных поверхно-

стей (например, движение в грунте с визуализацией слоев по-

род) затруднена из-за неэффективности изобразительных средств

и на сегодняшний день пока не применяется.

Существующее программное обеспечение и его возможности. Для

создания и визуализации виртуальной модели местности с доста-

точно высокой степенью реалистичности требуется применение

программ, способных обрабатывать трехмерные объекты, «драпи-

рованные» («обтянутые») текстурой (растровыми картами либо

снимками). Все существующие программы, предоставляющие по-

добные возможности, могут быть разделены на несколько типов:

A. CAD-пакеты, предназначенные для черчения или проекти-

рования (не для картографии), содержащие встроенные функции

для визуализации трехмерных объектов.

Б. Программы для создания ЗО-графики и видеоэффектов.

B. Картографические программы.

CAD-пакеты (например, AUTOCAD, MICROSTATION), как

правило, не позволяют создавать полноценные модели местности

в силу того, что они просто не предназначены для этого, однако

при необходимости в них возможно создать трехмерную модель

рельефа, драпированную текстурой, а также добавить в модель

дополнительные объекты (дома, сооружения и пр.). Пакеты по-

зволяют визуализировать модель с любого ракурса либо вращать

ее перед наблюдателем.

Основным недостатком этих способов создания ВММ является

чрезвычайная трудоемкость процесса, сложности с взаимным увя-

зыванием растров, трехмерных объектов и пр. Кроме того, подоб-

ные модели очень требовательны к ресурсам компьютера, и даже

небольшая модель местности (например, соответствующая по раз-

мерам и детальности среднему листу карты масштаба

:200

ООО)

может оказаться чересчур громоздкой для того, чтобы обсчитывать

ее на персональном компьютере. Кроме того, все эти программы

ограничены в своих возможностях и предоставляемых функциях.

Программы для создания трехмерной графики и видео (такие

как 3D-Studio МАХ) не столь ограничены в функциях. Можно с

уверенностью утверждать, что в этих пакетах можно создать лю-

бую, сколь угодно близкую к действительности, модель местно-

сти, несмотря на то что программы этого типа не предназначены

для выполнения картографических функций (не поддерживается

привязка растров, проекции, послойное представление данных,

базы данных и пр.). К основным недостаткам этих пакетов отно-

сится невозможность облета местности в реальном времени, так

как просчет каждого кадра может занимать от нескольких секунд

до нескольких часов. Также затруднительно создание обширных

детальных моделей местности (модель, соответствующая по раз-

мерам и детальности среднему листу карты масштаба 1:200

ООО

является очень большой моделью). Следует, однако, отметить, что

качество графики, получаемой в результате, высоко.

Картографических программ, позволяющих создавать виртуаль-

ные модели местности, немного. К ним можно отнести Virtual

GIS (из комплекта Erdas Imagine), MultiGEN, ArcView 3D-Analyst

(табл. 6.2). Данные пакеты позволяют текстурировать поверхно-

сти, наносить дополнительные объекты, проводить просчет сце-

ны в реальном времени, поддерживать картографические систе-

мы координат и проекции. Нужно отметить, что потенциальные

возможности ArcView 3D-Analyst сравнительно бедны, а каче-

ство и скорость обсчета сцен невелики. Из упомянутых программ

наиболее богаты возможности Multigen, однако обсчет больших

сложных сцен в данной программе затруднен. Возможности Virtual

GIS меньше, однако на сегодняшний момент эта программа по-

зволяет создавать наиболее крупные ВММ высокого разрешения,

давая возможность обсчитывать их в реальном времени с хоро-

шим качеством.

Компоненты виртуальной модели местности. В настоящее время

подавляющее количество моделей строится в общеземных прямо-

угольных системах координат (например, Гаусса —Крюгера), что

облегчает добавление в модель новых данных. Однако построение

модели в этом случае требует привязки всех данных, использо-

ванных в работе. Для реалистичного представления местности со-

временная виртуальная модель должна содержать следующую ин-

формацию:

1) данные о рельефе (цифровую модель рельефа — ЦМР);

2) растровые изображения земной поверхности (сканирован-

ные карты либо снимки);

3) векторные данные;

Сравнение программ, позволяющих создавать виртуальные модели местности

Программы

ArcView 3D-

Analyst

Multigen Erdas Imagine

Virtual GIS

Тип используемой ЦМР (в порядке предпочтения)

TIN, GRID TIN, GRID

GRID

Сглаживание граней

Нет

Да

Возможность «драпировки» рельефа растровыми изображениями

Да

Возможность нанесения подписей на модель

» »

Возможность нанесения векторных данных

Статическая визуализация (ЗЭ-вид)

» »

Запись облета по заданной траектории в видеофайл

» »

Облет сцены в реальном времени

Нет

» »

Объезд сцены в реальном времени

Импорт 3D-объектов

» »

Анимирование импортированных объектов в реальном времени

Нет

Звуковые эффекты

» » »

Расчет полей видимости

Да

Моделирование освещения в соответствии с заданным днем и часом

Нет Нет

Возможность оптимизации модели для ускорения обсчета

Да

Критический размер, при котором работа с моделью становится крайне

медленной (субъективно, может варьировать от модели к модели)

100000 граней

(TIN), 5 млн

ячеек (GRID)

50000 граней

(TIN), 2 млн

ячеек

Количество

ячеек практи-

чески неогра-

ничено

Качество визуализации

Низкое

Высокое Высокое

Необходимость в использовании других программ ArcView 3.x Нет

Erdas Imagine

4) подписи;

5) трехмерные объекты специального назначения (сложные мо-

дели, импортированные из других программ для создания трех-

мерной графики);

6) дополнительные растровые изображения или анимации.

ЦМР. Одной из наиболее важных составляющих ВММ является

ЦМР. Степень соответствия виртуальной модели реальной мест-

ности в основном зависит от точности передачи рельефа земной

поверхности. Чем точнее и детальней модель рельефа, тем более

реалистична модель. Однако при визуализации трехмерных сцен

на обсчет ЦМР может уходить от 50 до 98 % вычислительных мощ-

ностей компьютера, и потому излишняя подробность при переда-

че земной поверхности нецелесообразна.

Степень подробности рельефа зависит от целей и возможно-

стей создателя ВММ. Однако нужно отметить, что местность ста-

новится «узнаваемой» только при использовании данных масшта-

ба 1:200

ООО

и крупнее. Модели, построенные по данным более

мелкого масштаба, хорошо передают структуру хребтов в горных

районах, однако узнаются эти хребты только при обзоре их с боль-

ших высот (в несколько раз выше самих хребтов) (табл. 6.3).

Вообще можно сказать, что при построении ЦМР по отече-

ственным топографическим картам какого-либо масштаба разре-

шение регулярной модели рельефа должно составлять 0,4—0,5 мм

в масштабе карты. Более крупный шаг сетки приводит к потере

«узнаваемости», более мелкий — к излишней трате машинных

ресурсов без необходимости.

Растровые

изображения.

В настоящее время при создании ВММ

широко распространена «драпировка» ЦМР растровыми картами

либо космическими снимками.

Покрытие ЦМР растровыми геоизображениями очень помога-

ет при ориентации на модели, привнося в ВММ колоссальное

количество новых сведений о местности и делая ее действительно

реалистичной. Драпировка модели картами встречается чаще, так

как карты дешевле, их проще обрабатывать и вносить в модель.

Использование космических снимков требует больших затрат на

их закупку, обработку, сшивку и различные виды коррекции. Од-

нако реалистичность модели, драпированной аэро- или косми-

ческими снимками, гораздо выше, чем у модели, в которой ис-

пользовались топографические карты.

Как правило, в драпировке модели используется несколько ра-

стровых изображений. Для их использования в ВММ необходимо

привязать каждое из них в избранной системе координат, после

чего, как правило, изображения объединяются в одну или не-

сколько мозаик более мелких снимков. Делается это в основном

по двум причинам:

1) меньшее количество файлов проще и быстрее обрабатывать;

Узнаваемость местности в зависимости от масштаба

Масштаб

карты

Разрешение регу-

лярной ЦМР, оп-

тимальное для дан-

ного масштаба, м

Узнаваемость и обзор

1:5

000

и мельче

2000

и более

Узнаются планетарные формы рельефа и крупные горные массивы (Гималаи, Анды, пр.).

Необходим обзор с большой высоты (50

—

200 км), с большим охватом (дальность

видимости — от 800 до 2000 км)

1:2 500000

и DCW

700

—

1000

Узнаются крупные и средние горные системы (Кавказ, Алтай, Саяны, пр.), могут быть

идентифицированы отдельные крупные горы (Килиманджаро, Ключевская сопка,

Эльбрус). Обзоре высоты 30—80 км, дальность видимости —150—400 км

1:1 000000

500

Видны и узнаваемы отдельные крупные долины и большое число отдельно стоящих гор.

Рельеф низменностей и среднегорий остается вырожденным. Высота облета 10—30 км,

дальность видимости — 100—150 км

1:500000

250

Горные хребты узнаваемы, отражаются все крупные и средние долины в горах с

альпийским рельефом.Отдельные характерные участки местности отражаются

реалистично. Возможен облет местности на высотах ниже вершин хребтов. Рельеф

низменностей выражен, но неточен. Высота облета

—

от 1000 до 10000 м.

Рекомендуемая дальность видимости — 100 км

1:200000

70 —

100 Местность хорошо узнаваема при облете, видны речные долины в средней полосе

России. Горный рельеф показан с большой точностью и выглядит эффектно.

Рекомендуемая высота полета

—

от 100 до 10000 м над поверхностью земли в горных

районах и не ниже 1500 м — в низменных районах

1:100000

40-50

Степень подобия рельефа горных участков суши возрастает по сравнению с рельефом,

построенным по карте масштаба

: 200 000, однако принципиально новых деталей не

появляется. В равнинных районах наблюдается качественно новый уровень передачи

рельефа речных долин и мелких форм (курганы, бугры, овраги). Высота облета и радиус

видимости те же, что и в модели I : 200 000

1:50000

20-25

Дальнейший рост правдоподобия модели

2) некоторые программы не могут использовать в моделях на-

слаивающиеся друг на друга растры (VIRTUAL GIS) или делают

это некорректно.

При построении мозаичных изображений в настоящее время

используются алгоритмы автоматического взаимного выравнива-

ния гистограмм, что позволяет сделать линию стыка изображе-

ний невидимой. После построения мозаики ее цвета могут быть

скорректированы в любом графическом редакторе (например,

Adobe Photoshop).

Для того чтобы карты, натянутые на модель, смотрелись чет-

ко и красиво, сканирование бумажных карт должно вестись с

разрешением не менее 300 точек на дюйм. Оптимальным соотно-

шением между разрешением цифровой модели рельефа и разре-

шением растров является отношение

—

1:8 (т.е. при разре-

шении ЦМР 100 м растр должен иметь разрешение 12—25 м на

местности).

Векторные данные. Отметим сразу, что использование вектор-

ных данных в виртуальных моделях требует значительных затрат

машинных ресурсов. В большинстве случаев работает следующая

закономерность: за одинаковое время будут просчитаны следу-

ющие ВММ:

1. ЦМР модели объемом 100 мегабайт без растров и дополни-

тельных данных.

2. ЦМР модели объемом 50 мегабайт с 200-мегабайтным растро-

вым изображением.

3. ЦМР модели объемом 20 мегабайт с 80-мегабайтным растро-

вым изображением и

3 —

4 мегабайтами векторных данных.

4. ЦМР модели объемом 20 мегабайт

3 —

4 мегабайтами вектор-

ных данных и 3—4 мегабайтами дополнительных сложных объек-

тов (трехмерные дома, сложные строения и конструкции и т.п.).

Внесение векторных данных в модель может происходить в двух

основных формах.

А. Данные могут быть «натянуты» на поверхность рельефа (как

и растровые изображения).

Б. Данные могут быть «вытянуты» над поверхностью рельефа

пропорционально некоторой характеристике в таблице атрибутов

(например, имеем план города, где контуры зданий даны в виде

полигонов, а атрибутом каждого полигона является высота — в

этом случае при нанесении на ЦМР увидим на месте домов па-

раллелепипеды и призмы, имеющие высоту, близкую к реаль-

ной, что позволяет быстро «построить» город или несколько на-

селенных пунктов на территории, не занимаясь нанесением каж-

дого дома).

После нанесения векторных данных полученные объекты мо-

гут быть отображены в модели с использованием различных изо-

бразительных средств, например цвета либо заливок или штрихо-

вок, что позволяет одновременно показывать в модели большое

количество данных об этих объектах.

Наиболее часто внесение векторных данных в ВММ исполь-

зуется для показа населенных пунктов, далее (по частоте при-

менения) следуют озера, реки (показанные как площадные

объекты), реки (линейные), трубопроводы, дороги (железные

и авто) и т.п.

Подписи. ВММ требуются подписи, так же как и картам. Одна-

ко внесение подписей в ВММ имеет свою специфику. Основными

ее чертами являются:

1) нефиксированное положение точки, с которой ведется на-

блюдение (полет по ВММ возможен в любом направлении);

2) низкая емкость ВММ в отношении надписей — модель бы-

стро перегружается топонимами, переставая читаться и адекват-

но восприниматься пользователем;

3) перспективность изображения, при которой далеко распо-

ложенные надписи могут быть просто нечитаемы, в то время как

близко расположенные надписи могут занимать все поле обзора.

Действительно, классическая карта предназначается для рас-

сматривания только с одной позиции, в то время как модель мо-

жет быть визуализирована с любого направления. Для устранения

этого недостатка применяется не горизонтальное, а вертикальное

расположение надписей на модели (надписи располагаются по-

добно дорожным знакам), при этом надписи автоматически по-

ворачиваются перпендикулярно направлению обзора во время

движения по модели.

Другие недостатки модели в принципе неустранимы, их следу-

ет просто знать и учитывать при создании модели. В качестве мето-

дов их уменьшения можно рекомендовать следующие приемы:

— использование более компактных и жирных шрифтов (на-

пример, MS Sans Serif Bold);

— написание надписей в несколько коротких строк, а не в

одну длинную;

— использование ярких цветов (красный, фиолетовый, тепло-

желтый) для повышения различимости надписей;

—

увеличение разрешения окна визуализации (при размере кад-

ра 1600x1200 надписей может быть вчетверо больше, чем при

размере 800x600).

Кроме того, для повышения различимости надписей можно

рекомендовать отображать их различными цветами в зависимости

от класса именуемого объекта (т.е. горы подписывать красно-ко-

ричневым цветом, города — красным, объекты гидрографии —

синим и т.д.).

При построении модели в Erdas Imagine подписи готовятся

отдельно. Для этого в базовом модуле Erdas Imagine создается так

называемый файл аннотаций (Annotation file), который состоит

из точек-центроидов подписей к карте, атрибутами которых яв-

ляется сама надпись, ее координаты, тип, цвет и размер шрифта

и прочие вспомогательные элементы. Подобный файл может быть

внесен в модель как в классической ориентации (плоские надпи-

си), так и в вертикальном виде.

Визуализация ВММ. В настоящее время популярными являются

несколько способов визуализации трехмерных моделей местности:

A. Трехмерная статическая сцена (ЗБ-вид).

Б. Облет в реальном времени.

B. Объезд в реальном времени.

Г. Запись полета по траектории с возможностью смены направ-

ления полета в любой момент.

Д. Запись полета в видеофайл без возможности изменения на-

правления полета.

А. Трехмерная статическая сцена (ЗР-вид). Подобная визуали-

зация является самой распространенной. ArcView 3D Analyst,

AutoCAD, 3D-Studio MAX, MultiGEN и прочие программы, упо-

минавшиеся выше, позволяют визуализировать модели местности

(рельеф с нанесенными на него объектами). Данный вид визуали-

зации не требует большой вычислительной мощности компьютера

и может происходить в течение нескольких минут (3D-Studio МАХ).

Б. Облет в реальном времени. Облет местности осуществляется

в Erdas Imagine Virtual GIS по аналогии с полетом на вертолете

(т. е. возможна остановка, зависание и разворот на одном месте,

однако направление полета при этом идет только вперед по на-

правлению обзора — таким образом, смотреть вперед и лететь

вбок нельзя). В MultiGEN существует целый набор моделей движе-

ния — аналогов ракеты, самолета, вертолета и даже летающей

тарелки.

Данный вид визуализации наиболее требователен к ресурсам

компьютера, так как требует просчета

15 — 25

кадров в секунду.

Написание программ для обработки трехмерных сцен в реальном

времени значительно сложнее и потому реализовано только в двух

из упоминавшихся программ — в Erdas Imagine Virtual GIS и

MultiGEN. Кроме того, поскольку мощности современных ком-

пьютеров пока что недостаточны для полноценной визуализации

неограниченных наборов данных, приходится прибегать к различ-

ного рода ухищрениям, позволяющим не просчитывать несуще-

ственно влияющие на вид сцены данные. При недостаточной мощ-

ности компьютера облет становится «рваным», количество кад-

ров, отображающихся на экране за 1 с, начинает падать с

15 —

кадров в секунду до 1 и менее.

Основными методами увеличения скорости обработки моде-

лей и их визуализации являются:

1) ограничение радиуса видимости;

2) понижение степени детализации модели;

3) уменьшение размера кадра;

4) сегментация;

5) применение TIN-моделей.

1. Ограничение радиуса видимости позволяет не анализировать

все данные модели, а ограничиваться частью, увеличивая ско-

рость счета в несколько раз (на крупных моделях).

2. Понижение степени детализации модели. В ряде случаев сте-

пень детализации модели может оказаться излишне подробной.

Такая ситуация может возникнуть при облете местности на боль-

шой высоте (когда отдельные элементы рельефа становятся мень-

ше размера 1 пиксела кадра) или при разрешении модели боль-

шем ее действительной наполненности данными — такая ситуа-

ция может возникнуть, если по векторным данным о рельефе карты

масштаба 1:200

ООО

была построена регулярная модель рельефа с

размером ячейки 30 м (см. выше). В этом случае уровень детализа-

ции может быть снижен в 3,3 раза (до 100 м), что увеличит ско-

рость работы в 10 раз.

3. Уменьшение размера кадра. Уменьшение размеров кадра вы-

зывает пропорциональное уменьшение времени, необходимого для

вычислений. Так, изменение размера кадра с 800 х 600 до 1024 х 768

пикселов вызовет замедление работы в 1,63 раза. Для достижения

необходимого эффекта «большого экрана» можно также применить

следующий способ: понизить разрешение самого монитора (тогда

картинка останется большой, слегка уменьшив детальность), либо

просчитывать «широкоформатные кадры» — кадры, в которых от-

ношение ширины кадра к его высоте равно не 4:3, а 16:9.

4. Сегментация. На сегодняшний день сегментация дает наибо-

лее впечатляющий прирост скорости. Суть метода состоит в раз-

биении ЦМР и наложенных на нее растров на фактически неза-

висимые сегменты небольшого размера (512x512, 1024x1024,

2048 х 2048 пикселов). Для каждого сегмента записываются исход-

ные данные с начальным разрешением, а также копии этих дан-

ных с разрешением, падающим в 2, 4, 8, 16 раз и более. При

визуализации сцены сегменты, находящиеся близко от наблюда-

теля, визуализируются с полным разрешением, а сегменты, на-

ходящиеся дальше,

—

со все понижающейся детальностью. Одна-

ко из-за влияния перспективы понижение разрешения модели с

увеличением отдаленности от наблюдателя остается незаметным.

Таким образом, изначальный объем данных фактически затра-

гивается лишь частично. Такой способ требует дополнительной под-

готовки данных и реализован в настоящее время в Erdas Imagine

Virtual GIS и MultiGEN.

5. Применение TIN-моделей, как правило, дает неоднознач-

ный результат, зависящий от типа местности, степени ее регу-

лярности и «разорванности» форм рельефа. Суть метода состоит в

том, что изначальная регулярная модель данных разбивается на

сеть мелких треугольников, после чего грани, угол между кото-

рыми становится меньше некоторой величины, сливаются в одну

плоскость. Такой метод позволяет отображать только действитель-

но важные формы рельефа, экономя память на больших однород-

ных поверхностях (склоны, плоские участки). Однако в ряде слу-

чаев подобный подход не дает ощутимой экономии (крайне нере-

гулярная местность) либо приводит к вырождению рельефа. Ал-

горитмы визуализации нерегулярных моделей работают в несколько

раз медленнее аналогичных алгоритмов для визуализации ЦМР

регулярного типа. Кроме того, следует отметить, что ЦМР регу-

лярного типа обычно выглядит более естественно, тогда как TIN-

модель оставляет ощущение искусственности. Все это приводит к

тому, что TIN-модели редко применяются при визуализации.

Совокупное использование первых четырех способов дает хо-

рошие результаты, позволяя уже сейчас моделировать облет мес-

тности на вертолете с высоким пространственным разрешением

рельефа и наложенных на него растровых карт либо космических

снимков.

В. Объезд в реальном времени. Эта функция предлагается пользо-

вателям Erdas Imagine Virtual GIS и MultiGEN. Режим объезда в

реальном времени отличается от облета в реальном времени толь-

ко высотой наблюдателя (при полете она может меняться, а при

объезде она остается постоянной и очень маленькой

—

несколько

метров над землей). Этот режим позволяет имитировать нахожде-

ние наблюдателя на земле, не боясь «врезаться» в нее при неакку-

ратном маневре. Методы ускорения просчета те же, что упомина-

лись выше.

Г. Запись полета по траектории с возможностью смены направ-

ления полета в любой момент. Применяется при демонстрацион-

ных показах для многократного повторения сложной трассы полета.

Для этого записывается линия траектории полета (ломаная), при-

чем для каждого узла ломаной задается высота над уровнем моря,

над землей, скорость, углы разворота, крена и тангажа (для обзора

местности не перед собой, а под собой или даже сзади себя), угол

обзора, плановые координаты на местности. Поскольку сменить во

время интерактивного полета угол обзора и иметь постоянный крен

или тангаж нельзя, использование этого режима позволяет несколь-

ко расширить возможности облета. Так, в режиме облета по траек-

тории можно выполнить «наезд» камеры на нечто интересующее

пользователя, задать постоянный крен, тангаж, выполнить «боч-

ку», «колокол», «кобру», по аналогии с известными терминами из

высшего пилотажа (в Virtual GIS эти фигуры невыполнимы ни в

одном другом режиме). Методы ускорения те же, что и при интер-

активном облете в реальном времени.

Д. Запись полета в видеофайл без возможности изменения на-

правления полета. Такой способ визуализации используется, если: