Лекция 4. Цифровое моделирование рельефа

Цифровое моделирование рельефа (ЦМР) включает две основных операции:

• создание модели рельефа;

• обслуживание модели.

Под цифровой моделью рельефа принято понимать средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей или рельефов) в виде трехмерных данных, образующих множество высотных отметок (отметок глубин) и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной или нерегулярной сети или совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний.

Исходными данными для построения ЦМР геодезическая и топографическая съемка местности, стереофотограмметрическая обработка фототеодолитных, аэрокосмических и космических снимков, альтиметрическая съемка, промерные работы, эхолотирование подводного рельефа акваторий океанов и внутренних водоемов, радиолокационная съемка рельефа ледникового ложа, а также существующие карты, атласы, планы.

К картографическим источникам принадлежат топографические карты и планы. На обычных не числовых картах) рельеф представлен композицией трех средств графической выразительности : системой изолиний (горизонталей, изогипс), множеством отметок высот и совокупностью точечных внемасштабных линейных и площадных знаков, дополняющих изображение рельефа (знаки оврагов, промоин, сухих участков рек, обрывов, бровок, оползней, осыпных участков, скал, воронок, курганов, наледей, ледников и т.д.). Представление рельефа в виде горизонталей имеет свои недостатки:

• Точность и достоверность изображения рельефа зависит от масштаба карты. Мелкомасштабные карты в принципе не пригодны для создания цифровых моделей.

• ЦМР, построенная только на данных топографических карт, как правило, вносит определенные погрешности, в процессе аналогоцифрового преобразования.

• Топографические карты, как правило, не содержат отметок дна водоемов, обычно показывается только отметка уреза воды.

• Горизонтали имеют графические пределы по толщине линий (0,2 мм) и расстоянию между линиями, что понижает точность создания ЦМР.

Общая рекомендация к программным средствам создания ЦМР – это контроль геометрической корректности представления горизонталей, т.е. соблюдение двух условий:

• одноименные и разноименные горизонтали не должны пересекаться (сливаться, касаться);

• каждая горизонталь должна быть замкнута на самое себя или границу картографического изображения.

Недостатки топокарт, как основы для ЦМР, могут быть компенсированы другими графическими элементами – например, условными знаками или использованием других источников информации – аэрофотоснимков, космической съемки и т.д.

ТИПЫ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА.

Создание ЦРМ.

Наиболее распространены два вида моделей : растровые и модели TIN.

Растровая модель пространственных данных это разбиение пространства (изображения) на регулярную, обычно, квадратную сеть высотных отметок в ее узлах, расстояние между которыми и ее шаг определяет ее пространственное разрешение.

Суть модели TIN в ее наименовании (нерегулярная треугольная сеть). В пространственном выражении это сеть треугольников – элементов триангуляции Делоне с высотными отметками в ее узлах, что позволяет представить моделируемую поверхность как многогранную. Эта модель для практических приложений обладает набором оптимальных свойств:

• имеет наименьший индекс гармоничности как сумму индексов гармоничности каждого из образующих треугольников (близость к равноугольной триангуляции);

• свойства максимальности минимального угла (наибольшей невырожденности треугольников)

• минимальной площадью образуемой многогранной поверхности.

Недостатком модели является самопроизвольное образование «террас», плоских участков в местах, где их заведомо не может быть. Причина возникновения «террас» объясняется несоответствием между точками цифровой записи и горизонталями.

Устранить этот недостаток можно дополнительным введением «каркаса» - в виде линий, тальвега, водоразделов, перегибов склонов.

Использование ЦРМ

При использовании ЦРМ можно решить следующие задачи:

• выполнить расчет элементарных морфологических показателей: уклонов, экспозиций склонов;

• оценить формы склонов через кривизну их поперечного сечения;

• провести генерацию сети тальвегов и водоразделов и других особых точек и линий рельефа;

• выполнить расчет положительных и отрицательных объемов относительно заданного горизонтального уровня в пределах границ участка;

• построить профиль поперечного сечения рельефа по направлению прямой или ломанной линии

• провести оценку видимости/невидимости с данной точки обзора;

• выполнить интерполяцию значений высот;

- провести трехмерную визуализацию рельефа в форме блок-диаграмм

Лекция 4. Виртуально-реалистические изображения местности.

Виртуальная модель местности (ВММ) – это математическая модель местности (содержащая в себе информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах расположенных на данной территории), предназначенная для интерактивной визуализации и обладающая эффектом присутствия на местности. В настоящее время возможен не только облет поверхности, но и движение в среде (например, погружение под воду). Однако, визуализация многослойных поверхностей (например, движение в грунте с визуализацией слоев пород пока не применяется).

Для создания и визуализации виртуальной модели местности с достаточно высокой степенью реалистичности требуется применение компьютерных программ, способных обрабатывать трехмерные объекты, «драпированные» («обтянутые») текстурой (растровыми кадрами или снимками). Все существующие программы, предоставляющие подобные возможности, могут быть разделены на 3 типа:

Тип А. CAD-пакеты, предназначенные для черчения или проектирования (не для картографии), содержащие встроенные функции для визуализации трехмерных объектов.

Тип Б. Программы для создания 3D-графики и видеоэффектов.

Тип В. Картографические программы.

CAD-пакеты (AutoCAD, MICROSTATION), как правило, не позволяют создавать полноценные модели местности, в силу того, что они не предназначены для этого, однако при необходимости в них можно создать трехмерную модель рельефа, драпированную текстурой, а также добавить в модель дополнительные объекты (дома, сооружения и пр.) Пакеты позволяют визуализировать модель с любого ракурса, либо вращать ее перед наблюдателем. Основным недостатком CAD-пакетов создания ВММ является чрезвычайная трудоемкость процесса, сложности с взаимном увязыванием растров, трехмерных объектов и пр. Подобные ВММ требовательны к ресурсам компьютера, и даже небольшая модель местности, например средняя карта масштаба 1: 200000 может оказаться громоздкой для ее обсчета на персональном компьютере. Кроме того, эти программы ограничены в своих возможностях и предоставляемых функциях.

Программы для создания трехмерной графики и видео (например, 3D-Studio MAX) не столь ограничены в функциях. В этих пакетах можно создать любую, сколь угодно близкую к действительности модель местности, хотя они специально не предназначены для выполнения картографических функций (не поддерживается привязка растров, проекции, послойное представление базы данных). К основным недостаткам этих пакетов относится невозможность облета местности в реальном времени, так как просчет каждого кадра может занимать от нескольких секунд до нескольких часов. Представляет затруднение создание обширных детальных моделей. Средняя карта в масштабе 1:200000 относится к большой модели. Качество графики очень высокое.

Картографические программы Virtual GIS, MultiGEN, ArcView 3D-Analyst позволяют текстурировать поверхности, наносить дополнительные объекты, проводить просчет сцены в реальном времени, поддерживать картографические системы координат и проекции. Потенциальные возможности программы ArcView 3D-Analyst сравнительно бедны, а качество и скорость обсчета сцен не велики. Из упомянутых программ MultiGEN, более богата возможностями, но затруднен обсчет больших, сложных схем. Возможности Virtual GIS меньше, однако она позволяет создавать наиболее крупные ВММ высокого разрешения, давая возможность обсчитывать их в реальном времени с хорошим разрешением. Сравнительная характеристика картографических программ приведена в табл. 1.

Компоненты виртуальной модели местности

В настоящее время ВММ строятся в общеземных прямоугольных системах координат (например, Гаусса-Крюгера), что облегчает добавление в модель новых данных. Однако, построение модели в этом случае требует привязки всех данных использованных в работе. Для реалистического представления местности современная виртуальная модель должна содержать следующую информацию:

- данные о рельефе (цифровую модель рельефа - ЦМР);

- растровые изображения земной поверхности (сканированные карты или снимки);

- векторные данные;

- подписи;

- трехмерные объекты специального назначения (сложные модели, импортированные из других программ для создания трехмерной графики);

- дополнительные растровые изображения или анимации.

ЦМР – одна из наиболее важных составляющих ВММ. Степень соответствия виртуальной модели реальной местности в основном зависит от точности передачи рельефа земной поверхности. Чем точнее и детальнее, тем более реалистична модель. При построении ЦМР по отечественным топографическим картам разрешение регулярной модели рельефа должно составлять 0,4-0,5 мм в масштабе карты. Масштаб 1:200000 или крупнее. При более мелком масштабе местность становится «неузнаваемой».

Растровые изображения При создании ВММ широко распространена «драпировка» ЦМР растровыми картами или космическими снимками. Покрытие ЦМР растровыми геоизображениями очень помогает при ориентации на модели, привнося в ВММ большое количество новых сведений о местности и делая ее более реалистичной. Использование растров и космических снимков требует больших затрат на их закупку, обработку, сшивку и различные виды коррекции, но реалистичность модели, драпированной аэро- или космическими снимками, гораздо выше, чем у модели, в которой использовались только топографические карты.

Как правило в драпировке модели используются несколько растровых изображений . Для их использования в ВММ необходимо привязок каждое из них в выбранной системе координат, после чего, как правило, изображения объединяются в одну или несколько мозаик.

СРАВНЕНИЕ ПРОГРАММ, ПОЗВОЛЯЮЩИХ СОЗДАВАТЬ ВИРТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ

Программы	Arc View 3D Analyst	Multigen	Erdas Imagine Virtual GIS
Тип используемой ЦРМ (в порядке предпочтения)	TIN, GRID	TIN, GRID	GRID
Сглаживание граней	Нет	Да	Да
Возможность драпировки рельефа растровыми изображениями	Да	Да	Да
Возможность нанесения подписей на модель	Да	Да	Да
Возможность нанесения векторных данных	Да	Да	Да
Статическая визуализация (3D -вид)	Да	Да	Да
Запись облета по заданной траектории в видеофайл	Да	Да	Да
Облет сцены в реальном времени	Нет	Да	Да
Объезд сцены в реальном времени	Нет	Да	Да
Импорт 3D- объектов	Нет	Да	Да
Анимирование импортированных объектов в реальном времени	Нет	Да	Нет
Звуковые эффекты	Нет	Да	Нет
Расчет полей видимости	Да	Да	Да
Моделирование освещения в соответствии с заданным днем и часом	Нет	Нет	Да
Возможность оптимизации модели для ускорения обсчета	Нет	Да	Да
Критический размер, при котором работа с моделью становится крайне медленной (субъективно, может варьировать от модели к модели)	100000 граней (TIN); 5млн. ячеек (GRID)	50000 граней (TIN); 2млн. ячеек (GRID)	Кол-во ячеек практически неограничено
Качество визуализации	Низкое	Высокое	Высокое
Необходимость в использовании других программ	Arc View 3.х	Нет	Erdas Imagine

УЗНАВАЕМОСТЬ МЕСТНОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАСШТАБА

Масштаб карты	Разрешение регулярной ЦМР, оптимальное для данного масштаба,	Узнаваемость и обзор
1:5 000 000 и мельче	2000 и более	Узнаются планетарные формы рельефа и крупные горные массивы (Гималаи, Анды и пр.). Необходим обзор с большой высоты (50-200км), с большим охватом (дальность видимости от 800до 2000 км)
1:2 500 000	700-1000	Узнаются крупные и средние горные системы (Кавказ, Алтай, Саяны, пр.),могут быть идентифицированы отдельные крупные горы (Килиманджаро, ключевая сопка, Эльбрус). Обзор с высоты 30-80 км., дальность видимости 150-400 км.
1:1 000 000	500	Видны и узнаваемы отдельные крупные долины и большое число отдельно стоящих гор. Рельеф низменностей остается вырожденным. Высота облета 10-30 км, дальность видимости 100-150 км.
1:500 000	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.
1:200 000	70-100	Местность хорошо узнаваема при облете, видные речные долины в средней полосе России. Горные 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.
1:100 000	40-50	Возрастает степень подобия рельефа. В равнинных районах рельеф детализируется мелкими формами (курганы, бугры, овраги, террасы, поймы речных долин). Высота облета и радиус видимости те же, что и в модели 1:200000
1:50000	20-25	Дальнейший рост правдоподобия модели.

ЛЕКЦИЯ 5

Векторизатор Easy Trace - программа, позволяющая создавать электронные карты на основе их оригиналов: бумажных носителей, растров и др.

При разработке программы были учтены следующие требования:

- поддержка всего цикла подготовки данных;

- возможность обработки реальных (низкокачественных и сильноизношенных материалов);

- наличие средств распараллеливания работы с последующей гарантированной интеграцией данных в единое целое;

- необязательность высокой квалификации операторов;

- минимальные затраты на внедрение технологии ввода.

В основе технологии, реализованной в векторизаторе Easy Trace , лежит мозаичное растрово-векторное поле неограниченных размеров. Размеры отдельных растров могут превышать 2Гб и иметь любую глубину цветности.

Многослойная растровая мозаика может состоять из произвольной комбинации растров различной цветности и масштаба. Количество векторных слоев неограниченно, при этом каждый слой может содержать до 1 млн. объектов.

Векторизатор Easy Trace позволяет выполнить следующие операции:

1. сканирование и ввод растровой информации включающее

- сканирование непосредственно из векторизатора;

- поддержку произвольной совокупности растров различной глубины цветности и разных масштабов;

- поддержку наиболее распространенных растровых форматов РСХ, ВМР, RLE, TIFF, JPEG, CALS, CIT, DIB;

- реализацию работы с многослойными «прозрачными» растровыми пакетами;

2) обработку (подготовку) растров при этом обеспечивается

- геометрическая коррекция и фильтрация растров;

- привязка растров;

- объединение растровых фрагментов;

- операция цветоделения и создания пакета тематических растровых слоев для цветных растров

3) векторизацию