Исследование возможностей создания трехмерных видеосцен по материалам аэрофотосъемки и ЦТП масштаба 1:2 000 Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 528.71:519.8 О.Б. Архипова СГГА, Новосибирск

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ВИДЕОСЦЕН ПО МАТЕРИАЛАМ АЭРОФОТОСЪЕМКИ И ЦТП МАСШТАБА 1:2 000

O.B. Archipova

Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

INVESTIGATION OF THE POSSIBILITIES FOR THE DEVELOPMENT OF 3D VIDEOSCENES ON THE BASIS OF AERIAL PHOTOGRAPHIC SURVEY AND DTP OF 1:200 SCALE

Analysis of program products operating with aerial photographic survey materials and DTP, to be used for 3D DTM development.

В 60-х годах прошлого века начали активно развиваться методы математического моделирования объектов местности и их визуализация на экране монитора. Интерес к данному направлению объясняется высокой информативностью пространственного представления объектов местности в наиболее реалистичном виде, доступном для анализа.

Потребность в трехмерной визуализации информации возникает во многих областях деятельности: архитектуре, дизайне, строительстве, транспорте и т. д. Важное значение данное направление приобретает в решении задач мониторинга окружающей нас природной среды.

Появились новые цифровые геопространственные продукты получившие название 3D моделей, виртуальных моделей местности, 3D ЦММ и т. д. [1, 2,

3].

В настоящее время наиболее востребованы цифровые модели городов. Для создания 3D ЦММ необходимы цифровые модели рельефа (ЦМР) и цифровые модели объектов(ЦМО).[4] Источниками информации для получения последних служат следующие данные:

- Дистанционного зондирования (материалы аэрофо- и космосъемки, лазерной локации, цифровой аэрофотосъемки, радиолокационной интерфелометрии);

- Архивных картографических данных на бумажных носителях;

- Цифровых топографических карт и планов;

- Геодезии и инженерной геологии;

- Наземных фотографий зданий (фототекстуры).

В данной работе сделана попытка исследования возможности получения 3D ЦММ по материалам аэрофотосъемки - цифровым ортофотопланам.

Для этого был сделан анализ существующих программных средств, позволяющих возможности ввода и векторизации растровых изображений, размер которых не менее 1 НЛ масштаба 1:2000.

Перечень программных продуктов по необходимым критериям:

КБ «Панорама» «Карта-2005» предназначена для создания и редактирования электронных карт и решения прикладных задач. Система позволяет создавать векторные, растровые и матричные карты. Различные виды цифровых данных могут обрабатываться совместно или отдельно. Цифровые данные могут конвертироваться в разные форматы, преобразовываться из одного вида в другой. Отображение трехмерной модели местности и перемещение по ней в реальном масштабе времени. Выполнение анализа и расчетов по трехмерной модели местности: расчет площади объекта в соответствии с поверхностью рельефа, которую он покрывает; анализ направления стока талых и ливневых вод (затопление -осушение); оценка степени затопления территории при подъеме уровня воды в водоемах; вычисление запасов строительного материала (песок, глина) в пределах указанной территории; расчет объема земляных работ с использованием двух поверхностей рельефа (истинной, построенной по результатам топогеодезических изысканий и проектной, созданной на основе расчетных характеристик) и т. д. Отображение трехмерной модели местности: детальное изучение рельефа местности с наложением векторных и растровых карт (в том числе и ортофотопланов), управление освещенностью, детальностью изображения, масштабом и т. д. Различные режимы движения по модели, в том числе - автопилот. Настройка погодных условий и времени суток. Запись видеоизображения при навигации по трехмерной карте и воспроизведение созданного AVI-файла.

Конвертирование данных: Импорт из форматов SXF/TXF, Shape (Arc View), MIF/MID, S57 редакции 3, DXF/DBF, GRD (PHOTOMOD) в MTW, GEN. Конвертор в формат SXF/TXF, DXF-9, DXF-14/DBF, MIF/MID, Shape (ArcView), JPEG 24 бита на точку в формат RSW и обратно. Конвертор карты в PostScript. Конвертор атрибутов объектов в формат DBF. Конвертор векторной карты в бортовой формат TIM/TID. Сохранение изображения карты в форматах BMP, EMF. Сохранение растровой карты в PCX.[12]

Autodesk Map 3D 2007 предназначен для создания, обновления топографических планов, карт и трехмерных цифровых моделей рельефа (или других поверхностей). Высокопроизводительный механизм доступа к большим объемам данных, почти бесконечное число двунаправленных соединений и мощные возможности публикации готовых карт. Данная ПО предоставляет новые возможности доступа к данным, позволяющие пользоваться пространственными данными по всей организации, а также осуществлять операции чтения и записи с почти любыми реляционными базами данных и файловыми форматами. Поддерживаются распределенные базы данных, такие как ESRI ArcSDE и Oracle. Для хранения пространственных данных можно использовать такие СУБД, как Microsoft SQL Server и MySQL; при этом не требуется никакого промежуточного ПО.

Возможен прямой доступ и редактирование файлов ESRI SHP, доступ к растровым изображениям и работа с такими web службами, как Web Map Services (WMS) и Web Feature Service (WFS). Прямой доступ осуществляется без преобразования данных, что гарантирует их точность. Кроме того, в Autodesk Map 3D существует возможность импорта и экспорта данных для обмена ими с коллегами и заказчиками. Механизм FME взаимодействует со всеми основными продуктами ГИС. Таким образом, имеется возможность чтения, записи и преобразования таких общепринятых форматов, как покрытия ArcInfo, E00 из ESRI, MapInfo TAB, Microstation DGN, Generalized Markup Language (GML 2), Ordnance Survey MasterMap (DNF) (GML2, только чтение), Vector Product Format (VPF, только чтение) и Spatial Data Transfer Standard (SDTS, только чтение). После обработки данные можно сохранить в формате Autodesk Map 3D или экспортировать во внешний файл. Такие данные, как цифровые модели рельефа DEM и DTED и файлы ESRI GRID используются для анализа изменений угла наклона и положения. Комбинируя пространственные данные с аэрофотоснимками и векторными данными, можно создавать реалистичные трехмерные тонированные изображения [11].

AutoDesk VIZ 2008 - предназначена для трехмерного моделирования, визуализации проектов, подготовки презентационных материалов. Данная программа отличается мощным инструментом создания ЗД-моделей, высокой степенью реалистичности полученных изображений. Программа работает с форматами MID, MIF, SHP, форматы САПР, GOB [10].

Surfer (Golden Softwere) - предназначена для решения исследовательских и производственных задач, обучения, проектирования, где требуется определение объемов земельных работ и т.п. Основными возможностями данной программы можно считать обработку и визуализацию двумерных наборов данных, описываемых функцией типа z = f(x, y), а логику работы с пакетом можно представить в виде трех основных функциональных блоков:

- Построение цифровой модели поверхности;

- Вспомогательные операции с цифровыми моделями поверхности;

- Визуализация поверхности.

Из особенностей данного продукта можно подчеркнуть работу с наборами данных, описываемыми одномерной и двумерной функциями, обработки и преобразование наборов данных X, Y, Z. Импорт из таких форматов как: ACSII[.DAT], SYLK [.SLK], Lotus[.WK1], Excel[.XLS]. Экспорт в: EPS, HPGL, DXF, WMF, CLP, SHP, PNG, 3D, DAT, GRD, PLT [9].

Талка (НПФ «ТАЛКА») - предназначен для создания на основе космических и аэрофотосъемочных материалов разнообразных ГИС-данных. Основными функциями данного продукта является обработка материалов аэрокосмоснимков, расчет ЦМР, создание цифровых ортофотопланов, фотопланов и фотосхем. К особенностям несомненно можно отнести: интерактивность фотограмметрической обработки, пакетный режим построения ЦМР, развитый стереоредактор, наличие маршрутной схемы. Возможность проведения полного цикла обработки, от фотоснимков до

готовых электронных и бумажных карт. Работает с такими входными данными как: космические и аэрофотосъемочные материалы IKONOS, QUICKBIRD, SPOT-5, DTED. Выходные форматы: DXF, MID/MIF, SHP, командный файл Microstation, Нева, Панорама [7].

GeoniCS РЕЛЬЕФ (нПц «ГЕОНИКА») - предназначен для моделирования нерегулярных, построение трехмерных моделей рельефа методом триангуляции. Из основных функций стоит отметить расчет триангуляции, редактирование уже построенной модели рельефа, построение горизонталей, построение трехмерных макетов застройки на трехмерном рельефе с автоматической посадкой здания на рельеф. Открытость и интеграция с другими пакетами, объединение ЦМР и ЦМС являются неоспоримыми преимуществами данного программного продукта. Входные форматы: RGD, TR1, DAT, XYZ, DWG, DXF. Выходные форматы: форматы AUTOCAD, систем Land Desktop, Eagle Point, CREDO, MID/MIF, SHP [8].

ArcGIS 3D Analist. Назначение этого программного продукта заключается в 3Д визуализации, топографическом анализе и построении поверхностей. Основными функциями является создание и анализ поверхностей, трехмерная визуализация и, анализ видимости и переклассификация. Возможность реалистичного трехмерного моделирования и анализа. Запрос к 3Д данным интеграция различных типов данных является преимуществом данного продукта. Входные форматы: MID/MIF, SHP, форматы САПР, GOB. Выходные данные: EMF, Windows BMP, TIF, PDF, JPEG, CGM, GeoVRML [6].

SCANEX IMAGE PROCESSOR® современная технология для предварительной и тематической обработки спутниковых снимков, создания конечных продуктов - карт, физических индексов, моделей, а также экспорта данных в ГИС и системы обработки изображений. Из основных возможностей можно отметить:

Пакетная обработка, визуализация и геометрическая коррекция растровых данных;

- Импорт/Экспорт растровых данных (Импорт более 20-тн графических форматов, а так же возможность загрузки RAW изображений, Импорт ЦМР в форматах Surfer GRID, ARCINFO ASCII GRID, USGS DEM, Импорт/Экспорт изображений с диапазоном значений от 8 до 64 бит на пиксель, Экспорт в распространенные графические и общепринятые форматы, с возможностью сохранения сопроводительных файлов привязки ESRI World File и Mapinfo TAB File);

- Классификация растровых изображений;

- Интерактивное создание тонально сбалансированных мозаик;

- Работа с векторными слоями;

- Обработка рельефа (возможность пакетной загрузки, коррекции и перепроецирования данных SRTM и GTOPO30 из указанного источника; исходные данные могут храниться в заархивированном виде, модуль построения гидрологически корректных ЦМР по векторным данным,

построение ЦМР по стереопарам сканерной съемки, Вычисление производных рельефа, вертикальный и горизонтальный градиент, классификация рельефа по Эвансу);

- Гидрологическое моделирование;

- 3D моделирование и визуализация (построение 3D моделей ландшафтов, построение моделей с различной степенью детальности, отображение в реальном времени созданных 3D моделей ландшафтов, интерактивное редактирование созданных трехмерных объектов, работа с атрибутивной информацией, хранящейся в базе данных 3D-векгорных объектов, импорт 3D моделей в формате 3D Studio MAX, инструментарий для навигации и управления, запись видеороликов);

- Средства разработчика (SDK)(Возможность работы с изображением как с матрицей, использование более 40 стандартных математических функций, операторов и фильтров, возможность выполнения стерео обработки, выполнение радиометрической коррекции, возможность написания скриптов, возможность создания интерфейса пользователя (GUI) для скриптов с возможностью доступа к созданным скриптам через главное меню программы) [5];

Для экспериментальных работ использованы производственные материалы ортофотосъемки. Цифровые ортофотопланы масштаба 1:2000 получены средствами ПО POTOMOD версия 3.52 (Ракурс, г. Москва).

В докладе приводятся результаты предварительного анализа возможностей будущей технологии.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Важнейшие фундаментальные и прикладные проблемы геоинформатики. [Текст]/ И.А.Соколов, В.Н.Филатов, А.И. Мартыненко и др. // Геодезия и картография. -2006. -№11. - С. 47-56.

2. Основные проблемы пространственного представления местности в цифровых картографических изделиях. [Текст] / В.Н.Филатов, В.А.Авдеев, Р.С.Мухудинов, В.А. Радионов // Геодезия и картография. - 2007.-№4. -С. 35-38.

3. Журкин, И.Г. Технология трехмерного моделирования городских территорий на основе ГИС. [Текст]/ И.Г. Журкин, М.А. Баклыков, С.В. Еруков // Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 225-летию МИИГАиК.Геоинформатика. - М., 2004. - С. 6-13.

4. Хлебникова, Т.А. Создание трехмерной модели местности по материалам аэрофотосъемки на ЦФС для использования в 3D -ГИС. [Текст]/ Т.А. Хлебникова, Н.И. Шушлебина // Геодезия и картография. - 2006. -№5. - С. 13-18.

5. Программный комплекс scanex [Электронный курс]. - Режим доступа: www.scanex.ru/ru/software/imageprocessor/index.html

6. Программный комплекс ArcGIS 3D Analist [Электронный курс]. - Режим доступа: www.dataplus.ru/Forum/forum_posts.asp?TID=2737

7. Программный комплекс Талка [Электронный курс]. - Режим доступа: www.gisa.ru/1129.html

8. Программный комплекс geonics [Электронный курс]. - Режим доступа: www.rozmisel.ru/htm/soft_descr/geonics/relj ef.htm

9. Программный комплекс Surfer [Электронный курс]. - Режим доступа: www.prodmag.ru/catalog/brand/37

10. Программный комплекс autodesk-viz [Электронный курс]. - Режим доступа: www.sapral.ru/products/autodesk-viz-new-extension

11. Программный комплекс Autodesk Map 3D [Электронный курс]. - Режим доступа: www.cadmaster.ru/articles/35_map_3d_2007.cfm

12. Программный комплекс panorama [Электронный курс]. - Режим доступа: http://www.gisinfo.ru/

© О.Б. Архипова, 2009