CC BY
111
ОБЩАЯ СХЕМА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ КАРТ
Петр Юрьевич Бугаков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры прикладной информатики. тел. (383)343-18-53, e-mail: [email protected], [email protected]
В статье рассматриваются основные технологические этапы создания перспективной электронной карты. Приводятся схемы полного и сокращенного технологического процесса создания серии перспективных электронных карт. Дается краткая оценка возможности программной реализации предлагаемой технологии.
Ключевые слова: перспективная электронная карта, трехмерная модель местности, технология создания перспективных карт.
GENERAL SCHEME FOR PROSPECTIVE ELECTRONIC MAP-MAKING
Petr Yu. Bugakov
Senior lecturer, Department of Applied Informatics, Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhonogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, phone: (383) 3431853, e-mail: [email protected], [email protected]
Main technological stages for prospective e-map-making are considered. The schemes for the full and shortened technological process of prospective e-maps series making are presented. The possibility of software development for the given technology implementation is briefly estimated.
Key words: prospective electronic map, 3D terrain model, prospective map-making techniques.
Последние несколько лет особую популярность приобретают перспективные картографические произведения. Они обладают высоким уровнем наглядности и повышают качество восприятия пространственной информации, поэтому уже получили широкое применение в области навигации, виртуальных туристических туров, в развлекательных и рекламных целях, в военном деле и научных изысканиях.
В основе любой перспективной карты лежит трехмерная цифровая модель местности. Технологии и методики их создания сейчас находятся на стадии бурного развития. Решением проблем в этой области активно занимаются ученые и специалисты, работающие в сфере геодезии и фотограмметрии. Однако в настоящий момент ощущается нехватка единых научно - методических основ и технологических решений в области картографического отображения созданных трехмерных моделей в виде перспективных карт.
На основе методических характеристик цифрового трехмерного картографирования, разработанных в [1], а также способа построения перспективной карты, представленного в [2], нами была разработана общая технологическая
схема создания перспективной электронной карты, изображенная на рисунке 1, где:
1 - трехмерная цифровая модель местности (ТЦММ);
2 - параметры объекта картографирования;
3 - пользователь перспективной карты;
4 - установочные параметры перспективной карты;
5 - автоматизированная система расчета значений параметров процессов формирования и перспективного проецирования трехмерной цифровой картографической модели (ТЦКМ);
6 - параметры процесса формирования ТЦКМ;
7 - параметры перспективного проецирования ТЦКМ в цифровую модель картографического изображения (ЦМКИ);
8 - процесс формирования трехмерной цифровой картографической модели (ТЦКМ) на основе трехмерной цифровой модели местности (ТЦММ);
9 - трехмерная цифровая картографическая модель (ТЦКМ);
10 - процесс перспективного проецирования точек трехмерной цифровой картографической модели на плоскость;
11 - цифровая модель картографического изображения (ЦМКИ);
12 - процесс визуализации цифровой модели картографического изображения;
13 - перспективная электронная карта (ПЭК).
Представленная на рис. 1 технология основывается на преобразовании трехмерной цифровой модели местности в перспективную электронную карту и включает в себя три основные процесса:
- процесс формирования ТЦКМ (блок 8), предназначенный для преобразования трехмерной модели местности в трехмерную цифровую картографическую модель;
- перспективное проецирование ТЦКМ в цифровую модель картографического изображения (блок 10);
- построение графического изображения перспективной электронной карты путем визуализации цифровой модели картографического изображения (блок 12).
Согласно общей технологической схеме создания перспективной электронной карты, изображенной на рис. 1, пользователь (блок 3) задает установочные параметры (блок 4) создаваемой перспективной карты (блок 13). К установочным параметрам относятся: метрический размер и разрешение создаваемого перспективного картографического изображения; система горизонтальных и вертикальных масштабов для ближнего, среднего и дальнего планов перспективной карты; степень генерализации ближнего, среднего и дальнего планов перспективной карты; величина горизонтального и вертикального угла обзора; положение точки наблюдения относительно объекта картографирования (внутри или снаружи); назначение перспективной карты, ее тематическую направленность и критерий оптимальности изображения картографируемого объекта в соответствии с назначением искомой перспективной карты.
Рис. 1. Общая технологическая схема создания перспективной электронной карты
Далее по ТЦММ (рис. 1, блок 1) определяются значения параметров объекта картографирования (рис. 1, блок 2). К этим параметрам относятся: количество элементов объектов картографирования (например, зданий); площади элементов объекта картографирования; диаметр окружности, которую можно описать вокруг горизонтальной проекции границы картографируемого объекта; параметры, характеризующие этажность и плотность застройки; параметры, характеризующие изрезанность подстилающей поверхности; угол уклона подстилающей поверхности относительно горизонтальной плоскости.
Установочные параметры перспективной карты, заданные пользователем, и параметры объекта картографирования поступают в систему (блок 5) автоматизированного расчета значений параметров процессов создания перспективной карты. На их основе в данной системе согласно способу, описанному в [2], определяется положение точки наблюдения в соответствии с выбранным критерием оптимальности изображения картографируемого объекта.
Затем в автоматизированной системе расчета значений параметров выбирается способ оптимизации информативности создаваемой перспективной карты. Для оптимизации информативности перспективной карты, в частности уменьшения мертвых зон, могут быть использованы следующие способы:
- использование эффекта полупрозрачности объектов. Данный подход уже приобрел широкое применение в современных справочных ГИС. Так, например, в справочной ГИС «2ГИС», разработчиками которой является ООО «ДубльГИС» (г. Новосибирск), реализован метод полупрозрачности объектов местности для уменьшения мертвых зон, образуемых визуальным перекрытием проекций объектов;
- разделение перспективного изображения на планы (например, ближний, средний, дальний) и скрытие тех планов, которые препятствуют отображению интересующего объекта;
- деформация трехмерной модели с целью отображения большего количества объектов на переднем и заднем планах при создании перспективных изображений местности [3].
Таким образом, результатом работы данной системы является группа параметров для процесса формирования ТЦКМ (рисунок 1, блок 6), в которую входит степень генерализации ближнего, среднего и дальнего планов перспективной карты, а также параметры оптимизации информативности создаваемой перспективной карты.
После этого определяются параметры второй группы, относящиеся к процессу перспективного проецирования (блок 7), к которым относятся: метрический размер и разрешение создаваемого перспективного картографического изображения; система горизонтальных и вертикальных масштабов для ближнего, среднего и дальнего планов перспективной карты; величина горизонтального и вертикального угла обзора; координаты положения точки наблюдения в соответствии с критерием оптимальности; параметры освещения модели; параметры повышения уровня зрительного восприятия карты. Последние параметры задают дополнительные перспективные преобразования для повышения уровня соответствия получаемого картографического изображения зрительному восприятию человека [4].
Далее, на основе выявленных значений параметров выполняется процесс формирования трехмерной цифровой картографической модели (блок 8). В данном процессе трехмерная цифровая модель местности (блок 1) подвергается генерализации (отбору объектов для отображения, типизации объектов, замене объектов модели трехмерными условными знаками) и оптимизации информативности для конкретного случая, характеризуемого набором определенных параметров, в частности положением точки наблюдения. В результате данного технологического процесса формируется трехмерная цифровая картографическая модель (блок 9).
Следующим шагом является перспективное проецирование (блок 10) точек ТЦКМ в цифровую модель картографического изображения (блок 11). В данном процессе происходит математический пересчет трехмерных координат точек ТЦКМ в плоские координаты по законам перспективного проецирования. При этом учитываются параметры (блок 7): метрический размер и разрешение создаваемого перспективного картографического изображения; систему горизонтальных и вертикальных масштабов для ближнего, среднего и дальнего планов перспективной карты; величину горизонтального и вертикального угла обзора; положение точки; положение точки наблюдения в соответствии с критерием оптимальности; параметры освещения модели. Результат данного процесса представляет собой цифровые данные, хранящиеся в памяти компьютерного устройства.
Последним процессом технологической схемы (рис. 1) является визуализация (блок 12) цифровой модели картографического изображения (блок 11) на экран компьютерного устройства в виде перспективной электронной карты (блок 13). Визуализация является стандартной технической операцией, при ко-
торой цифровые данные преобразуются в псевдоаналоговое графическое изображение.
Стоит отметить, что для полнофункциональной практической реализации некоторых процессов общей технологической схемы создания перспективных электронных карт, изображенной на рис. 1, необходимо разработать специализированные программные средства, реализующие функции автоматической системы расчета значений параметров процессов создания перспективной карты (рис. 1, блок 5), а также систему формирования трехмерной цифровой картографической модели (рис. 1, блок 8).
Основываясь на общей технологической схеме создания перспективных карт (рис. 1), технологию создания серии перспективных электронных карт можно представить в виде схемы, изображенной на рисунке 2а. Для удобства чтения на схеме показаны только основные и промежуточные объекты (ТЦММ, ТЦКМ, ЦМКИ, ПЭК).
Рис. 2. Схема полного (а) и сокращенного (б) технологического процесса создания серии перспективных электронных карт
Для создания каждого варианта перспективной карты создается трехмерная цифровая картографическая модель (ТЦКМ) с учетом текущих условий расположения пользователя и других установочных параметров. Таким образом, для создания отдельной перспективной электронной карты выполняться цепочка процессов: создание ТЦКМ; перспективное проецирование; визуализация. Наиболее алгоритмически сложным и ресурсоемким процессом является создание трехмерной цифровой картографической модели. Современные технические средства пока не позволяют с приемлемой скоростью реализовывать данную схему технологического процесса создания серии перспективных электронных карт. Поэтому данная технологическая схема пока не получила тттиро-кого практического применения.
В настоящее время наибольшее распространение получила сокращенная технологическая схема, изображенная на рисунке 2б, отличающаяся тем, что для всех вариантов перспективной карты в серии используется одна, заранее
созданная трехмерная цифровая картографическая модель. Таким образом, создание ТЦКМ, как наиболее сложный в техническом отношении процесс, выполняется только один раз для всей серии перспективных электронных карт.
Такая технологическая схема используется, например, в современных навигационных системах и настольных справочных ГИС. Однако, по мере повышения быстродействия компьютерной обработки упрощенная технология будет постепенно заменена на более корректный с точки зрения картографии полный технологических процесс создания серии перспективных электронных карт.
Как видно из приведенных технологических схем оперативное построение и использование перспективных карт представляет собой достаточно сложную задачу. Поэтому необходима разработка специальных путей, способов и технических решений по обеспечению более широкого применения перспективных карт в экономике и жизнедеятельности общества.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лисицкий Д.В., Бугаков П.Ю. Теоретические основы построения трехмерных картографических изображений // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 127-131.
2. Бугаков П.Ю. Принципы картографического отображения трехмерных моделей местности // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 156-161.
3. Лисицкий Д.В., Хорошилов В.С., Бугаков П.Ю. Картографическое отображение трехмерных моделей местности // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. -С. 98-102.
4. Лисицкий Д.В., Бугаков П.Ю. Методические основы цифрового трехмерного картографирования // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 6. - С. 34-102.
5. Лисицкий Д.В., Бугаков П.Ю. Картографическая визуализация трехмерных моделей местности // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 3 (16). - С. 87-93.
6. Заявка 028941 Российская Федерация, МПК7 G 06 T 15/20. Способ построения перспективных карт местности (варианты) / Лисицкий Д.В., Бугаков П.Ю.; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная геодезическая академия». - № 2012119224; заявл. 10.05.2012.
7. Jobst, M., Döllner, J. 3D City Model Visualization with Cartography-Oriented Design. 13th International Conference on Urban Planning, Regional Development and Information Society (REAL CORP), (Manfred Schrenk, Vasily V. Popovich, Dirk Engelke, Pietro Elisei, ed.), CORP -Competence Center of Urban and Regional Planning, pp. 507-516, 2008.
8. Пат. 2241258 Российская Федерация, МПК7 G 06 T 15/20. Способ изображения предметов (варианты) / Ковалев А.М.; заявитель и патентообладатель Новосибирск: Институт автоматики и электрометрии СО РАН. № 2003103201/09; заявл. 03.02.2003; опубл. 27.11.2004.
© П.Ю. Бугаков, 2013
