Перспективы развития и внедрения трехмерных ГИС Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 528.94

Т.А. Широкова, Д.В. Комиссаров СГГ А, Новосибирск

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ВНЕДРЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ ГИС

Развитие последних технологий ясно демонстрирует совершенствование методов сбора трехмерных данных о местности и объектах в отношении повышения точности и разрешения. К таким методам относятся: аэрокосмическая съемка и наземная стереофотограмметрическая съемка, воздушное и наземное лазерное сканирование и GPS-съемка. На данный момент проводится много исследований, направленных на автоматизацию процесса реконструкции трехмерных моделей объектов. Для этих целей разработаны различные подходы, отличающиеся разрешением, точностью и стоимостью.

Фотограмметрия является классическим и доминантным подходом для получения трехмерных данных. В этом случае построение трехмерных моделей объектов и картографирование территорий выполняется с использованием стереопар снимков. В последнее время снова возрастает популярность наземной стереофотограмметрической съемки объектов, где цифровые камеры применяются для получения крупномасштабных снимков, например, зданий. С развитием технологии цифровой обработки изображений повышается скорость обработки данных, снижается ее стоимость и увеличивается степень автоматизации процессов распознавания и реконструкции объектов по их изображению.

Кроме стереофотограмметрической обработки снимков с целью построения трехмерных моделей местности разработаны новые технологии получения трехмерной информации по одиночному изображению, используя геометрические свойства объектов и законы их отображения на плоскости, тени или комбинацию этих подходов. Эти технологии позволяют ускорить процесс обработки снимков и снизить ее стоимость по сравнению со стереоизмерениями. Имеющиеся на данный момент коммерческие программные продукты дают возможность создавать фотореалистичные модели городов и зданий по одиночным космическим или аэроснимкам.

Лидарная съемка или лазерное сканирование на сегодняшний момент является самым быстрым и автоматизированным способом сбора пространственной информации. Использование воздушного и наземного лазерного сканирования обеспечивает быстрое и точное построение цифровой модели рельефа и определение высоты сооружений. Задача реконструкции сооружений состоит в определении положения и ориентации зданий, их размера, превышения точек местности, высоты крыш и т. д. Модели большинства зданий могут быть описаны достаточно детально с помощью многогранников, т.е. их границы можно представить набором плоскостей и прямых линий.

Реконструкция зданий по данным лазерной съемки, также как и большинство задач выделения характерных особенностей изображений, может быть реализована в полуавтоматическом или автоматическом режиме. Полуавтоматические процедуры основаны на использовании набора примитивов для описания стандартных типов зданий и крыш. В этом случае оператор «вписывает» соответствующий примитив в массив точек и комбинирует (соединяет) его с общей моделью здания. Различные автоматические процедуры реконструкции зданий помогают оператору измерить отдельные элементы объекта и уточнить трехмерные каркасы моделей.

Сложность реконструкции зданий можно уменьшить, интегрируя данные, полученные со снимков и цифровой карты или ГИС. В этом случае информация о плановом положении сооружений берется с карты. Для получения высотной составляющей применяются два похода: используются стереопары снимков, либо данные воздушного лазерного сканирования.

Развитие перечисленных методов получения пространственной информации об объектах, а также совершенствование аппаратной и программной части вычислительных систем привело к появлению трехмерных ГИС.

Трехмерные ГИС часто называют виртуальными. Виртуальная ГИС может решать практически все задачи, которые на данный момент реализованы в традиционных ГИС. Таким образом, она может использоваться для городского планирования, оценки состояния растительности, почв, водных путей или дорожных участков, предсказания наводнений и многих других задач. Кроме того, возможность получения детального трехмерного вида отдельных объектов и территорий с любой точки открывает новые перспективы для пользователей ГИС. Проектировщики новых зданий и сооружений могут получить комплексный трехмерный вид ландшафта с предполагаемого места строительства объекта или виртуальный снимок спроектированного сооружения с соседнего здания. Архитекторы могут увидеть макет улиц, зданий и парков и, таким образом, определить границы строительных площадок, возможность возникновения дорожных пробок, оценить освещенность улицы в дневное и ночное время и т. д. С помощью базы данных (БД) ГИС представляется возможным рациональное проектирование размещения торговых точек, школ, детских садов, культурных центров, водопроводных магистралей и множества других социально значимых объектов.

Использование виртуальных ГИС позволит службам МЧС, скорой, аварийной и пожарной помощи немедленно получить трехмерный вид территории, откуда поступил сигнал о бедствии, и соответствующую информацию из БД ГИС о событиях, например, где на предполагаемом пути их следования возникли проблемы с движением из-за строительства или перегруженности дороги.

Опыт выполнения работ по трехмерному лазерному сканированию и моделированию различных по назначению и сложности объектов позволил

сделать вывод о следующих достоинствах трехмерных моделей по сравнению с традиционной картой или планом.

Информативность. Наличие третьего измерения само по себе говорит о том, что информационная нагрузка трехмерной модели на порядок выше, чем планов и карт. Однако не только этим фактом объясняется высокая информативность 3D-модели. Во-первых, для города, заводов, площадок сложного технологического оборудования свойственно наличие многоярусных конструкций. Такие объекты из-за наслоения элементов невозможно отобразить детально на плоскости. В этом случае на топографическом плане для многоярусных конструкций, как правило, показывается либо нижний, либо верхний ярус. Во-вторых, многие объекты на плане отображаются в виде точечных условных знаков (например, пожарные гидранты), которые по определению не имеют ориентации. На трехмерной модели такие объекты будут выглядеть аналогично, как на местности (в соответствии с их высотой и направленностью). Отсутствие подобной информации может быть критическим, например, при проведении оперативных мероприятий по пожаротушению.

Наглядность. Традиционные планы содержат информацию о третьем измерении (о высоте) в виде горизонталей, отметок точек местности и отдельных элементов оборудования, т.е. третья координата здесь представлена как атрибут, подпись или отдельный слой (например, слой цифровой модели рельефа). Такая форма отображения и хранения информации во многом затрудняет ее интерпретацию, как для человека, так и для вычислительной системы. Установлено, что 50% мозговых нейронов участвуют при обработке зрительной информации. Это говорит о том, что трехмерная визуализация стимулирует больше нейронов, вовлекая большую часть мозга в процесс решения проблемы. Например, при анализе информации с двумерных карт мозг должен сначала построить концептуальную модель рельефа и местности, прежде чем принять какое-либо решение. Эта задача может оказаться довольно сложной, даже для тренированного человека, например, при работе с картографическими материалами на сложные территории. Трехмерное отображение симулирует пространственную реальность, позволяя наблюдателю более быстро оценивать и понимать ситуацию.

Непрерывность. Поскольку отметки на плане показываются только для характерных или контрольных точек, то такую форму графического или электронного представления местности можно назвать дискретной, в то время как трехмерная модель по своей сути является непрерывной.

Точность и достоверность. По точности трехмерные модели не уступают, а в ряде случаев превосходят, традиционные карты и планы. Например, метод трехмерного лазерного сканирования и алгоритмы обработки его данных сами по себе подразумевают, что полученная модель будет более точной, поскольку метрические характеристики объектов определяются не по координатам двух-трех пикетов, а по совокупности множества измерений. Например, если по результатам лазерного

сканирования построены две плоскости, отображающие стены здания, то, очевидно, что геометрически линия пересечения двух плоскостей будет определена значительно точнее, чем если бы координаты угла здания были получены по одному измерению, тахеометром на отражатель. Кроме того, безотражательный принцип работы сканера исключает ошибку неточной установки отражателя на объект. Запас точности трехмерной модели также вытекает из свойства ее непрерывности, так как плановые координаты и отметки промежуточных точек местности и оборудования можно получить не интерполированием и аппроксимацией, а непосредственным измерением.

Учитывая перечисленные достоинства трехмерных моделей объектов, трехмерные ГИС можно рекомендовать для решения следующих инженернотехнических задач:

1. Оперативное проектирование реконструкции коммуникаций объектов;

2. Трехмерная презентация объектов с визуализацией всех технологических узлов, связей и т. п.;

3. Компьютерное моделирование технологических процессов работы оборудования на заводах, нефте- и газоперерабатывающих площадках и т. п.;

4. Детальное проведение инвентаризации объектов;

5. Оперативный мониторинг состояния оборудования на основе совмещения трехмерной модели с другими видами наблюдений (например, материалами тепловизионной съемки или данными пьезометров).

Этим списком далеко не ограничивается перечень задач, решение которых возможно с использованием виртуальных ГИС. Например, в ряде стран с высокой стоимостью земли ведется разработка системы трехмерного кадастра, в которой плата за пользование землей рассчитывается не от площади земельного участка, а от его трехмерного объема. Таким образом, трехмерные ГИС рано или поздно вытеснят другие формы представления информации о местности.

© Т.А. Широкова, Д.В. Комиссаров, 2006