CC BY
357
УДК 528.9
О.В. Тагунова
Институт проблем информатики РАН, Москва
ПРИМЕНЕНИЕ ГИС И ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАММЕТРИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ УНИВЕРСАЛЬНЫХ И ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ
Создание и визуализация пространственных моделей местности (ПММ)
- это совокупность систематизированных инструментов, методов, операций над данными, имеющими геопространственную привязку, а также над функциями изображения, позволяющих отразить на экране монитора поведение и развитие различных процессов и явлений с использованием машинной графики. Отсюда следует, что ПММ является единым многофункциональным объектом, состоящим из ряда компонентов, связанных между собой.
Предлагаемая методика создания ПММ с использованием различных источников информации (космических изображений, аэрофотоснимков, тиражных оттисков топографических карт, планов городов, справочнотекстовой информации) предполагает получение нового универсального вида картографической продукции - ПММ, создаваемых с использованием двух технологий: ГИС и фотограмметрической обработки данных, позволяющих синтезировать на изображении ПММ разнородные данные о местности.
Методика включает все технологические этапы: от сбора и оценки исходных данных, их обработки до создания различных универсальных и проблемно-ориентированных видов ПММ.
Для создания многофункциональных ПММ необходимо использовать большое количество разнородных данных о местности, в том числе: электронные карты, аэрокосмические материалы, видеоинформацию, текстово-справочную информацию и др. Для обработки этих данных и использовании их для создания ПММ целесообразно совместное применение двух технологий - ГИС (обработка информации о местности, представленной в векторной форме) и цифровой фотограмметрии (обработка данных ДЗЗ).
Синтез этих двух технологий обусловлен информационными особенностями снимка и карты. Снимки содержат часть информации, отображаемой на картах. В то же время они дают более оперативную информацию, прежде всего о новых явлениях и процессах. Снимки служат хорошим средством оперативного контроля и мониторинга. В отличие от карт они позволяют оперативно выявлять новые объекты и процессы их развития. Например, использование аэрофотоснимков обеспечивает возможность подробной и правильной передачи плановых очертаний природных и социально-экономических объектов. С другой стороны объекты карты могут обогатить изображение ПММ, передавая количественные и качественные характеристики объектов, дают возможность отображать на ПММ
специальные объекты и явления, не относящиеся к объектам местности (например, атмосферное давление).
Технологическая схема создания ПММ включает следующие этапы (рисунок 1):
- Определение функционального использования ПММ;
- Подготовку исходных данных;
- Построение цифровой модели рельефа (ЦМР);
- Создание оптимальной информационной нагрузки ПММ с привлечением разнородной информации;
- Формирование трехмерного объектового состава;
- Настройку параметров визуализации и рендеринг ПММ на экране монитора.
Рисунок 1 - технологическая схема создания ПММ
Определение функционального использования ПММ и подготовка исходных
данных
Можно выделить три основных направления использования ПММ:
- Общая оценка местности;
- Детальная оценка местности с привлечением нескольких источников информации;
- Решение информационно-расчетных задач.
Общая оценка местности используется для определения основных свойств местности (характер рельефа, наличие водных ресурсов, тип ландшафта и т.д.), например, в учебных целях, для использования в тренажерных комплексах. В качестве исходных данных применяют мелкомасштабные электронные карты и космические снимки.
Детальная оценка местности позволяет решать конкретные задачи в таких областях как научные исследования, национальная безопасность, строительство (определение места под застройку), городской кадастр (оценка стоимости жилья), экологический мониторинг (зоны загрязнения) и многих других. В этом случае ПММ должна иметь оптимальную (достаточную для решения поставленных задач) информационную нагрузку. В качестве исходных данных применяют как мелкомасштабные электронные карты и космические снимки, так и крупномасштабные электронные карты, планы городов, аэрофотоснимки, тематические базы данных, видеоинформацию и т.д.
Решение информационно-расчетных задач предполагает в первую очередь создание высокоточных ПММ. С помощью этих ПММ решают следующие задачи: определение расстояний с учетом абсолютных и относительных высот, вычисление уклона, используемое, например, при определении риска оползней; вычисление экспозиции склонов, используемое, например, при определении участков оптимального земледелия и т.д. Основным свойством таких ПММ является метричность.
Подготовка исходных данных включает:
- Подборку электронных карт на заданную территорию;
- Обновление (в случае необходимости) электронных карт по аэрокосмическим материалам;
- Подборку текстово - справочной информации по интересующей тематике;
- Привязку аэрокосмических материалов к топоснове;
- Создание дополнительных фото- и видеоматериалов.
Построении ЦМР на основе цифровой картографической информации
При построении ЦМР на основе цифровой картографической
информации (ЦКИ) используются различные оригинальные высокоэффективные алгоритмы. При этом ЦМР можно строить как регулярный прямоугольный массив точек GRID со значением высоты в каждой точке (такая модель рельефа является дискретной), либо в виде
триангуляционной модели TIN. Исходной информацией для создания ЦМР являются оцифрованные горизонтали и точки высот.
При создании ПММ целесообразно с помощью регулярной модели описывать слабо выраженную местность, а сильно выраженную местность описывать с помощью модели типа TIN, т.к. она позволяет наиболее достоверно описывать рельеф в районах значительного и резкого расчленения, перегибов склонов, позволяя передать все характерные формы рельефа.
Создание ЦМР методом триангуляции позволяет строить упрощенные модели, которые имеют значительно меньший размер (это особенно актуально при работе в реальном времени) и модели детализированные (отдельные треугольники разбиваются на более мелкие) с последующим сжатием координат узлов и топологии. Существуют также алгоритмы, позволяющие строить триангуляцию требуемого разрешения, а также триангуляцию, разрешение которой меняется на различных ее участках [9].
Построении ЦМР с использованием технологии фотограмметрической обработки материалов
Для получения ЦМР сегодня часто применяется цифровая фотограмметрия по стереопарам аэро- или космических снимков - нередко в режиме, приближенном к автоматическому, с использованием расчета параллаксов по соответствующим местам двух снимков, которые находятся по алгоритму пространственной корреляции. Особые возможности для построения ЦМР открывает использование радиолокационных космических съемок радаром с синтезированной апертурой. При этом можно использовать стереопары и строить рельеф на основании автоматического нахождения соответствующих точек на снимках и измерении параллакса, подобно тому, как это происходит в обычной цифровой фотограмметрии. В радарных снимках существует, однако, значительная специфика, поэтому требуется использовать специальное программное обеспечение [5].
Одно из достижений современных технологий - использование в качестве исходных данных не стереопары, а одиночного снимка с выделением фазовой информации из радиолокационного сигнала, полученного для одного и того же участка местности одновременно двумя антенными системами. Разворачивая эту фазу методами радарной интерферометрии, можно получить точную модель рельефа, имеющую максимальную точность порядка длины волны сигнала, т.е. в единицы -десятки сантиметров.
Получаемые с помощью цифровой фотограмметрической обработки данные (ЦМР, оцифрованные горизонтали) могут быть сохранены в обменных форматах и переданы для дальнейшего использования в ГИС.
Цифровые модели рельефа, созданные по аэрокосмическим материалам, имеют более высокую точность в отличие от ЦМР, построенных по картографической основе. К преимуществам создания ЦМР в ГИС можно отнести - меньшие затраты ресурсов, к недостаткам - зависимость от подробности исходной картографической информации.
Выбор метода построения ЦМР напрямую зависит от назначения ПММ.
Для создания ПММ, применяемых в целях общей оценки местности, достаточно точности ЦМР, построенных виде регулярной матрицы высот. За счет этого будет уменьшен объем ПММ, т.к. охват территории для таких ПММ может быть достаточно большим.
Пространственные модели местности для детальной оценки местности создаются, как правило, на небольшую территорию с более точными расчетами при формировании рельефа, и предполагают создание ЦМР в виде TIN.
Пространственные модели местности, предназначенные для выполнения информационно-расчетных задач, предъявляют самые высокие требования к точности ЦМР. В этом случае, целесообразней всего строить ЦМР с использованием программных средств цифровой фотограмметрии.
На рисунке 2 представлена блок-схема алгоритма создания ЦМР в зависимости от назначения ПММ.
Рисунок 2 - блок-схема алгоритма создания ЦМР в зависимости от
назначения ПММ
Однако создание ЦМР решает только вопрос точности ПММ и не учитывает принципов построения ПММ: наглядности, многоплановости, читаемости и подобия местности. Для создания наглядных и информативных ПММ более широкие возможности имеют ГИС (варьирование составом отображаемых объектов, редактирование и обновление семантических и метрических характеристик и т.д.) и что наиболее важно, модули визуализации ПММ обычно также связаны с ГИС.
Таким образом, учитывая требования к ПММ в части информативности, базовым программным продуктом для создания ПММ должна выступать ГИС. При этом если основу создания ПММ представляет электронная карта или план города, то подготовка исходных данных (уточнение рельефа, создание оптимальной нагрузки и т.д.) осуществляется в ГИС. По оцифрованным горизонталям и характерным точкам строится ЦМР в виде регулярной модели (GRID) (для решения задачи общей оценки местности) или нерегулярной модели (TIN) (для решения задачи детального изучения местности). Полученная ЦМР передается в модуль ГИС, предназначенный для настройки параметров визуализации ПММ и рендеринга. В этом модуле осуществляется подготовка библиотеки трехмерных знаков и нанесение трехмерных объектов на ПММ, наложение текстуры, настраиваются эффекты теневой пластики, задаются параметры визуализации (высота облета, источники освещения), устанавливается при необходимости соотношение горизонтального и вертикального масштабов, вводится имитация погодных и сезонных условий. После этого осуществляется рендеринг модели и ее визуализация на экране монитора.
Для ПММ, предназначенных для решения информационно-расчетных задач основой создания ЦМР являются аэрокосмические материалы. В этом случае до того как данные будут переданы в ГИС, их предварительная обработка осуществляется с помощью методов цифровой фотограмметрии. На выходе получают либо массив точек (X, Y, H), либо ЦМР. Дальнейшее создание модели происходит аналогично вышерассмотренному варианту.
Создание оптимальной информационной нагрузки ПММ с привлечением разнородной информации и формирование трехмерного объектового состава
Пространственная модель местности как модель географического пространства, можно рассмотреть с разных сторон: математической,
физической, психологической. Особое внимание следует обратить на психофизиологический аспект восприятия ПММ. И здесь основную роль играет оптимальность нагрузки ПММ и ее восприятие пользователем, возможность решать с помощью нее конкретные задачи.
Задача пространственного моделирования местности заключается в создании ПММ, наилучшим образом воспроизводящей реальную местность. С этой целью изыскиваются приемы и способы, дающие максимальный эффект трехмерности, устанавливаются принципы пространственной генерализации, вырабатываются системы трехмерных знаков и т.п. Это в равной степени относится как к реальным трехмерным объектам, так и абстрактным предметам моделирования, для которых трехмерное изображение есть лишь условность, повышающая информативность модели и делающая удобным ее рассматривание, чтение. При этом следует иметь в виду, что субъективный человеческий фактор играет существенную роль, как в процессе создания ПММ, так и при ее использовании [10]. Нагрузка ПММ должна быть не избыточной и достаточной для решения поставленной задачи.
Важным критерием восприятия ПММ и ее информативности является распознавание объектов и элементов местности. Наиболее эффективное распознавание объектов и элементов местности основывается на использовании таких композиционных средств как, симметрия и асимметрия, ритм, контраст, фактура, пропорции, масштаб, цвет. Использование этих средств позволяет добиваться высокой читаемости и выразительности изображаемых объектов.
Деятельность оператора при управлении реальными объектами на рабочем месте состоит из следующих основных этапов:
- Восприятие информации;
- Оценка информации, ее анализ и обобщение на основе заранее заданных или сформированных в процессе обучения критериев оценки;
- Принятие решения о действиях;
- Исполнение принятого решения посредством определенного действия;
- Контроль за результативностью исполнения принятого решения.
Важным этапом формирования ПММ является создание трехмерных
объектов местности. Для отображения объектов, находящихся на земной поверхности используется система условных знаков. На протяжении долгого времени такая форма изображения остается наиболее удобной для человека языком зрительных образов, самой доступной и привычной моделью реальности.
Объекты реального мира имеют три основных характеристики: пространственные, временные и тематические [8].
Пространственные характеристики определяют положение объектов в заранее определенной системе координат. Такой тип данных называют позиционным, поскольку он отражает ту часть информации об объектах, которая определяет их положение на земной поверхности. Основное требование к пространственным данным - точность. Это означает, что пространственные характеристики с требуемой точностью определяют положение объекта в системе координат и относительно других объектов.
Временные характеристики определяют время исследования объекта и иногда показывают зависимость изменения свойств объектов от времени. Основное требование к временным данным - актуальность. Это означает, что данные можно использовать для обработки.
Тематические характеристики описывают свойства объекта, не включенные в пространственные и временные. Основное требование к тематическим данным - полнота. Полнота тематических данных означает, что этих данных достаточно для решения практических задач и нет необходимости проводить дополнительный сбор данных.
Все эти требования к основным характеристикам объектов реализуются в ГИС, которая является базовым уровнем при создании ПММ. В ГИС осуществляется точное позиционирование объектов, их привязка к
определенной системе координат и проекции, наполнение базы данных объектов тематической информацией.
При формировании ПММ на основе электронных карт допускается создание и использование трехмерных объектов следующих типов:
- С сохранением характерных очертаний реальных объектов;
- С обобщением и типизацией очертаний реальных объектов.
Трехмерные объекты, которые повышают наглядность и
информативность модели, отображаются с сохранением характерных очертаний реальных объектов или с использованием фототекстур (например, общеизвестные объекты, которые могут служить ориентирами или специализированные объекты, выделение которых позволяет нагляднее отображать обстановку), а однотипные объекты, несущественные с точки зрения восприятия информации, отображаются с обобщением и типизацией очертаний реальных объектов.
Наглядность ПММ, содержащей трехмерные объекты обеспечивается в первую очередь наглядностью отдельных условных знаков. Последняя определяется легкостью опознавания объектов на модели по их характерным признакам. Опознавание объектов по их изображению тесно связано с логичностью условных знаков. Логичным считается условный знак, который своим видом и цветом напоминает изображаемый объект, ассоциируется с ним по форме и окраске.
Условные знаки должны обеспечивать хорошую различимость между изображениями объектов, относящихся к различным видовым категориям, а также объектов одной категории, но отличающихся один от другого по тем или иным признакам. Выполнение этого требования позволяет строить ПММ многоплановыми и обеспечивает их наглядность и читаемость.
При создании большого количества ПММ для повышения эффективности работы целесообразно стандартизировать типичные условные знаки и создать библиотеки трехмерных условных знаков, что обеспечит легкость запоминания и чтения моделей. Система обозначений должна составляться с необходимой полнотой и достоверностью, передавая такие свойства объектов как форма, размеры, структура и т.д.
Использование фотореалистичных текстур является важным моментом при создании трехмерных объектов. Фотореалистичное текстурирование, примененное к трехмерным объектам, дает наиболее близкое к действительности отображение окружающего мира. Текстура содержит информацию, отсутствующую в геометрической модели, например, детали и материалы, из которых сделан объект. К этому можно добавить, что применение фототекстур во многом упрощает создание и хранение трехмерных объектов, для чего необходимо определять разумный уровень разрешения при конструировании объектов и соответствующее ему соотношение между описанием деталей объектов с помощью геометрического моделирования и с помощью текстур. Применение же фотореалистичных текстур позволяет показывать на модели очень сложные в геометрическом смысле элементы [4].
При создании библиотек трехмерных знаков следует придерживаться принятых в традиционной картографии подходов к обобщению и типизации объектов. Это относится к выбору графического оформления, особенно при построении ПММ на основе мелкомасштабной карты. В случае построения модели по крупномасштабной карте или плану города необходимо внедрять большое количество трехмерных объектов с сохранением характерных очертаний реальных объектов.
Надписи, наносимые на пространственную модель должны хорошо читаться на фоне модели, не пересекаться друг с другом, четко соотноситься с объектом и располагаться всегда фронтально по отношению к оператору. Рисунок, цвет и размер надписи должны подчеркивать значимость и величину объекту. При этом необходимо следовать определенным традициям: подписи водных объектов дают голубым цветом, форм рельефа -коричневым, населенных пунктов - черным. Во избежании излишней загруженности ПММ надписями можно оставить на ней только основные подписи, а остальные сделать в виде всплывающих «окошек», визуализируемых при подведении пространственного курсора к объекту.
Использование аэрокосмических снимков в качестве текстуры ПММ очень эффективно, так как это придает ПММ большую реалистичность и немаловажно для отображения таких характеристик местности, например, как проходимость и обводненность (на карте обычно указываются усредненные характеристики). При этом ПММ могут дополняться необходимой информацией, получаемой с векторных карт, из баз данных и других источников. В этом случае изображение ПММ будет синтезированным.
Используя синтезированное изображение картографической информации и аэрокосмических материалов, особое внимание необходимо уделять нагрузке ПММ. При этом картографическая информация является верхним слоем по отношению к аэрокосмическим материалам, которые выступают в роли растровой подложки. Нагрузку электронных карт можно отслеживать средствами ГИС, отключая лишние слои и объекты. Содержание ПММ может включать такие слои электронных карт как: рельеф; гидрография; дорожная сеть; растительный покров и грунты; промышленные и социальные объекты; границы; населенные пункты; подписи и названия и др., в зависимости от назначения ПММ. Пространственная модель, созданная с использованием в качестве текстуры аэрокосмических материалов, несет визуальную информацию о рельефе местности. По таким материалам достаточно с высокой точностью можно выявлять и анализировать линейные и площадные объекты, относительная высота которых не учитывается при визуализации, т.е. такие слои как рельеф, площадная растительность, дорожная сеть могут не отображаться на модели в векторном виде.
Заключение
Задача пространственного моделирования заключается в построении ПММ, наилучшим образом воспроизводящей объемность и пространственную структуру реальной местности. С этой целью
изыскиваются приемы и методы, дающие максимальный эффект объемности, устанавливаются принципы пространственной генерализации, вырабатываются системы пространственных знаков и т.п.
Предлагаемая методика направлена на получение нового универсального вида картографической продукции - ПММ, создаваемых с использованием двух технологий: ГИС и фотограмметрической обработки данных,
позволяющих синтезировать на изображении ПММ разнородные данные о местности и удовлетворяющих требованиям многих пользователей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Арнхейм Р. «Искусство и визуальное восприятие» (перевод с англ.) - М.: Прогресс, 1974;
2. Боумен У. Графическое представление информации (перевод с англ.). - М.: Мир,
1971;
3. Верещака Т.В. Топографические карты: научные основы содержания. -М.: МАИК «Наука/Интерпериодика», 2002
4. Гречищев А., Бараниченко В., Монастырев С., Шпильман А. Трехмерное моделирование и фотореалистическая визуализация городских территорий. ArcView № 2. М.: ДАТА+, 2003, стр. 12-13;
5. Королев Ю.К. Статьи, лекции, доклады по проблемам геоинформатики. - М.: ДАТА+, 2000;
6. Мартыненко А.И. Электронная Москва. Предмет, задачи и структура теории отображения городских территорий//Системы и средства информатики. Вып.11.-М.:Наука. 2002. С. 80-93;
7. ГОСТ Р 52055-2003 «Геоинформационное картографирование. Пространственные модели местности. Общие требования». - М.: Изд-во стандартов, 2003;
8. Савиных В.П., Цветков В.Я. Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования. - М.,: Картгеоцентр - Геодезиздат, 2001
9. Скворцов П.А. Цветовое оформление рельефа на картах: конспект лекций. Для студентов IV курса картографической специальности. - М., МИИГАИК, 1984;
10. Смирнов Л.Е. Трехмерное картографирование. - Л.,: изд-во ЛГУ, 1982.
© О.В. Тагунова, 2006
