CC BY
178
ПРИНЦИПЫ КАРТОГРАФИЧЕСКОГО ОТОБРАЖЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ
Петр Юрьевич Бугаков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ассистент кафедры прикладной информатики. тел. (383)343-18-53, e-mail: kaf.pi@ssga.ru
В статье рассматриваются некоторые проблемы картографического отображения трехмерных моделей местности. Затрагиваются особенности естественного зрительного восприятия пространства, его глубины и масштабного соотношения предметов. Предлагаются некоторые базовые принципы оптимизации создания перспективных карт местности на основе трехмерных цифровых моделей местности.
Ключевые слова: трехмерная модель местности, зрительное восприятие, принципы, перспективная карта.
THE PRINCIPLES OF CARTOGRAPHIC DISPLAY OF THREE-DIMENSIONAL TERRAIN MODELS
Peter Y. Bugakov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk 630108, assistant lecturer, department of applied computer science. tel. (383) 343-18-53, e-mail: kaf.pi @ ssga.ru
Some problems of cartographic display of three-dimensional terrain models are considered. The features of the visual perception of space, depth and ratio of the scale of objects are describes. Some basic principles for optimization of the creation of perspective terrain maps based on the three-dimensional digital terrain models are offered.
Keywords: three-dimensional terrain model, visual perception, principles, perspective map.
Разработка выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по контракту № 02.740.11.0735 при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям".
Основной проблемой построения трехмерной модели местности всегда являлась высокая трудоемкость сбора и переработки большого объема пространственной информации. Однако появление новых электронных измерительных и вычислительных систем позволило автоматизировать этот процесс и существенно сократить время, затрачиваемое на создание цифровой трехмерной модели местности. Современные радиолокационные и оптикоэлектронные измерительные системы в совокупности с компьютерными системами обработки данных обеспечивают быстрое создание трехмерных цифровых моделей местности с высоким уровнем детализации.
Трехмерная цифровая модель местности представляет собой базу пространственных данных, описывающих в цифровой форме объекты
местности, и может применяться для визуального отображения геопространства, пространственных измерений и анализа.
Одной из характерных черт современной картографии является появление нового направления по составлению картографических произведений на основе обработки созданных трехмерных моделей местности. При этом открывается возможность оперативного составления не только традиционных двухмерных, но и трехмерных картографических произведений.
Рассматривая процесс составления картографического произведения на основе трехмерной цифровой модели местности, который в настоящей работе обозначается термином «трехмерное картографирование», можно выделить два основных этапа:
1. Преобразование трехмерной цифровой модели местности (ТЦММ) в картографическую трехмерную цифровую модель местности (КТЦММ);
2. Формирование и визуализация картографического произведения по КТЦММ.
Первый процесс заключается в представлении объектов ТЦММ средствами картографии: системой трехмерных и плоских условных знаков,
генерализацией, цветовым и текстурным оформлением.
Причем генерализация трехмерной цифровой модели местности, в отличие от традиционных карт должна выполняться не только в горизонтальной плоскости, но и по высоте.
Генерализация трехмерной цифровой модели местности (в плане и по высоте) включает в себя:
1. Отбор объектов для трехмерной визуализации;
2. Типизацию трехмерных моделей (обобщение качественных и количественных характеристик);
3. Обобщение очертаний трехмерных моделей;
4. Утрирование или показ объектов с преувеличением.
Второй процесс трехмерного картографирования заключается в построении по КТЦММ и последующей визуализации картографических изображений в трехмерном пространстве (в виде физических макетов или трехмерных голографических изображений) или на плоскости (на экране отображающего устройства, бумаге или любом другом плоском носителе).
Отсюда принцип №1. Процесс составления картографического произведения на основе трехмерной цифровой модели местности («трехмерное картографирование») выполняется в два этапа:
1. Преобразование ТЦММ в КТЦММ с использованием методов генерализации (в плане и по высоте) и системы трехмерных и плоских условных знаков;
2. Получение картографического произведения путем формирования и визуализации КТЦММ.
На традиционной карте условные знаки подразделяют на три основные группы [1]: точечные; линейные и площадные. С помощью условных знаков из этих трех групп можно отобразить на плоской традиционной карте любой объект. Однако для изображения объектов на картографической трехмерной модели местности их будет недостаточно. Для этой цели требуется разработка новой системы условных знаков, включающей как трехмерные, так и плоские условные знаки.
Предположительно, условные знаки объектов картографической трехмерной модели можно разделить на семь основных групп, представленных в табл. 1.
Таблица 1. Группы условных знаков трехмерной картографической модели
№ п/п Группа УО Описание объекта Пример использования
1 Точечные плоские - не имеет значимой высоты; - внемасштабный в плане (размеры объекта не выражаются в масштабе визуализации); Люк подземных коммуникаций, родник
2 Точечные трехмерные - внемасштабный по высоте; - внемасштабный в плане. Памятник, колодец
3 Линейные плоские - не имеет значимой высоты; - внемасштабный в плане по ширине; - масштабный в плане по длине. Административная граница
4 Линейные горизонтальны е трехмерные - внемасштабный по высоте; - внемасштабный по ширине; - масштабный в плане по длине. Ограждение
5 Линейные вертикальные трехмерные - масштабный по высоте; - внемасштабный в плане по ширине; - внемасштабный в плане по длине. Опора ЛЭП, радиовещательная вышка
6 Площадные плоские - не имеет значимой высоты; - масштабный в плане. Пашня, луг
7 Трехмерные - масштабный по высоте; - масштабный в плане. Масштабное сооружение
В данной таблице под объектами, не имеющими значимой высоты, подразумевается объекты, реальная высота которых во много раз меньше реальных размеров по длине и ширине.
Таким образом, можно сформулировать принцип №2. Требуется разработка новой системы реалистичных условных знаков, включающей плоские и трехмерные условные знаки, и ориентированной на использование в процессе создания картографических произведений на основе трехмерной цифровой модели местности.
Одним из основных этапов создания любого картографического произведения на основе трехмерной цифровой модели местности является картографическая визуализация. Под картографической визуализацией трехмерной модели местности будем понимать метод преобразования трехмерной картографической цифровой модели земной поверхности в удобное для зрительного восприятия изображение в соответствии с картографическими законами.
В зависимости от мерности получаемого картографического произведения можно выделить два метода картографической визуализации:
1. Двухмерная визуализация на экране отображающего устройства, бумаге или другом плоском носителе;
2. Трехмерная визуализация в виртуальном или реальном пространстве (в виде голографического изображения).
Выбор того или иного метода картографической визуализации обусловлен назначением создаваемого картографического изображения и требованиями, предъявляемыми к нему.
Поскольку технические средства трехмерной картографической визуализации все еще остаются весьма дороги и находятся на стадии начального развития, то наиболее актуальным является метод визуализации трехмерных моделей местности на плоскость. Поэтому далее будет рассматриваться только двумерная картографическая визуализация картографических трехмерных цифровых моделей местности.
Двухмерная визуализация основана на построении изображения объекта путем проецирования его точек пучком лучей на плоскость. В современных компьютерных системах, позволяющих работать с трехмерной графикой, наибольшее распространение получил способ центрального проецирования. При этом изображение трехмерного пространства, полученное таким способом, называют линейной или ренессансной перспективой. Однако, согласно фундаментальной работе академика Б.В. Раушенбаха [2, стр. 91] линейная перспектива не обеспечивает естественного зрительного восприятия пространства предметов. Под естественным восприятием следует понимать формирование у человека максимально достоверной картины об изменении масштабов и о расстоянии между объектами вдоль оси, направленной от смотрящего.
Если рассматривать устройство человеческого глаза, то можно с легкостью обнаружить его сходство с объективом фото или видеокамеры. Глаз, как и объектив, строит изображение на поверхности светочувствительного слоя -сетчатки в соответствии с линейной проекцией. Однако зрительная система представлена не только глазом, но и мозгом человека, который производит над сетчаточным изображением операции, подобные обратным перспективным преобразованиям [3]. Поэтому линейная перспектива, в отличие от естественного зрительного восприятия, неверно передает глубину пространства и вносит масштабные искажения разноудаленных предметов.
То есть, картографическое произведение, построенное в соответствии с особенностями зрительного восприятия человека, будет обладать большей наглядностью, а объекты, изображенные на этом произведении, будут более узнаваемы на местности. Эти характеристики играют немаловажную роль при создании картографических произведений для решения задач архитектуры, навигации, туризма и др.
Согласно способу, предлагаемому в [4], для уменьшения искажений, вносимых линейной перспективой, в процесс проецирования объектов на
плоскость могут быть введены дополнительные перспективные преобразования.
Таким образом, можно сформулировать два принципа, связанные с визуализацией картографической трехмерной цифровой модели местности:
Принцип №3. При построении картографического произведения на основе трехмерной картографической цифровой модели местности может быть использована система перспективного проецирования с дополнительными перспективными преобразованиями для повышения уровня соответствия получаемого изображения зрительному восприятию человека.
Принцип №4. Поскольку процесс перспективного проецирования вносит определенные перспективные искажения в изображение объектов, то масштаб визуализации в различных точках созданного картографического произведения будет различным.
Общей целью построения перспективного картографического произведения является предоставление человеку зрительного образа рассматриваемой территории, оптимального с точки зрения определенных задач, содержания, формы представления. Набор задач, решаемых перспективным картографическим произведением, определяется его назначением.
По назначению перспективные картографическое произведения могут быть разделены на навигационные, презентационные, учебные, для осуществления отраслевой деятельности (МЧС и другие силовые структуры, автодородная отрасль, Росреестр, строительство, туризм), для территориального управления (в первую очередь архитектура и градостроительство), для осуществления деятельности промышленных предприятий, для исторических изысканий. Каждое из этих направлений диктует свои требования к характеристикам создаваемых перспективных картографических произведений.
В зависимости от своего содержания картографические произведения могут быть разделены на два класса:
1. Без выделения значимых элементов картографируемой модели. При этом все объекты строятся с общими параметрами и в одной проекции. Этот подход обеспечивает более реалистичную картину местности.
2. С искусственным выделением значимых элементов картографируемой модели. При этом карта строится путем синтеза отдельных трехмерных объектов или их групп, каждая из которых строится по своим заданным параметрам. Этот подход целесообразно использовать при необходимости выделения значимых объектов местности. Значимость элементов картографируемой модели задается главным образом в зависимости от назначения создаваемого картографического произведения. Так, например, для исторического картографического произведения особо значимыми элементами будут являться объекты, имеющие историческую ценность. Объекты такого рода требуют выделения путем применения особых приемов отображения. Приемами выделения значимых объектов при создании картографического произведения могут являться: выделение цветом, утрирование масштаба, повышение детализации, особое расположение точки наблюдения, при котором
значимый объект картографируемой трехмерной модели местности будет выглядеть более выигрышно (например, на переднем плане картографического произведения) по сравнению с другими менее значимыми объектами.
Таким образом, можно сформулировать принцип №5. В зависимости от сочетания вариантов назначения и содержания должен осуществляться выбор параметров, применяемых в процессе преобразования ТЦММ в КТЦММ с целью визуальной оптимизации картографической модели для управления качеством и эксплуатационными характеристиками получаемого на ее основе перспективного картографического произведения.
В завершение можно отметить, что в данной статье сформулированы некоторые базовые принципы, отражающие лишь часть аспектов процесса создания картографических произведений на основе трехмерной цифровой модели местности. Данное направление современной картографии требует переосмысления и адаптации к новым возможностям компьютерных технологий традиционных методических основ, а также разработки новых научно-методических решений и подходов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берлянт А. М. Картография: Учебник для вузов. - М.: Аспект Пресс, 2001.
2. Раушенбах Б.В. Системы перспективы в изобразительном искусстве. Общая теория перспективы. - М.: Наука, 1986
3. Зенкин Г.М., Петров А.П. О механизмах константности зрительного восприятия пространства // Сенсорные системы. Л.: Наука, 1979.
4. Способ изображения предметов (варианты): пат. 2241258 Рос. Федерация : МПК7 G06T15/20 / Ковалев А.М.; заявитель и правообладатель Новосибирск. Институт автоматики и электрометрии СО РАН. - №2003103201/09 ; заявл. 03.02.2003 ; опубл. 27.11.2004
© П.Ю. Бугаков, 2012
