CC BY
38
УДК 528.92:004
ПРИНЦИПЫ ОБРАЗНО-ЗНАКОВОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРИ СОЗДАНИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КАРТ
Петр Юрьевич Бугаков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной информатики и информационных систем, тел. (383)343-18-53, e-mail: peter-bugakov@ya.ru
Алексей Александрович Колесников
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры картографии и геоинформатики, тел. (913)725-09-28, e-mail: alexeykw@mail.ru
В статье поднимаются вопросы, связанные с использованием условных знаков в трехмерной картографии. В частности, обосновывается необходимость определения оптимального соотношения наглядности и знаковости перспективных картографических произведений при их создании. Авторами предлагается система принципов образно-знакового моделирования при создании перспективных карт. Также в статье рассмотрены инструменты создания трехмерных условных знаков в современных ГИС приложениях.
Ключевые слова: перспективная карта, трехмерная модель местности, геоинформационные системы, условные знаки, образно-знаковое моделирование, трехмерная картография, принципы, локализация.
PRINCIPLES OF SYMBOLIC MODELING OF OBJECTS IN THE CREATION OF A PERSPECTIVE MAPS
Petr Yu. Bugakov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate professor, department of Applied Informatics and Information Systems, tel. (383)343-18-53, e-mail: peter-bugakov@ya.ru
Alexey A. Kolesnikov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Senior lecturer, Department of Cartography and Geoinformatics, tel. (913)725-09-28, e-mail: alexeykw@mail.ru
In this article, the issues associated with the use of symbols in three-dimensional cartography are discussed. In particular, the necessity to find the best balance of visibility and awareness of perspective cartographic works when they are created. The authors propose a system of principles of symbolic modeling in the creation of perspective maps. Also in the article are considered the tools for creating three-dimensional conventional symbols in modern GIS applications.
Key words: perspective maps, three-dimensional terrain model, geoinformation systems, symbols, symbolic modeling, three-dimensional cartography, principles, localization.
Одним из важных этапов создания перспективных геоизображений является определение оптимального соотношения между наглядностью и знаковостью
получаемого картографического произведения [1]. Перспективное геоизображение, построенное на основе высоко детализированной трехмерной модели местности без использования условных знаков, характеризуется высокой наглядностью и сравнимо с фотоизображением этой местности. Такое геоизображение передает форму объектов и их внешние «видимые» характерные черты, но не способно самостоятельно передать информацию о структуре и других внутренних характеристиках этих объектов. Например, по фотореалистичному геоизображению водоема, полученному при визуализации трехмерной модели местности, нельзя определить состав его биологических ресурсов, химический состав воды, происхождение. Условные знаки могут вообще не иметь визуальной схожести с обозначаемыми объектами реального мира, однако, благодаря графическим средствам (форма, размер, ориентировка, цвет, насыщенность цвета и внутренняя структура [2]) они способны передать скрытую невизуальную информацию. Таким образом, условный знак объекта является основным средством отображения его семантической составляющей. Вместе с этим условные знаки по сравнению с реалистичными изображениями объектов обладают большей метричностью. Повышение наглядности за счет уменьшения знаковых средств при визуализации может привести к снижению информативности и потере метричности получаемого геоизображения, а, следовательно, к сокращению числа вариантов его научно-практического использования.
В настоящее время теоретические основы применения условных знаков в трехмерной картографии проработаны недостаточно полно, остаются открытыми вопросы, требующие определенной научной работы. В связи с этим, в данной статье нами предлагается и обосновывается система принципов образно -знакового моделирования при создании перспективных карт.
Первый принцип состоит в выборе типа условного знака на основе анализа пространственной локализации трехмерного объекта. При переходе от двумерного отображения геоинформации к трехмерному в структуре карты должны быть использованы новые классы условных знаков. Это обусловлено характерными особенностями трехмерного картографирования, разнообразием видов объектов и их локализацией в трехмерном пространстве [3].
В работе [3] описываются следующие классы применимых в трехмерной картографии условных знаков:
а) плоские полигональные условные знаки объектов, расположенных вертикально (например, стены);
б) плоские полигональные условные знаки объектов, расположенных произвольно в трехмерном пространстве, но не на поверхности земли (например, крыши зданий);
в) линейные условные знаки объектов, расположенных вертикально (например, столбы, опоры, дымовые трубы);
г) линейные условные знаки объектов, расположенных произвольно в трехмерном пространстве, но не на поверхности земли (например, трубопроводы на опорах, тросы, провода);
д) линейные условные знаки объектов на поверхности земли, имеющих пренебрегаемо малую высоту для заданного масштаба карты (например, рельсы);
е) внемасштабные условные знаки объектов на поверхности земли, имеющих пренебрегаемо малую высоту для заданного масштаба карты (например, километровые столбики);
ж) объемные условные знаки объектов, расположенных произвольно в трехмерном пространстве и имеющих значимые размеры в плане и по высоте для заданного масштаба карты (например, водонапорная башня).
Критерии отнесения каждого объекта к одному из указанных классов предложены в работах [3, 4].
Второй принцип предполагает анализ структуры обозначаемого объекта и определение состава геометрических элементов условного знака перспективной карты. Следует учитывать, что существуют объекты, отдельные элементы которых должны для заданного масштаба карты отображаться условными знаками разных классов. Примером могут служить такие объекты как телебашни, баки на столбах, линия электропередачи (ЛЭП), рекламные установки и другие. В качестве примеров можно привести следующие объекты [5]:
- здание. Стены здания должны отображаться полигональным условным знаком вертикального расположения (пункт «а» из первого принципа), а крыша - полигональным условным знаком произвольного расположения в пространстве (пункт «б»);
- навес на столбах. Крыша навеса отображается полигональным условным знаком произвольного расположения в пространстве (пункт «б»), а каждый столб - линейным условным знаком вертикального расположения (пункт «в»);
- забор на фундаменте. Фундамент может отображаться трехмерным условным знаком (пункт «ж»), а сам забор - полигональным условным знаком вертикального расположения (пункт «а»);
- сооружение на столбах. Само сооружение отображается объемным условным знаком (пункт «ж»), а столбы - линейными условными знаками вертикального расположения (пункт «в»);
- линия электропередачи или канатная дорога. Опоры в зависимости от масштаба могут отображаться линейным условным знаком вертикального расположения (пункт в) или объемным условным знаком (пункт ж), а провода (или тросы) - линейным условным знаком произвольного расположения в пространстве (пункт г);
- дерево; крона дерева отображается трехмерным условным знаком (пункт ж), а ствол - линейным условным знаком вертикального расположения (пункт в).
Третий принцип состоит в использовании библиотек трехмерных условных знаков современных геоинформационных систем. Рассмотрим особенности реализации их создания и отображения в современных геоинформационных системах. Основываясь на популярности в России и наличии функций визуализации пространственной информации в трехмерном виде выберем следующие программные продукты: ГИС Карта 2012, QGIS 2.18, ArcGIS 10.2. В ГИС Карта модуль трехмерной карты является частью программы, в ArcGIS это реализуется отдельным модулем ArcGlobe, в QGIS наиболее популярным модулем для создания трехмерной модели местности является qgis2threejs (также альтерна-
тивой может служить NVIZ из пакета GRASS GIS, но он реализует только построение трехмерных моделей рельефа). Рассмотрим реализацию и инструменты создания трехмерных условных знаков в каждом из этих модулей.
Настройка и привязка трехмерного вида объектов карты в ГИС Карта осуществляется в классификаторе карты и может быть выполнена для всех типов локализации объектов, используемых в программе. Создание трехмерного вида объектов можно выполнять двумя способами: импорт подготовленных в каком-либо трехмерном редакторе моделей и текстур в формате VRML или создание объектов с помощью встроенного редактора, позволяющего собрать модель из примитивов. В первом случае допускается настраивать только размер модели и положение точки привязки. Настройки редактора зависят от типа локализации объекта для которого настраивается трехмерное отображение. Точечные и векторные имеют одинаковые настройки, но модель векторного объекта имеет такое же угол поворота, как и объект карты. Линейные объекты можно представить в виде линии связанной с рельефом, либо отдельных трехмерных знаков, расположенных по этой линии или в узловых точках. Для площадных объектов могут быть использованы те же два способа представления, а также способ отображения с помощью плоскостей, связанных с другими элементами объекта и рельефом. Положение всех типов объектов можно настраивать относительно рельефа, если он имеется на данную территорию в виде матриц высот. При создании трехмерного представления линейных объектов наиболее часто используемыми примитивами являются вертикальные и горизонтальные полосы, а также линия с заданным поперечным сечением. Площадные объекты трехмерного вида как правило составляются из горизонтальных плоскостей (используются в качестве крыш и перекрытий), вертикальных полос (стены произвольной высоты), примитива двускатной крыши, цилиндров. Внешний вид отдельного элемента можно задавать одном из трех способов: цвет, готовые, либо собственные материалы и текстура.
Для представления карты в трехмерном виде в QGIS наибольшее распространение получил модуль qgis2threejs. Особенность этого модуля в том, что для визуализации используется JavaScript библиотека three.js и модуль ГИС генерирует автономный html файл, который может быть просмотрен в любом браузере, поддерживающему технологию WebGL. Для работы модуля необходимо наличие матрицы высот, для оформления которой можно использовать существующие растровые или векторные слои, которые также растеризуются. Также модуль предоставляет возможность настроить трехмерное отображение объектов каждого из слоя в отдельности. Точечные объекты можно представить в виде геометрических примитивов, либо внешних JSON или Collada моделей заданных размеров (вручную или из семантики). Линейные объекты можно представить в виде плоской полосы или цилиндра с заданным сечением на заданной высоте относительно существующего рельефа. У площадных объектов можно задать высоту выдавливания и интервал между нижней плоскостью и рельефом. Для всех типов объектов указывается цвет и прозрачность.
В ArcGIS инструменты трехмерной визуализации представлены двумя отдельными модулями - ArcGlobe и ArcScene. ArcGlobe ориентирован на визуа-
лизацию больших территорий на основе матриц высот, поскольку поддерживает кэширование и динамическое изменение детализации. ArcScene рассчитан на отображение данных в трехмерном виде на небольшую территорию с высокой детализацией с возможностями пространственного анализа, построения профилей, визуализации внутреннего строения скважин и шурфов. В обоих модулях реализованы два основных способа создания трехмерных объектов - выдавливание (при этом точки вытягиваются в вертикальные линии, линейные объекты преобразуется в вертикальные стены, а полигоны - в трехмерную геометрическую фигуру по контуру объекта карты) и, для точечных объектов, отображение созданных в сторонних редакторах трехмерных моделей. Для импорта поддерживаются форматы obj, VRML, Collada, SketchUp.
Исходя из этого можно сформулировать четвертый принцип, согласно которому для построения сложных составных или специфических условных знаков необходимо использовать редакторы трехмерной графики такие, как, например, Autodesk 3ds Max, Blender, SketchUp и др. Возможности использования подобных программных систем в картографии были исследованы в [6].
Пятый принцип заключается в использовании цвета и/или текстур при подготовки условного знака для использования на перспективной карте. Цветовое и текстурное оформление условных знаков может выполняться для повышения сходства условного знака и картографируемого объекта, а также с целью отображения его качественных или количественных характеристик. Например, в работе [5] рассматривается подход к обоснованию использования цвета на трехмерных картах для условий Вьетнама. Согласно данному подходу в качестве обоснования цветового оформления условных знаков и их элементов используются философские концепции Фэн-шуй и У-Син. Так цветом обозначается материал, из которого был построен объект или его структурные части: зеленый - дерево; красный - железобетон; желтый - кирпич; серый - металл; синий/черный - стекло.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Берлянт А. М. Свойства визуализации как способа моделирования геоизображений // Геодезия и картография. - 2005. - № 12. - С. 43-52.
2 Берлянт А. М. Картография : учебник для вузов. - М. : Аспект Пресс, 2001. - 336 с.
3 Лисицкий Д. В., Нгуен Ань Тай Пространственная локализация и правила цифрового описания объектов в трехмерном картографировании // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - № 4/С. - С. 190-195.
4 Лисицкий Д. В., Бугаков П. Ю. Картографическая визуализация трехмерных моделей местности // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 3 (16). - С. 87-93.
5 Нгуен А. Т. Разработка методики трехмерного геоинформационного картографирования территории Вьетнама : автореф. дис канд. техн. наук: 25.00.33. - Новосибирск, 2015. - 24 с.
6 Лисицкий Д. В., Бугаков П. Ю. Использование возможностей применения современных редакторов трехмерной графики и анимации в картографии // ГЕ0-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск : СГГА, 2009. Т. 1, ч. 1. - С. 127-131.
© П. Ю. Бугаков, А. А. Колесников, 2017
