CC BY
185
Системы анализа рельефа местности "RELIEF STUDIO"
Разумовский А.И., Ромакин ВА, ИПУ РАН
Введение
Моделирование движения по заданной траектории на основе анализа рельефа является насущной потребностью в исследовании и проектировании динамики сложньх объектов и многоступенчатьх процессов. Лежащий в основе моделирования анализ с использованием численных методов рельефа местности, представляет собой сегодня неотъемлемую часть научньх исследований в гидрологии, тектонике, океанографии и климатологии. Компьютерная обработка пространственных данньх находит все более широкое применение при анализе распространения участков загрязнений, в моделировании месторождений, а также во многих проектах по перспективному развитию территорий.
Начало исследований в области моделирования анализа рельефа местности было положено еще в XIX веке работами немецких ученьх-географов. Сегодня результаты, полученные компьютерной обработкой массивов данньх по территории, и цифровье модели рельефа (ЦМР) в корне изменили подход к трем основньм функциям моделирования — топографическому анализу территории, геометрическому моделированию движения сложньх объектов в за-данньх условиях средь и визуализации. Геоинформационнье систе-мь и технологии в настоящее время предоставляют исследователям широкие возможности синтеза результатов моделирования и нетопографических тематических данньх [1 ].
Основньм методом моделирования рельефа является построение триангуляционньх моделей (TIN) с последующей линейной интерполяцией, или построение сеточньх моделей (DEM) методом Кригинга. В качестве примера можно привести работь Р Латтуада и Дж. Рейпера [2] и А.В. Скворцова [5]. Такие модели используются в проектах и приложениях исследовательской группь GeoFrance3D [3]. Главное свойство TIN-модели состоит в использовании ее при генерации дополнительньх данньх для интерполяции. Пример подобной техники представлен в работе Д. Хейцингера и Х. Кагера [4] о получении корректньх ЦМР с использованием оцифрованньх изолиний.
Однако насущной потребностью является создание специализированной интерактивной сис-темь трехмерного моделирования и анализа рельефа местности, предназначенной в первую очередь для автоматизации решения вьбранного круга задач,
— от создания особо точньх двухмерньх и трехмерньх атласов и карт местности до имитации полета по заданной траектории над вьбранной местностью.
Основнью функциональнье задачи комплекса "Relief Studio"
Основнье функциональнье задачи разрабатьваемой системь моделирования и анализа рельефа местности бьли сформулирова-нь следующим образом:
— создание рабочего пространства моделирования;
— загрузка информации о вьсотах точек местности из различ-ньх форматов данньх;
— создание TIN-модели рельефа по исходной информации о вьсотах точек местности;
— построение DEM-модели рельефа на основе TIN-модели либо с помощью метода Кригинга;
— построение профилей и горизонталей на основе TIN- и DEM-моделей рельефа;
— формирование трехмерного графического представления TIN- и DEM-моделей рельефа, горизонталей и профилей;
— оценка точности построения TIN- и DEM-моделей рельефа, горизонталей и профилей по опорньм точкам;
— сглаживание TIN- и DEM-моделей рельефа методом Гримсо-на и сплайн-интерполяцией;
— разбивка DEM-модели на участки по номенклатурам, объединение нескольких DEM-моделей;
— сложение и вьчитание DEM-моделей со статистической оценкой результата;
— конвертирование TIN- и DEM-моделей рельефа, горизонталей и профилей в различнье формать.
— построение траектории полета по рельефу для различньх задач
В соответствии с этим разработана система Relief Studio, позволяющая обрабатьвать значительнье объемь исходньх данньх, формировать и визуализировать трехмернье карть, сочетая при необходимости изображения рельефа местности в различньх форматах. Система позволяет решать основнье задачи анализа построенной модели рельефа, включая оценку точности по контрольньм точкам, построение профилей, изолиний, изоконтуров, и на основе
Рис. 1. Структура системы Relief Studio
Рис. 2. Визуализация сеточной модели рельефа
этого строить траекторию движения для летательных аппаратов и имитировать полет по этой траектории. Все полученные результаты можно экспортировать в популярные графические форматы, в том числе форматы геоинформационных систем и САПР.
Структура системы "Relief Studio"
Структура системы Relief Studio включает блоки создания, обработки, и анализа модели рельефа, блок визуализации и блок моделирования полета по местности (рис. 1).
Блок создания ЦМР обеспечивает загрузку информации о высотах точек местности из различных форматов данных (включая DXF, DM, GRID) в рабочее пространство системы. В качестве исходных данных используются массивы отдельных точек местности, горизонтали, gps-треки и пр. На основе исходной информации создается сеточная модель местности с использованием триангуляции Делоне с последующей линейной интерполяцией, либо методом Кригин-га (рис. 2). Для триангуляционной модели используется структура данных "узлы и треугольники", в которой для каждого треугольника хранятся три указателя на образующие его узлы (исходные точки) и три указателя на смежные треугольники. Для построения триангуляции применяется один из трех итеративных алгоритмов (простой, с динамическим и статическим кэшированием). Процесс построения сеточной функции сводится к вычислению значений в точках регулярной сети по значениям хаотически расположенных экспериментальных точек данных.
Блок обработки моделей рельефа служит для сглаживания построенных моделей рельефа методом Гримсона или сплайн-интерпо-
Рис. 3. Построение горизонталей
ляцией, разбивки DEM-модели на участки по номенклатурам и объединения нескольких DEM-моделей в одно целое, а также для сложения и вычитания DEM-моделей со статистической оценкой результата.
Блок визуализации предназначен для отображения различных типов данных (исходные точки, триангуляционная и сеточная модели, горизонтали, профили, изоконтуры, подписи) и быстрой навигации по модели рельефа.
Блок анализа моделей рельефа позволяет оценить точность построения триангуляционных и сеточных моделей по массиву опорных точек, а также построить горизонтали, профили и изоконтуры (рис. 3 и 4).
Моделирование полета по траектории
Одной из отличительных особенностей системы Relief Studio является наличие блока настройки и имитации передвижения наземных и летательных аппаратов по заданной траектории. Под траекторией аппарата понимается последовательность шагов, каждый из которых характеризуется положением аппарата в пространстве, направлением и скоростью полета. Каждому шагу соответствует определенный кадр (графическое изображение модели рельефа), формирующийся с учетом текущего шага траектории. Имитация полета по траектории представляет собой последовательную по шагам визуализацию кадров с необходимой скоростью.
Рис. 4. Построение профилей
а)
б)
д)
кт\7,
е)
ж)
РИс. 5. Создание опорных шагов траектории (а) и отдельные кадры, снятые при полете (б-ж)
Функции данного блока включают добавление и удаление отдельных шагов траектории, редактирование шагов (в том числе в режиме просмотра результирующего кадра), сохранение и загрузка траектории полета из внешнего файла и собственно имитация полета по заданной траектории. Имитация полета по заданной траектории может производиться в интерактивном режиме (с возможностью ручного управления полетом), либо с помощью генерации и просмотра видеоролика (при этом способе ручное управление недоступно). Кроме того, имеется возможность быстрого создания типо-
вых траекторий, включая полет вокруг заданной точки, полет вдоль ломаной линии с линейной интерполяцией ориентации камеры (рис. 5), сплайн-траектория, полет по траектории на заданной высоте над рельефом, облет заданной местности с целью поиска заданных объектов или артефактов рельефа местности.
Данный инструментарий позволяет не только имитировать полет авиационной или ракетной техники по заданной траектории, но и демонстрировать модель рельефа местности оператору или заказчику. Кроме того, в сочетании с методами распознавания образов
он может использоваться для управления беспилотными летательными объектами при поиске заданных объектов на местности.
Заключение
Программный комплекс "Relief Studio" предлагает готовые функциональные решения (сеточный фильтр, статистика, быстрая навигация по карте и пр.), которые легко доступны благодаря эргономичному интерфейсу и избавляют пользователя от необходимости выбора сложных путей решения отдельной задачи. В то же время удобные и гибкие средства среды исследователя позволяют легко адаптировать систему к множеству потребностей пользователя в различных отраслях производства, где имеется необходимость в геоинфор-мационном автоматизированном управлении.
Литература
1. Moors I.D., Grayson R.B., Ladson A.R. Digital terrain modeling — a review of hydrological, geomorphological and biological applications // Hydrol. Proc., 1991, № 5, рр. 3-30.
2. Lattuada R., RqperJ. Applications of 3D Delaunay triangulation algorithms in geoscientific modeling [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ncgia.ucsb.edu/conf/SANTA_FE_CD-ROM/sf_papers/lattua-da_roberto/paper.html
3. Le programme national de recherche scientifique pour l'imagerie geologique et geophysique de la France en 3D [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.brgm.fr/geofrance3d/
4. Heitz nger D., Kager H Hochwertige Gelandemodelle aus Hohenlinien durch wissensbasierte Klassifikation von Problemgebieten // Photogrammetrie-Fernerkundung-Geoinformation, 1999, № 1, рр. 29-40.
5. Скворцов А.В. Триангуляция Делоне и ее применение. — Томск: Изд-во Томского университета, 2002.
