CC BY
332
УДК 004.92: 004.94
С. Г. Дышленко
Трехмерное моделирование в J^C
Статья раскрывает особенности трехмерного моделирования в геоинформатике. Доказано различие между обычным трехмерным моделированием в системах, автоматизированного проектирования и ив Х'М.С. Доказаны особенности трехмерного геоинформационного моделирования в УТЛС
Ключевые слова: геоинформатика, геоинформационные системы, геоинформационное моделирование,трехмерное моделирование
S. G. Dyshlenko
JhZee-dimensLona& modeling in
Xhe aZticCe ZeveaCs the fceatuZes oft thZee-dimensionaC modeling in geoinfcoZmatics. Shows the difcfceZence between the conventional. thZee-dimensionaC modeling in computer-aided design and Q^S wiCCows. Xhe fjeatuZes oft the thtee-dimensionaC geo-infcoZmation modeling in Q<3S
Keywords: ^eoinfcoZmatics, Q^S, Q^S modeling, thtee-dimensionaC modeling
| овременное состояние геоинформатики [1] характеризуется созданием новых информационных ресурсов, которые хранятся в специальных фондах называемых национальной инфраструктурой пространственных данных [2, 3]. Эти фонды хранят не просто координаты, а координатную информацию, связанную для проведения различного моделирования [4] и для выполнения пространственного анализа [5]и для получения новых знаний [6].
Моделирование в системах автоматизированного проектирования [7] и моделирование в информационных технологиях [8] различаются. Еще больше отличий появляются при моделировании в геоинформатике.
Трехмерное моделирование является одной из функций ГИС [9]. В геоинформатике трехмерное моделирование является разновидностью геоинформационного моделирования [4] и тесно связано с использованием информационных моделей [10]. Классическое представление объектов в виде плоских карт не всегда позволяет отразить специфику объекта исследований и соотнести его с окружающими объектами и местностью. Трехмерное моделирование позволяет рассматривать объект в реальной взаимосвязи с окружающей средой и принимать адекватное решение.
Трехмерное моделирование является новым направлением в использовании ГИС. Оно позволяет адекватно описывать реальную местность, объекты окружающего мира и их взаимное расположение. Для практической реализации данного направления в данной статье мы предложим прикладную реализацию построения трехмерных моделей, которую опишем на
примере использования ГИС Карты 2011 [11].
Существует различие между «чистым» трехмерным моделированием (ЗЭ) во многих направлениях, например, в САПР, и трехмерным геоинформационным моделированием в геоинформатике (ЗОО). Современное трехмерное моделирование в геоинформатике имеет ряд особенностей.
Трехмерное моделирование опирается как на основу на различные информационные единицы [12, 13]. Оно моделирует не только объект, а информационную ситуацию вокруг этого объекта [14, 15]. Кроме того, в геоинформатике используют геоданные (geodate — ОО), которые структурированы и организованы.
Обычное трехмерное моделирование, как правило, решает локальные задачи построения объектов не связанных с реальными точками поверхности Земли. Геоинформационное трехмерное моделирование должно учитывать эту связь и целый ряд дополнительных пространственных связей, которые обозначаются общим понятием «геореференция» [16].
Главное целью 30 моделирования является показ объекта. Главное целью ЗОО моделирования является информационное управление [17] получение новых знаний [18] и формирование информационных и интеллектуальных ресурсов [19].
В отличие от 30 моделирования, в котором используют декартову систему координат, в ЗОО моделировании используют геоцентрические системы координат для показа кривизны Земли и возможности привязки объектов, находящихся в разных точках земной поверхности.
В отличие от 30 моделирования, в котором используют математическую модель как основу представления, в 300 моделировании применя-
ют составные модели, включающие математическую конструкцию с интегрированным в нее снимком (рис.1)
Рис. 1. Отображения трехмерной модели с наложенным фотоснимком и матрицей высот в
ГИС Карта 2011
Рассмотрим общие принципы трехмерного моделирования и затем их реализацию. Трехмерное моделирование требуется для решения ряда задач при изображении объемных объектов [7]. Решение задач включает совокупность методов и инструментов. К числу этих задач и методов относят:
Конструирование точечной (проволочной) трехмерной математической модели сцены и объектов в ней.
Анализ поверхностей трехмерных объектов.
Создание сцен — схематическое расположение объектов относительно друг друга и поверхности
Текстурирование - назначение поверхностям ЗО-моделей растровых или процедурных текстур, что включает передачу свойств материалов - прозрачность, отражения, шероховатость и пр.
Освещение сцен - установка и настройка источников света
В некоторых случаях применяют анимацию для передачи динамики объекта или процесса.
Компьютерная визуализация (рендеринг [7]) — построение вида проекции в соответствии с выбранной физической моделью.
Вывод полученного изображения на устройство вывода — дисплей или принтер.
Технологию ЗОО моделирования применяют для: трехмерного моделирования объектов на
земной поверхности; трехмерного моделирования ситуаций [14, 15]; трехмерного моделирования территорий; трехмерного моделирования процессов.
Практическая реализации ЗОО моделирования в ГИС Карта 2011 основана на разработке ряда приложений, входящих в состав ГИС Карта 2011: редактор карты, редактор классификатора, редактор библиотеки трехмерных видов объектов, построение трехмерной модели, редактор трехмерной карты, измерения по трехмерной карте, печать и формирование презентаций.
Для построения трехмерной модели местности (задача конструирования) используются векторная карта, матрица высот, триангуляционная модель рельефа, классификатор карты, библиотека трехмерных моделей объектов, цифровые фотоснимки местности и цифровые фотографии объектов местности.
Векторная карта представляет собой совокупность описания паспортных данных о листе карты, метрических данных объектов карты и семантических данных объектов карты. Классификатор карты — это совокупность описания слоев векторной карты, видов объектов и их условных знаков, видов семантических характеристик и принимаемых ими значений, представленных в цифровом виде. Библиотека трехмерных
видов объектов содержит описания объемного вида объектов и подключается в классификаторе карты. Матрица высот содержит абсолютные высоты рельефа местности. Триангуляционная модель рельефа содержит треугольники нерегулярной сети, описывающие поверхность местности. Цифровые фотоснимки местности должны содержать изображение местности и могут быть использованы для наложения на поверхность рельефа.
При подготовке к отображению карты в трехмерном виде необходим анализ векторной карты на предмет полноты кодового состава. Для объектов с одним кодом и локализацией создается общее трехмерное изображение. Дру-
гим способом разбиения объектов по внешнему виду является создание серии объектов одного кода по выбранной семантике. Каждый объект серии может иметь свой внешний вид.
Для того, чтобы объект на трехмерной карте выглядел реалистично, необходимо поверхности объекта покрывать текстурами (задача текстурирования). Текстура представляет собой растровое изображение поверхности частей объекта. Формирование текстур выполняется по цифровым фотографиям (рис.2). При фотографировании больших объектов, например домов, можно выделить на поверхности объекта повторяемые части и делать фотографии этих частей.
—■* —«■ чтт
1*1 Р’Т
П и гч
Рис. 2. Фотография объекта и текстуры его частей
Библиотека текстур является составной частью файла библиотеки трехмерных видов объектов (файл с расширением РЗО). Пользователь может работать с несколькими файлами РЗО. При создании нового файла необходимо загрузить в него текстуры. Готовые текстуры удобнее добавить в новый файл сразу. По необходимости библиотека текстур может пополняться.
Объект местности может иметь на трехмерной модели типовой или детальный вид. Типовой вид может назначаться для объектов одного кода и локализации. Описание типового вида хранится в шаблоне. Объект, созданный на основе шаблона, имеет одинаковое изображение для каждого отрезка метрики. Примерами таких объектов являются ограждения, дороги, растительность, а так же другие объекты простой формы (строения).
Знак, как шаблон, используемый в создании трехмерного вида точечных, векторных, линейных и площадных объектов, может быть не только создан с помощью Редактора трехмерных знаков, но и импортирован из файла УКМГ-формата, созданного с использованием сторонних программ (рис.З).
При наличии в объекте разных объемных частей, привязанных к отдельным точкам и отрезкам метрики, возникает необходимость в применении нескольких шаблонов к одному трехмерному виду (составная модель) объекта или формировании модели объекта (рис.4).
Модель трехмерного вида объекта состоит из формы, вектора привязки и подчиненных моделей. Для каждой подчиненной модели указано положение относительно вектора привязки основной модели, форма, вектор привязки и ссыл-
О,
- у
т »
Рис. 3. Примеры импортируемых знаков
Рис. 4. Пример трехмерного изображения объекта сложного вида
ка на параметры. Параметрами подчиненных моделей могут быть другие модели или шаблоны.
Метрику такой модели называют формой. Форма отличается от метрики исходного «точечного» или «проволочного» объекта тем, что она трехмерная, не содержит “лишних точек” на сторонах, углы выпрямлены. В форме выделен отрезок, который называют вектором привязки модели.
Модель может содержать несколько форм. К форме, как к каркасу, привязываются дочерние модели, каждая из которых имеет свою форму. Для создания модели объекта пользователю предлагается выбрать одну из заданных форм метрики или создать форму по метрике объекта. Для серии домов одного вида пользователь создает в редакторе классификатора отдельные модели — подъезд, верх шахты лифта, торец, фасад, тыльную сторону здания и т.д.
Далее создается основная модель. Выбирается форма и на этой форме, укладываются подчиненные модели. Модель привязывается к конкретному объекту карты автоматически. Конкретная форма модели указывается в семантике объекта. Если семантики у объекта нет, выбирается первая форма модели. Вектор привязки модели совмещается с первыми двумя точками метрики объекта.
Модели, так же как и шаблоны, лежат в файле трехмерных изображений (рис.5).
В данной статье мы попытались обобщить опыт создания трехмерных моделей местности для дальнейшей реализации в ГИС-проектах и для формирования информационных ресурсов, включающих трехмерные пространственные модели.
Выводы. С системной точки зрения трехмерное моделирование раскрывает системность окружающего мира [20] и создает более адек-
iprnWpHni МкДПи
cnbp/fi
"План* J : 2 ООО Листов i l <Квтяисл*сштвб«мй ими» «штм 2 f Q {тайрлято f пел*т«»
Рис. 5. Пример трехмерной модели местности
ватную модель картины мира [21]. Современное ния. Оно создает новые информационные ре-
трехмерное геоинформационное моделирование сурсы, применяемые в управлении и во многих
является развитием трехмерного моделирова- предметных областях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кудж С.А. Исследование окружающего мира методами геоинформатики II Вестник МГТУ МИРЭА, 2013. - №1 (1). -С.95-102.
2. Савиных В.П., Соловьёв И.В., Цветков В.Я. Развитие национальной инфраструктуры пространственных данных на основе развития картографо-геодезического фонда российской федерации II Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, 2011. - №5. - С.85-90.
3. Майоров А.А., Соловьёв И.В., Цветков В.Я., Дубов С. С., Шкуров Ф.Ф. Мониторинг инфраструктуры пространственных данных. - М.: Изд-во МИИГАиК, 2012. - 198 с.
4. Цветков В.Я. Геоинформационное моделирование II Информационные технологии, 1999. - №3. - С.23-27.
5. Stanislav A. Kuja. Geoinformation Analysis II European Researcher, 2013, Vol.(60), № 10-1, p.2358- 2365.
6. S. A. Kudzh, V. Ya. Tsvetkov. Geoinformatics Ontologies II European Researcher, 2013, Vol.(62), №11-1, p.2566- 2572.
7. Цветков В.Я. Моделирование в автоматизации научных исследований и проектировании. - М.: ГКНТ, ВНТИЦентр, 1991. - 125 с.
8. Цветков В.Я. Модели в информационных технологиях. - М.: Макс Пресс, 2006. - 104 с.
9. Соловьёв И.В., Цветков В. Я. Геоинформационные системы / Краткий словарь-справочник. - М.: Московский
государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики МГТУ МИРЭА, 2013. - 82 с.
10. Цветков В.Я. Информационная модель как основа обработки информации в ГИС II Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, 2005. - №2. - С.118-122.
11. Дышленко С.Г., Демиденко А.Г., Железняков В. А., Цветков В.Я. Новые возможности ГИС "Панорама II Кадастр
недвижимости, 2010. - №3(20). - С.101-103.
12. V. Ya. Tsvetkov. Semantic Information Units as L. Florodi’s Ideas Development II European Researcher, 2012, Vol.(25), №7, p.1036-1041.
13. S. A. Kuja, I. V. Solovjev, V. Y. Tsvetkov System Elements Heterogeneity II European Researcher, 2013, Vol.(60), № 10-1, p.2366-2373.
14. Соловьев И.В. Применение модели информационной ситуации в геоинформатике// Международный научнотехнический и производственный журнал «Науки о Земле», 2012. -№1.- С.54-58.
15. V. Ya. Tsvetkov. Information Situation and Information Position as a Management Tool II European Researcher, 2012, Vol.(36),
№ 12-1, p.2166-2170.
16. Hill L. L. Georeferencing: tte Geographic Associations of Information (Digital Libraries and Electronic Publishing). 2006. 272 p.
17. Цветков В.Я. Информационное управление. - LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Saarbrucken, Germany, 2012.-201 c.
18. Соловьев И.В., Цветков В.Я. О содержании и взаимосвязях категорий «информация», «информационные ресурсы», «знания» II Дистанционное и виртуальное обучение, 2011. - №6 (48). - С.11-21.
19. Соловьёв И.В. Формирование интеллектуальных ресурсов в геоинформатике II Науки о Земле, 2012. - №2-3. - С.76-79.
20. V. Ya. Tsvetkov. Systems analysis in geoinformatics II European Journal of Technology and Design, 2013, Vol.(2), №2, p.135-140.
21. Цветков В.Я. Картина мира как образовательная парадигма II European Social Science Journal = Европейский журнал социальных наук. 2013. №10-1 (37). - С.28-34.
REFERENCES
1. Kudzh S.A. Exploration of the world methods of Geoinformatics. Vestnik MGTU MIREA - Bulletin of MIREA, 2013, no.l(l), pp.95-102 (in Russian).
2. Savinykh V.P., Solov'ev I.V., Tsvetkov V.Ia. Development of national spatial data infrastructure through the development of cartographic-geodetic Fund of the Russian Federation. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Geodeziia i aerofotos"emka - News of higher educational institutions. Geodesy and aerial photography, 2011, no.5, pp.85-90 (in Russian).
3. Maiorov A.A., Solov'ev I.V., Tsvetkov V.Ia., Dubov S. S., Shkurov F.F. Monitoring infrastruktury prostranstvennykh dannykh [Monitoring spatial data infrastructure]. Moscow, MIIGAiK, 2012. 198 p.
4. Tsvetkov V.Ia. Geoinformation modeling. Informatsionnye tekhnologii - Information technology, 1999, no.3, pp.23-27 (in Russian).
5. Stanislav A. Kuja. Geoinformation Analysis. European Researcher, 2013, Vol.(60), no.10-1, p.2358-2365 (in Russian).
6. S. A. Kudzh, V Ya. Tsvetkov. Geoinformatics Ontologies. European Researcher, 2013, Vol.(62), no.11-1, pp.2566-2572 (in Russian).
7. Tsvetkov V.Ia. Modelirovanie v avtomatizatsii nauchnykh issledovanii i proektirovanii [Modeling in automation of scientific research and design]. Moscow, GKNT, 1991. 125 p.
8. Tsvetkov V.Ia. Modeli v informatsionnykh tekhnologiiakh [Models in information technologies]. Moscow, Maks Press, 2006. 104 p.
9. Solov'ev I.V., Tsvetkov V. Ia. Geoinformatsionnye sistemy / Kratkii slovar'-spravochnik [Geographic information systems / Quick reference dictionary]. Moscow, MGTU MIREA, 2013. 82 p.
10. Tsvetkov V.Ia. Information model as a basis of information processing in GIS. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Geodeziia i aerofotos"emka - News of higher schools. Geodesy and air photography, 2005, no.2, pp.118-122 (in Russian).
11. Dyshlenko S.G., Demidenko A.G., Zhelezniakov V. A., Tsvetkov V.Ia. New opportunities GIS "Panorama". Kadastr nedvizhimosti - The real estate cadastre, 2010, no.3(20), pp.101-103 (in Russian).
12. V. Ya. Tsvetkov. Semantic Information Units as L. Florodi’s Ideas Development. European Researcher, 2012, Vol.(25), no.7, pp.1036-1041 (in Russian).
13. S. A. Kuja, I. V. Solovjev, V. Y. Tsvetkov System Elements Heterogeneity. European Researcher, 2013, Vol.(60), no.10-1, pp.2366-2373 (in Russian).
14. Solov'ev I.V. Application of the model information situation in Geoinformatics. Mezhdunarodnyi nauchno-tekhnicheskii i proizvodstvennyi zhurnal «Nauki o Zemle» - International scientific-technical and production journal "Earth Science", 2012, no.l, pp.54-58 (in Russian).
15. V. Ya. Tsvetkov. Information Situation and Information Position as a Management Tool. European Researcher, 2012, Vol.(36), no.12-1, pp.2166-2170.
16. Hill L. L. Georeferencing: ’tte Geographic Associations of Information (Digital Libraries and Electronic Publishing). 2006. 272 p.
17. Tsvetkov V.Ia. Informatsionnoe upravlenie [Information managemen]. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, Saarbrucken, Germany, 2012. 201 p.
18. Solov'ev I.V., Tsvetkov V.Ia. About content and interrelationship of categories "information", "information resources", "knowledge". Distantsionnoe i virtual'noe obuchenie - Distance and virtual training, 2011, no.6(48), pp.11-21 (in Russian).
19. Solov'ev I.V. Development of intellectual resources in Geoinformatics. Nauki o Zemle - Earth Science, 2012, no.2-3, pp.76-79 (in Russian).
20. V. Ya. Tsvetkov. Systems analysis in geoinformatics. European Journal of Technology and Design, 2013, Vol.(2), no.2, pp.135-140 (in Russian).
21. Tsvetkov V.Ia. Picture of the world as an educational paradigm. Evropeiskii zhurnal sotsial'nykh nauk - European Social Science Journal, 2013, no.l0-l(37), pp.28-34 (in Russian).
Информация об авторе
Дышленко Сергей Геннадьевич
Кандидат технических наук Начальник отдела Военно-топографического управления E-mail: cvj2@mail.ru
Information about the author
Dyshlenko Sergei Gennad'evich
PhD in Technical Sciences Head of Military-topographic Management E-mail: cvj2@mail.ru
