CC BY
138
УДК 528.92:004
ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ В ОБЛАСТИ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ГЕНЕРАЛИЗАЦИИ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ
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
В статье рассматриваются некоторые особенности генерализации трехмерных моделей городских территорий. Кратко описываются зарубежные разработки в области генерализации трехмерных моделей местности и перспективных карт. Внимание уделяется вариантам решения одной из наиболее важных задач генерализации, связанной с облегчением восприятия пространственной информации для быстрого ориентирования пользователя карты на местности. Описываются некоторые способы повышения уровня восприятия топологической структуры города и уменьшения площади мертвых зон на перспективной карте. В частности, кратко описывается метод ячеистого обобщения элементов топологической структуры города, разбирается метод построения прогрессивной и регрессивной перспективы. Также в статье упоминается растрово-ориентированный подход к трехмерной генерализации, заключающийся в анализе и обобщении контуров плановых проекций трехмерных объектов городской территории. В конце статьи даны ссылки на некоторые работы в области трехмерной картографии, которые выполняются в Сибирском государственном университете геосистем и технологий.
Ключевые слова: генерализация, детализация, перспективная карта, обобщение, структура, трехмерная цифровая модель, городская территория.
Генерализация является одним из наиболее сложных процессов, выполняемых при составлении карт. Она проявляется в обобщении качественных и количественных характеристик объектов, замене индивидуальных понятий собирательными, отвлечении от деталей ради четкого отображения их главных особенностей. Генерализация способствует формированию и представлению в картографической форме новых понятий и научных абстракций [1].
В настоящее время теория и методы генерализации для процесса составления традиционных ортогональных карт отработаны в достаточно полной мере. Однако для карт, создаваемых в перспективной проекции на основе трехмерных моделей местности, вопросы генерализации все еще требуют дополнительного рассмотрения.
В последние годы в России и в мире наблюдается устойчивый интерес к трехмерному моделированию территорий и созданию перспективных карт. В связи с этим ведутся активные разработки методик и технологий автоматизации различных процессов, выполняемых при создании перспективных картографических произведений. Определенный интерес вызывают труды зарубежных авторов, посвященные разработке методик и технологий выполнения картографической генерализации перспективных карт.
Изучение особенностей перспективных карт началось еще в середине XX в., однако технические средства того времени не позволяли в полной мере создавать и использовать трехмерные карты. В своей работе [2] американский профессор Кевин Линч (Kevin Lynch) рассматривает проблему генерализации перспективных карт с точки зрения особенностей формирования зрительного и мысленного образа городских территорий. Он описывает пять основных элементов формирования мысленного образа города:
- дороги по городу, например, улицы;
- препятствия, такие как линии побережья и железнодорожные линии;
- районы города;
- узлы (например, площади, перекрестки);
- достопримечательности (узнаваемые объекты, используемые для ориентации).
По мнению Кевина Линча, лучшее восприятие топологической структуры города может достигаться за счет четкого обозначения перечисленных элементов в процессе выполнения генерализации. При этом внутренняя структура элементов может быть упрощена. Логическое продолжение данного подхода прослеживается в работах [3-5], в которых описывается метод генерализации, основанный на разбиении модели города на ячейки, образованные дорожной сетью и объектами гидрографии. При таком подходе каждому элементу дорожной сети или гидрографии присваивают весовой коэффициент, характеризующий степень его влияния на дорожно-транспортную структуру города, а значит, и на степень генерализации прилегающих территорий.
В ячейках модели строят абстрактные трехмерные блоки, обозначающие группу родственных объектов, например, блок растительности, блок жилых зданий и т. д. Высотная составляющая блока может формироваться двумя способами [3, 5]. Первый способ заключается в том, что высота каждого трехмерного блока вычисляется как средняя или средневзвешенная высота представленных им объектов. Согласно второму способу, верхняя поверхность блока повторяет формы объектов, содержащихся в этом блоке. Степень генерализации модели города может быть уменьшена локально для определенной территории, находящейся в области внимания наблюдателя. Элементы трехмерной модели города, попадающие в область интереса, не подвергаются генерализации и представляются в виде отдельных трехмерных моделей с определенной степенью детализации.
В докторской диссертации Хенрика Бухгольца (Henrik Buchholz) [6] описаны пять уровней (степеней) детализации (LOD - Levels of Detail) трехмерных моделей городов, которые в первую очередь характеризуются тем, каким образом представлены объекты:
- LODO: модель города в основном состоит из цифровой модели местности с наложением растровых изображений. Явное трехмерное представление зданий не предусмотрено;
- Ь0Б1; здания представлены в виде трехмерных блоков, то есть простых ЭБ-фигур, которые могут быть получены путем выдавливания полигонов вдоль вертикальной оси. Фасады и крыши могут быть текстурированы со всеми деталями;
- Ь0Б2; у зданий геометрия крыши описывается набором полигонов в 3Б. Кроме того, наружные стены и крыша здания представлены в виде отдельных тематических объектов;
- ЬОБЭ; здания представлены в виде подробных архитектурных моделей. Отверстия, такие как окна и двери, представлены в виде отдельных тематических объектов. Все части здания могут быть текстурированы;
- Ь0Б4; в дополнение к ЬОБЭ, внутренние конструкции здания, такие как внутренние стены, комнаты и мебель представлены в виде отдельных тематических объектов.
Данная система уровней детализации является широко распространенной и используется многими авторами в составе различных методик генерализации трехмерных моделей местности. Так, например, в работах [7-9] приводятся описания методик генерализации, основанных на структурном упрощении моделей. При этом выделяют следующие структурные элементы городских строений; фасады, крыши, балконы; лоджии; террасы; эркеры; лестницы; пандусы; козырьки и навесы; системы вентиляции; надстройки и пристройки технического назначения; рекламные конструкции; вывески и т. д.
Одной из важнейших задач генерализации при создании перспективных карт является облегчение восприятия пространственной информации для быстрого ориентирования пользователя карты на местности и решения задач навигации. Для решения этой задачи, как правило, достопримечательности и хорошо узнаваемые объекты города (ориентиры) обозначаются детализированными трехмерными моделями и утрируются по размеру. Этот прием описан в работе [10]. Суть приема состоит в том, что масштаб ориентирных объектов, находящихся на удалении от наблюдателя в пределах интервала, I = [ dstart ; dend ], вычисляется в зависимости от расстояния с помощью квадратичной функции. Минимальное dstart и максимальное dend расстояние от наблюдателя выбираются заранее и определяют интервал утрирования. При таком подходе зависимость изображаемого размера объектов-ориентиров от дистанции можно показать на рис. 1, б. Зависимость изображаемого размера объекта от расстояния до наблюдателя при традиционном перспективном проецировании показана на рис. 1, а.
В результате, генерализация трехмерной модели города путем замены групп или одиночных объектов абстрактными блоками позволяет избежать информационной перегруженности трехмерной модели города, заострить внимание пользователя только на существенных объектах, облегчить понимание топологической структуры города.
Рис. 1. Зависимость изображаемого размера объектов от расстояния до наблюдателя
Также определенный интерес вызывают нестандартные способы применения картографических методов генерализации для оптимизации информативности перспективных картографических изображений. Так, например, группой немецких ученых, входящих в исследовательскую группу 3D геоинформации (Research Group 3D Geoinformation of Hasso Plattner Institute, Potsdam), было предложено несколько подходов к решению данной задачи [11, 12].
Первый подход заключается в использовании методов визуализации с элементами картографического дизайна. Методы визуализации предоставляют широкий спектр механизмов для формирования понятного графического языка для эффективной передачи геопространственной информации [10, 11, 13]. Например, использование нефотореалистичной визуализации с возможностью использования графических переменных в соответствии со спецификой решаемых задач часто будет более выразительным, чем использование фотореалистичных текстур. Оригинальным решением задачи трехмерной генерализации является растрово-ориентированный подход, заключающийся в анализе контуров плановых проекций трехмерных объектов городской территории и дальнейшем их обобщении [14]. При этом высотная составляющая полученных сгруппированных объектов рассчитывается как средняя или средневзвешенная высота всех его элементов (отдельных строений). Схожий способ плановой генерализации трехмерных объектов описан в работе [15].
Второй способ повышения эффективности передачи геоинформации и наглядности перспективных картографических изображений заключается в уменьшении площади мертвых зон, которые получаются естественным путем в результате построения перспективного изображения. Мертвые зоны представляют собой элементы перспективного изображения трехмерной модели, которые не способны четко передать пространственную информацию. Основными причинами появления мертвых зон является уменьшение масштаба объектов при удалении от наблюдателя, а также частичное или полное загораживание
объектов, находящихся на заднем плане, объектами на переднем плане перспективного изображения. Кроме этого, площадь мертвых зон будет расти при увеличении площади обзора или уменьшении угла наклона луча визирования. Такая ситуация препятствует эффективному восприятию топологической структуры и семантического содержания трехмерной модели города.
Для уменьшения площади мертвых зон предлагается использовать метод построения прогрессивной и регрессивной перспективы (progressive and a degressive perspective) [11, 12]. Построение прогрессивной перспективы реализуется путем изгиба подложки трехмерной модели так, как показано на рис. 2, а [11]. Таким образом, наиболее точная передача топологической структуры геопространства достигается на переднем плане геоизображения.
а) б)
Рис. 2. Концепция построения прогрессивной (а) и регрессивной (б) перспективы
В то же время преобладание фронтального отображения объектов на заднем плане не способно сохранить информацию об их плановом расположении, но позволяет отобразить фасады ориентирных объектов (например, достопримечательности) так, как они выглядят в реальности. Отображение фасадов ключевых объектов позволяет быстрее определять направление движения по виртуальной модели города при прокладке маршрутов.
При построении регрессивной перспективы подложка трехмерной модели изгибается в другую сторону (рис. 2, б). В этом случае, на переднем плане преобладает отображение фасадов объектов, а задний план используется для отображения планового расположения удаленных объектов. В отличие от обычной перспективы построение регрессивной перспективы позволяет сохранить геопространственную информацию об удаленных объектах, а также уменьшить площадь мертвых зон.
Прогрессивная и регрессивная перспективы являются непривычным приемом отображения трехмерного геопространства для зрительного восприятия,
однако можно сделать вывод, что использование альтернативных методов кар-тографо-ориентированной визуализации трехмерных моделей городских территорий может успешно использоваться как элемент картографической генерализации, направленный на повышение эффективности передачи геоинформации.
В настоящее время в Сибирском государственном университете геосистем и технологий ведутся научные изыскания для решения задач трехмерной картографии [16-20], в том числе генерализации. Стоит отметить, что кроме технических аспектов генерализации, были приняты попытки рассмотрения генерализации с учетом особенностей формирования у человека зрительного образа трехмерных объектов реальной местности при ее непосредственном наблюдении и при восприятии местности с помощью перспективной карты [21].
В заключение можно отметить, что методические решения, предлагаемые зарубежными авторами, охватывают многие этапы генерализации трехмерных цифровых картографических моделей местности и перспективных карт. Однако некоторые аспекты генерализации (особенно плохо поддающиеся формализации) все еще требуют активной научной проработки.
Дальнейшая научная деятельность в этом направлении предполагает разработку ряда научно-методических подходов и решений в области отбора объектов для перспективной визуализации по степени их значимости и уровню влияния на восприятие геопространства городских территорий; обобщения качественных и количественных характеристик трехмерных моделей (типизации); образно-знакового моделирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ештокин А. Н. Картографическая генерализация i лекции по курсу «Картография». [Электронный ресурс]. - Режим доступа i http://topography.ltsu.org/kartography/k8.html.
2. Lynch K. The Image of the City. - MIT Press, 1960.
3. Glander T., Döllner J. Abstract Representations for Interactive Visualization of Virtual 3D City Models // Computers, Environment and Urban Systems. - 2009. - Vol. 33, no. 5. - P. 375-387.
4. Glander T., Döllner J. Automated Cell-Based Generalization of Virtual 3D City Models with Dynamic Landmark Highlighting. - 2008 [Электронный ресурс]. - Режим доступа i https://hpi.de/fileadmin/user_upload/fachgebiete/doellner/publications/2008/GD08/paper_ICA_wor kshop.pdf.
5. Glander T., Trapp M., Döllner J. Concepts for Automatic Generalization of Virtual 3D Landscape Models // GIS SCIENCE. - 2012. - Vol. 25, no. 1. - P. 18-23.
6. Buchholz H. (2006) Real-Time Visualization of 3D City Models : PhD thesis. - HPI, Universität Potsdam.
7. Sester M. 3D Visualization and Generalization // Photogrammetric Week '07. -Wichmann Verlag, Heidelberg, 2007.
8. Chen X., Bai F. Generalization of Three-Dimensional City Maps. - 2001 [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://icaci.org/files/documents/ICC_proceedings/ICC2001/icc2001/ file/f13036.pdf.
9. Forberg A., Mayer H. Simplification of 3D Building Data. Zeitschrift für Geodäsie // Geoinformation und Landmanagement. - 2006. - 3. - P. 148-152.
10. Glander T., Trapp M. A incept of effective landmark depiction in geovirtual 3d environments by view-dependent deformation // 4th International Symposium on LBS and Telecartography : CD proceedings. - 2007.
11. Jobst M., Dollner J. 3D City Model Visualization with Cartography-Oriented Design // 13-th International Conference on Urban Planning, Regional Development and Information Society (REAL CORP), (Manfred Schrenk, Vasily V. Popovich, Dirk Engelke, Pietro Elisei, ed.), CORP. -Competence Center of Urban and Regional Planning, 2008. - P. 507-516.
12. Pasewaldt S., Trapp M., Dollner J. Multiscale Visualization of 3D Geovirtual Environments Using View-Dependent Multi-Perspective Views // Journal of WSCG. - 2011. - Vol. 19, no. 3. - P. 111-118.
13. Artographic Generalization In Virtual Reality / A. C. Frery, C. Silva, E. Costa, E. Almeida // XXth ISPRS Congress Technical Commission IV (Istanbul, Turkey, July 12-23, 2004). [Электронный ресурс] - Режим доступа : http://www.isprs.org/proceedings/XXXV/congress/ comm4/papers/342.pdf.
14. Doytsher Y. 3D Urban Areas Scenes Based on a Hierarchical Clustering Approach and Information Theory // GEOProcessing 2014: The Sixth International Conference on Advanced Geographic Information Systems, Applications, and Services (Barcelona, March 23-27, 2014). - Barcelona, Spain, 2014.
15. He S., Moreau G., Martin JY. Footprint-Based 3D Generalization of Building Groups for Virtual City Visualization // GEOProcessing 2012: The Fourth International Conference on Advanced Geographic Information Systems, Applications, and Services, IARIA. - P. 177-182.
16. Бугаков П. Ю. Общая схема технологии создания перспективных электронных карт // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 2. - С. 141-131.
17. Лисицкий Д. В., Хорошилов В. С., Бугаков П. Ю. Картографическое отображение трехмерных моделей местности // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 2/1. -С. 98-102.
18. Бугаков П. Ю. Принципы картографического отображения трехмерных моделей местности // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск : СГГА, 2012. Т. 3. - С. 156-161.
19. Лисицкий, Д. В., Бугаков, П. Ю. Особенности генерализации перспективных карт // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 2. - С. 57-64.
20. Бугаков П. Ю. Методика создания перспективных карт по 3D-моделям местности : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск, 2012.
21. Бугаков П. Ю. Огруктурное обобщение элементов трехмерных моделей городских территорий // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 1. - C. 156-160.
Получено 18.11.2016
© П. Ю. Бугаков, 2017
FOREIGN EXPERIENCE IN THE FIELD OF CARTOGRAPHIC GENERALIZATION OF THREE-DIMENSIONAL MODELS OF URBAN AREAS
Petr Yu. Bugakov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, Russia, 630008, 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
This article discusses some features of the generalization of three-dimensional models of urban areas. International developments in the field of generalization of the three-dimensional terrain models and perspective maps are briefly described. Attention is paid to the solution of one of the most important tasks of generalization, relating to facilitate the perception of spatial information for a quick orientation on the ground using a map. Some ways of improving the perception of the topo-logical structure of the city and reduce invisible areas on a perspective maps are described. In particular, it briefly described the method of synthesis of the cell-based simplification of the topological structure of the urban area and the method of creating a progressive and regressive perspective is reviewed. The article also referred to a raster based approach to three-dimensional generalization, which consists in the analysis and simplify planned projections of three-dimensional objects of the urban area. At the end of the article there are links to the work of the Siberian state University of geosystems and technologies in the field of three-dimensional mapping.
Key words: generalization, detalization, perspective map, synthesis, structure, three-dimensional digital model, urban area.
REFERENCES
1. Eshtokin, A. N. Kartograficheskaya generalizatsiya [Cartographic Generalization]. Retrieved from at http://topography.ltsu.org/kartography/k8.html [in Russian].
2. Lynch, K. (1960). The Image of the City. MIT Press.
3. Glander, T., & Döllner, J. (2009). Abstract Representations for Interactive Visualization of Virtual 3D City Models. Computers, Environment and Urban Systems, 33(5), 375-387.
4. Glander, T., Döllner, J. (2008). Automated Cell-Based Generalization of Virtual 3D City Models with Dynamic Landmark Highlighting. Retrieved from at https://hpi.de/fileadmin/user_upload/fachgebiete/doellner/publications/2008/GD08/paper_ICA_wor kshop.pdf.
5. Glander, T., Trapp, M., & Döllner, J. (2012). Concepts for Automatic Generalization of Virtual 3D Landscape Models. GIS SCIENCE, 25(1), 8-23.
6. Buchholz, H. (2006). Real-Time Visualization of 3D City Models. PhD thesis. HPI, Universität Potsdam.
7. Sester, M. (2007). 3D Visualization and Generalization. Photogrammetric Week '07. Wichmann Verlag, Heidelberg.
8. Chen, X., & Bai, F. (2001). Generalization of Three-Dimensional City Maps. Retrieved from at http://icaci.org/files/documents/ICC_proceedings/ICC2001/icc2001/file/f13036.pdf.
9. Forberg, A., & Mayer, H. (2006). Simplification of 3D Building Data. Zeitschrift für Geodäsie. Geoinformation und Landmanagement, 3, 148-152.
10. Glander, T., & Trapp, M. (2007). A incept of effective landmark depiction in geovirtual 3d environments by view-dependent deformation. CD proceedings of 4th International Symposium on LBS and Telecartography.
11. Jobst, M., & Döllner, J. (2008). 3D City Model Visualization with Cartography-Oriented Design. 13-th International Conference on Urban Planning, Regional Development and Infor-
mation Society (REAL CORP), (Manfred Schrenk, Vasily V. Popovich, Dirk Engelke, Pietro Elisei, eds.) (pp. 507-516). CORP - Competence Center of Urban and Regional Planning.
12. Pasewaldt, S., Trapp, M., & Dollner, J. (2011). Multiscale Visualization of 3D Geovirtual Environments Using View-Dependent Multi-Perspective Views. Journal of WSCG, 19(3), 111-118.
13. Frery, A. C., Silva, C., Costa, E., & Almeida, E. (July 12-23, 2004). Artographic Generalization In Virtual Reality. XXth ISPRS Congress Technical Commission IV. Istanbul, Turkey. Retrieved from at http://www.isprs.org/proceedings/XXXV/congress/comm4/papers/342.pdf.
14. Doytsher, Y. (March 23-27, 2014). 3D Urban Areas Scenes Based on a Hierarchical Clustering Approach and Information Theory. GEOProcessing 2014: The Sixth International Conference on Advanced Geographic Information Systems, Applications, and Services. Barcelona, Spain.
15. He, S., Moreau, G., & Martin, JY. (2012). Footprint-Based 3D Generalization of Building Groups for Virtual City Visualization. GEOProcessing 2012: The Fourth International Conference on Advanced Geographic Information Systems, Applications, and Services, IARIA (pp. 177-182).
16. Bugakov, P. Yu. (2013). General Scheme for Prospective Electronic Map-Making. In Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2013: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 2. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2013: International Scientific Conference: Vol. 2. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Surveing] (pp. 141-139). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
17. Lisitskiy, D. V., Khoroshilov, V. S., & Bugakov, P. Yu. (2012). Mapping three-dimensional terrain models. Izvestiya vuzov. Geodeziya i aerofotos"emka. [Izvestiya vuzov. Geodesy andAerophotography], 2/1, 98-102 [in Russian].
18. Bugakov, P. Yu. (2012). The Principles of Cartographic Display of Three-Dimansional Terrain Models. Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2012: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 3. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya, marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2013: International Scientific Conference: Vol. 3. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Surveing] (pp. 156-161). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
19 Lisitskiy, D. V., &Bugakov, P. Yu. (2014). Features of Prospective Maps Generalisation. Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2014: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 2. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2014: International Scientific Conference: Vol. 2. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Surveing] (pp. 57-64). Novosibirsk: SSUGT [in Russian].
20 Bugakov, P. Yu. (2012). Metodika sozdaniya perspektivnykh kart po 3D-modelyam mestnosti [The methods of creating perspective maps on 3D terrain models]. Candidate's thesis. Novosibirsk [in Russian].
21 Bugakov P. Yu. Structural Generalization of the Elements of Three-Dimensional Models of Urban Areas. (2013). Sbornik materialov Interekspo GEO-Sibir'-2016: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Geodeziya, geoinformatika, kartografiya marksheyderiya [Proceedings of Interexpo GEO-Siberia-2013: International Scientific Conference: Vol. 1. Geodesy, Geoinformatics, Cartography, Surveing] (pp. 156-160). Novosibirsk: SSUGT [in Russian].
Received 18.11.2016
© P.Yu. Bugakov, 2017
