3D-моделирование картографической информации в городской среде (на примере г. юбилейного московской области)

      Комментарии к записи 3D-моделирование картографической информации в городской среде (на примере г. юбилейного московской области) отключены

3D-моделирование картографической информации в городской среде (на примере г. юбилейного московской области)

Перспективные карты – один из самых наглядных и понятных широкому кругу читателей видов картографической продукции. Такие карты фактически без помощи легенды разрешают передать данные о местности. Это разрешает вычислять тему дипломной работы вычислять актуальной.

Трехмерные карты составляются и оформляются по совсем различным разработкам: от рукописных до всецело автоматизированных. Но значительно чаще – это интерактивная работа, сочетающая в себе возможности современных графических и ГИС-софтов с пониманием человека о том, какой продукт нужно взять в следствии работы.

Исходя из этого целью данной работы есть не столько разработка перспективной карты, сколько нахождение оптимальной разработке создания таких карт на примере города Юбилейного Столичной области. Создание трехмерных моделей не есть непростой задачей, в случае если картограф владеет исходными данными и соответствующим софтом. Но может ли трехмерная модель именоваться картой и удовлетворяет ли она требованиям, предъявляемым к картам, – это предстоит узнать в ходе изучения.

При разработке разработки создания перспективной карты была поставлена цель добиться упрощения процесса составления за счет большой его  автоматизации, и изучение возможностей оформления карт с применением ГИС-разработок. Для этих целей нужно применять последние успехи в среде пространственного геомоделирования.

Карта, составляемая по проектируемой разработке, есть  краеведческой по назначению, носит справочно-информационный темперамент и предназначена для широкого круга потребителей. Она составляется для ознакомления людей с территорией города, его объектами и планировкой.

На протяжении оформления карты и проектирования содержания нужно совершить анализ литературных источников, выбрать главный и дополнительный картографический материал, выстроить электронную трёхмерную модель, выполнить её оформление, совершив для этого экспериментальные работы, создать подготовки и технологическую схему составления проектируемой карты к изданию. Кроме этого нужно совершить оценку значимости совершённой работы. Кроме этого нужно решить вопрос об экологической обстановке на картографируемой территории – как в городе Юбилейном, так и в Столичной области.

Для анализа использованы следующие картографические и другие  материалы:

  1. Космический снимок из источника «Яндекс-карты» (cпутник IKONOS), дата съёмки 2009-07-13, облачность 10 %, угол отклонения от надира 27,54?, разрешение 1 м (рис. 1).
  2. Космический снимок, забранный с источника «Гугл планета Земля» (cпутник GeoEye-1 (ресурс GeoEye)), дата съёмки 2007-05-06, облачность 0 %, угол отклонения от надира 18,64?, разрешение 50 см (рис. 2).
  3. Замысел – г. Юбилейный – 1: 5 000. – ООО «Центргипрозем», аэрофотосъёмка 2008 г., топосъёмка 2008 г. (рис. 3)
  4. Замысел-схема г. Юбилейного – Путеводитель «Юбилейный. Город ракетно-космической науки»

Рис. 1 – Фрагмент снимка с «Яндекс-карт».

Рис. 2 – Фрагмент снимка «Гугл Earth».

Рис. 3 – Фрагмент замысла 1:5 000.

Перечисленные картографические произведения, и космические снимки оценивались по полноте содержания, достоверности, современности и точности материала.

В ходе анализа выбор лежал между снимком GeoEye-2 и топографическим замыслом масштаба 1:5 000. За базу принят снимок как более современный  материал с высоким разрешением (0,5 м).

Так как создаваемую карту планировалось разрабатывать в трехмерном изображении, для зданий и построения было решено применять дополнительные эти. В качестве дополнительных источников использовались: цифровая модель рельефа города Юбилейного (с SRTM), фотографии объектов, и топографический замысел масштаба 1:5 000 (для определения высоты строений по этажности и элементов составления, каковые не видны на снимке) и замысел-схема из буклета (источник 4).

По окончании выбора главного и дополнительных источников были проведёны оценка и анализ программных средств. В итоге было решено применять следующие главные программы: MicroStation (для трёхмерной модели), Walkinside (для визуализации отрендеренной модели, выбора ракурса, создания видеооблётов).

Карта проектировалась как настенная. Её назначение обзорно-краеведческое (для применения в школе: изучения краеведения, истории и географии города).

Для построения перспективной проекции на данную территорию выбран непроизвольный метод ее получения посредством средств программы MicroStation. И, несмотря в основном плоский рельеф картографируемой территории, он был учтён при создании возможности. Построение осуществлялось в интерактивном режиме, наряду с этим программой употреблялись и учитывались все правила и требования получения возможности.

Положение всех составляющих элементов при построении, выбирались так, дабы обеспечить наилучшие условия отображения. Под этими условиями в этом случае понимаются необходимость и эстетические аспекты более детального и точного показа самые важных элементов территории.

При выборе точки зрения употреблялись программы Microstation и Walkinside. Ставилась задача показа громаднейшей площади главной территории города.

К будущей карте в этом отношении предъявлялись следующие требования

  • продемонстрировать все главные объекты населённого пункта, и все жилые районы;
  • по возможности избежать «мёртвых территорий» на карте (строения переднего замысла не должны закрывать собой улицы и строения дальнего замысла);
  • в связи с особым значением железной дороги как главной транспортной артерии города и в один момент границы населённого пункта попытаться изобразить её максимально полно.

В следствии проведения громадного количества экспериментальных работ выбраны 2 ракурса территории, самый удовлетворяющие вышеописанным требованиям (Рис. 4 и 5). Из них в качестве окончательного был выбран вид, продемонстрированный на Рис. 5.

Рис. 4. Первый вариант экспериментального вида.

Рис. 5. Второй вариант экспериментального вида

При проектировании оформления карты был совершён анализ ранее изданных карт подобной тематики, дабы применять успешные приемы и избежать повторения неточностей. Для этого были оценены все преимущества и недочёты фонового, штрихового и шрифтового оформления карт.

Проанализированы картографические произведения:

  1. Перспективные карты ул. Остоженки и горного жилого комплекса. (Рис. 6)
  2. Перспективная карта ЖД станции. (Рис. 7)
  3. Другие примеры перспективных карт.

Рис. 6. – Фрагмент перспективной карты Остоженки

Рис. 7. – Фрагмент перспективной карты ЖД станции

Промежуточным результатом работы по проекту явилась модель (рис. 8).

Рис. 8 – Фрагмент трёхмерной модели в режиме WireFrame.

Она является трёхмерный векторный файл, что посредством математических функций обрисовывает поверхности и линии моделируемой местности. Эта модель есть технической и не испытывает недостаток в особенном оформлении с целью проведения по ней разных работ (картометрии, дополнительных построений, редактирования).

Но так как посредством модели планировалось создание трёхмерной перспективной карты, решено совершить кое-какие оформительские работы для удобства и наглядности предстоящей работы. Вследствие этого совершён последовательность опытов. В них вошёл подбор текстур лесной растительности для её выделения на использованном снимке, подбор тектсур и заливок для отображения форм строений, и выбор самоё подходящего освещения для отображения подчёркивания и снимка пластики трёхмерных объектов (рис.

9 а и 9 б).

Рис. 9 а – Один из вариантов оформления модели (текстура, имитирующая стенки строений, трёхмерные модели деревьев).

Рис. 9 б – Один из вариантов оформления модели (монохромная текстура строений, текстура растительности).

В следствии этих работ был выбран вид, фрагмент которого представлен на рис. 9 б.

Исходя из характера проектируемой карты, предлагается оформление её в векторных редакторах (таких, как Adobe Illustrator либо Corel Draw). Ввиду того, что в программе MicroStation составление элементов ведётся в векторном виде, и того, что средства данной программы разрешают перевести трёхмерную модель в файл плоских двухмерных фигур в соответствии с выбранной картинной плоскостью проектирования, получение файла для обработки в векторных редакторах не воображает труда.

Хорошими сторонами векторного оформления являются:

  • возможность оперативно присваивать тому либо иному полигону (шейпу) градиентную (для скатов крыш), однотонную (для фасадов) либо текстурную заливку;
  • возможность применения чистых и броских цветов для тех либо иных элементов содержания карты;
  • возможность создавать чертежи фасадов строений точно (по итогам полевых обследований) и с нужной подробностью;
  • возможность переводить в векторный вид растровые изображения (к примеру, растровые изображения леса либо отдельных деревьев);
  • полученная таким методом карта возможно напечатана любым размером (формат карты будет зависеть только от запросов клиента);
  • файл векторной карты не будет занимать громадных количеств памяти, что предполагает стремительную работу с ним.

Помимо этого, по окончании составления карты на неё возможно наносить и тематическую нагрузку.

Сразу после выбора главного материала, по которому будет вестись составление, снимок «вырезан» (программа Гугл Earth) и импортирован в программу MicroStation. Кроме этого из программы Гугл Earth сняты координаты крайних точек картографируемой территории. Это было сделано для загрузки цифровой модели рельефа (рис.

10).

Рис. 10 – Цифровая модель рельефа в изометрии.

Перепады высот в г. Юбилейном незначительные. Однако мы не пренебрегли рельефом местности, что сделает карту более правильной и точной. ЦМР была взята посредством SRTM.

Цифрование строений велось средствами программы MicroStation с одновременным дешифрированием снимка (рис. 11). Изначально оцифровка производилась в нескольких слоях (низкие дома, высотные дома, гаражи       и т. д.), каковые после этого были объединены в один для получения единого файла .dgn. Для построения трехмерных строений произведено экструдирование.

Для определения высоты домов использован топографический замысел масштаба 1:5 000. Помимо этого, в случае дефицита сведений высоту возможно было выяснить по величине тени или путём полевого обследования. Высота каждого этажа принималась равной 3 м. При с крышей, имеющей скаты, по её оси наносился конёк, что помещался на высоту 2 м от нижней границы крыши.

Все поверхности-плоскости программа сооружает как треугольники, потому, что это особенность данного софта (через 3 точки возможно совершить только одну плоскость), или фигуры с громадным числом углов, но при условии, что все точки (вершины углов) лежат в одной плоскости. Было решено воспользоваться первым вариантом (треугольниками), потому, что со вторым появились трудности. Построение крыш из треугольников прекрасно видно на рис.

12 (боковые поверхности «вытягивались» экструзией, а потому не складываются из треугольников).

Рис. 11 – Оцифровка строений с одновременным дешифрированием снимка.

Рис. 12 – Строения в изометрии (вид с юго-запада). Увеличено.

оцифровка и Составление площадей растительности производилось по снимку и не составило особенных затруднений. Помимо этого, на карту наносились не только целые лесные и парковые массивы, но и редколесья, и раздельно стоящие выдающиеся деревья. В следствии цифрования оказались площади целого лесного покрова, каковые по окончании были заполнены одиночными деревьями (на трёхмерной модели они изображались точками).

Это видно на рис. 13 (оранжевые контуры – контуры растительности, зелёные точки – нанесённые единичные деревья, зелёные точки в пределах оранжевых контуров – расставленные программно деревья). Потом точки всех деревьев были спроецированы на цифровую модель рельефа.

После этого в каждую из точек как в точку основания ствола были «посажены» трёхмерные модели деревьев различной величины (нерегулярность и разная величина в распределении точек оснований деревьев в последствии создали чувство леса близкого к настоящему).

Рис. 13 – Пример контуров растительности с расставленными основаниями деревьев.

Трёхмерная модель дерева представляет собой три грани, (любая из которых – плоское изображение растения) пересекающиеся по одной линии (линии ствола) (рис. 14 и 15). Так, модель дерева ничем не отличается от применяемой в компьютерных играх, имитирующих трёхмерное пространство.

Рис. 14 – укрупнённое изображение каркасов деревьев в изометрии.

Рис. 15 – расстановка трёхмерных моделей деревьев.

Потом для выбора наилучшего отображения растительности на будущей карте употреблялись и варианты с текстурированием цифровой модели рельефа: в частности тех её частей, где расположена целая растительность. Для этого было нужно «сажать» на рельеф плоские контура лесов, поскольку в них позже и вводилась та либо другая текстура. Как контуры растительности, так и улицы (см. ниже) по окончании «посадки» на рельеф становятся составляющей цифровой модели рельефа, окрашенной в второй цвет, другими словами как бы «вырезают» из данной модели площади.

Составление улиц города велось с одновременным дешифрированием снимка с подразделением на три категории:

  • магистральные;
  • главные;
  • другие.

Помимо этого, на карту нанесена железная дорога и три ЖД станции – одна категории «Спутник» (скоростная ветка), две другие – платформа и станция «Болшево», принадлежащие, соответственно, монинской и фрязинской веткам железной дороги.

По окончании присвоения и оцифровки улиц им класса, они (как и площади растительности) были посажены на цифровую модель рельефа (улицы в этом случае уже перешли в разряд площадных объектов).

Из других элементов содержания продемонстрированы пруд, ограждения и стадион. пруд и Стадион по окончании составления были «посажены» на цифровую модель рельефа. Ограждения были составлены как ломаные линии, из которых посредством экструзии имитировали заборы.

В ходе составления появлялись кое-какие трудности. К примеру, при составлении любой элемент содержания пребывал в собственном .dgn-файле. Адреса ко всем этим файлам были прописаны в другом особом файле .vrp. Трудность заключалась в том, что при очередном просмотре через программу Walkinside файла .vrp (модель со всеми элементами содержания) появилось, что  элементы неверно привязаны друг к другу.

К примеру, строения появились «под землёй» (рис. 16).

Рис. 16 – Пример несовпадения обрисовывающих кубов различных слоёв.

Обстоятельством для того чтобы результата стало изменение пространственного количества одного из элементов содержания (одного файла .dgn). Так, при проблеме «домов под землёй» стало известно, что перед возникновением неприятности  в файле со строениями пребывали фундаменты домов, расположенные намного (на много метров) ниже изображений домов, согласованных с рельефом. Другими словами так называемый «обрисовывающий куб» этого файла включал в себя и созданные модели домов, и эти «лишние» фундаменты.

По окончании удаления ненужных фундаментов обрисовывающий куб начал охватывать значительно меньшее пространство. Наряду с этим привязывался данный куб к обрисовывающим кубам вторых файлов (вторых элементов содержания) как и прежде посредством точки собственного геометрического центра. А она по окончании удаления лишних элементов (с трансформацией величины самого куба) поменяла собственное положение.

Ответом для того чтобы положения дел стала несложная «отвязка» файла трёхмерных моделей строений с последующей новой привязкой (функция Detach – Attach).

Следующая неприятность пребывала в восприятии программой MicroStation поверхностей, конкретно определяемых в пространстве как треугольников. А это было некомфортно в последующей обработке площадей-треугольников. Так как любой четырёхугольный скат крыши либо стенки дома воображал из себя 2 треугольника.

И это приводило к при вводе текстур, градиентов и заливок. Также в связи с довольно громадными перепадами высот низкие (3 м) строения частично попадали под поверхность ЦМР (рис. 17).

Рис. 17 – Пример пересечения поверхности крыши с ЦМР.

Неприятность была решена на стадии оформления в программе векторной графики. Неприятность «погружения» строений под ЦМР была решена двумя методами: поворотом плоскости основания (соответственно и всего строения) фактически параллельно той части ЦМР, на которой оно находится; повышения высоты строения (рис. 18).

Рис. 18 – Исправленный вариант соотнесения модели строения с цифровой моделью рельефа.

Для имитации растительности были использованы модели лиственных деревьев. Но игнорирование хвойных деревьев, и кустарниковой растительности понижало сходство создаваемой модели с действительностью. Ещё одна неприятность связана с вводом текстур в площади растительности как альтернативы объёмным моделям деревьев.

Не обращая внимания на относительность данной неприятности и наличие моделей разных деревьев в библиотеке, мы всё-таки ограничились вводом только одного вида деревьев. Это связано с трудностями при применении различных моделей растений: это и программные препоны, и распознавание разных видов растений на снимке (впредь до полевого обследования).

Но неприятность была частично решена расстановкой деревьев в случайном порядке, и случайный же порядок ориентировки граней моделей деревьев и их различный размер (это приблизило изображение к действительности и помогло избежать муара). Сложность же с вводом текстур была связана с «посадкой» площадей растительности на ЦМР.

В связи с составлением улиц хотелось бы упомянуть о профилированности улиц и дорог, другими словами об их плоскостном строении. Так как по сути улицы – довольно плоские ленты, врезанные в рельеф. Были кроме этого неприятности, связанные фактически с оцифровкой улиц по снимку: из-за густой растительности не все улицы получалось распознавать и совершенно верно цифровать.

Помимо этого, было нужно столкнуться с неточным автоматическим соединением площадей отдельных улиц либо их фрагментов в более большие площади (со рвением к минимизации их количества) и последующим их наложением на рельеф.

Неприятность профилированности улиц не была решена в силу её незначительности с учётом равнинности рельефа. Трудности, которые связаны с невидимыми участками улиц, удалось решить посредством применения наровне со снимком топографического замысла масштаба 1:5 000 (рис. 19).Соединение же площадей улиц и последующая посадка их на рельеф была осуществлена вручную по окончании работы автомата.

Посредством функции рендеринга определялись неприятности с вырезанием из цифровой модели рельефа улиц, по окончании чего треугольники модели исправлялись вручную до полного соответствия с действительностью.

Рис. 19 – Пример оцифровки невидимой на снимке улицы по двум источникам

Технологическая схема создания перспективных карт приведена на рис. 20:

Рис. 20. Технологическая схема создания перспективных карт.

Пахмурин А.Г., ГИА Иннотер

МБОУ Гимназия №3 Королёв


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: