Software & Systems

На традиционных картах все объекты реального мира описываются в плоской (2D) системе координат. Третья пространственная координата площадных объектов – высота H – отображается цветом или изолиниями.

На векторных картах современных геоинформационных систем (ГИС) различного назначения (градостроительных, инженерных, кадастровых) возникает необходимость отображать плоские объекты объемными моделями, например участки местности, зеленые насаждения, здания, крупные инженерно-технические сооружения и коммуникации. Трехмерные карты территории, на которой планируется новое строительство или реконструкция существующих объектов, позволяют визуализировать новый объект с детальной точностью, оперативно принимать решения о возможных корректировках проекта, ускорять процесс непосредственно проектирования и согласования проекта.

Трехмерное изображение актуально для объектов, расположенных на разных уровнях над или под поверхностью земли [1]. Для компьютерного отображения объектов 2D- и 3D-карт используются библиотеки условных обозначений, архитектура которых уникальна для ГИС каждого производителя.

Инструменты отображения 3D-карты  в ГИС «Карта2011»

В ГИС «Карта2011», созданной КБ «Панорама» (г. Москва), библиотека условных обозначений представлена файлами цифровых классификаторов для линейки масштабов карт. Разработчики определяют его как совокупность описания слоев векторной карты, видов объектов и их условных знаков, видов семантических характеристик и принимаемых ими значений, представленных в цифровом виде [2]. Файл классификатора, называемый еще файлом ресурсов, подгружается при создании векторной картой в ее директорию и становится доступным для редактирования. Условные знаки для 2D-объектов представляют собой точку, линию, площадь, обогащенные набором параметров (толщина, цвет, штриховка и т.д.). Для описания каждого объекта используются две совокупности цифровых данных, называемые метрикой и семантикой. Метрика объекта содержит координаты точек в двух- или трехмерной системе. Набор индивидуальных значений характеристик (атрибутов) принято называть семантикой объекта.

Цифровой классификатор имеет две возможности для описания объекта в 3D-пространстве:

–      высотные характеристики для 2D-объектов задаются через многочисленные атрибуты семантики, например «абсолютная высота», «глубина», «расположение относительно земли», «относительная высота», «отметка основания» и др.;

–      координаты точек в трехмерной системе заносятся различными способами и хранятся в метрике объекта.

Для объемной визуализации объектов карты в файл классификатора подключаются стандартные библиотеки трехмерных изображений Stan­dard.p3d и topo100.p3d, содержащие трехмерные изображения и текстуры для них, причем под текстурой (texture) понимается растровое изображение, которое может быть натянуто на 3D-форму объекта.

Этапы построения трехмерной модели местности

Трехмерная модель местности строится на векторной 2D-карте в форматах MAP или SIT [3]. Исходная карта является основой для построения матрицы высот в формате MTW или триангуляционной модели в формате TIN, одной из которых достаточно для построения 3D-модели (рис. 1).

Матрица высот – растровая модель местности, получаемая путем преобразования исходных векторных данных о высотах в растровый вид с интерполяционным заполнением пустот, причем выбор параметров интерполяции, способы обработки высот, размер минимального элемента матрицы позволяют получать растровую цветную модель необходимой детальности.

TIN-модель (Triangulated Irregular Network) – растровая многогранная поверхность, полученная построением нерегулярной сети треугольников на массиве 3D-точек. Переменная плотность исходных точек в зависимости от особенностей рельефа позволяет создать точную модель поверхности.

Отображаемые растровые модели с цветовой палитрой высот называют псевдотрехмерной моделью. Для перехода к реальной трехмерной модели местности необходимо назначить всем объектам местности 3D-вид, то есть включить в используемый файл классификатора стандартную библиотеку трехмерных изображений, которая может быть дополнена импортированными элементами индивидуального вида объектов из трехмерных редакторов сторонних разработчиков.

Проведем исследование создания трехмерной модели по двум вышеуказанным вариантам на несложной карте транспортной развязки (рис. 2).

2D-карта транспортной развязки

Автотранспортная развязка имеет два уровня, соединенных мостовым переходом. Первый (нижний) уровень представляет собой автомобильную дорогу с двумя полосами движения и стоянками для отдыха, вдоль обочины произрастают ветрозащитные насаждения. Второй (верхний) уровень имеет мостовой переход (мост), который поднят на 3,5 метра относительно нижнего уровня, мост имеет опоры и боковые ограждения. Чертеж развязки подготовлен в программном пакете AutoCAD, сохранен в обменном формате DXF и импортирован в ГИС «Карта2011».

Элементы автомобильной дороги созданы несколькими полигональными объектами, поскольку для создания рельефа с возвышенностью необходимо создавать матрицы высот на объекты, имеющие возвышение и не имеющие возвышение. Создавая объект «автострада», имеющий одинаковую абсолютную высоту, необходимо в семантику полигонов добавлять ее значение. Для этого вносятся изменения в классификатор – в объект «автострада» добавляется семантическая информация «абсолютная высота».

Объекты автодороги, имеющие возвышение (мост), создаются без задания абсолютной высоты, но по их периметру проставляются точечные объекты – «отметка высоты» из слоя «Математическая основа карты», которым присваивается значение абсолютной высоты с постепенным увеличением. Подобным образом создаются все объекты карты, необходимые для построения матрицы высот, то есть имеющие высоту.

Построение матрицы высот

Матрица высот (растровый файл в формате mtw) может быть построена на любой участок местности карты. Для исключения влияния высот одних объектов развязки на другие были созданы 13 матриц высот на участки местности, ограниченные замкнутыми объектами.

Построение матриц ведется по семантической характеристике «абсолютная высота», элементы матрицы поверхности вычисляются средневзвешенной интерполяцией для объектов автодороги с заданной абсолютной высотой и линейной интерполяцией по сетке высотных точек для объектов автомобильной дороги, на которых точечно проставлены абсолютные высоты.

Палитра матрицы высот соответствует палитре рельефа в картографии: низменности изображаются темно-зеленым цветом, возвышенности – коричневым.

Построение TIN-модели

Для алгоритма построения TIN-модели нужны 3D-точки карты, которые могут принадлежать точечным, линейным и площадным объектам. Авторами был выбран вариант построения одной TIN-модели для всей карты, где, кроме транспортной развязки, для реалистичности добавлены стоянки для отдыха. Для этого пришлось увеличить число 3D-точек карты, изменить метрическое описание площадных и линейных объектов, добавить площадные объекты, элементы растительности. Карта и ТIN-матрица в схематическом виде отображены на рисунке 3.

Трехмерная модель

Всем нанесенным на карту объектам назначается объемный вид из стандартной библиотеки трехмерных изображений. Объект «мост» создан на основе двух шаблонов: «мост» (площадной, горизонтальная поверхность) и «колонна» (точечный, знак с заданной высотой). Для большей реалистичности к мосту был добавлен парапет. Для объекта «фонтан» создан новый шаблон (рис. 4). Трехмерные изображения автомобилей импортированы из внешних библиотек.

Кнопка «Построение трехмерной карты» инициирует создание трехмерной модели местности по векторной карте местности, матрице высот и настроенному классификатору.

Таким образом, качество построенной трехмерной карты местности со сложным транспортным сооружением зависит от качества матрицы высот и реалистичности используемых шаблонов 3D-вида объектов классификатора карты. Качество ТIN-матрицы обеспечивает количество точек, участвующих в построении. Большее число точек обусловливает большую детальность рельефа, для прямоугольных сооружений требуется создание «ответных» и дополнительных точек. Матрица высот МTW дает сглаженное изображение рельефа: точности можно достичь только сложением матриц высот для объектов: в данном, сравнительно несложном случае построено 13 матриц объектов карты. Для урбанизированной местности имеет смысл сочетание обоих типов матриц высот для соответствующих объектов карты. Стандартная библиотека трехмерных изображений КБ «Панорама» нуждается в развитии и совершенствовании процесса загрузки внешних шаблонов 3D-ви­да объектов.

Литература

1.     Савченко К.А., Котиков Ю.Г. Возможности трехмерного ГИС-моделирования размещения средств организации дорожного движения на транспортных развязках // ArcReview. 2012. № 3 (62).

2.     Геоинформационная система «Карта2011». Создание и редактирование классификаторов векторных карт. URL: http:// www.gisinfo.ru/download/doc.htm (дата обращения: 24.10.2012).

3.     Создание 3D-модели средствами ГИС «Карта2008». URL: http://gis-lab.info/qa/giskarta-3d.html (дата обращения: 30.11.2012).