En  Ru  Ua
 
 
 
 
 
 
Часопис картографії

 

 

 

 

 


Геодані

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

УДК 528.952:644/645                                                                                                                   А. В. Орещенко

СТВОРЕННЯ ТРИВИМІРНИХ КАРТОГРАФІЧНИХ МОДЕЛЕЙ ЗА ДОПОМОГОЮ ARCINFO

        Вступ. Як і всі повнофункціональні ГІС, ArcInfo має можливості для створення тривимірних картографічних моделей. Ці моделі не можна назвати реалістичними, оскільки метод виведення (рендерингу) зображення засобами OpenGL 1.1 не дозволяє генерувати якісний рисунок, так як це роблять редактори тривимірної графіки (3D Max, Maya) чи генератори ландшафтів (Bryce, World Builder). Останні мають кілька алгоритмів рендерингу, які працюють із кількома джерелами світла, створюють м’які тіні, моделюють оптичні характеристики повітряного середовища та ін.
        До переваг ArcInfo належать можливість в напівавтоматичному режимі отримувати тривимірну модель, яка автоматично оновлюється при зміні даних, оперативно відображати дані, що надходять. На створення повнозмістової моделі автор витрачав близько 3-4 годин.
        Аналіз останніх публікацій на цю тему. Викладенню питання створення і проектування ГІС присвячені роботи [10, 12, 2, 8]. Їх поділ за призначенням описано в [3, 11]. Публікація [4] характеризує моделювання територій за допомогою геосистем. В статті [6] порівнюються системи традиційної і  комп’ютерної картографії та ГІС. Здійснюється порівняльний аналіз їх можливостей. Роботи [13, 14] описують роль геосистем в картографічному моделюванні. [9] визначає ключову роль ГІС в управлінні просторовою інформацією. Підкреслюється необхідність запровадження вивчення цих програм в навчальних закладах. Публікації про побудову тривимірних моделей, що за шириною змісту та інформативністю не поступаються топографічним картам – відсутні.  
        Постановка проблеми. Процес створення тривимірних реалістичних моделей більш трудомісткий в порівнянні з виготовленням типових топографічних карт. Його можна спростити, використавши традиційні технології збору інформації, доступні картографічні матеріали та Інтернет-ресурси. Метою статті є дослідження можливостей геоінформаційної системи ESRI ArcInfo для підготовки даних і створення таких моделей.
        Для дослідження використовувалась ArcInfo 9.2 із встановленим модулем 3D Analyst. Побудова моделі виконувалась в ArcScene, оскільки, на думку автора, потреба в крупномасштабних продуктах є більшою. Дрібномасштабні оглядові моделі, створювані в ArcGlobe, можуть мати місце в художніх цілях; в картографії їх застосування обмежене.
        Модель місцевості будувалась на територію м. Роздільна. Вихідним джерелом була карта масштабу 1:10 000 в форматі *.dmf. Для порівняння вона містить 6600 будівель позамасштабних, 5357 дерев окремо стоячих, всього 18 258 об'єктів. На комп’ютері Core2Quad 2.86 з оперативною пам’яттю 3 Гбайт закінчена модель завантажувалась без відчутних затримок і дозволяла здійснювати обліт території з частотою регенерації зображення 3-10 кадрів за секунду.
        Виклад матеріалу дослідження. Можливість тривимірного представлення графіки забезпечує модуль ArcInfo 3D Analyst. Підготовка даних здійснюється в ArcMap, а власне побудову моделі й виведення зображення забезпечують ArcScene і ArcGlobe. ArcScene працює з даними у вигляді карти, тобто на площині, ArcGlobe проектує дані на поверхню Земної кулі.   
        Вимоги до вхідних даних. 1. Однорідні групи змістових одиниць мають знаходитись в окремих шарах. Елементам кожного шару можна назначити тільки однин вид умовних позначень, тобто один тривимірний об’єкт, що виконуватиме роль значка на моделі. Ці позначення можуть набувати різні геометричні і кольорові характеристики, що реалізується за допомогою логічного запиту до атрибутів шару, але матимуть єдину форму. Відповідно чим більша кількість шарів, тим детальнішою буде модель.
        Це накладає деякі обмеження на програмне забезпечення, яке застосовується для підготовки і конвертації даних перед введенням в ArcInfo. Досліджувались дані, що були представлені в форматах MapInfo (*.tab), AutoCAD (*.dwg, *.dxf), Digitals (*.dmf). Формально можна використати будь-яку із вказаних програм. Проте найзручніше працювати з вітчизняною розробкою Digitals. Експорт даних із неї в ArcInfo забезпечує передачу атрибутів, пошарове збереження інформації. В Digitals передустановлені всі шари, що відповідають умовним позначенням топографічних карт. Їх є близько 900 (різні версії мають неоднакову кількість шарів, мал. 1), але конвертуються в Shape-файл тільки ті з них, що містять які-небудь об’єкти.
        В подальшому потрібно перевіряти кожний файл на наявність помилок виконавців і реальний вміст об’єктів. Більшість помилок на карті виявити складно, проте вони добре проявляються на моделі. На малюнку 2 зображена типова помилка цифрувальника: замість висоти горизонталі в 91 м було введено "191".
        Не всі шари потрібно конвертувати в Shape-файли, оскільки є умовні позначення, яким немає відповідників на місцевості. Наприклад, в Digitals є шар "Бергштрихи", „Риска дробу” або „Лугова рослинність”.

 

Шари Digitals

Мал. 1. Шари даних Digitals

 

Помилка оператора

Мал. 2. Помилка оператора

        На відміну від Digitals, AutoCAD не передає атрибути файлів, а в MapInfo складно працювати з великою кількістю шарів, які відображаються в обмеженому за розмірами діалоговому вікні. Типові топографічні карти, створені в УкрДАГП, мали до 30 шарів в форматі *.dwg і 7-10 шарів у MapInfo.
        Вихідний матеріал, створений у векторних графічних редакторах, може відігравати роль лише допоміжного або використовуватись у тих випадках, коли дані в ГІС відсутні на цю територію. Векторні редактори не передають атрибути, тому, наприклад, для побудови ЦМР потрібно надписувати кожну горизонталь.  
        2. Файли шарів мають бути сумісними з ArcInfo. Типовими є проблеми з неправильною конвертацією векторних шарів у Shape-файл. До початку роботи слід обов’язково перевірити всі складові процесу на невеликій ділянці, щоб уникнути браку.
        3. Будівлі і споруди мають бути оцифрованими як полігони, якщо передбачається текстурування їх аеро- чи космічними знімками. Якщо останніх немає або вони незадовільної якості, краще цифрувати будівлі як точкові об’єкти. Полігони в подальшому „видавлюють” за допомогою модифікатора Extrude, а точковим об’єктам присвоюють тривимірний знак будівлі. В цьому випадку в атрибутах файла має бути поле даних орієнтування, що в подальшому дозволить розвернути будівлі так, як вони орієнтовані на місцевості. Як правило, на моделі присутні обидва типи будівель: позамасштабні збережені як точкові, а масштабні як полігони.
        Далі викладений порядок виготовлення моделі.
        1. Експорт даних в Shape-файли. За результатами досліджень, проведених автором, менше помилок трапляється під час експорту даних з програми-редактора до *.shp, ніж імпорт засобами ArcInfo. Кожен шар зберігається як окремий файл, який завантажується в ArcInfo як нові дані. Вигляд вихідної карти після імпорту зображений на мал. 3.  

 

Початковий вигляд карти

Мал. 3. Початковий вигляд карти в ArcScene

        2. Виготовлення цифрової моделі рельєфу (ЦМР). Особливості цього процесу досить повно викладені у таких статтях [1, 5, 7]. ArcInfo дає можливість створювати регулярну (raster) і нерегулярну (tin) ЦМР. Під час випробування були виявлені недоліки як першої, так і другої реалізації. На растровій моделі динамічний діапазон висот обрізається у нижній частині, таким чином дно річки чи яру стає плоским, тобто картографічна інформація спотворюється. На малюнку 4 можна побачити, що горизонталі на вихідній карті (верхня частина) йдуть і по дну балки, в той час як на візуалізації растрової моделі утворилася площина (нижня частина).

Спотворення рельєфу

Мал. 4. Спотворення рельєфу

        Tin-поверхня може мати „тераси” – плоскі ділянки в завідомо неможливій геологічній ситуації, наприклад, по лінії дна V-подібних тальвегів [7] і утворення великого числа (до кількох тисяч на лист топографічної карти) паразитних локальних понижень (синків). Синки і тераси показані на мал. 5.

 

Синки і тераси

Мал. 5. Синки (по тальвегу струмка) і тераси

        3. Текстурування ЦМР растром, отриманим растеризацією векторної топографічної карти. По цій підкладинці на подальших етапах роботи перевіряються положення об’єктів шарів. Якщо шари отримані конвертацією даних із зовнішніх програм, може бути порушена прив’язка. Це найшвидший спосіб перевірки правильності моделі.
        Текстурування (drapping) в ArcInfo (в тому числі в ArcScene і ArcGlobe) кардинально відрізняється від однойменного процесу в тривимірних редакторах і генераторах ландшафтів. В останніх тривимірному об’єкту назначається матеріал (текстура), а в ArcInfo текстура (тобто прив’язаний растр) „отримує висоту” з ЦМР. Це означає необхідність прив’язки текстури до системи координат моделі, автоматично по сітці об’єкта вона не розміщується.    
        4. Завантаження шарів з даними в ArcScene. Це здійснюється так: File>Add Data або Файл>Добавить данные. Для того, щоб отриману модель можна було перенести на інший комп’ютер, рекомендується зберігати всі дані в одній папці або в одній базі даних. Оскільки ArcInfo працює тільки з абсолютними посиланнями на файли (наприклад Shapefile: E:\Models\Model­Multi­Layer\Buil­dings\Окремі_будівлі_не_видатні_позамасштабні.shp), то при перенесенні на інший комп’ютер потрібно вказати шлях до першого шару. Якщо всі шари збережені в одній папці, програма автоматично підключить решту. Якщо ж дані розкидані по кількох папках і дисках, доведеться вручну вказувати шлях до файлів, яких може бути близько сотні.
        Експорт шарів у базу даних здійснюється за допомогою модуля ArcInfo – Arc Catalog. Створюється база даних (File > New > File GeoDatabase) і шари імпортуються в базу даних, як у папку Windows. Тобто працювати доводиться з одним файлом, що з певних міркувань може бути зручнішим.
        5. Створення умовних позначень, яких немає в стандартному наборі об’єктів, що постачаються разом з ArcInfo або якщо вони не задовольняють вимогам до моделі. Всі тривимірні позначення в ArcInfo мають досить невисоку якість. Наприклад, окремо стоячі дерева являють собою 2 фотозображення, розташованих під прямим кутом одне відносно іншого (мал. 6). Проте є значна кількість бібліотек для тривимірних редакторів, де вже ці об’єкти виготовлені і текстуровані, до того ж в більшості випадків на професійному рівні (мал. 7). Потрібно тільки вирішити питання з авторськими правами на них, що значно простіше, ніж власноруч створювати тривимірні об’єкти.

 

Дерево з ArcGIS

Мал. 6. Екземпляр окремо стоячого дерева

Дерево з 3DS Max


Мал. 7. Імпортований об'єкт з 3DS Max

        Подібна ситуація склалася і з будівлями, які за зовнішнім виглядом нагадують європейські і північноамериканські. Потрібні моделі можна виготовити в тривимірному редакторі; цей процес виходить за межі даного дослідження.
        До цього етапу входить і формування текстур (доріг, площадних об'єктів). Автор створював текстури за допомогою фільтра Photoshop, який називається Offset.
        6. Експорт виготовлених моделей природних об’єктів до ArcInfo. Його можна здійснити в двох форматах: VRML і 3D Studio. VRML – Virtual Reality Markup Language, мова розмітки віртуальної реальності, забезпечує порівняно гірші результати, ніж формат 3D Studio. Проте і в останнього є обмеження: розмір позначення не може бути більшим 64 Кбайт. Тому можна використовувати порівняно прості позначення.
        ArcScene для візуалізації зображення використовує набір інструкцій відеокарти OpenGL 1.1, тобто доволі старий алгоритм. Через це якість зображення невисока і швидкість роботи орієнтовно на порядок нижча, ніж з DirectX 10. Складна модель, що відповідає аркушу цифрової карти на забудовану територію і містить всі подані на ній об’єкти, прорисовується з частотою 2-10 кадрів за секунду (весь аркуш, тобто повний екстент). Аналогічна модель в 3DS Max 2009 – 15-25 кадрів. Модель, експортована  до ігрового движка видає 59-60 кадрів за сек. Використання OpenGL зумовлено кросплатформністю програми: вона існує як для платформи Unix, так і для Windows.  
        7. Призначення об’єктам кожного шару певного тривимірного „умовного позначення”. Власне, „умовним” позначення можна назвати тільки з традиційної точки зору, насправді тривимірний об’єкт на вигляд нагадує природній прототип.
        Буває так, що положення деяких умовних позначень на карті не відповідає абсолюьним координатам на місцевості. Це пов’язано з необхідністю відобразити всі значимі об’єкти, тому доводиться на невелику віддаль зміщати інші. Наприклад, лінії проїздів між кварталами можуть не відповідати дорогам на текстурі. Тому кожному компоненту ландшафту має відповідати тільки одне позначення.  
        Не весь зміст векторних карт можна адекватно відобразити на тривимірній моделі. Наприклад, проблематично врахувати яри, показані як масштабними, так і позамасштабними умовними позначеннями. Взагалі всі елементи рельєфу, крім горизонталей, складно передати в ArcScene, тому побудова ЦМР має здійснюватись тільки з горизонталей. Наприклад, для ярів було обчислено їх висоти як середнє з горизонталей, які вони перетинають і від отриманого значення віднято глибину ярів, яка міститься в атрибутах. Результат показано на мал. 8.

 

Яр

Мал. 8. Зображення яру

        Залежно від мети створення моделі подальші кроки можуть бути такими:
        8. Якщо модель створювалась для демонстрації в реальному часі в середовищі ArcView, то існує можливість надати їй інтерактивність. ArcInfo підтримує деякі мови програмування, за допомогою яких можна досконало описати реакцію моделі на дії користувача. Їх огляд – це вже окреме дослідження, як, наприклад, [2]. Базові функції переміщення і масштабування вже створені виробником. Середовище ArcMap забезпечує створення гіперпосилань, проте в ArcScene вони не імпортуються.
        Якщо модель створена для отримання зображень чи відеопослідовностей, тоді задається траекторія руху камери і здійснюється виведення відеофрагмента. В подальшому відеофрагменти можуть бути змонтовані в середовищі програм для нелінійного відеомонтажу, таких як Pinnacle Studio, Adobe Premiere, Sony Vegas Pro, Ulead Video Studio та ін. і стати частиною презентації. Взагалі якість відеовиведення в arcScene досить невисока. Зображення весь час смикається в перпендикулярній до траекторії руху камери площині, текстури неправильно накладаються і зміщуються під час руху.
        Переваги використання ArcScene для побудови тривимірних картографічних моделей.
        1. Програма забезпечує швидке отримання результатів, якщо для моделі не є обов’язковими високоякісне зображення і час на її створення обмежений.
        2. Якщо вхідна інформація може змінюватись. В тривимірних редакторах в такому випадку доведеться переробляти шар, що змінився, в ArcScene достатньо замінити відповідні файли.
        3. ArcInfo не настільки вимоглива до системних ресурсів. Крім того, участь у візуалізації приймають тільки ті об’єкти, що мають бути виведеними на екрані.
        Недоліки.
        1. Неможливість показу на моделі елементів змісту, в природі яким відповідають розосереджені на площі об’єкти. Напрклад, немає функції відображення лісу як множини дерев. Його можна імітувати, застосувавши модифікатор Extrude (який робить з полігона призму, „видавивши” полігон на вказану висоту) і текстурувавши його. Цей спосіб придатний тільки на невеликих ділянках, де перепад рельєфу мінімальний або для плоских моделей. В протилежному випадку ліс поступово зменшує свою висоту і заходить під рельєф (мал. 9).

 

Ліс

Мал. 9. Ліс

        2. Відсутність лінійної перспективи для точкових об'єктів. Будівлі на протилежних кінцях карти виглядають однаково. Проте площадні і лінійні об’єкти мають перспективу (мал. 10).

 

Відсутність лінійної перспективи

Мал. 10. Демонстрація відсутності лінійної перспективи

        3. Не всім умовним позначенням можна співставити реальні об’єкти на моделі. Наприклад, видавлені об’єкти неможливо текстурувати з усіх боків різними текстурами.
        4. ArcScene є єдиною програмою, відомою автору, яка для відеопотоку використовує графічний процесор відеокарти. Тому рендеринг відбувається тільки при активному вікні програми. Якщо вікно згорнути, картинка буде чорною.
        Висновки. ArcInfo можна вважати цілком придатною для побудови тривимірних моделей для задач картографії і архітектури. Водночас можна відмітити деякі чисто програмні недоліки системи – неправильне накладення текстур, відсутність лінійної перспективи. ArcInfo адаптована для вирішення типових завдань тривимірного проектування, що виникають в картографії, тому робота з нею постіше за тривимірні редактори і генератори ландшафтів, які можна вважати повнофункціональними програмами. 
        Перспективи дослідження. Після розробок практичних алгоритмів створення тривимірної картографічної продукції потрібно підкорегувати понятійний апарат, дати вказівки щодо освоєння подібних картографічних творів. Тут же варто розробити загальні рекомендації щодо виготовлення тривимірних умовних позначень без прив’язки до якогось конкретного програмного забезпечення.  

 

Література

        1. Андрейчук Ю., Ковальчук І. Застосування ГІС для аналізу рельєфу басейнових систем (на прикладі р. Коропець) // Геодезія, картографія та аерофотознімання. – 2001. – № 63. – С.: 183-187.
        2. Бусигін Б., Коротенко Г., Коротенко М. Сучасні тенденції застосування мов програмування у геоінформаційних системах // Геодезія, картографія та аерофотознімання. – 2003. – № 63. – С.: 202-208.
        3. Волчанський Р., Ковальчук І. Існуючі ГІС програми – недоліки та переваги // Геодезія, картографія та аерофотознімання. – 2003. – № 63. – С.: 246-250.
        4. Грузинов В. С. Системные основы геоинформационного моделирования територий // Геодезия и картография. – 2009. – №1. – С.: 51-54.
        5. Изучение оползневой деятельности на берегах камского водохранилища с применением ГИС-технологий / В. Г. Калинин, Н. Н. Назаров, С. В. Пьянков, С. А. Симиренов, Д. Г. Тютяткин // Геоморфология. – 2004. – №4. – С.: 55-62.
        6. Козаченко Т. І. Інтеграція функції картографічного моделювання і ГІС-аналізу в геоінформаціних системах при суспільно-географічних дослідженнях // Український географічний журнал. – 2004. – №3. – С.: 99-108.
        7. Кошкарев А. В., Мерзлякова И. А., Чеснокова И. В. Географические информационные системы в эколого-геоморфологических приложениях // Геоморфология. – 2002. – №2. – С.: 68-79.
        8. Лютый А. А., Комедчиков Н. Н. Электронный комплексный ГИС-атлас «наша Земля»: опыт создания, структура и содержание // Український географічний журнал. – 2000. – №2. – С.: 50-55.
        9. Мельник А. В. Проблеми і можливості розвитку геоінформаційної освіти в Україні // Український географічний журнал. – 2008. – №4. – С.: 48-51.
        10. Москаль Н. М. Третій вимір в геоінформаційних системах:передумови та шляхи реалізації // Геодезія, картографія та аерофотознімання. – 2001. – № 63. – С.: 152-159.
        11. Писарев В. С. Справочно-картографические ГИС: назначение, сущность, технология и опыт организации // Геодезия и картография. – 2008. – №2. – С.: 31-35.
        12. Попов Ю. В., Говор В. И. Геоинформационные системы массового применения // Геодезия и картография. – 2006. – №4. – С.: 20-26.
        13. Руденко Л. Г. Географічна картографія в Україні та її значення у геоінформаційному просторі // Український географічний журнал. – 2001. - №3. – С.: 110-113.
        14. Червяков В. А. Технология геоинформационного картографирования (теоретические аспекты) // Геоінформаційне картографування сьогодні: науковий збірник. – К.: Академперіодика, 2002. – С.: 31-33.

 

_____________________________

 

А. В. Орещенко
СТВОРЕННЯ ТРИВИМІРНИХ КАРТОГРАФІЧНИХ МОДЕЛЕЙ ЗА ДОПОМОГОЮ ARCINFO

        В статті викладено основні кроки для побудови тривимірних картографічних моделей за допомогою геосистеми ArcInfo. Досліджуються її можливості щодо реалістичного відображення інформації на прикладі м. Роздільна. Зазначено можливість застосування ArcInfo для підготовки даних з метою створення тривимірних карт і моделей. Автор вказує на обмеження програми, що можуть позначитись на результаті роботи. Даються переваги та недоліки цієї геосистеми для створення тривимірних реалістичних картографічних моделей.

 

А. В. Орещенко
СОЗДАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ КАРТОГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ARCINFO

        В статье изложены основные шаги для создания трехмерных картографических моделей с помощью геосистемы ArcInfo. Изучаются ее возможности для реалистического отображения информации на примере г. Раздельная. Упомянуто возможность использования ArcInfo для подготовки данных с целью создания трехмерных карт и моделей. Автор указывает на ограничения программы, которые могут повлиять на результат работы. Даются преимущества и недостатки этой геосистемы для создания трехмерных реалистических картографических моделей.

 

A. Oreshchenko
CREATION OF THREE-DIMENCIONAL CARTOGRAFIC MODELS USING ARCINFO

        There are stated the main steps for 3D realistic models creation using geosystem ArcInfo in the article. It is studied its capability for realistic visualizing of information in town Rozdilna example. It is mentioned the ArcInfo using possibility for 3D models and maps data preparation. Author points on limitations of the program which may affect the result. It is given the advantages and the disadvantages of the geosystem for creating the 3D realistic cartographic models.


Надійшла 13. 12. 09

 
 

 
 
  +38 098-456-90-20
  +38 095-311-69-98
UkrNetMail logograd@ukr.net  
Gmail

inventlib@gmail.com

 

FBMessenger https://www.facebook.com/logograd FaceBook facebook.com/logograd  
Viber +38 098 456 90 20 linkedin.com/in/andrey-oreshchenko  
Telegram +38 098 456 90 20 Instagramm andrey_oreshchenko  
WhatsUp +38 098 456 90 20