Материал: Построение цифровых моделей рельефа

Наглядно модель TIN можно представить в виде, приведённом на рисунке 5. При этом на рисунке 5 а) можно наблюдать насколько точно данная модель может описывать рельеф, а на рисунке 5 б) видно, что модель действительно нерегулярная и на сколько разные треугольники пришлось использовать для построения части рельефа.

Для составления ЦМР методом TIN основным методом является триангуляция Делоне, поскольку она обладает наиболее подходящими для цифровой модели рельефа свойствами: имеет наименьший индекс гармоничности как сумму индексов гармоничности каждого из образующих треугольников (близость к равноугольной триангуляции), свойства максимальности минимального угла (наибольшей невырожденности треугольников) и минимальности площади образуемой многогранной поверхности.

5 Сравнение моделей

Обе модели и GRID и TIN широко распространены в настоящее время и применяются практически с равной частотой, поэтому выбору одной из них необходимо подходить с аналитической стороны, поскольку для решения одной задачи может идеально подходить одна и совсем не подходить другая, для другой задачи наоборот, а для третьей могут примерно одинаково подходить обе модели. В последнем случае необходимо исходить из рациональности использования ресурсов и простоты использования.

Благодаря самой природе GRID, очень сходной с природой компьютерных устройств, также пользующихся регулярным набором пикселей, расчёт такой модели на компьютере сравнительно прост и производится на довольно высокой скорости. Мониторы, принтеры и прочее оборудование также работают с набором точек, поэтому вывод изображения, просчитанного по модели GRID не вызовет никаких затруднений и лишних затрат ресурсов.

Кроме того, растровая структура как бы сглаживает моделируемый рельеф, нивелируя резкие грани и выступы. Однако, это может привести к значительным отклонениям модели от реального вида рельефа в случае, если последний имеет много остроконечных вершин, крутых склонов и подобных резких изменений. В этом случае моделирование с использованием метода GRID приведёт к сглаживанию и размытию структурных линий рельефа и в общем случае к искажению полученной ЦМР. Для исправления ситуации необходимо будет увеличить пространственное разрешение (уменьшить размер ячейки), что приведёт к резкому возрастанию машинных ресурсов

В общем случае ЦМР по методу GRID требуют больше машинной памяти для хранения, чем по методу TIN. Для больших по объёму цифровых моделей, построенных по методу регулярной сетки высот, нередко используют дополнительные средства и методы при отображении, позволяющие экономить машинные ресурсы. Например, наиболее популярный - построение так называемых пирамидальных слоёв, которые позволяют строить изображение с различными уровнями детальности для различных масштабов, уменьшая тем самым количество избыточных для данного масштаба точек и снижая сложность расчётов.

Подводя итог по модели GRID можно сказать, что она идеально подходит для отображения географических (геологических) объектов или явлений, характеристики которых плавно изменяются в пространстве (рельеф равнинных территорий, температура воздуха, атмосферное давление и тому подобное). Плохо подходит для моделирования рельефа с резкими склонами и вершинами: для точности изображения требует слишком высоких затрат машинных ресурсов. И абсолютно не подходит для моделирования рельефа с сочетанием больших равнинных участков с перепадами высот, что наблюдается, например, в широких разработанных долинах крупных равнинных рек. В таком случае при значительных затратах ресурсы на большей части рельефа - на равнинных участках будет наблюдаться избыточное количество точек, а при отображении склонов и уступов их напротив может не хватить.

Модель TIN лишена таких недостатков. Использование нерегулярной сети треугольников позволяет на плоских участках выделить малое количество точек, построив большие треугольники, а на участках с резкими перепадами высот, напротив, взять большое количество точек, построив маленькие треугольники. Такой подход позволяет правильно отобразить резкие перепады высот без излишней траты машинных ресурсов на просчёт лишних точек плоских участков местности. Таким образом в этом случае модель TIN позволит эффективно использовать ресурсы оперативной и постоянной памяти компьютера для хранения и отображения цифровой модели рельефа.

Недостатком же модели TIN, из-за её нерегулярной природы, является необходимость больших затрат компьютерных ресурсов на обработку модели, поскольку для вывода ЦМР на экран или на печать необходимо дополнительно проводить растеризацию (перевод изображения из формата нерегулярных треугольников модели TIN в пиксели или точки). Данную проблему можно решить с помощью введения некоторой гибридности: структурные линии остаются по TIN модели, а отображается ЦМР в виде регулярного набора точек.

Основным и довольно существенным недостатком модели TIN является так называемый "эффект террас": появление "псевдотреугольников" - плоских участков в заведомо невозможной геоморфологической ситуации (например, по линии днища V-образных долин, приведённых на рисунке 6 [2]).

Одна из основных причин - малое расстояние между точками цифровой записи горизонталей в сравнении с расстояниями между самими горизонталями, что характерно для большинства типов рельефа в их картографическом отображении.

"Псевдотреугольники" возникают там, где все три вершины треугольника лежат на одной горизонтали. Появление таких морфологических артефактов нарушает морфографию и морфометрию моделируемого рельефа и снижает точность и качество самой модели и ее производных.

Рисунок 6 - «Эффект террас» в долинах малых рек, возникающий при создании TIN на основе горизонталей без учёта структурных линий рельефа (в данном случае - гидросети)

Один из способов значительного улучшения качества и морфологического правдоподобия ЦМР состоит в расширении модели TIN путем ее структурирования - введения в нее сети тальвегов, водоразделов и линий перегибов и разрывов (бровок, уступов террас и т.п.) [1,5].

6 Информационное обеспечение для создания ЦМР

Информационное обеспечение -совокупность массивов информации, реализованные решения по видам, объемам, размещению и формам её организации, набор методов ввода данных, проектирование баз данных, их ведение и ак далее.

Сначала рассмотрим возможные способы получения информации, необходимой для построения ЦМР. Для составления цифровых моделей рельефа используются следующие источники данных:

- картографические материалы. К ним относятся: топографические и общегеографические карты, кадастровые планы и тому подобное. Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя ГИС;

- данные дистанционного зондирования (ДДЗ). К ним относятся: материалы, получаемые с космических носителей, аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы;

- результаты полевых обследований, это геодезические измерения природных объектов, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками, а также результаты обследования территорий с применением геоботанических и других методов;

-статистические данные. К ним относятся: гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и тому подобное;

- литературные данные: тексты, описания, отчеты;

-прочие данные: фото, иллюстрации, зарисовки.

Как было сказано выше независимо от метода построения оптимальным способом хранения ЦМР является послойное хранение. В этом случае возможно хранение гораздо большего количества информации, отображаться и детализироваться которая будет в зависимости от выбранного слоя, что позволяет экономить компьютерные ресурсы и не загромождать ненужной информацией ЦМР на более общих слоях. Кроме того, широко практикуется послойная организация цифровых моделей рельефа для разделения тематически разной информации (географические, геологические, биологические и прочие данные).

Начальные данные о пространственном положении (географические данные) и связанные с ними табличные, составляющие основу ЦМР могут быть составлены самим пользователем, либо приобретены.

Далее эти данные могут быть введены  программу вручную с использованием дигитайзера. Растровое изображение карты в модель можно подгрузить с использованием сканера (с бумажных носителей), далее провести его векторизацию (оцифровку).

Составленная цифровая модель рельефа ещё должна пройти процесс визуализации или отображения изображений (картографических, графических) на устройствах отображения (преимущественно – на мониторе). Этот процесс основан на преобразовании исходных цифровых данных с помощью специальных алгоритмов. В зависимости от поставленных целей и задач процесс визуализации ЦМР может отображаться в итоге в виде: электронной карты (ЭК), электронного атласа, таблиц и графиков, анимации, а также трехмерного изображения рельефа (3D-рельеф).

7 Программное и аппаратное обеспечение для создания ЦМР

В настоящее время на рынке существует огромное количество программных продуктов для создания и анализа цифровых моделей рельефа, значительно отличающихся по функциональным возможностям и цене. Все их можно объединить в несколько больших групп.

Мощные полнофункциональные модули. Эта группа предлагает самые широкие возможности по созданию цифровых моделей рельефа, но и цена таких пакетов самая большая. Распространённость данных модулей обусловлена отсутствием необходимости в дополнительном программном обеспечении - они представлены в виде надстройки к популярным программным комплексам. Примерами данной группы служат модули: Autodesk Map 3D системы AutoCAD (Autodesk Inc.), Spatial Analyst, 3D Analyst, Geostatistical Analyst ГИСпакета ArcGIS (ESRI Inc.), Terrain пакета GeoMedia (Intergraph Corp.) и другие.

Программы с применением ЦМР для создания систем виртуальной реальности. Эти программы узкоспециализированны и как правило не имеют или имеют довольно скромный набор аналитических функций. Из подобного класса программного обеспечения наибольшую популярность в мире приобрели: программа Virtual GIS, входящая в состав полнофункционального комплекса ERDAS Imagine (Leica Geosystems), комплексы MultiGen Creator Terrain Studio и MultiGen Vega Prime (MultiGen-Paradigm), программы ArcScene и ArcGlobe ГИС-пакета ArcGIS (ESRI Inc.), а также модуль SiteBuilder 3D (MultiGen-Paradigm) для ArcGIS.

Также узкоспециализированными являются и программные пакеты конкретно для работы с цифровыми моделями рельефа. Они, как правило, имеют функции создания ЦМР различными методами, а также дальнейшего построения тематических карт на их основе. Наиболее известны пакеты программ Surfer (Golden Software Inc.) и MicroDEM / Terra Base (U.S. Naval Academy).

Отдельным классом можно представить дополнительные программы, которые выполняют строго специфичные функции необходимые при создании или обработке ЦМР. Это программы для автоматической или полуавтоматической векторизации (оцифровке) растровых изображений карт местности. Например, отечественнык Easy Trace (EasyTrace Group) и MapEDIT (Резидент).

Ещё сравнительно недавно для создания и работы с цифровыми моделями рельефа использовали дорогое аппаратное обеспечение: графические рабочие станции на базе платформ IBM, Silicon Graphics, Sun Microsystems или Hewlett-Packard, функционирующие под UNIX-подобными операционными системами. В настоящий момент технический прогресс шагнул настолько далеко, что практически обычные персональные компьютеры способны обрабатывать ЦМР в режиме реального времени.

Для работы с цифровыми моделями рельефа важнейшими элементами аппаратного обеспечения являются центральный процессор, оперативная память и видеокарта. Мощность центрального процессора обеспечивает скорость расчётов.

Жёсткий диск (винчестер) зачастую в современных ПК является "узким бутылочным горлышком" в передаче данных. Ведь скорость считывания информации в современных винчестерах 70–80 Мб/с, а скорость передачи данных между процессором и оперативной памятью ПК достигает 10 Гб/с и более. Частично решить эту проблему можно за счёт использования RAID-массивов из быстродействующих SCSI или SATA дисков (например, SATA-дисков WD Raptor со скоростью вращения 10 000 об./мин).

Видеокарта существенно влияет на производительность при трёхмерном моделировании. При этом почти все соответствующие программы используют OpenGL-драйвер. Скорость работы в OpenGL-режиме является определяющим фактором при выборе видеокарты. Из массовых видеокарт традиционно лучше работают с OpenGL видеокарты на базе чипов NVidia (в отличие от ATI/AMD и других производителей). Серьёзно увеличивают производительность видеоподсистемы ПК технологии "двойных" видеокарт [SLI (NVidia), CrossFire (ATI/AMD)]. Профессиональные видеокарты имеют драйвера, сертифицированные ведущими производителями программного обеспечения ГИС, но стоят гораздо дороже.

8 Трёхмерные модели и виртуальные геоизображения

Трёхмерное моделирование в настоящий момент одно из самых быстроразвивающихся направлений использования ЦМР. Отличие трёхмерной модели от двумерной вполне очевидно: можно визуально оценить особенности рельефа местности, его изменчивость и прочие характеристики.

Для создания трёхмерной модели некоторой местности можно воспользоваться ортоизображением, которое представляет собой космический снимок или аэрофотографию с устранёнными искажениями, в результате чего масштаб всех точек выравнивается. Подготовленное ортоизображение как бы "натягивается" на поверхность, созданную по цифровой модели рельефа. После такой обработки можно получить достаточно реалистичное 3D-изображение.

Однако, такое совмещение ортоизображения и ЦМР не всегда могут точно совпадать, поскольку некоторые части рельефа могут быть видоизменены из-за наличие растительности, снега или других природных явлений. Кроме того, ортоизображение как правило содержит и тени от объектов. В итоге полученное трёхмерное изображение будет зависеть от времени года и времени суток.

Для устранения таких эффектов и увеличить качество текстуры рельефа местности необходима дополнительная обработка ортоизображений: дополнительная цифровая фильтрация и ретуширование.

Интенсивное развитие трёхмерного моделирования и анимационных технологий привело к созданию виртуальных геоизображений. Они осчетают в себе свойства карты, перспективного снимка, блок-диаграммы и компьютерной анимации.

С помощью виртуального моделирования можно построить различные тематические признаковые пространства. Виртуальные геоизображения - это многомерные пространственно-временные модели, представляющие в элементарных ячейках информацию пространства-времени области поверхности Земли.

Создание виртуальных геоизображений предполагает наличие эффектов трёхмерности и анимированности смены рельефа при изменении точки наблюдения. Эти эффекты помогают создать иллюзию присутствия на моделируемой местности и возможности взаимодействия с окружающим пространством.

Поскольку прочие объекты заполнения виртуальной реальности (помимо рельефа) оптимальнее всего моделируются в прямоугольной системе координат, то и большинство моделей для создания виртуальной реальности также строятся в общеземных прямоугольных системах координат (например, Гаусса– Крюгера). Однако, в этом случае основу виртуальных геоизображений - модель рельефа необходимо адаптировать или пересчитывать согласно этим координатам.