Трехмерная визуализация.

Трёхмерная визуализация в ГИС является дополнительным иллюст­ративным средством, позволяющим интерактивно осмотреть цифровую модель местности с эффектом присутствия.

Обычная ЦММ зачастую не несёт в себе достаточно информации для создания полноценного трёхмерного изображения. Такая ЦММ, дополнен­ная вспомогательными сведениями, называется виртуальной моделью ме­стности (ВММ) или иногда сценой.

В настоящее время виртуальные модели местности отображаются на экране компьютера с помощью стандартных средств, имеющихся во всех современных компьютерах. Почти все современные компьютеры содержат в своём составе видеокарты, позволяющие работать в трёхмерном режиме. Почти все операционные системы содержат программные библиотеки для трёхмерной визуализации, среди которых наиболее известны OpenGL и DirectX. Использование той или иной программной библиотеки во многом накладывает определённые ограничения. В первую очередь, это ограниче­ния по скорости, качеству и детальности визуализации.

Виртуальная модель местности состоит из следующих видов данных:

1. Цифровой модели рельефа (ЦМР) в виде регулярной или нерегу­лярной сети отсчётов. С точки зрения качества трёхмерной визуализации наилучший результат обычно достигается с помощью нерегулярной (три­ангуляционной) модели рельефа, особенно при равном числе элементов ЦМР. Однако часто применяется и регулярная (растровая) модель, особен­но для мелкомасштабных карт.

Следует знать, что скорость трёхмерной визуализации (количество кадров, отрисовываемых ГИС за 1 секунду) модели рельефа обычно зави­сит только от числа элементов ЦМР, а потому выбор типа ЦМР обычно делается в пользу нерегулярной триангуляционной модели, несмотря на то, что файл нерегулярной модели занимает на диске существенно больше места, нежели файл аналогичной регулярной модели.

На рис. 6.26 приведен пример трёхмерного изображения триангуля­ционной модели рельефа, а на рис. 6.27 - пример регулярной модели.

2. Растровые изображения земной поверхности. Это может быть космический или аэрофотоснимок, сканированное изображение карты ли­бо изображение двумерной карты, автоматически сгенерированной обыч­ными средствами ГИС. Такие растровые изображения накладываются (на­тягиваются) поверх модели рельефа методом текстурирования (рис. 6.28).

Рис. 6.26. Трёхмерное отображение триангуляционной модели рельефа: а - триангуляция; б - триангуляционная модель рельефа; в - трехмерное отображение рельефа

Рис. 6.27. Трёхмерное отображение регулярной модели рельефа: а - регулярная сеть; б - трёхмерное отображение рельефа

3. Векторные данные, которые путём выдавливания по вертикали приобретают объёмный вид. Например, слой зданий, представленный в виде полигонов, путём выдавливания вверх на некоторую высоту (в зави­симости от значений атрибутов) приобретает вид многогранников. Стороны этих зданий могут быть окрашены одним цветом, либо на них можно нанести текстуру (рис. 6.28).

4. Подписи объектов. Трёхмерные подписи бывают двух видов: пло­ские и трёхмерные. Плоские подписи рисуются поверх готового трёхмер­ного изображения вблизи интересующих объектов. При этом недостатком является то, что такие подписи могут взаимно перекрываться, не давая чи­тать текст, и не всегда ясно, к какому объекту они относятся.

Рис. 6.28. Трёхмерное изображение местности с натянутым на рельеф аэрофотоснимком и векторными данными (здания)

Трёхмерные подписи - это, по сути, полноценные трёхмерные объек­ты, являющиеся частью трёхмерной сцены. Трёхмерные подписи обычно подобны дорожным знакам, установленным в некоторых точках местно­сти, но при этом они могут поворачиваться к зрителю. При необходимости можно приблизиться к этой подписи и рассмотреть её.

5. Трёхмерные объекты специального назначения. Обычно эти объ­екты импортируются из других программ в виде готовых моделей, пред­ставленных в некотором стандартном формате, при этом наиболее часто используются форматы 3D Studio (файлы с расширением .3DS) и Х-файлы (файлы с расширением Х). Таким способом можно, например, импортиро­вать детальную трёхмерную модель здания и установить её в некотором месте на карте, при этом здание появится в окне трёхмерного вида.

Некоторые геоинформационные системы предоставляют возможно­сти автоматического создания трёхмерных моделей стандартных видов объектов, включая здания (имеющие крыши со скатами), автомобили, са­молёты, трубопроводы, дорожные знаки, ограждения, заборы, зелёные на­саждения и пр. (рис. 6.29).

Рис. 6.29. Трёхмерное изображение местности с дорогой, зданиями, путепроводом и зелёными насаждениями

В настоящее время наиболее часто используются следующие спосо­бы просмотра виртуальных моделей местности:

1. Статический просмотр ВММ с определённой точки зрения. Дан­ный способ наиболее прост и не требует больших мощностей компьютера.

2. Облет ВММ в реальном времени (в режиме самолёта). Этот спо­соб позволяет наиболее полно осмотреть местность, однако он требует вы­сокой мощности видеокарты и компьютера в целом, так как для обеспече­ния эффекта присутствия изображение должно пересчитываться в реаль­ном времени со скоростью не менее 10-20 кадров в секунду. В этом режи­ме пользователь может передвигаться по трёхмерной сцене, используя клавиатуру или мышку.

3. Объезд ВММ в реальном времени (в режиме автомобиля или пе­шехода). Данный способ, по сути, эквивалентен предыдущему, за исклю­чением того, что в этом случае высота точки зрения над поверхностью фиксирована.

4. Заранее записанный видео файл. Предыдущие два способа не все­гда можно полноценно использовать из-за высоких требований к скорости работы видеокарты и компьютера в целом. Именно поэтому во многих трёхмерных ГИС существует возможность создания видеоролика, показы­вающего изображение вдоль некоторой заранее заданной траектории поле­та. ГИС просчитывает отдельные кадры изображения и сохраняет их в ви­деофайл, например в формате А VI. После этого полученный видеоролик можно прокручивать уже любыми средствами просмотра видеофильмов 11 обычных (не самых мощных) компьютерах.

Отметим, что большинство ГИС не позволяет работать с реальными большими ВММ в реальном режиме времени. Это обычно связано с техни­ческими особенностями реализации ГИС, когда ВММ целиком загружает­ся в оперативную и видеопамять.

В настоящее время средства работы с ВММ имеются во многих ГИС, однако, в большинстве с существенными ограничениями. Среди множества решений для работы с ВММ можно отметить программный продукт Site­Builder 3D (производитель МultiGеп-Рагаdigm, еША), с помощью которого можно создавать виртуальные модели местности с огромным количеством объектов и высокой степенью детализации. Этот продукт реализован как программная надстройка для ArcView GIS 3.2 и для ArcGIS 8.х/9.х.

SiteBuilder 3D по обычным (плоским) данным в ГИС самостоятельно создаёт необходимую ВММ с дополнительными структурами данных, по­зволяющими выполнять визуализацию трёхмерных карт в реальном режи­ме времени. На рис. 6.30 приведен пример ВММ, построенного с помо­щью SiteBuilder 3D на основе карты в ArcView GIS 3.2. В левой части экрана показана исходная двумерная карта, в правой - соответствующее трёхмерное изображение. Для удобства навигации в пространстве в левой части экрана двумя линиями показывается угол обзора.

Рис. 6.30. Трёхмерное изображение местности, построенное с помощью программы SiteBuilder 3D в среде ArcView GIS 3.2

Пространственный анализ геоданных. Основные этапы пространственного анализа. Измерительные операции. Векторный анализ. Анализ отношений. Отсечение и разрезание. Оверлейные операции. Буферные зоны, оболочки, зоны близости. Генерализация. Геостатистика. Сетевой анализ. Анализ поверхностей.