Многомерность ГИС
    Требования к пространственной геоинформации, содержащейся в цифровых картах, географических базах данных и ГИС в целом постоянно повышаются. Одной из наиболее насущных задач является поддержание данных в актуальном состоянии. Кроме того, рост числа потребителей геоинформации с разным уровнем подготовки также делает все более важной задачу представления и интерпретации пространственных данных, лежащих в основе ГИС.
    Еще недавно в геоинформационных системах, как правило, применялись двумерные пространственные данные. Сейчас ГИС в основном работают в так называемом 2,5- мерном пространстве, когда величина Z атрибутивно привязана к точке (Х,У), часто через цифровые модели рельефа. В интегрированной фотореалистичной информационной среде, становление которой мы сейчас наблюдаем, осуществляется переход к полноценным трехмерным данным и более того, с учетом временного параметра, - к многомерным операциям.
    Потребность в реалистичном отображении окружающего мира увеличивает значимость трехмерного (3D) моделирования. 3D модели облегчают планирование, контроль и принятие решений во многих отраслях. Трехмерная фотореалистичная визуализация территорий методами компьютерной графики и создание муниципальных трехмерных ГИС способны изменить технологию и практику управления городом, городского планирования окружающей среды, разработки и ведения проектов.    Современные графические станции в состоянии обрабатывать и визуализировать объемы данных, необходимые для создания фотореалистичных трехмерных моделей городских ландшафтов. Например, такая модель подготовлена специалистами ДАТА+ (Москва) и Сибирского научно-аналитического центра (Тюмень) на центральный район Салехарда. Она позволяет:
    • выполнить фотореалистичное отображение территории и виртуальное передвижение по модели;
    • оценить возможности моделирования и анализа данных городского ландшафта, изменения моделей зданий и иных объектов;
    • комбинировать тематические слои с внедренными 3D объектами;
    • исследовать методы подготовки перспективных трехмерных топологических ГИС-данных и моделей и совмещения их с данными САПР.
    Стратегия моделирования.
    Фотореалистичная визуализация городской территории требует больших усилий по сбору исходной информации, геометрическому и радиометрическому моделированию отдельных объектов и итоговой модели (сцены) и сильно зависит от полноты и точности данных, представляющих ландшафт. Подходящей отправной точкой могут служить базовые данные, составляющие основу ГИС: цифровые модели рельефа (ЦМР), электронные карты. Однако, 3D модели возвышающихся над поверхностью земли объектов, таких как здания, деревья, ограждения, опоры ЛЭП и т.д., тем более с отображением их текстуры, еще не доступны в существующих ГИС-системах. Поэтому при создании фотореалистичной сцены необходимо раздельно формировать модели поверхности городской территории и трехмерных объектов, на ней расположенных. Стратегию моделирования можно представить в виде схемы (рис. 1). В рамках этой стратегии и выполнялись работы по созданию экспериментальной модели города Салехарда.
    Трехмерная модель города, или сцена, состоит из модели местности (земной поверхности) и моделей наземных объектов, как правило, созданных человеком. При создании моделей необходимо решить две важнейшие задачи: конструирование геометрии и текстурирование модели.
    Геометрию модели местности определяет система координат, в которой создана цифровая модель поверхности. Выбор местной прямоугольной системы координат позволяет упростить совмещение моделей местности и городских объектов, которые создаются в прямоугольной системе координат.
    Модель земной поверхности, на которой (а для сложной муниципальной 3D ГИС - и под которой) размещаются модели городских объектов, можно получить на основе подготовленного по космическим или аэроснимкам ортофотоизображения, которое "натянуто" на поверхность, созданную по цифровой модели рельефа. Другими словами, цифровая модель рельефа текстурируется ортофотоизображением местности. Преобразование аэро- или космических снимков к местной системе координат осуществляется в результате ортотрансформирования с использованием ЦМР и электронных карт ГИС или отсканированных (растровых) топокарт и планов, представленных в заданной системе координат. Возможно также применение GPS-измерений в опознаваемых на снимках точках. При этом должно быть установлено соответствие между системой координат GPS-приемника и местной системой.
    На аэрокосмических снимках видны крыши зданий, которые, как правило, выступают за контуры здания у его основания. Часто видны боковые поверхности зданий (в зависимости от угла фотографирования) и изображения крыш зданий смещаются относительно их проекции на земную поверхность. Также очень часто контуры крыш по форме не совпадают с контурами оснований зданий. Поэтому, если просто поместить 3D объект на смоделированную по снимку поверхность, то он не совпадет с изображением на снимке.
     Кроме того, на аэрокосмических снимках практически всегда присутствует тень от объектов, что фактически привязывает создаваемую модель к определенному времени суток (углу Солнца). Также на снимке практически фиксируется сезон съемки (время года). Чтобы увеличить качество текстуры земной поверхности для целей визуализации, некоторые из ситуационно-зависимых эффектов в ортоизображении должны быть заменены. Потребуется дополнительная обработка ортоизображения, фактически - дополнительная цифровая фильтрация и ретуширование областей, примыкающих на модели к внедряемому объекту.
    Можно, конечно, заменить ортофотоснимок (или ортомозаику из аэрофотоснимков) поверхностью, полученной на основе электронной карты города, созданной, обновленной или доработанной с использованием актуальных аэрокосмических снимков. Но это потребует дополнительных временных и материальных затрат.
    Другой важной составляющей фотореалистичной модели города являются 3D модели объектов: зданий, сооружений, деревьев, труб, ограждений, опор и т.д. При этом самыми важными объектами являются здания, поэтому основные усилия направлены на совершенствование методов конструирования моделей зданий из "сырых" данных и методов их хранения.
     В общем случае, для показа зданий используются поверхности, которые необходимы для рендеринга, текстурнрования моделей. При этом, возможно применение топологии, что позволяет в дальнейшем использовать общую метрическую информацию для соседних объектов при помощи подробного описания пространственных взаимосвязей. Информация о геометрических объектах может быть получена с 2D карт (контуры оснований зданий), аэрофотоснимков (контуры крыш, дымоходов, пристроек), снимков с земли и высоких наземных объектов (детали фасадов), путем прямых измерений на местности и т.д.
    Использование фотореалистичных текстур является важным моментом при создании городских 3D - моделей. В пользу их применения можно привести как минимум два значимых аргумента [2]:
     • Фотореалистичное текстурирование, примененное к 3D моделям, дает наиболее близкое к действительности отображение окружающего мира.
     • Текстура содержит информацию, отсутствующую в геометрической модели, например, детали и материалы, из которых сделана отображаемая поверхность.
    К этому можно добавить, что применение фототекстур во многом упрощает создание и хранение трехмерной модели зданий, несмотря на то, что фототекстуры составляют до 90% от общего объема данных модели. Всегда необходимо определять разумный уровень разрешения при конструировании моделей зданий и соответствующее ему соотношение между описанием деталей объектов с помощью геометрического моделирования и с помощью текстур. Геометрическое описание мелких деталей фасадов может не оправдать затраченных усилий, финансов и времени. Применение же фотореалистичных текстур позволяет показывать в модели очень сложные в геометрическом смысле элементы.
     После создания текстурированной поверхности и текстурированных зданий необходимо их совместить. Совмещение моделей зданий с моделью поверхности выполняется на уровне минимальной высоты здания. Может потребоваться дополнительная обработка цифровой модели рельефа, чтобы удалить его "лишние" неровности.
     Рассматриваемый метод позволяет раздельно манипулировать как реконструированной поверхностью, так и каждым поверхностным объектом. Можно удалять и видоизменять (реконструировать и редактировать) как геометрические объекты, так и их текстуры. Для обеспечения работы с запросами к каждому объекту может быть прикреплена детальная атрибутивная информация.
    Таким образом, при конструировании фотореалистичных 3D моделей городов используются следующие основные наборы данных:
    • цифровая модель рельефа местности
    • 2D информация о поверхностных объектах;
     наземные, аэро- и космические снимки.
     Цифровые модели рельефа используются для моделирования поверхности конструируемой сцены, а информация с 2D карт и ГИС - для определения "отпечатков" зданий (местоположения оснований на поверхности). Различные снимки пре-доставляют информацию о высоте зданий и прочих объектов и являются основой для определения их геометрии и фототекстурирования. Для более точного определения местоположения объектов в заданной системе координат и для определения их реальных размеров могут проводится дополнительные натурные измерения...
    Цифровые модели рельефа.
    Выбор типа представления ЦМР является обязательным аспектом 3D конструирования моделей городов. Для отображения рельефа используются регулярная сетка - описание местности с помощью регулярной сетки с равными промежутками между ячейками (растровая ЦМР), и нерегулярная триангуляционная сеть (Triangulated Irregular Network - TIN).
     ТIN дает лучшее представление рельефа в случае сильнопересеченной местности. Но ТIN-модель трудно обновлять. Каждое изменение рельефа моделируемой территории обычно влечет за собой необходимость заново развивать всю сеть. Другая отрицательная черта ТIN - чрезмерная сложность создания уровней детализации. Вследствие этого, визуализация в режиме реального времени на основе ТIN представления затруднена.
     Растровому методу свойственны эффекты усреднения и "размывания", поэтому при работе с крупными масштабами его применение ограничено. Но использование растрово-сетчатого представления местности обеспечивает легкость обработки и хранения данных, применение простых и легко автоматизируемых методов создания уровней детализации, что важно для быстрой визуализации больших объемов данных.
    Поскольку в наших работах применялось раздельное моделирование поверхности и поверхностных объектов, то использовалась растровая цифровая модель рельефа...
    Фотографии объектов
    Для 3D объектов, чьи вертикальные стороны не видны на аэрокосмических снимках, необходимо получить наземные фотографии. Так как эти изображения используются в качестве основного источника цифровой текстурной информации, предпочтительно использование цифровой фотокамеры, что исключит фотохимическую обработку и сканирование снимков. Фотографии городских объектов используются также для определения и уточнения вертикальных размеров моделируемых объектов.
    Практика показала, что фотографирование объектов необходимо выполнять не только с уровня улицы, но и с возвышающихся объектов: вышек, крыш домов и т.д. Для простых объектов достаточно 2-4 снимков, для сложных зданий и сооружений требуется 16-20 и более. Съемку в городе лучше всего проводить в пасмурную погоду, что позволяет уменьшить объем работ по подготовке фототекстур...
    ...Мы не рассматривали вопросы подготовки данных фотограмметрическими методами, хотя лучшим возможным методом получения исходных данных для создания трехмерных моделей и 30 ГИС часто является стереофотограмметрия, так как из аэро- и наземных (а в последнее время и некоторых космических с высоким разрешением) стереоснимков могут быть получены и геометрия, и текстуры. Не уделено достаточно внимания моделированию поверхности и трехмерных объектов с помощью ТIN. Также не были затронуты вопросы подключения атрибутивной информации - это темы наших дальнейших исследований. Заметим, что в городах очень часто здания строились по типовым проектам. Поэтому перспективным можно считать и создание наборов моделей с типовой геометрией (библиотеки типовых моделей), а текстуры к ним брать с фотоснимков.


    Литература

    1. P. Agouris, A. Stefanidis "Integration of fotogrammetic and geographic databases" - International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, Part B4. Vienna 1996, pp.24-29.

    2. S.Z. Nedkova, M. Gruber, M. Kofler "Merging DTM and CAD data for 3D modeling purposes of urbun areas" - International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, Part B4. Vienna 1996, pp.311-315.

    3. R. Wurlander, M. Gruber, H. Mayer "Photorealistic terrain visualization using methods of 3D-computer-graphics and digital photogrammetry" - International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, Part B4. Vienna 1996, pp.972-977.

    4. J. Danahy "Visualisation data needs in environmental planing and design: Virtualising the 3D word" - GIM International, May 2000, pp. 12-15.

    5. Кузнецов О. В., Леонов А.Л., Наумов С.В. "ГИС в городском планировании и моделировании" - М. ДАТА+, ArcReview №3,2001, c.20.