Развитие современных средств пространственного детерминирования — дистанционное зондирование,
спутниковые методы, лазерное сканирование — в некоторой мере помогают преодолеть извечную проблему
математики — "пропасть" между континуальным (постоянным) и дискретным (прерывным). Плотность информации,
получаемой в результате применения упомянутых методов является весьма высокой, что даёт возможность говорить о
представлении свойств пространства и объектов(предметов) пространства не в виде дискретных математических
моделей, как это было принято в традиционной геодезии и геоинформатике, а в виде трёхмерных сущностей, любую
точку которых удаётся описать весьма точно (или настолько точно, насколько это требуется для практики или для решаемой
задачи). Весьма важным обстоятельством является и то, что стоимость получения информации при применении современных
методов является вполне приемлемой и принципиально возможной, что было бы недостижимо в результате применения
обычных методов геодезии, которые применяют оптико-механические устройства и бумагу для получения и хранения информации.
Важной составляющей в процессе интерпретации пространственных данных в геодезии и геоинформатике является компьютерная
техника. Собственно программным обеспечением, которое "прокладывает мост" между пространственной информацией и конечным
пользователем, как её потребителем, являются геоинформационные системы, которые уже около трёх десятилетий активно используются
в различных областях человеческой деятельности, которые имеют дело с географическими данными. Геоинформационные системы (ГИС) изначально
были ориентированы на обработку двухмерной информации — как по причине традиционализма, так и по причине ограниченных возможностей
компьютерной техники. Сегодня ,конечно, традиционализм остался и ,по-видимому, должен приветствоваться в социально-культурном смысле,
а вот о ограниченных возможностях компьютеров уже практически не упоминают. Поэтому перед ГИС и ставится если не новая, то нерешённая
задача — организовать обработку массивов пространственной информации, адекватно представлять её (желательно не в виде столбцов
бесконечных чисел) и дать возможность управления трёхмерными объектами, которые создаются в соответствии с полученной информацией.
Является ли декларированная задача актуальной? Да, поскольку трёхмерной представление пространственной информации является логичным
и, главное, естественным шагом в развитии не только геоинформатики, но всех наук, которые имеют дело с географическими данными.
Это можно сравнить с положением первобытного человека, научившегося говорить, и рано или поздно сталкивающегося с необходимостью
записать свои мысли. Трёхмерный объект, созданный с применением известных математических моделей и применением средств объектно-ориентированного
программирования, является уже специфической сущностью, с которой могут взаимодействовать другие объекты, человек—оператор,
другая программа. Трёхмерный объект наполняется и философско-естественным смыслом. Если поставить условие, что пространственная
модель должна быть создана согласно требованиям объектно-ориентированного программирования (хотя, наверно, придётся приглашать Гради Буча), и вспомнить
теорию Дарвина, то можно провести совершенно прямую аналогию : "наследование" по Дарвину чётко повторяет "наследование" Буча,
"изменчивость" сэра Чарльза не что иное как "полиморфизм", когда объект ведёт себя по-разному в зависимости от внешних условий; "естественный отбор" это — инкапсуляция,
когда в класс попадают только те данные и методы, которые необходимы.
Просмотреть пример трёхмерного изображения пространственных объектов в формате VRML можно, щёлкнув по этой ссылке.
Для просмотра в Вашем браузере должен быть установлен VRML-клиент, который можно бесплатно загрузить отсюда.
Провести обзор существующих исследований по теме заявленной магистерской работы достаточно трудно, поскольку
тема является достаточно новой. Однако можно назвать и фундаментальные теоретические работы. Прежде всего следует упомянуть
работы по трёхмерной топологии и вычислительной геометрии Уильяма Терстона в его книге "Трехмерная топология и геометрия", которая
является, на мой взгляд, наилучшим фундаментальным изложением вопросов, которые отражены в весьма прозрачном названии. Она может служить
математически строгим обоснованием трёхмерного моделирования и даже выхода за пределы привычного пространства: в четырёхмерное, пятимерное и, вообще, в
n-мерное. Следующей по важности,однако, более известной,чем книга Терстона, является книга "Вычислительная геометрия" Препараты и Шеймоса.
Эта книга (её можно найти в Интернете) стала почти классическим учебником по вычислительной геометрии, она содержит массу полезных алгоритмов и, что немаловажно,
строгое их обоснование.
Перечисление дальнейших результатов исследований становится всё более затруднительным по нескольким причинам. Во-первых, теоретические
исследования чаще всего недоступны даже при помощи Интернета. Во-вторых, приходится говорить о существующих на данный момент
программах и средствах геометрического моделирования как о результатах исследования. В этом смысле можно упомянуть о известной фирме
ESRI (Enviroment Standart Research Institute), которая является наиболее известным разработчиком и поставщиком ГИС, и её программном продукте
3D Analyst, который позволяет получать трёхмерные модели местности.
К перечню нерешённых вопросов можно отнести следующие:
создание адекватных моделей-классов, для их гибкого применения, поскольку именно они являются
основой при программировании инструментов моделирования пространственных объектов
выбор адекватного способа хранения и конвертации пространственных данных: традиционным средством
хранения являются базы данных, однако они являются, по-видимому, лишним промежуточным програмным
слоем, надобность в котором отпадает при использовании XML-ориентированной модели БД
создание удобных средств манипуляции пространственными объектами, которые должны повторять
основные принципы CAD-редакторов и не быть требовать от пользователя заоблачных сведений
о нормалях, гранях, полигонах и т.д.
генерация трёхмерных моделей на основе уже существующих двухмерных моделей, поскольку последние
являются весьма распространёнными и терять их было бы нецелесообразно
В соотвествии с перечисленными выше пунктами целью исследования является создание программного
обеспечения для объектного моделирования пространственных объектов и обладающего свойствами, которые
должны по возможности решить указанные проблемы, обеспечив при этом достаточную общность и одновременно конкретность
при применении созданной программы в геодезии и геоинформатике.
Задачи исследования прямо вытекают из объявленной цели:
проектирование, разработка и реализация множества классов-моделей, представляющих пространственные объекты и
отношения между ними
проектирование, разработка и реализация способов интерпретации пространственной информации, представленной
различным способом (в том числе и традиционным - двухмерным), для моделирования на основе её трёхмерных объектов
проектирование, разработка и реализация способов моделирования и визуализации пространственных объектов с
помощью языка моделирования виртуальной реальности VRML (Virtual Reality Model Language)
проектирование, разработка и реализация способов редактирования пространственных объектов для достижения
необходимой гибкости при обработке информации и придания созданным моделям необходимой степени адекватности
разработка способов применения моделирования для решения различных практических задач геодезии, геоинформатики, фотограмметрии,
дистанционного зондирования
О научной новизне заявленной магистерской работы говорит то, что собственно программные средства и возможности
для решения поставленных выше задач появились сравнительно недавно и на данный момент не известно успешных и широко
применяемых реализаций ГИС для трёхмерного моделирования (хотя, конечно, прецеденты существуют). Также следует отметить
то обстоятельство, что работы Web-консорциума по созданию конечной и удовлетворительной версии языка моделирования виртуальной
реальности VRML ведутся непрерывно, VRML совершенствуется от версии к версии, однако общепринятой версии интерпретатора
языка не существует. Это говорит о том, что проблемы в данной области присутствуют даже несмотря на то, что в консорциуме
участвуют десятки тысяч разработчиков, "разбросанных " по всему Интернету.
На данный момент, поскольку тема рассматриваемой магистерской работы является относительно новой, то говорить
о её практической ценности ещё рано по нескольким причинам. Во-первых, результат работы является весьма специфическим и,
так или иначе, требует тестирования в соответствующем масштабе и анализа этого тестирования, что выполнить в рамках ограниченного по времени
обучения в магистратуре сложно. Второй, и не менее важной, причиной является консервативность специалистов в области геодезии и фотограмметрии,
которые с большим трудом преодолевают нежелание переходить на новые и более совершенные технологии.
Если рассматривать практическую ценность данной работы в гипотетическом смысле, то можно сказать, что её результаты, конечно, не
претендуют на звание выполненных однозначно успешно, но тем не менее, они могут являться своеобразным фундаментом для
посторения новых способов, возможностей, методов трёхмерного моделирования не только в области геоинформатики, но
и практически любой инженерной деятельности, где такая необходимость может возникнуть, поскольку составляющие
части представленных пространственных моделей - точка, отрезок, грань, поверхность, объём - являются весьма общими и
могут быть использованы для моделирования любой геометрии. Если говорить в ещё более узком практическом смысле, то представленная
магистерская работа является библиотекой классов, которые реализуют не только специфические операции, но и широко распостранённые
вычислительные схемы, благодаря чему она может служить и вспомогательным материалом для построения других программ.
Заявленная магистерская работа является серьёзным исследованием в области трёхмерного моделирования пространственных
объектов, использующая материалы и результаты топологии, вычислительной геометрии, геодезии, фотограмметрии, дистанционного
зондирования, спутниковой геодезии и объектно-ориентированного программирования. Практическим результатом выполненой
магистерской работы является разработанное автором программное обеспечение "Virtalium", которое на основе современных
средств визуального программирования (системы Borland Dephi 5) реализует объявленные выше принципы трёхмерного
моделирования и решает некоторые, достаточно общие, задачи, возникающие в инженерной практике.
Перечисленные перспективы являются, конечно, весьма общими и каждая требует специального
исследования, но, тем не менее, они дают представлению о направлении, в которой данная
область геоинформатики может и должна развиваться.
А.С.Мищенко, А.Т.Фоменко. Курс дифференциальной геометрии и топологии. 1980, Изд-во МГУ
Гречищев А., Бараниченко В., Монастырев С., Шпильман А. Трехмерное моделирование и фотореалистичная визуализация городских территорий//ArcReview. - 2002. - №7. - С. 12-13.
Фокс А., Пратт М. Вычислительная геометрия. Применение в проектировании и на
производстве. М.:Мир, 1982.
Препарата Ф., Шеймос М. Вычислительная геометрия. Введение., М.:Мир, 1989.
Ласло Майкл. Вычислительная геометрия и компьютерная графика на С++. М.:Бином, 1997.
Стародетко Е. А. Элементы вычислительной геометрии, Минск, изд. Наука и техника, 1986.
В.П.Ильин. Вычислительно-информационные технологии математического моделирования.-Автометрия, N 1, 2000, 3-13.
В.П.Ильин. Геометрическое и функциональное моделирование в задачах математической физики.-Новосибирск, Вычислительные технологии, т.6, ч.2, 2001, 315-321.
А.Н.Юдин. Система визуального объемного геометрического моделирования. Часть 1.-Новосибирск, 1998, 56с.(Препринт/ИВМиМГ СО РАН; N 1122).
А.Н.Юдин. Система визуального объемного геометрического моделирования. Часть 2.-Новосибирск, 1998, 61с.(Препринт/ИВМиМГ СО РАН; N 1134).
В.И.Козлов, А.Н.Юдин. Теоретико-множественное описание геометрии трехмерных областей с внутренней структурой для задач автоматизированного проектирования // Автометрия, N 2, 1999, 107-119.
А.Н.Юдин. Преобразование смещения границы трехмерной области.-Новосибирск, Труды ВЦ СО РАН, вып. 6, 107-115.
А.Н.Юдин. Теоретико-множественное описание геометрии и дискретизация трехмерной области с неоднородными средами.-Новосибирск, Труды ВЦ СО РАН, сер. Вычисл.математика, вып. 5, 1996, 128-139.
