Cтатьи и комментарии

3D моделирование в ГИС "Карта2011"

Ссылка на статью в международном журнале "Программные продукты и системы"

3D моделирование в ГИС "Карта2011"

Л.А. Степанова, к.т.н.; И.И. Смирнова, магистрант

(Тверской Государственный технический Университет, lusi_st@mail.ru, cry-angel88@mail.ru)

Исследованы существующие инструменты ГИС "Карта2011" матрица высот и TIN-модель для построения 3D модели. Построена модель небольшой территории местности с транспортной развязкой. На данном примере показана целесообразность сочетания инструментов.

Ключевые слова: Векторная модель местности, растровая модель, TIN-модель, матрица высот, библиотека трехмерных изображений.

Building of three-dimensional model in GIS "MAP 2011"

Stepanova l.A.,Ph.D., Smirnova I.I., undergraduate

(Tver State Technical University, lusi_st@mail.ru, cry-angel88@mail.ru)

Summary: The article reviews various existing tools for building of a three-dimensional model in GIS "MAP 2011". 3D model of small area with traffic intersection roads is constructed. On this example the use of a combination of tools is shown.

Keywords:Vector data model, raster data model, TIN-model, the matrix of heights, library of three-dimensional kind of objects.

На традиционных картах все объекты реального мира описываются в плоской (2D) системе координат. Третья пространственная координата площадных объектов - высота H - отображается цветом или изолиниями.

На векторных картах современных ГИС различного назначения (градостроительных, инженерных, кадастровых) возникает необходимость отображать плоские объекты объемными моделями, например, участки местности, зеленые насаждения, здания, крупные инженерно-технические сооружения и коммуникации. Трехмерные карты территории, на которой планируется новое строительство или реконструкция существующих объектов, позволяют визуализировать новый объект с детальной точностью, оперативно принять решения о возможных корректировках проекта, ускорить процесс непосредственно проектирования и согласования проекта. Трехмерное изображение актуально для объектов, которые расположены на разных уровнях над или под поверхностью земли [ ]. Для компьютерного отображения объектов 2D- и 3D- карт используются библиотеки условных обозначений, архитектура которых уникальна для ГИС каждого производителя.

Инструменты отображения 3D карты в ГИС "Карта2011"

В ГИС "Карта2011", созданной ЗАО КБ "Панорама", библиотека условных обозначений представлена файлами цифровых классификаторов для линейки масштабов карт. Разработчики определяют его как "совокупность описания слоев векторной карты, видов объектов и их условных знаков, видов семантических характеристик и принимаемых ими значений, представленных в цифровом виде"[ ]. Файл классификатора, называемый еще файлом ресурсов, подгружается при создании векторной картой в её директорию и становится доступным для редактирования. Условные знаки для 2D-объектов представляют собой точку, линию, площадь, обогащенные набором параметров, (толщина, цвет, штриховка и т.д.). Для описания каждого объекта используются две совокупности цифровых данных, называемые метрикой и семантикой. Метрика объекта содержит координаты точек в двух - или трехмерной системе. Набор индивидуальных значений характеристик (атрибутов) принято называть семантикой объекта.

Цифровой классификатор имеет две возможности для описания объекта в 3D-пространстве:

  • высотные характеристики для 2D-объектов задаются через многочисленные атрибуты семантики, например, "абсолютная высота", "глубина", "расположение относительно земли", "относительная высота", "отметка основания", и др.;
  • координаты точек в трехмерной системе заносятся различными способами и хранятся в "метрике" объекта.

Для объемной визуализации объектов карты в файл классификатора подключаются стандартные библиотеки трехмерных изображений Standard.p3d и topo100.p3d, содержащие трехмерные изображения и текстуры для них, причем под текстурой ('texture") понимается растровое изображение, которое может быть натянуто на 3D- форму объекта.

Этапы построения трехмерной модели местности

Трехмерная модель местности строится на векторной 2D- карте в форматах MAP или SIT [ ]. Исходная карта является основой для построения матрицы высот в формате MTW или триангуляционной модели в формате TIN, одной из которых достаточно для построения 3D- модели (рис.1).

Используемая схема построения 3D-модели

Рис.1. Используемая схема построения 3D-модели

Матрица высот – растровая модель местности, получаемая путем преобразования исходных векторных данных о высотах в растровый вид с интерполяционным заполнением "пустот", причем выбор параметров интерполяции, способы обработки высот, размер минимального элемента матрицы позволяют получать растровую цветную модель необходимой детальности.

TIN-модель (Triangulated Irregular Network) - растровая многогранная поверхность, полученная построением нерегулярной сети треугольников на массиве 3D-точек. Переменная плотность исходных точек в зависимости от особенностей рельефа позволяет создать точную модель поверхности.

Отображаемые растровые модели с цветовой палитрой высот называют "псевдотрехмерной" моделью. Для перехода к реальной трехмерной модели местности необходимо назначить всем объектам местности 3D-вид, т.е. включить в используемый файл классификатора стандартную библиотеку трехмерных изображений, которая может быть дополнена импортированными элементами индивидуального вида объектов из трехмерных редакторах сторонних разработчиков.

Проведем исследование создания трехмерной модели по двум вышеуказанным вариантам на несложной карте транспортной развязки (рис.2).

Чертеж автотранспортной развязки

Рис.2. Чертеж автотранспортной развязки

2D-карта транспортной развязки

Автотранспортная развязка имеет два уровня, соединенные мостовым переходом. Первый (нижний) уровень представляет собой автомобильную дорогу с двумя полосами движения и стоянками для отдыха, вдоль обочины произрастают ветрозащитные насаждения. Второй (верхний) уровень имеет мостовой переход (мост), который поднят на 3,5 метра относительно нижнего уровня, мост имеет опоры и боковые ограждения. Чертеж развязки подготовлен в программном пакете AutoCAD, сохранен в обменном формате DXF и импортирован в ГИС "Карта2011".

Элементы автомобильной дороги созданы несколькими полигональными объектами, поскольку для создания рельефа с возвышенностью необходимо создавать матрицы высот на объекты, имеющим возвышение и не имеющим возвышение. Создавая объект "Автострада", имеющий одинаковую абсолютную высоту, необходимо в семантику полигонов добавлять ее значение. Для чего вносим изменения в классификатор, добавляя семантическую информацию "Абсолютная высота" объекту "Автострада".

Объекты автодороги, имеющие возвышение (мост), создаются без задания абсолютной высоты, но по их периметру проставляются точечные объекты – "Отметка высоты" из слоя "Математическая основа карты", которым присваивается значение абсолютной высоты с постепенным увеличением. Подобным образом создаются все объекты карты, необходимые для построения матрицы высот, т.е. имеющие высоту.

Построение матрицы высот

Матрица высот (растровый файл в формате mtw) может быть построена на любой участок местности карты. Для исключения влияния высот одних объектов развязки на другие были созданы 13 матриц высот на участки местности, ограниченные замкнутыми объектами.

На рисунке 4 показано диалоговое окно построения одной из 13-ти матриц с выбранными параметрами.

Диалоговое окно  построения матрицы высот объекта

Рис. 4. Диалоговое окно построения матрицы высот объекта "магистраль"

Построение ведется по семантической характеристике "абсолютная высота", элементы матрицы поверхности вычисляются средневзвешенной интерполяцией для объектов автодороги с заданной абсолютной высотой и линейной интерполяцией по сетке высотных точек для объектов автомобильной дороги, на которых проставлены точечно абсолютные высоты. Перечень составляющих матриц приведен на рисунке 5.

Состав матриц высот и легенда цветов

Рис. 5. Состав матриц высот и легенда цветов

СРезультирующая матрица высот

Рис.6. Результирующая матрица высот

Пользовательская карта, на которой отображены все матрицы высот, отображена на рисунке 6. Палитра матрицы высот соответствует палитре рельефа в картографии: низменности изображаются тёмно-зелёным цветом, возвышенности – коричневым.

Построение TIN-модели

Для алгоритма построения TIN-модели нужны 3-D точки карты, которые могут принадлежать точечным, линейным и площадным объектам. Нами был выбран вариант построения одной TIN-модели для всей карты, где кроме транспортной развязки для реалистичности добавлены стоянки для отдыха. Для этого пришлось увеличить число 3-D точек карты, изменить метрическое описание площадных и линейных объектов, добавить площадные объекты, элементы растительности. Карта и ТIN-матрица в схематическом виде отображена на рисунке7.

Схематический вид TIN-модели

Рис. 7 Схематический вид TIN-модели

Трехмерная модель

Всем нанесенным на карту объектам назначается объемный вид из стандартной библиотеки трехмерных изображений. Объект "мост" создан на основе двух шаблонов: "мост" (площадной, горизонтальная поверхность) и "колонна" (точечный, знак с заданной высотой). Для придания наиболее реалистичного вида к мосту был добавлен парапет. Для объекта фонтан был создан новый шаблон (рис.8). Трехмерные изображения автомобилей импортированы из внешних библиотек.

Добавление нового шаблона в библиотеку Standard.p3d

Рис. 8. Добавление нового шаблона в библиотеку Standard.p3d

Кнопка "Построение трехмерной карты" инициирует создание трехмерной модели местности по векторной карте местности, матрице высот и настроенном классификаторе. На рисунке 9 приведены фрагменты полученного трехмерного вида.

Фрагменты 3-D карты местности Фрагменты 3-D карты местности Фрагменты 3-D карты местности

Рис. 9. Фрагменты 3-D карты местно

Заключение

Качество построенной трехмерной карты местности со сложным транспортным сооружением зависит от качества матрицы высот и реалистичности используемых шаблонов 3D вида объектов классификатора карты. Качество ТIN-матрицы обеспечивает количество точек, участвующих в построении. Большее число точек обуславливает большую детальность рельефа, для прямоугольных сооружений требуется создание "ответных" и дополнительных точек. Матрица высот МTW дает сглаженное изображение рельефа, точности можно достичь только сложением матриц высот для объектов – в нашем, сравнительно несложном случае, построено 13 матриц объектов карты. Для урбанизированной местности имеет смысл сочетание обоих типов матриц высот для соответствующих объектов карты. Стандартная библиотека трехмерных изображений КБ Панорамы нуждается в развитии и совершенствовании процесса загрузки внешних шаблонов 3D вида объектов.

Литература

  • Возможности трехмерного ГИС-моделирования размещения средств организации дорожного движения на транспортных развязках. Савченко К.А., Котиков Ю.Г.// ArcReview № 3 (62) 2012.
  • ГЕОИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА "КАРТА 2011". СОЗДАНИЕ И РЕДАКТИРОВАНИЕ КЛАССИФИКАТОРОВ ВЕКТОРНЫХ КАРТ. Руководство пользователя. URL: (дата обращения 24.10 2012)
  • Создание 3D модели средствами ГИС Карта 2008. URL: (дата обращения 30.11 2012)