Три измерения ГИС

В последние десять лет наблюдается устойчивый интерес к географическим информационным системам и, как следствие, возрастающий объем продаж этих программных продуктов. Такие названия, как ARCINFO, MapInfo, MGE, легко узнаются на любых языках мира и становятся международными техническими терминами.

В последние десять лет наблюдается устойчивый интерес к географическим информационным системам (ГИС) и, как следствие, возрастающий объем продаж этих программных продуктов. Такие названия, как ARCINFO, MapInfo, MGE, легко узнаются на любых языках мира и становятся международными техническими терминами.

Определение ГИС часто звучит на конференциях, публикуется в книгах и брошюрах. Следует отметить, что запомнить его довольно трудно - из-за того, что авторы пытаются одним предложением дать исчерпывающую характеристику столь сложному понятию. Если же определение упростить, то можно сказать, что ГИС - это программа, которая изображает объекты двухмерного и трехмерного мира и позволяет на математическом языке обрабатывать их. При этом объекты должны быть географически привязаны к единой системе координат.

Таким образом, ГИС - это программа, обрабатывающая данные о земной поверхности. Весьма важной особенностью этих данных является их преимущественно векторный характер, что позволяет работать и с отдельными объектами, и с их множеством. Другая особенность ГИС - многослойность: например, для земной поверхности вводят отдельно слой зданий, слой дорог, слой растительности и т. д.

Еще десять лет назад все распространенные ГИС были двухмерными, но с ростом производительности вычислительных средств сначала стали появляться 2,5-мерные, а потом и «по-настоящему» трехмерные ГИС. 2,5-мерность означает, что любой трехмерный объект корректно моделируется в плане (оси X, Y), а по высоте задается только одно значение Z, которое не может изменяться в пределах объекта. Таким образом, дом с двухскатной крышей не может быть смоделирован в 2,5-мерной системе, а дом с плоской крышей моделируется вполне успешно.

Трехмерные ГИС позволяют создавать в среде трехмерной местности объекты любой сложности: архитектурные постройки, дорожные конструкции, группы деревьев, вертолеты, автомобили и т. д. Важно понять отличие трехмерных ГИС от трехмерных интерактивных тренажеров или симуляторов, которые заполонили рынок компьютерных игр и на сленге называются «ходилками». В ГИС любой трехмерный объект имеет географические координаты. Его можно выделить мышью, пространственно сравнить с другими объектами, связать с ним базу данных любой сложности, и таких объектов можно создать сколь угодно много. С позиций визуальных эффектов трехмерная ГИС и трехмерная игра могут мало отличаться друг от друга, но содержательное отличие значительно.

Трехмерных ГИС на рынке программного обеспечения не слишком много. Самой первой и сразу удачной попыткой создания такой системы является разработка фирмы ERDAS под названием Virtual GIS. Причем сама фирма, не будучи ГИС-разработчиком, намеревалась расширить возможности своей системы обработки растровых геокодированных изображений (например, аэрофото- или космических снимков). Затем практически одновременно оба «законодателя мод» в области двухмерных ГИС - американские компании ESRI и MapInfo - выпустили программные модули соответственно под названием 3D Analyst и Vertical Mapper для своих базовых продуктов ArcView и MapInfo. Отечественные разработчики ГИС «Нева» и «Панорама» также включили в них модули трехмерного моделирования.

Наиболее мощной и полнофункциональной трехмерной системой является ГИС ArcInfo, которая в принципе не разделяет мир на трехмерный и двухмерный и одинаково хорошо обрабатывает все объекты.

На заставке к статье показана векторная карта с оттененным рельефом в среде ArcInfo. Этот программный продукт вместе с модулями расширения (ArcInfo TIN, GRID) позволяет моделировать рельеф и объекты практически любой сложности. Однако его высокая цена - 15-20 тыс. долларов - неприемлема для рядовых пользователей. Поэтому ESRI не только разработала относительно недорогую упрощенную версию для обработки двухмерного мира - ГИС ArcView, но и приложила к ней трехмерный модуль 3D Analyst.

Что же позволяет этот модуль? Прежде всего, можно создавать в привычном для нас трехмерном пространстве объекты типа зданий. В качестве подложки используется оттененный рельеф или растровые данные аэрофотосъемки. Такую модель можно «крутить» вокруг своей оси, приближаться и удаляться к ней (рис. 1), произвольно выбирая точку обзора. Практические испытания на компьютере Dell c оперативной памятью 1 Гбайт и видеокартой, поддерживающей Open GL, 64 Мбайт, показали, что одновременно можно отображать до 10 тысяч простых зданий на растровой подложке объемом 2-3 Гбайт со скоростью около 8 кадров в секунду на экране с разрешением 1024х768. Модуль 3D Analyst позволяет определять высоты поверхности в любой ее точке, но, к сожалению, эта функция относится только к земной поверхности, а не к объектам на ней, то есть нельзя, например, определить высоту произвольной точки стены здания, указывая на нее курсором.

На рис. 2 - результат использования 3D Analyst компанией ASI для трехмерного моделирования города, причем на переднем плане показаны здания, «выращенные» из аэрофотоснимка, на дальнем - здания, «выращенные» из плоских ГИС-слоев. Применение модуля в других целях - скажем, для моделирования деталей моторного отсека автомобиля - неэффективно, хотя и возможно, так как каждая деталь имеет пространственную привязку и конкретную геометрическую форму. В данном примере лучше воспользоваться такими продуктами, как Microstation или AutoCAD, - трехмерные ГИС лучше адаптированы к моделям земной поверхности.

3D Analyst использует для описания земной поверхности два типа моделей - регулярную и нерегулярную. Регулярная (GRID) служит для описания геопривязанного растрового изображения. С помощью нерегулярной модели (TIN) создаются поверхности в виде примыкающих друг к другу треугольников (триангуляция). Все остальные трехмерные объекты, которые размещаются над моделью рельефа, должны задаваться в векторной форме, так чтобы в каждой вершине хранились координаты X, Y, Z.

По смоделированным поверхностям 3D Analyst может рассчитывать и показывать высоты точек, профили, изолинии, рельеф с отмывкой, линии наибольших уклонов, вычислять объемы между заданными поверхностями, что позволяет, например, рассчитывать насыпи, выемки и т. п.

Компания MapInfo выпускает трехмерный модуль под названием Vertical Mapper, правда, с некоторым отставанием от ESRI. Собственно, разработчиком и носителем торговой марки продукта Vertical Mapper является канадская компания Northwood Technologies, хорошо известная на рынке программного обеспечения для планирования сотовой связи. Появление этого продукта обусловлено требованием рынка получить трехмерные методы обработки и визуализации в среде распространенной двухмерной ГИС MapInfo. Характерно, что для версии Vertical Mapper 2.5 трехмерный модуль отображает только рельеф, но не привнесенные объекты. Например, трехмерный объект в виде дерева с ветвями и листочками, построенный в AutoCAD, не может быть «посажен» на земном ландшафте посредством Vertical Mapper. Построение 2,5-мерной сцены возможно, но в реальности вертикальные стенки могут быть немного наклоненными. Вообще, следует заметить, что относительная простота MapInfo (в сравнении с продуктами ESRI) приводит к резкому усложнению дополнительных модулей и введению дополнительных типов моделей данных. Так, GRID (модель регулярной сетки с привязкой узлов к базе данных), будучи базовым понятием в ArcView, отсутствует в MapInfo и вводится только в Vertical Mapper. Вместе с тем умеренная цена и довольно развитый инструментарий моделирования рельефных поверхностей делает Vertical Mapper достаточно популярным продуктом.

Одной из наиболее впечатляющих с изобразительной точки зрения является разработка фирмы ERDAS - Virtual GIS . От Vertical Mapper и 3D Analyst этот пакет отличается значительно большей скоростью отображения и истиной трехмерностью. Модуль ориентирован на показ относительно больших растровых изображений, нанесенных на рельеф, и, одновременно, любых ГИСслоев, импортированных из ArcView. Кроме того, самый замысловатый объект, скажем, самолет, созданный во внешней среде (например, в 3D Studio), может быть успешно погружен в любую точку над смоделированным рельефом. Тогда как Vertical Mapper и 3D Analyst не работают с текстурами, нанесенными на здания, Virtual GIS в принципе это успешно делает. Разработчики прозорливо внесли в продукт трехмерный курсор для удобства выбора объектов. Программа весьма критична к аппаратной части из-за высоких требований по пересчету растра. Графическая плата должна обязательно поддерживать Open GL, иметь объем видеопамяти не менее 32 Мбайт и оперативной - 512 Мбайт. Virtual GIS является модулем расширения системы ERDAS Imagine, распространяющим многие ее возможности на третье измерение. Перечислим возможности визуализации:

• полностью интерактивное управление трехмерной визуализацией;

• неограниченное количество накладываемых на модель рельефа векторных и растровых слоев;

• использование трехмерного курсора;

• управление цветом и условными знаками векторных объектов на трехмерном изображении;

• возможность работы с непрерывным географическим пространством с динамической подгрузкой следующих листов пространства;

• анализ видимости на рельефе;

• интерактивное задание маршрута «пролета» над местностью;

• возможность сохранения последовательности кадров и просмотра их в режиме анимации.

Разработчики предоставили пользователю возможность выбрать детальность рельефа и наложенного на рельеф растра, для достижения приемлемых показателей работы конкретной аппаратной платформы. Испытания разнообразных видеокарт для архитектуры x86: VR3 (SGI, video 64 Мбайт), Cobalt (SGI Visual Workstation 320, video 128 Мбайт), Geforce III и др. показали, что при установке 100-процентной детальности растра и рельефа скорость отображения снижается уже при 5000 векторных объектов. В то же время наилучшие показатели по качеству и скорости достигаются на видеокартах Cobalt, VR3, Elsa Gloria.

Трехмерные ГИС находят все более широкое распространение в промышленности, управлении, бизнесе: например, в ведении городского хозяйства, построении коммуникационных систем, добыче и транспортировке нефти и газа и др. Одни из самых интересных приложений ГИС - планирование сетей сотовой связи в городах и на пересеченной местности, где объекты и рельеф оказывают существенное влияние на распространение радиоволн (рис. 3); а также моделирование городской застройки для прогнозирования распространения смога при различных ветрах.

В заключение следует отметить, что в статье рассмотрены только наиболее популярные в мире программные продукты. Рынок трехмерных ГИС и ГИС с трехмерными компонентами непрерывно растет и развивается, пополняясь как отечественными разработками, так и свежими версиями ГИС SICAD (Siemens), MGE (Intergraph) и др.

[i42352]