Создание 3D модели местности по растровой топографической

С.В. Кудаков, И.В. Лёвкин, М.И. Мальцева
Алтайский государственный аграрный университет, г. Барнаул
СОЗДАНИЕ 3D МОДЕЛИ МЕСТНОСТИ ПО РАСТРОВОЙ
ТОПОГРАФИЧЕСКОЙ КАРТЕ
Техническое обеспечение автоматизированных информационных систем
Государственного земельного кадастра должно базироваться на современных
средствах сбора и обработки земельно-кадастровых данных, вычислительной и
телекоммуникационной технике. С учетом фактора постоянной модернизации
аппаратных средств информационных систем и модификации программных
средств необходимым условием функционирования является обеспечение
автоматизированной системы инструментом сбора и обработки материалов
полевых съемок и данных дистанционного зондирования (аэрокосмической,
цифровой и видеосъемок). Таким образом, становится очевидной
необходимость введения в курс «Информационные технологии в
землеустройстве и земельном кадастре», для специалистов данной
квалификации графических программных систем ориентированных на
построение трёхмерных геометрических моделей, а также на формирование
графической технической документации в соответствии с действующими
ГОСТами. В частности, построение 3D модели местности позволяет более
наглядно изучить особенности рельефа, прогнозирования перспективных
участков для последующих работ.
Работа проекта направлена на построение 3D моделей участка местности. В
ходе работы были использованы данные территории населённого пункта села
Мохово муниципального образования Моховское, сельское поселение
Беловского района Кемеровской области. Построение 3D модели местности по
растровой топографической карте можно разделить на три основных этапа:
векторизация растрового изображения топографической карты, построение
карты высот на основе векторных и растровых полученных ранее данных,
построение 3D модели. Поскольку на данной территории проводилась
обработка картографического материала, в распоряжении имеются: растровая
карта (файл-картинка *.tif и файл настроек *.tab); слой с векторизованными
точками и значением их абсолютных высот в семантике; слой с
векторизованной границей села Мохово. При отсутствии подобных растровых
и векторных карт требовалось бы в любой ГИС координатно привязать
отсканированную карту и векторизовать точки с указанием их абсолютных
высот. В данном случае нет необходимости в выполнении этих пунктов,
соответственно использование растра не является необходимым. Однако такая
комбинация исходных данных влияет на выбор ГИС при построении 3Dмодели, поскольку ГИС, в которой до этого осуществлялась работа с картами
не позволяет выполнять подобные задачи. Следовательно, в
системе,
способной обеспечить выполнение поставленной цели, должен быть реализован
импорт из файла обменного формата ГИС. Для построения трёхмерной модели
местности
с
имеющимися
исходными
данными
необходима
геоинформационная система с возможностью импорта требуемых файлов.
Существует огромное количество ГИС с такой функцией, такие как ГИС
«Карта 2008», ArcGIS и другие. Остановимся одной из систем.
Трехмерная модель местности в ГИС «Карта 2008» представляет собой
поверхность, построенную с учетом рельефа местности, на которую может
быть наложено изображение векторной, растровой или матричной карты, и
расположенные на ней трехмерные объекты, соответствующие объектам
двухмерной карты. Она является полноценной трехмерной картой, которая
позволяет выбирать объекты на модели с целью запроса информации об
объекте, редактировать их внешний вид и характеристики. На трехмерной
модели можно увидеть как наземные, так и подземные объекты. Создание
трехмерной модели не требует длительной подготовки, достаточно иметь
двухмерную карту и матрицу высот. По этим данным можно построить
трехмерную модель рельефа выбранного участка местности. Работа начинается
с экспорта имеющихся слоёв. Открываем слои границы села Мохово и
векторизованных точек местности. В семантике слоя с точками содержатся
абсолютные высоты. Эти данные в последствие необходимо будет перенести в
семантику карты в ГИС «Карта 2008». Экспортируем имеющиеся слои в файл
формата *.mif/*.mid. Данный формат является обменным с другими системами.
Выполняем операцию Таблица → Экспорт. В ГИС «Карта 2008» необходимо
создать пользовательскую карту или план. Для этого предварительно создаётся
классификатор карт. Классификатор карт в ГИС «Карта 2008» представляет ни
что иное, как файл ресурсов, в котором хранится вся информация о карте,
послойный состав, семантические объекты слоёв, параметры оформления
графических и текстовых объектов, 3D-библиотеки и другие свойства карт. В
окне Редактор классификатора задаём параметры. Во вкладке Объекты в
области ввода параметров слоя необходимо выбрать вкладку Семантика и
добавить поля Код объекта и Абсолютная высота. После того, как создан
классификатор карт, можно приступать непосредственно к созданию
пользовательских карт, по данным которых в дальнейшем будет построена
матрица высот и трёхмерная модель местности. Поскольку исходные данные
были преобразованы в файлы формата *.mif, то карты создаём путём их
импорта. Для начала импортируем границу населённого пункта. Для создания
карты необходимо указать входную карту, классификатор, выходную карту и
задать режимы её создания, масштаб и имя района. После чего следует нажать
кнопку Выполнить. Произойдёт автоматическое создание пользовательской
карты Импорт файла с точками производится по той же схеме. Но с другими
параметрами режима создания. В режимах выходной карты следует выбрать
Дополнить, что приведёт к добавлению создаваемой карты к уже имеющейся с
границей. В разделе Семантика выбираем значение Пользователем и
нажимаем кнопку Настроить. Появляется окно настройки семантики и данных
классификатора карты. На данном этапе происходит перенос значений
абсолютных высот точек из исходной ГИС в пользовательскую карту ГИС
«Карта 2008». Сопоставляем в Таблице соответствия семантик колонки данных
и нажимаем кнопку Установить. Окно Установки соответствия семантических
характеристик скрывается, после чего выполнятся построение новой карты с
автоматическим добавлением к карте границы. Матрица высот содержит
абсолютные высоты рельефа местности. Создать её можно в ГИС «Карта 2008»
несколькими способами. Один из них - добавление матрицы при помощи
операции Добавить в списке данных электронной карты. Появляется
диалоговое окно, позволяющее добавить уже имеющуюся матрицу высот или
создать новую. Для этого следует задать новое имя файла. Матрица имеет
расширение *.mtw. Далее в появившемся окне следует выбрать необходимые
параметры для создания матрицы. После выполнения всех настроек нажимаем
кнопку Построить – матрица высот будет создана по заданным
характеристикам и добавлена к картам местности. После того как
сформирована матрица высот, можно приступать к созданию трехмерной
карты. Для этого необходимо выполнить операцию Задачи → Запуск
приложений, в дереве находим раздел “Тематические карты и диаграммы” и
запускаем необходимое приложение “Формирование трёхмерной карты
местности”. Открывается отдельное окно с трёхмерной моделью местности с
возможностью изменения ракурса смотрящего, высоты, освещения и других
параметров модели. Таким образом, выполненный проект дает возможность
представления поверхности реального рельефа территории и оперативного
получения информации по объектам. Можно отметить и тот факт, что все
результаты в виде карт и матриц могут быть конвертированы в обменный
формат данных и использованы в другой ГИС, либо быть сохранёнными как
отдельные файлы определённых форматов для дальнейшего просмотра в
различных редакторах изображения или видео, что обеспечивает их
дальнейшее автономное использование. Технические и экономические аспекты
подготовки качественных данных, в том числе и трехмерных моделей, еще
долго будут оставаться одними из самых важных. Необходимое для 3D
моделирования аппаратное обеспечение уже существует и с каждым днем
становится все более совершенным. Задача исследователей и разработчиков
сейчас – создание технологий автоматического конструирования 3D моделей с
использованием различных данных.