УДК 519.6, 004.922 Булаев А.А., Смагин А.А. Bulaev A.A., Smagin A.A.

УДК 519.6, 004.922
Булаев А.А., Смагин А.А.
Bulaev A.A., Smagin A.A.
Проектирование системы 3D ГИС визуализации на базе свободно распространяемых
ресурсов.
Designing of 3D GIS visualization based on freely available resources.
В данной статье авторы рассматривают возможности создания 3D ГИС отображения
ситуационной обстановки на основе свободно распространяемых ресурсов.
Ключевые слова: проектирование;3D ГИС; геоданные; растр; вектор; свободно распространяемые
библиотеки
In this article the authors examine the possibility of creating a 3D GIS situational environment based on freely
available resources.
Keywords: designing; 3D GIS; geodata; raster; vector; opensource library
Развитие информационных и телекоммуникационных технологий повлекло за собой
переход всех картографических и геоинформационных систем от 2D вида к 3D.
Лидером среди 2D и 3D ГИС систем является наиболее востребованное семейство
продуктов в области картографии и геоинформационных систем ArcGIS, которое позволяет
визуализировать (представить в виде цифровой карты) большие объёмы статистической
информации, имеющей географическую привязку. В среде создаются и редактируются карты
всех масштабов: от планов земельных участков до карты мира. Также в ArcGIS встроен
широкий инструментарий анализа пространственной информации.
Основным недостатком рассмотренного выше семейства систем является высокая
цена. Для покупки одного пакета ArcGIS необходимо не менее 300 000 рублей.
Среди свободно распространяемых ГИС широко известны QuantumGIS, gvSIG,
GRASS GIS, но эти системы имеют ограниченный спектр возможностей для 3D
визуализации. Принято решение о разработке комплекса 3D визуализации ГИС системы,
используя среду разработки Qt и существующих 3D библиотек с необходимым набором
функций.
Целью настоящей статьи является рассмотрение возможностей создания 3D ГИС
отображения наземной и воздушной ситуационной обстановки на основе свободно
распространяемых ресурсов, причём не хуже существующих коммерческих аналогов.
Задачами являются:




исследование возможности применения существующих 3D-ГИС;
исследование возможностей свободно распространяемых ресурсов для построения на
их основе собственной 3D-ГИС;
выбор 3D технологии для построения на её основе 3D-ГИС;
создание 3D-ГИС по выбранной технологии.
Требования, необходимые для создания системы:

построение трехмерной модели поверхности Земли







возможность наложения векторных, растровых и топографических основ различного
разрешения
возможность отображения линейных, точечных и площадных объектов
возможность добавления, редактирования, удаления и поиска 3D моделей наземных и
воздушных объектов.
возможность открытия карт, текстур, моделей поверхности наиболее
распространённых форматов: S-57, KML, OSM, GeoTiff, JPG, 3DS, TMS, WMS
возможность кеширования данных от интернет-источников для использования в
автономном режиме
возможность открытия, редактирования слоев обстановки автоматизированным
способом через программные интерфейсы
возможность моделирования динамики перемещения объектов по трехмерной модели
Для реализации всех требований в системе выделяются следующие компоненты:




компонент 3D визуализации с пользовательским интерфейсом;
компонент работы с источниками обстановки;
компонент поддержки интерфейсов взаимодействия с внешними системами;
компонент имитации движения объектов в 3D пространстве.
Указанные компоненты системы разрабатываются на основе свободно
распространяемых ресурсов. Всё множество свободно распространяемых библиотек можно
классифицировать по выполняемому ими функционалу:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
работа с графикой
работа с файловой системой
программирование
работа с Интернет источниками
работа с базами данных
работа с геоданными
На основе требований и необходимого функционала для разработки 3D
геоинформационной системы построено дерево функций (рисунок 1)
Рисунок 1 - Функциональная схема 3D ГИС
Для удовлетворения требований необходимо выбрать из библиотек те, использование
которых позволит решить поставленные задачи.
Ниже представлены библиотеки, необходимые для разработки компонентов 3D ГИС
(таблица 1).
Таблица 1 - Свободно распространяемые библиотеки, используемые при разработке 3D ГИС
Библиотека
Описание
Функции
OpenSceneGraph
кроссплатформенная свободно распространяемая
библиотека для разработки высокопроизводительных
3D-приложений
Графика
osgEarth
масштабируемый набор инструментов для
визуализации земной поверхности на основе
OpenSceneGraph.
Графика
Программирование
GDAL
библиотека для работы с растровыми географическими
форматами файлов данных
Графика
Файловая система
Геоданные
CURL
свободная, кроссплатформенная библиотека,
позволяющая взаимодействовать с множеством
различных серверов по множеству различных
протоколов с синтаксисом URL
Интернет
GEOS
библиотека для работы с геометрическими фигурами
Геоданные
Minizip
библиотека для работы с ZIP/GZIP файлами
Файловая система
OGR
Свободно распространяемая библиотека для работы с
векторными данными
Qt
кроссплатформенный инструментарий разработки ПО
на языке программирования C++.
Графика
Файловая система
Геоданные
Файловая система
Программирование
CMake
это кроссплатформенная библиотека автоматизации
сборки программного обеспечения из исходного кода.
Программирование
OpenGL
платформонезависимый программный интерфейс для
написания приложений, использующих двумерную и
трёхмерную компьютерную графику.
Графика
LevelDB
Библиотека для работы с базами данных LevelDB
База данных
SQLite
Библиотека для работы с базами данных SQLite
База данных
Каждая библиотека реализует часть функционала одного или нескольких
компонентов системы (рисунок 3).
OpenGL
компонент 3D
визуализации
osgEarth
OGR
компонент 3D
визуализации
GDAL
компонент 3D
визуализации
Qt
CURL
компонент 3D
визуализации
OpenSceneGraph
Рисунок 3 - Проекция свободно распространяемых библиотек на разрабатываемые
компоненты.
Форматы геоданных
Библиотеки для работы с геоданными (GDAL, OGR) поддерживают большинство
используемых на данный момент форматов, которые делятся на два типа:


растровые данные,
векторные данные.
Первый тип геоинформационных данных — растровые данные, которые чаще
называют просто «растр». Наиболее распространёнными видами растровых данных являются
цифровые спутниковые снимки или аэрофотоснимки. Карты свето-теневой отмывки или
цифровые модели рельефа также представляются в виде растровых данных. В виде
растровых данных могут быть представлены любые объекты карты, но в их применении
существуют определённые ограничения.
В геоинформационных системах также используются векторные данные. Вектор —
это способ описания местоположения с помощью набора координат. Каждая координата
соотносится с географическим местоположением с помощью системы значений X и Y.
Векторные данные могут быть представлены в трех формах, каждая из которых более
сложная и основана на предыдущей:
1.
точки — одна пара координат (x y) определяет отдельное географическое
местоположение;
2.
линии — множество пар координат (x1 y1, x2 y2, x3 y3 . . . xn yn), следующих в
определенном порядке, задают линию, проведённую из точки (x1 y1) в точку (x2 y2) и так
далее. Части линии между двумя соседними точками называются сегментом линии. Они
имеют длину и направление, которое определяется порядком следования точек. Технически,
линия представляет собой две пары координат соединённых вместе, в то время как ломаная
линия образуется объединением сегментов;
3.
полигоны — если линии образуются последовательностью из более чем двух
точек, с последней точкой в том же положении, что и первая, то такая фигура называется
полигоном. Треугольник, круг, прямоугольник и т. д.— всё это полигоны. Ключевая
особенность любого полигона — это замкнутая область, находящаяся в пределах его границ.
Проведен анализ возможностей отображения свободно распространяемыми
библиотеками большинства распространённых векторных и растровых форматов (рисунок
4).
Форматы данных
Библиотеки
Векторные
osgEarth
KML
OSM
OGR
S57
SXF
GDAL
WFS
Растровые
CURL
GeoTiff
JPEG
OpenSceneGraph
MAP
WMS
Рисунок 4 – Соответствие растровых и векторных форматов свободно распространяемым
библиотекам
В данной статье были рассмотрены возможности разработки 3D ГИС отображения
ситуационной обстановки на основе свободно распространяемых ресурсов. Проведен анализ
требований и функций, реализуемых свободно распространяемыми библиотеками, выбраны
те библиотеки, которые удовлетворяют поставленным требованиям, имеют необходимый
функционал и поддерживают большое количество векторных и растровых форматов карт.
Подготовлена основа для разработки 3D ГИС.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецов О. JL, Никитин А. А., Черемисина Е. Н. Геоинформационные системы.
Учебник для вузов. - М.: Государственный научный центр Российской федерации ВНИИГеосистем, 2005. – 347 с.
2. Шаши Шекхар, Санжей Чаула. Основы пространственных баз данных; пер. с англ.; М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2004. – 336 с.
3. Бугаевский J1.M., Цветков В.Я. Геоинформационные системы: Учебное пособие для
вузов. М.: Златоуст, 2000. - С.222.
4. ДеМерс Майкл Н. Географические информационные системы. Основы.: Пер. с англ.
– М.: Дата+, 1999. – 490 с.
5. http://live.osgeo.org/ru/overview/osgearth_overview.html - OSGeo-Live 7.9
Documentation.
Булаев Алексей Александрович
Ульяновский государственный университет, г. Ульяновск
Аспирант кафедры «Телекоммуникационные технологии и сети»
Тел.:+7(902)128-10-70
E-mail: [email protected]
Смагин Алексей Аркадьевич
Ульяновский государственный университет, г. Ульяновск
Д.т.н., профессор кафедры «Телекоммуникационные технологии и сети»
Тел.:+7(927)816-16-39
E-mail: [email protected]