Берлянт А.М. Виртуальные геоизображения

Подождите немного. Документ загружается.

«брать в руки» искусственно созданные объекты и управлять их положе-

нием, передавая на мониторинговое устройство импульсы от движения

рук и пальцев [8].

Видный американский картограф Гарольд Моельринг одним из пер-

вых ввел понятие «виртуальная карта»

[37-39],

противопоставив его «ре-

альной карте». Различия между ними определяются двумя признаками:

во-первых, возможностью непосредственно видеть картографическое

изображение и, во-вторых, материально осязаемой формой существова-

ния карты. В соответствии с этими признаками были выделены четыре

типа карт:

• Реальная карта (R) любая видимая карта, постоянно существу-

ющая в материальной форме (при этом не важно, создана она вруч-

ную,

механически или с помощью компьютерных средств)

• Виртуальная карта 1-го типа (V-1) - непосредственно видимое

изображение, но временно существующее только в электронной

форме на экране компьютера

• Виртуальная карта 2-го типа (V-2) постоянно и реально суще-

ствующая, но невидимая карта, для визуализации которой необ-

ходимы дополнительные преобразования

• Виртуальная карта 3-го типа (V-3) - карта, не принадлежащая ни

к одному из названных выше типов, но полностью готовая к пре-

образованию в любой из типов.

Далее Моельринг [39] указал возможные преобразования (переходы)

между разными типами карт. Он назвал их «тоблеровскими преобразо-

ваниями», по имени Уолдо Тоблера, разработавшего теорию аналити-

ческих картографических преобразований:

—>

R - обычная обрабо пса карт

—• V-1 - цифрование пространственных данных и их хранение в

цифровой базе данных

V-1

—>

R - получение копии карты с экрана компьютера

V-3 —• R - вычерчивание карты на графопостроителе по цифровым

данным

V-3

—»

V-1 - вывод карты на экран по данным, хранящимся на жест-

ком диске компьютера

V-1 —* V-3 - редактирование на экране пространственных данных,

хранящихся на жестком диске

V-2

—>

V-3 - считывание цифровых данных с CD-ROM и хранение их

в памяти компьютера

V-3 —> V-3 - математические преобразования цифровых простран-

ственных данных, хранящихся в памяти компьютера.

Таким образом, виртуальность карты в трактовке Моельринга свя-

зывается лишь с реальностью ее существования и способом визуализа-

ции. В настоящее время понимание виртуального изображения претер-

пело значительные изменения. Средства геоиформационного картогра-

фирования позволяют визуализировать виртуальное изображение,

применяя прежде всего эффекты трехмерности и анимации. Именно они

создают иллюзию присутствия в реальном пространстве и интерактив-

ного взаимодействия с ним [25, 40].

В недавно вышедшем Толковом словаре основных терминов по гео-

информатике термин «виртуальная реальность (virtual

reality,

VR)» трак-

туется как «искусственная действительность, во всех отношениях подоб-

ная подлинной и совершенно от нее неотличимая. При этом между

искусственной действительностью и воспринимающим ее человеком об-

разуется двусторонняя связь» [9, с. 27].

Таким образом, поучается, что виртуальная реальность - это некое

искусственное построение, модель объекта или ситуации, которая позво-

ляет взаимодействовать с этим объектом или ситуацией, управлять ими,

проигрывать какие-то задачи и принимать решения.

Из теории и практики картографии хорошо известно, что всякая карта

(да и вообще, всякое геоизображение) - это модель. С помощью картог-

рафических моделей исследуют реальные объекты, процессы и связи, ви-

зуализируют научные абстракции, прошлые (например, палеогеографи-

ческие) условия и будущие ситуации, на основе моделей планируют сра-

жения и принимают управленческие решения. Карты способны

моделировать невидимые объекты (например, поверхность Мохорови

чича) и явления, не воспринимаемые органами чувств человека (напри-

мер,

магнитное склонение). Наконец, известны карты вообще не суще-

ствующих объектов, с которыми можно свободно оперировать. Таковы

карта Земли Санникова или Таинственного острова, где во всех подроб-

ностях представлена искусственная (научно-фантастическая) действитель-

ность, вымысел, небылица, фикция, но с очень правдоподобными дета-

лями: орографией и гидрографией, растительным покровом и климатом,

даже с подробнейшей топонимикой - и все это «совершенно неотличи-

мо» от реальности.

Выходит, картография давно имеет дело с виртуальными изображе-

ниями. Ведь способность моделировать объекты и процессы составляет

одно из самых сильных эвристических свойств карты. Она опирается на

Фундаментальный принцип подобия и реализуется в формах геометри-

ческого, временного подобия и подобия отношений. Тогда что же та-

|кое виртуальная модель? В чем кроется разница между нею и обычной

картографической моделью, воссоздающей реальную действительность

или вымышленную ситуацию? Где пролегает граница, отличающая при-

вычную карту от виртуальной?

Попробуем назвать четыре свойства, объясняющие эти различия:

• компьютерная генерированностъ виртуальной модели, сочеташте

в одном геоизображении свойств карты, перспективного снимка,

блок-диаграммы и анимации

• возможность про1раммного управления этим синтезированным

геоизображением

• интерактивное взаимодействие с самим геоизображением и окру-

жающей его виртуальной средой

• уменьшение свойств знаковое™ и условности геоизображения,

придание ему черт реалистической «портретное™» и «натураль-

ности»

Можно считать, таким образом, виртуальное геоизображение - это

особая пространственно-временная модель реальных или абстрактных

объектов и ситуаций, формируемая и существующая в программно-управ-

ляемой среде и создающая возможность для интерактивного взаимодей-

ствия с наблюдателем. Как любое геоизображение, оно предстает в гра-

фической образной форме, имеет проекцию, масштаб и обладает свой-

ством генерализованности.

Некоторые исследователи [26] особенно подчеркивают отказ от ус-

лов1гых знаков, что, по их мнению, придает виртуальным геоизображе-

ниям «натуральность», ускоряя и улучшая процесс коммуникации про-

странственной информации. В самом деле, «реалистичность» виртуаль-

ной модели и окружающей ее среды бросается в глаза прежде всего.

Однако при детальном рассмотрении оказывается, что это вовсе не са-

мый существенный признак. Более того, во многих случаях виртуальная

портретность и условно-знаковые свойства карт удачно сочетаются и

дополняют друг друга.

Особая наглядность и выразительность виртуальных геоизображе-

ний провоцируют еще один вопрос - являются ли они лишь средством

компьютерной презентации данных или инструментом исследования?

Необходимы они для реалистичного представления картографируемого

объекта или для углубленного его изучения? На самом деле подобные

противопоставления неправомерны. Столь же странно прозвучал бы

вопрос о том, являются ли комплексные атласы способом представления

географической информации или средством исследования? Макси-

мально наглядное и возможно более точное отображение объекта или

процесса, конечно же, способствует наилучшему пониманию его морфо-

логии и генезиса, а следовательно, значительно повышает эвристиче-

ский потенциал исследования.

По внешнему виду к виртуальным моделям довольно близки фо-

топанорамы. Они предельно реалистичны, но, кончено, не создают воз-

можности интерактивного взаимодействия с ними. Схематично можно

представить, что виртуальные геоизображепия находятся где-то по-

средине на оси «условно-знаковые карты реалистические фотопа-

норамы»:

Карты <=> виртуальные модели <=> фотопанорамы

Пример, иллюстрирующий это положение, представлен на рисун-

ке

(вклейка), где показаны карта и фотопанорама территории Москов-

ского университета на Воробьевых горах. Можно считать, что виртуаль-

ные модели в определенной степени сочетают достоинства того и друго-

го изображения.

Виртуальные модели и технологии сегодня широко используют в раз-

ных отраслях науки, практики и бизнеса. Наибольшее применение они

получили в следующих сферах:

• архитектура, инженерное проектирование, гражданское, дорож-

ное и гидротехническое строительство

• воздушный, водный, наземный, подземный транспорт и навига-

ция

• создание тренажеров

• моделирование катастроф и чрезвычайных ситуаций, в том чис-

ле с применением робототехнических устройств

• военные учения

• обучение и образование

• медицина, в особенности хирургия

• кино, телевидение и реклама

• художественный дизайн, презентации

• компьютерные игры, индустрия развлечений

Область приложения виртуальных технологий неуклонно расширя-

ется, новейшие достижения компьютеризации быстро находят в них при-

менение. По маркетинговым оценкам, доходы в этой сфере ежегодно воз-

растают примерно на 60%, и это почти в 3 раза больше, чем в других

о граслях информатики.

Сферы применения виртуальных моделей

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Опыт традиционной картографии

Все новейшие технологии, используемые в геоинформационном кар-

тографировании, имеют глубокие корни.

Прототипом современных ГИС безусловно являются географичес-

кие атласы - геоинформационные системы докомпьютерной эпохи, име-

ющие много общего с современными ГИС. В тех и других информация

представлена в виде картографических слоев, взаимно увязанных и пред-

назначенных для совместного анализа. Известные принципы создания

атласов - ограничение числа используемых проекций и масштабов, со-

гласование базовых карт и географических основ, увязка шкал и легенд,

единство подходов к генерализации, общность изобразительных средств

и дизайна, взаимное согласование карт - все они остаются справедливы

и для ГИС. Очень важно и целесообразное ограничение количества карт-

слоев рациональным их набором. Проектирование и использование

современных ГИС во многом опираются на опыт комплексного атлас-

ного картографирования [4, 14, 18].

Анимационные компьютерные технологии также ведут начало от

традиционных приемов динамического картографирования, когда на

одной или на серии карт фиксируют состояния объектов в разные мо-

менты или периоды времени. Для показа динамики объектов и процес-

сов применяют стрелки-векторы, ленты движения, «нарастающие» зна-

ки и диаграммы, расширяющиеся контуры ареалов, изолинии скорос-

тей изменения явлений и т. п.

Новым и очень популярным средством комплексного картографи-

рования в последние годы стали мультимедиа. Они позволяют хранить

и совместно воспроизводить не только картографическую, но и иную

рафическую информацию, трехмерные изображения, аэрокосмические

снимки, тексты, звуки. Большие объемы видеоинформации в сочетании

с аудио- и текстовым сопровождением (до 650 Мбайт и более) записы-

вают на компакт-диски (CD-ROM) и снабжают гиперссылками, обеспе-

чивающими удобный переход от карт к текстам, снимкам и обратно или

совмещение их на экране. Этим достигается полное и разностороннее

представление об объекте.

Мультимедиа тоже имеют корни в произведениях традиционной кар-

кмрафии, где давно и весьма детально разработаны принципы и приемы

оптимального сочетания карт с текстом, размещения в атласах геогра-

фических описаний, сведений о каргах, пояснений и методических указа-

ний по их использованию [13]. Комплексные атласы-это бумажные про-

образы мультимедиа, они обильно насыщены аэро- и космическими сним-

ками, фотографиями. В них реализовано тематическое и структурное

согласование, карты увязаны с текстами и снимками, размещенными в

разных разделах, продуманы организация, поиск и доступность разных

документов. В настоящее время эти наработки оказались напрямую во-

стребованы при создании картографических мультимедийных компакт-

дисков [6].

Не стало неожиданным в картографии и появление виртуальных

изображений. Стереомодели, которые используют при дешифрировании

и цифровой фотограмметрической обработке снимков для построения

цифровых моделей рельефа, составляют основу виртуальных геоизоб-

ражений, хотя они, конечно, не программно управляемы. Анаглифичес-

кие карты и снимки, физиографические карты, блок-диаграммы и фото-

блок-диаграммы - несомненно можно рассматривать как прообразы

виртуальных геоизображений. Они сделались таковыми, как только ста-

ли программно управляемыми. Можно сказать определеннее: эффект

виртуальности возникает тогда, когда трехмерное геоизображение ста-

новится программно управляемым.

Назовем основные положения традиционного картографирования,

которые сохраняют значение при проектировании и создании вирту-

альных геоизображений:

• правила подбора, оценки и оптимального сочетания разных ис-

точников информации

• разработка программы (сценария), макета, алгоритмов создания

и редактироваггия виртуальной модели

• выбор математической основы, масштаба и способов изображе-

ния, соответствующих назначению виртуального геоизображения,

соблюдение единого оформления и т. п.

• правила генерализации (цензы и нормы отбора, обобщение каче-

ственных и количественных показателей, исключение, объедине-

ние,

сглаживание контуров)

• взаимное согласование (увязка) содержания в пределах одного или

нескольких тематических слоев модели, модели и окружающей ее

вирутальной среды, а также разных моделей

• графический, картометрический, морфометрический, математико-

статистический анализ и преобразования виртуальных моделей,

их оверлей, корреляция, прослеживание динамики и др.

Приведенный достаточно схематичный перечень правил и методов

показывает, что при новых компьютерных технологиях картографиро-

вания ничего не изменилось, хотя изменилось все. И, если вдуматься, в

этом нет ничего удивительного. На протяжении многих веков рукопис-

ная карта, полиграфический оттиск, снимок, экранное изображение ос-

таются наиболее удобным для человека языком зрительных образов,

самой доступной и привычной моделью реальности. Их сущность и на-

значение неизменны, подобно тому, как неизменно назначение книг,

независимо оттого, вырублены они на камне, написаны гусиным пером

или напечатаны на лазерном принтере.

Это еще раз подтверждает мысль о том, что в наступившем третьем

тысячелетии перспективы картографической науки и производства бу-

дут определяться не только грядущими техническими новациями, но и

тем, насколько полно будет освоен и востребован опыт традиционной

картографии.

Но одновременно возникает вопрос, уже затронутый в предыдущей

главе: должно ли геоинформационное картографирование подражать

традиционному? Или следует выработать свои правила, свою эстетику,

иные критерии оценки качесгва? В чем достоинства компьютерных тех-

нологий? В том, чтобы создать электронные карты, неотличимые от

традиционных, полностью имитировать все тонкости ручной работы

картографа? Или сделать что-то другое, найти решения, которые до это-

го не применялись, создать геоизображения нового типа?

Далеко продвинувшись в техническом отношении, картография

остается пока на прежних концептуальных и эстетических позициях.

В самое ближайшее время предстоит определить, каковы ее инварианты

и переменные. Функции карты неизменны, но как меняется сегодня ее

язык, графика, способы составления и генерализации, требования к точ-

ности - достаточных ответов на эти вопросы пока нет. Ясно лишь одно:

картографические произведения нужно создавать не только быстрее, точ-

нее и лучше, но и по-другому.

Процесс моделирования

Анализ программных продуктов, содержащих различные моду™ для

создания виртуальных геоизображений, позволяет наметить следующую

общую последовательность операций:

• Создание цифровой модели рельефа

• Совмещегше («натягивание») фотоизображения с рельефной мо-

делью и получение «реа™стической» фото-блок-диаграммы

• Нанесение знаковой нагрузки (тематического содержания) и над-

писей

• Цветовое оформление и редактирование всего изображения

• Выбор траектории движения или вращения моде™

• Выбор узловых сцен (кадров)

• Расчет промежуточных кадров и запуск анимации

• Формирования внешних эффектов окружающей среды и средств

интерактивного взаимодействия с ними

• Визуа™зация виртуальной моде™

• Добавление мультимедийных эффектов

Отдельные операции этого алгоритма, такие, как нанесение допол-

нительных объектов, выбор состояния окружающей среды, внесение

мультимедийных эффектов, могут быть пропущены, другие - добавле-

ны,

например, расчет распределения теней в городе и™ в горах.

При создании виртуальных геоизображений особое значение

приобретает выбор характерных узловых сцен, между которыми ин-

терполируются промежуточные сцены анимационной последовательно-

сти.

С интерполированием сочетается и морфинг - особая процедура

алгоритмического преобразования формы объектов из одного вида в

другой.

Таким образом, виртуальная модель включает изображение самого

объекта, изображение окружающей его виртуальной среды, а также сред-

ства их взаимодействия между собой и с наблюдателем (пользователем),

который получает возможность интерактивно управлять и объектом, и

средой, причем сама «виртуальность» проявляется лишь в ходе инте-

рактивного взаимодействия человека и модели.

Многие разработчики особо подчеркивают именно возможность по-

гружения человека в виртуальную реальность и интерактивного кон-

такта с моделью, включая внесение в нее допотительных объектов и

свойств. Например, С. Брайсон [25] определяет процесс создания вирту-

альной реальности как использование компьютеров и человеко-машин-

ного интерфейса для создания эффекта трехмерного мира, включающе-

го интерактивные объекты. А сама система виртуального моделирова-

ния включает, по его мнению, три подсистемы:

• подсистема формирования виртуальной среды (модели), которая

обеспечивает интерактивное взаимодействие с нею

• телеоперационная подсистема, позволяющая управлять средой и

изменять ее параметры

• подсистема расширения, с помощью которой в виртуальную мо-

дель можно вносить дополнительную информацию из базы дан-

ных, в том числе абстрактные объекты.

Уже сегодня технологические процессы создания виртуальных гео-

изображений и программное обеспечение хорошо отработаны. Еще в

1994 году

в одной из первых таких технологий «Строитель виртуально-

го мира» (Virtual World

Builder)

[34] были подробно представлены сред-

ства автоматизированного преобразования цифровых ортофотоизобра-

жений в реалистические трехмерные модели местности. В дальнейшем

совершенствование и расширение технологий пошло за счет включения

элементов мультимедиа и ГИС.

Хорошим примером может служить технология «Виртуальные гра-

ницы» (Virtual Frontier™) [45], разработанная фирмой

Northwood

Geo-

science

Ltd. Вначале по топографической карте строится цифровая мо-

дель,

затем - 3-мерное изображение местности, его можно окрасить в

цвета гипсометрической шкалы, совместить с фотоизображением ланд-

шафта и далее совершить облет полученного геоизображения. Програм-

ма содержит 6 модулей:

Управление полетом - обеспечивает доступ к диалоговому окну,

полет по избранному направлению, повороты и развороты, изменение

скорости полета, показ перспективы и обычной карты, на которую по

мере движения наносится маршрут полета.

2. Точность навигации - позволяет выполнять контроль с помощью

мыши, клавиатуры и джойстика (манипулятора в форме рукоятки с кноп-

ками, используемого на тренажерах), полет на заданной высоте, с за-

данной скоростью, над точками с заранее избранными координатами

(широтой и долготой), точное выдерживание высоты полета относитель-

но уровня моря или самой местности.

3. Редактирование маршрута - обеспечивает интерактивное форми-

рование и редактирование полета, построение маршрута по цифровым

файлам путем задания координат X, Y, Z , слежение за линией полета и

его отображение в отдельном окне 3-мерного изображения.

4. Установка состояния окружающей среды - позволяет выбрать вид

земного покрова, степень детальности объектов на местности, устано-

нить преувеличение вертикального масштаба модели относительно го-

ризонтального, выбрать состояние неба (облачность), туман, угол и

интенсивность освещения, время дня, эффект снегопада и т.п.

5. Редактировать объектов - осуществляет размещение 3-мерных

объектов, изменение их текстуры на фоне местности, расположение над-

писей (размер и цвет шрифтов, поворот надписей), добавление текстов,

звука, снимков и других 3-мерных объектов.

6. Тематическое картографирование - запуск программы

Mapinfo

связь с таблицами и другими данными, выбор линий, точек и их атрибу-

тов,

отображение текущего положения на анимационных слоях, нанесе-

ние дополнительных объектов, использование программы картографи-

ческого редактирования (Vertical

Mapper),

цветных сеток, подложек и

других элементов дизайна.

По описанной методике получают крупномасштабные и довольно

подробные виртуальные изображения рельефа и ландшафта. На рисун-

ках 2 и 3 (вклейка) приведены примеры виртуальных геоизображений,

полученных с помощью описанной выше технологии. Аналогичным

образом могут быть созданы модели геологического строения, водных

объектов, растительного покрова, городов, путей сообщения и т. п. Воз-

можность интеграции разной тематической информации в одной моде-

ли одно из главных достоинств виртуального геоизображения. Про-

летая и «зависая» над горными склонами, можно, например, детально

рассмотреть их террасированность, провести морфометрические изме-

рения, определить характер эрозионных и оползневых процессов, а дви-

гаясь над городскими территориями - оценить особенности застройки

и распределение зеленых массивов, спроектировать размещение новых

зданий и транспортных магистралей.

Фирма

ESRI

(США) разработала специальный очень удачный ГИС-

пакет Arc View® 3D Analist™. Это программное обеспечение обладает

большой гибкостью и многофункциональностью и в настоящее время

широко внедряется для создания вирутальных геоизображений городов,

горных выработок, инженерных сооружений и даже для моделиро-

вания вполне реалистичных перспективных изображений материков и

других обширных участков нашей планеты. Программное обеспечение

3D Analist™ позволяет весьма эффектно представлять их под разными

ракурсами, обозревая словно с высоты орбитального полета. При этом

в специальном окне на экране компьютера приводится карта обозрева-

емой области земного шара и указывается направление осмотра. Весь-

ма эффектно выглядит, например, выпуклая поверхность планеты в рай-

оне западного побережья Северной Америки, последовательно показы-