Берлянт А.М. Виртуальные геоизображения

Подождите немного. Документ загружается.

ства, умеште быстро ориентироваться на местности и принимать реше-

ния в незнакомой обстановке, оценивать размеры, расстояния, пони-

мать отношения объектов.

К главным достоинствам виртуальных геоизображений как средств

обучения относятся:

• полная иллюзия полевого наблюдения и непосредственного дос-

тупа к объектам

• развитие навыков зрительного восприятия и глазомерных оценок

пространственных образов от небольших участков местности

до всей планеты в целом

• возможность картометрирования (определения абсолютных и от-

носительных высот, расстояний и длин, площадей, углов накло-

на)

• возможность активного обучения и самообучения

• высокий уровень интерактивности, наличие обратной связи в си-

стеме «учащийся - геоизображение» и развитие коммуникатив-

ных навыков.

Программно управляемые виртуальные учебные геоизображения на

компакт-дисках в самое ближайшее время станут, видимо, одним из наи-

более доступных и эффективных пособий при изучении географии. По-

этому необходимо специальное изучение психофизических особенно-

стей их восприятия школьниками разного возраста. В частности, необ-

ходимы специальные исследования для выяснения эффективности соче-

тания разных масштабов (вертикального и горизонтального), примене-

ния разных цветовых шкал, фонов, равномерности освещения изобра-

жения по экрану. Нужно оценить минимальную различимость деталей

изображения, целесообразность совмещения «реалистичного» виртуаль-

ного изображения, условных знаков и фотоклипов, установить правила

размещения надписей и виды шрифтов. Важно определить оптималь-

ную скорость анимации, высоту «полета» над местностью, геометри-

ческие искажения, возникающие при разных ракурсах.

Таким образом, школьных учителей и профессиональных картогра-

фов ожидают новые проблемы, связанные с проектированием, редакти-

рованием, генерализацией и графическим оформлением учебных вирту-

альных геоизображений. Недавно Ю.Ф. Книжников [12] вновь заост-

рил внимание на недостаточной изученности законов формирования

зрительного (визуального) образа и подчеркнул важность для карто-

графии и геоиконики понимания механизмов, при включении которых

биологическая система зрения получает, хранит, преобразует и представ-

ляет пространственную видеоинформацию. Задача еще усложняется,

когда речь заходит о пространственно-временной, виртуальной и дина-

мической видеоинформации. Для исследования потребуются эксперимен-

ты,

применение известных в картографии методик тестирования и разра-

ботка новых, обращение к науке о зрении, к методам офтальмологии,

к психофизическим опытам и теории отражен™.

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ

Развитие геоиконики

Современная картография представляется живым и развивающим-

ся организмом. Многие ее разделы испытывают активный рост, развет-

вляются на самостоятельные направления, в них формируются новые

подразделы и области комплексных исследований. К таким направле-

ниям принадлежат геоинформационное картографирование и его от-

расли (рис. 6). Суть этого направления составляет информационно-кар-

тографическое моделирование геосистем на основе ГИС-технологий, баз

данных и баз знаний [4].

Ответвлением геоинформационного картографирования стало опе-

ративное картографирование, то есть создание и использование карт в

реальном или близком к реальному масштабах времени с целью быст-

рого (своевременного) информирования пользователей и воздействия

на ход процесса. В свою очередь, от него пошло в рост анимационное

картографирование, расширившее возможности отображения динами-

ки геосистем. Сегодня мы являемся свидетелями того, как путем интег-

рации анимационного, трехмерного и методов изготовления ортофото-

карт формируется виртуальное картографирование.

Становление и быстрый прогресс этого направления доказывает сво-

евременность возникновения и перспективность дальнейшего разви-

тия геоиконики как единой науки о геоизображениях. Как уже было

сказано, виртуальная модель - это гипергеоизображение, которое ин-

тегрирует знаковые свойства карт, картинность фотоизображений, ре-

алистичность блок-диаграмм и динамизм компьютерных анимаций. В

этой модели соединены качества картографической, дистанционной и

динамической генерализации, а кроме того, реализована особая анали-

Рис. 6. Дерево геоинформационного картснрафирования

тическая многоуровенная генерализация, основанная на последователь-

ной фильтрации цифровых моделей рельефа.

Представления о геоиконике были впервые сформулированы нами

в 1985 году [2] и обобщены в монографии в 1996 году [3]. Геоиконика

мыслилась как новая синтетическая отрасль научного знания, изучаю-

щая общую теорию геоизображений (карт, электронных карт, снимков,

блок-диаграмм, анимаций и др.), методы их создания, преобразования

и анализа, способы применения в науке и практике. За прошедшие годы

идеи и принципы геоиконики получили распространение, хотя сам тер-

мин не стал общепринятым. Он явно уступает более популярному меж-

дународному термину «геоматика». Правда, объемы понятий, обозна-

чаемых этими терминами, не вполне совпадают. Значительно более

повезло термину «геоизображение», который стал применяться доволь-

но широко. Он оказался удобен как обобщающее название всех гра-

фических моделей, используемых в геонауках - от планов и карт до

голограмм.

Все геоизображения подразделяются по своей размерности на три

класса: плоские (двумерные), объемные (трехмерные) и динамические

(трех- и четырехмереные). Кроме того, существуют комбинированные

геоизображения, огромное многообразие которых в первом приближе-

нии укладывается в комбинационную матрицу [3], в клетках которой

размещаются все возможные виды графических геомоделей. В новом

генерализованном варианте эта матрица представлена в таблице 1.

Такой подход к систематизации геоизображений оказался верным.

За последние полтора десятилетия, прошедших с момента создания этой

системы, было изобретено много новых простых и сложных геоизобра-

жений самых разных видов и типов, и все они укладываются в предло-

женную матрицу. Таким образом, система не только дала оптимальную

группировку геоизображений, но как бы предсказала дальнейшее рас-

ширение их разнообразия. Нашли в ней «свою нищу» и виртуальные

модели (они выделены в таблице), которые имеют четыре измерения -

координаты, аппликаты и время.

Хорошо развитый интерфейс виртуального моделирования позво-

ляет манипулировать не только самой моделью, но и управлять окру-

жающей ее виртуальной средой. «Погружаясь» в эту среду, пользова-

тель активно и как бы непосредственно контактирует с исследуемым

объектом, осматривает его под разными ракурсами, выполняет измере-

ния, запрашивает дополнительные атрибуты и т.п. Конструирование

виртуальных моделей, понимание их свойств и практическое использо-

вание, по сути, опираются на принципы и методы геоиконики. Ин-

терактивные свойства виртуальных моделей могут быть ясно представ-

лены, исходя из триады:

человек

(пользователь )

геоизображение

виртуальная среда

Пользователь взаимодействует одновременно и самим геоизображе-

нием и с окружающей его виртуальной средой, которые тоже находятся

во взаимодействии. Именно синхронная визуализация и синхронное

Таблица 1. Система геоизображений

Гео-

изображения

Карто-

графические

Дистан-

ционные

Блоковые

Динами-

ческие

Картографи-

ческие

Карты

Планы

Электронные

карты

Анаморфозы

Дистанци-

онные

Фотокарты

Фотопланы

Космокарты

Иконокарты

Фото-

телевизионные

сканерные

радио-

локационные

гидро

локацпонные

др.

снимки

Фотопланы

Блоковые

Тематические

блок-диаграммы

Физио-

графические

карты

Фото-блок-

диаграммы

"Пейзажные"

карты

Блок-

диаграммы

Рельефные

модели

Анаглифы

Стерео модели

Голограммы

Динами-

ческие

Серии

разновременных

карг

Картографи-

ческие

анимации

Карты-фильмы

Фото-

телемульти-

пликации

серии

разновременных

снимков

Фильмы

Динамические

метахронные

блок-

диаграммы

Анимаци-

онные

карты

атласы

Динами-

ческие

Серии

разновременных

карг

Картографи-

ческие

анимации

Карты-фильмы

Фото-

телемульти-

пликации

серии

разновременных

снимков

Фильмы

Виртуальные

модели

Анимаци-

онные

карты

атласы

Динами-

ческие

Серии

разновременных

карг

Картографи-

ческие

анимации

Карты-фильмы

Фото-

телемульти-

пликации

серии

разновременных

снимков

Фильмы

Анимаци-

онные

карты

атласы

восприятие объекта и среды определяют поведение человека и уровень

решаемых задач. Все это означает «шггеллектуализацию» геоизображе-

ния, его приближение к «Разумному Геоизображению», речь о котором

пойдет ниже. Анализ свойств виртуальных геоизображений возможен и

целесообразен прежде всего в системе геоиконики, поскольку рамки кар-

тографии, аэрокосмических методов или компьютерной графики оказы-

ваются для них узки.

Направления дальнейших исследований

В самой недалекой перспективе следует ожидать появления методов

и средств виртуального картографирования, способных отразить не

только реальные, но и абстрактные объекты, ретроспективно восстано-

вить прошлые состояния и моделировать будущие ситуации. Исследова-

тель сможет увидеть изучаемую территорию, какой она была сотни или

тысячи лет тому назад, либо виртуально прогнозировать ситуацию, ко-

торая возникнет через несколько десятилетий.

С теоретических позиций это потребует оценки гносеологических

свойств виртуальных геоизображений, причем не только их достоинств,

но и недостатков. Как уже отмечалось выше, предстоит самым тщатель-

ным образом исследовать вопрос о том, всегда ли целесообразно со-

здание изображений, полностью имитирующих реальную местность и

«погружение» в нее пользователя (читателя). Ведь в результате он может

оказаться в положении исследователя, отправившегося «в поле» без

карты. Будет ли ему легко сориентироваться на местности, получить

сведения о высоте рельефа, проходимости болот, скорости течения реки

и т.п.?

Конечно, хорошо иметь наглядное и вполне правдоподобное пред-

ставление о ландшафте, однако хотелось бы получить сведения о его

типе, генезисе, характере почвенно-растительного покрова. Отсутствие

координатной сетки, системы условных знаков, иерархически построен-

ной легенды, морфологической или генетической классификации объек-

тов всех этих привычных атрибутов картографического изображения,

не искупается реалистичностью ситуации, в которой вдруг оказался че-

ловек без карты.

Что более предпочтительно для исследователя видеть на местно-

сти «натуралъную» возвышенность или иметь ее изображение в гори-

зонталях?

Получается так, что, находясь на виртуальной местности, человек

нуждается в карте не меньше, чем в реальной ситуации. Она нужна ему

для прокладки маршрута обследования и облета виртуальной модели, и

поэтому она выводится на экран рядом с самой трехмерной моделью ме-

стности, и по ней точно так же, как в реальных обстоятельствах, намеча-

ют трассу маршрута. Это, кстати, еще одно из доказательств того, что

человеку удобно и привычно пользоваться традиционным карто-

графическим изображением и он вряд ли когда-нибудь захочет полно-

стью от него отказаться.

Очевидно также, что при конструировании виртуальных геоизобра-

жений не удастся целиком отказываться от знаковой карты, заменив ее

фотопланом, «натянутым» на рельефную модель местности. По мере раз-

витая виртуальных технологий становится все яснее, что бесконечная

погоня за реалистичностью и отказ от знаковости - тупиковый путь.

Наряду с виртуальной моделью пользователь всегда хочет видеть абст-

рактное знаковое картографическое изображение.

И здесь возникают проблемы оптимального сочетания знаков с

«реалистическими» моделями. В картографии эта проблема решена

посредством изготовления аэро- и космических ортофотоизображений,

сочетающих абстрактность карг с конкретностью снимков. Поэтому пер-

спективы совершенствования виртуальных гипергеоизображеггий сле-

дует связывать с развитием знаковых систем (традиционных и динами-

ческих) и с разработкой семиотических правил виртуального модели-

рования. А вслед за этим - потребуется развить метода генерализации

виртуальных моделей, исходя из принципов геоиконики и опираясь на

достижения картографической, дистанционной, динамической и логи-

ко-математической генерализации. На этом направлении исследован

пока лишь один аспект многоуровенная генерализация цифровых

моделей рельефа и текстур земного (ландшафтного) покрытия.

Наконец, актуальной задачей становится разработка методов

получения количественных характеристик по виртуальным геоизобра-

жениям.

Измерения на местности, как известно, производят с помощью комп-

лекса топографо-геодезических работ. Но сможет ли пользователь, на-

ходящийся на виртуальной местности, определять расстояния и направ-

ления, оценивать площади, не прибегая к специальным измерительньгм

процедурам? Может быть, потребуется изобрести приемы «виртуальной

топографической съемки» или, иначе сказать, топографо-геодезических

работ в виртуальном пространстве? Вполне возможно, что работа с

трехмерными виртуальными фото-блок-диаграммами поведет также к

формированию особой «виртуальной картометрии», «виртуальной фо-

тограмметрии» и «виртуального дешифрирования».

Киберкартографирование

Два взаимосвязанных обстоятельства особенно ярко свидетельству-

ют об уровне технического прогресса в картографии. Это, с одной сторо-

ны,

быстро нарастающее внедрение все более совершенных геоинформа-

ционных, телекомм>тппсащюнных, мультамедийных, виртуальных и иных

компьютерных технологий, а с другой - постоянное появление геоизоб-

ражений новых видов и типов [22].

В последнее время под влиянием головокружительных достижений

глобальной компьютеризации ста™ формироваться представления о

киберпространстве, то есть о некой глобальной коммуникационной сре-

де,

искусственном компьютерно генерированном пространстве, в кото-

ром существуют объекты виртуальной реальности, в том числе вирту-

альные геоизображения. Эта представления проникли и в картографию.

Базы цифровых данных и многие другие источники пространственной

информации также размещены в киберпространстве, и исследователи

могут перемещаться нем, пользуясь этой информацией. В киберпрост-

ранстве происходит обмен знаниями и дистанционное обучение, обсуж-

дение научных идей и проектов, распространение программных продук-

тов и картографических материалов.

В 1997 году известный канадский картограф Д. Тейлор попробовал

ввести в употребление понятие «киберкартография» (кибернетическая

картография) [44]. Он трактовал ее как интерактивную, мультимедий-

ную картографию ближайшего будущего, охватывающую широкий круг

проблем благодаря доступу к новым технологиям и телекоммуникаци-

онным сетям. В XXI веке киберкартография должна, по идее У. Тоблера,

стать ядром механизма, который сможет организовывать и доводить до

пользователей огромные потоки информации.

Сегодня развитие картографии во многом определяется возможнос-

тями электронных микросхем, совершенством языков программирова-

ния, технологии спутникового зондирования и пропускной способнос-

тью волоконно-оптических кабелей. Получив возможность управлять

изображением на экране, картографы заставили карту двигаться, на-

учились сами перемещаться относительно изображения, наносить на него

дополнительные объекты, прослеживать траектории развития ситуаций

во времени, шггерактивно менять уровни генерализации, манипулиро-

вать знаками и оформлением.

В 1997 году, оценивая возможности геоинформационного карто-

графирования, мы высказали мнение о том, что «недалеко то время, ко-

гда картографические голограммы создадут полную иллюзию реальной

местности, анимации позволят «пролететь» над нею, а пейзажные ком-

пьютерные модели сведут на нет различия между картой и живописным

полотном» [4, с.56]. Вслед за Л. Джорданом [11] мы предположили, что

Картой Будущего станет Разумное Геоизображение, синтезирующее

свойства карты, снимка, блок-диаграммы и компьютерной анимации.

Пользователь сможет передвигаться по нему в реальном масштабе вре-

мени и в любом направлении.

Намечающиеся теперь возможности «погружения» в виртуальную

среду и пребывания «внутри» нее позволяют высказать предположение,

что на этом пути картографию ожидают еще многие новые впечатляю-

щие технологические разработки. По-видимому, в недалеком будущем сле-

дует ожидать развития и внедрения в картографию виртуальных

робототехнических средств.

Начальные робкие попытки роботизации картографических процес-

сов были связаны с созданием специализированных экспертных систем,

пытавшихся моделировать некоторые принципы искусственного интел-

лекта. Эти автоматизированные системы опираются на базы знаний,

содержащие набор правил для составления карт, построения легенд,

выбора знаковых систем, проведения генерализации в соответствии с

заданными параметрами, проектирования компоновок и общего офор-

мления и т.п. Такие экспертные системы содержат некоторый спектр

альтернативных решений, определяемых назначением, масштабом, те-

матикой проектируемой карты, уровнем изученности и географически-

ми особенностями самого картографируемого объекта. Получается, что

экспертные системы и базы знаний должны брать на себя выполнение

отдельных интеллектуальных операций по проектированию и составле-

нию карт.

В случае с виртуальными геоизображениями круг задач расширяет-

ся.

Необходимо не только проектировать и создавать достаточно слож-

ные пространствегшо-временные модели, но и работать с ними, выпол-

нять измерения «внутри» виртуальной среды, изучать ее структуру, оце-

нивать взаимные связи и динамические изменения виртуальных объектов,

извлекать разнообразную качественную и количественную информацию.

Виртуальное моделирование не только позволяет, но настоятельно тре-

бует внедрения искусственного интеллекта и робототехники, к которой

могут полностью или частично перейти следующие функции:

• интерактивное проектирование, составление и обновление вир-