Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Тикунов В.С. и др. Геоинформатика

Подождите немного. Документ загружается.

которые составляют народы Севера в общей численности Россий-

ской Федерации по данным последней переписи. Данный пример

тривиален, но для небольших, малознакомых территорий такие

ошибочные восприятия и суждения вероятны.

Серию анаморфоз мира и России можно легко продолжить да-

лее (см., например, приложение к книге

[В.

С.Тикунов, Д.

А.

Цапук,

1999],

где даны примеры, характеризующие число родившихся,

умерших, объемы промышленного производства, инвестиции в

основной капитал, объемы розничного товарооборота по админи-

стративно-территориальным единицам России за 1996 г. и др.) и

показать их возможности. Укажем также на примеры отображения

частоты упоминания стран и российских регионов в периодиче-

ской печати [В.А.Колосов, В.С.Тикунов, Д.В.Заяц, 2001] или их

встречаемости в Интернете при использовании популярных поис-

ковых систем — американской «Altavista»

(www.altavista.com)

и рус-

ских «Rambler»

(www.rambler.ru)

и «Yandex»

(www.yandex.ru)

[Д.Д.Орешкина, В.С.Тикунов,

2001].

В ряде случаев возникает потребность построения анаморфоз на

основе данных, неприуроченных к каким-либо административным

или природным границам. В частности, такое положение характер-

но для карт морей и океанов, где содержательные сведения чаще

всего привязываются к трапециям сетки, создаваемой параллеля-

ми и меридианами, или к ячейкам каких-либо других регулярных

сетей. Для работы с регулярными сетями разработаны модифика-

ции алгоритмов анаморфирования. Данные модификации были

использованы для трансформации Атлантического океана [С. М. Гу-

сейн-Заде, И.А.Суетова, В.С.Тикунов,

1993].

Отметим, что технологии анализа очень разнообразны. Есте-

ственно, что мы обратились лишь к самым распространенным под-

ходам, отметив при этом, что интерактивные и автоматизирован-

ные технологии, базирующиеся, например, на методах распозна-

вания образов и др., применительно к анализу анаморфоз еще

только разрабатываются. Все эти технологии могут быть примене-

ны для анализа структуры, взаимосвязей или динамики явлений.

Например анализ структуры регионов России по трем взаимо-

связанным направлениям — здравоохранение, уровень жизни и

социально-экономическое развитие дан в работе [Н. А. Бородули-

на, В.С.Тикунов,

1998].

Применения анаморфоз для характерис-

тики взаимосвязей явлений на примере корреляционного анализа

связи между распределением живого вещества в океане и загряз-

нением его нефтяной пленкой можно найти в работе |С.М.Гу-

сейн-Заде, И.А.Суетова, В.С.Тикунов,

1993].

Для отображения

характеристики динамики на анаморфозах воспользуемся приме-

ром по отображению прогнозных значений численности населе-

ния стран мира. Располагая данными о численности населения за

ряд лет и изучив тенденции в изменении временных рядов, демог-

рафами делаются прогнозы на ряд лет вперед. Такие прогнозы до-

статочно распространены и на их основе могут строиться соотве-

ствующие анаморфозы. Для примера покажем анаморфозы, создан-

ные по материалам Департамента анализа экономики, социаль-

ной информации и политики ООН — фактическим и прогнозным

значениям численности населения стран мира за

1950—2050

гг.

(рис.

—4 цв. вкл.). Последовательность анаморфоз передает вре-

менные изменения и их можно рассматривать как отдельные вре-

менные срезы процесса.

Наконец, можно указать на возможность создания анимирован-

ных анаморфированных изображений (см.

2.3.4).

В заключение подведем наиболее значимые итоги практической

целесообразности использования анаморфоз и отметим перспек-

тивы развития направления. Во-первых, и это не самое главное,

их убедительность как иллюстраций, позволяющих зрительно пред-

ставить себе некоторые неочевидные факты, а, возможно, в буду-

щем и увидеть какие-то скрытые географические закономерности.

Например, теоретические положения В.Кристаллера и А.Леша о

закономерном пространственном размещении иерархически сопод-

чиненных пунктов получают свое подтверждение лишь в районах

с равномерным расселением. Поиск закономерного размещения

населенных пунктов в плоскости однородного пространства вы-

ровненного явления возможно мог бы сделать принцип Кристал-

лера—Леша гораздо более часто встречающимся или даже универ-

сальным. Перспективно применение анаморфоз для оптимизации

размещения сетей учебных заведений, больниц, учреждений об-

служивания, которые в искусственно выровненном демографичес-

ком пространстве в общем случае должны располагаться равно-

мерно.

Во-вторых, анаморфозы делают более наглядным анализ взаи-

мосвязей между явлениями на фоне определяющих их характерис-

тик, заложенных в основу проекции, как это было показано выше.

В-третьих, целесообразно применение анаморфоз для прогно-

зирования развития диффузионных процессов, происходящих в

неоднородной среде. Если противодействие развитию диффузии

трансформировать в однородное по изучаемой территории, то ве-

роятное развитие диффузии будет происходить концентрически от

исходной точки. Благодаря этому можно предвидеть ее развитие во

времени и легко представить в графической форме. В итоге остает-

ся лишь вернуть изображение в первоначальный вид, чтобы полу-

чить изолинии этапности распространения диффузии в неодно-

родной среде. Анаморфозы могут быть использованы для изучения

диффузии загрязнений в атмосфере и гидросфере, а также для

целого ряда других задач. То же самое можно сказать и о создании

карт транспортной доступности, составляемых на фоне однород-

ной проходимости.

Таким образом, создание анаморфированных изображений в

целом ряде случаев целесообразно для моделирования структуры,

взаимосвязей и динамики географических явлений. Мы надеемся,

что анаморфированные изображения привлекут внимание геогра-

фов и экологов разных специальностей и сделают их не экстрава-

гантной иллюстрацией, а инструментом настоящего пространствен-

ного анализа. Эта область может оказаться неподнятой научной

целиной, которая при умелой ее обработке даст богатый урожай.

Контрольные вопросы

В чем различие картоидов, мысленных графических изображений и

анаморфоз?

2. Охарактеризуйте линейные, площадные и объемные анаморфозы.

3. Какие разновидности линейных анаморфоз вы могли бы выделить?

4. Назовите основные методы создания площадных анаморфоз.

5. Проведите визуальный анализ анаморфозы, показанной на рис. 29,

по образцу анализа рис. 27 и 28.

6. В чем смысл анализа структуры, взаимосвязей и динамики явлений?

7. Каковы методы анализа взаимосвязей явлений по анаморфозам?

8. Дайте краткую характеристику возможностей анализа временных

рядов при их отображении на анаморфозах.

9. Охарактеризуйте объемные анаморфозы и возможности их применения.

10. Что такое анимация анаморфоз?

11.

В каких областях своей работы вы могли бы использовать анаморфозы?

12. Нужны ли, с вашей точки зрения, анаморфозы для географических

и экологических исследований? Обоснуйте положительный и отрицатель-

ный ответы.

2.3.3.

Виртуально-реальностные изображения

С виртуально-реальностными моделями современный человек

сталкивается с раннего детства, например, используя многие ком-

пьютерные игры или наблюдая за развитием синоптических про-

цессов по телевидению. Действительно, они очень разнообразны и

круг их использования весьма широк. В настоящее время возможно

создание виртуальной модели практически любого объекта Все-

ленной, о котором имеется информация. Так, существуют нагляд-

ные виртуально-реальностные модели атомов, человеческого орга-

низма, объектов живой природы (например, муравейников), от-

даленных или невидимых космических объектов (например, ядра

кометы Галлея), а также модели прочих объектов и систем, зачас-

тую весьма далеких от геоинформатики.

В этом подразделе рассмотрим их на примере наиболее важной

для геоинформатики разновидности — виртуальных моделей мест-

ности. Виртуальная модель местности (ВММ)— математическая мо-

дель местности, содержащая в себе информацию о рельефе земной

поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположенных

на данной территории, и предназначенная для интерактивной ви-

зуализации и обладающая эффектом присутствия на местности.

Следует также отметить, что в настоящее время возможен не

только облет поверхности, но и движение в среде (например, по-

гружение под воду с имитацией эффектов освещения и динамики

движения). Однако визуализация многослойных поверхностей (на-

пример, движение в грунте с визуализацией слоев пород) затруд-

нена из-за неэффективности изобразительных средств, и в насто-

ящее время не применяется.

Существующее программное обеспечение и его возможности. Для

создания и визуализации виртуальной модели местности с доста-

точно высокой степенью реалистичности требуется применение

программ, способных обрабатывать трехмерные объекты, «драпи-

рованные» («обтянутые») текстурой (растровыми картами либо

снимками). Все существующие программы, предоставляющие по-

добные возможности, могут быть разделены на несколько типов:

CAD-пакеты, предназначенные для черчения или проекти-

рования (не для картографии), содержащие встроенные функции

для визуализации трехмерных объектов;

Б.

Программы для создания ЗО-графики и видеоэффектов;

Картографические программы.

CAD-пакеты (например, AutoCAD,

Microstation),

как правило,

не позволяют создавать полноценные модели местности в силу того,

что они просто не предназначены для этого, однако при необходи-

мости в них можно создать трехмерную модель рельефа, драпиро-

ванную текстурой, а также добавить в модель дополнительные объек-

ты (дома, сооружения). Пакеты позволяют визуализировать модель

с любого ракурса либо вращать ее перед наблюдателем.

Основным недостатком этих способов создания ВММ является

чрезвычайная трудоемкость процесса, сложности с взаимным увя-

зыванием растров, трехмерных объектов и пр. Кроме того, подоб-

ные модели очень требовательны к ресурсам компьютера, и даже

небольшая модель местности (например, соответствующая по раз-

мерам и детальности среднему листу карты масштаба

1.200000)

может оказаться чересчур громоздкой для того, чтобы обсчитывать

се на персональном компьютере. Кроме того, все эти программы

ограничены в своих возможностях и предоставляемых функциях.

Программы для создания трехмерной графики и видео (такие,

как

3D-Studio

МАХ) не столь ограничены в функциях. Можно с

уверенностью утверждать, что в этих пакетах можно создать лю-

бую,

сколь угодно близкую к действительности модель местности,

несмотря на то, что программы этого типа не предназначены для

выполнения картографических функций (не поддерживается при-

вязка растров, проекции, послойное представление данных, базы

данных и пр.). К основным недостаткам этих пакетов относится

невозможность облета местности в реальном времени, так как про-

счет каждого кадра может занимать от нескольких секунд до не-

скольких часов. Также затруднительно создание обширных деталь-

ных моделей местности (модель, соответствующая по размерам и

детальности среднему листу карты масштаба I : 200

ООО,

является

очень большой моделью). Следует, однако, отмстить, что качество

графики, получаемой в результате, очень высоко.

Картографических программ, позволяющих создавать виртуаль-

ные модели местности, немного. К ним можно отнести Virtual GIS

(из комплекта

Erdas

Imagine),

Multigen, ArcView 3D

Analyst

(табл.

2.5). Данные пакеты позволяют текстурировать поверхности, на-

носить дополнительные объекты, проводить просчет сцены в ре-

альном времени, поддерживают картографические системы коор-

динат и проекции. Нужно отметить, что потенциальные возмож-

ности ArcView

3D-Analyst

сравнительно бедны, а качество и ско-

рость обсчета сцен невелики. Из упомянутых программ наиболее

богаты возможности Multigen, однако обсчет больших сложных

сцен в данной программе затруднен. Возможности Virtual GIS мень-

ше,

однако на сегодняшний момент эта программа позволяет со-

здавать наиболее крупные ВММ высокого разрешения, обсчиты-

вая их в реальном времени и с хорошим качеством.

Компоненты виртуальной модели местности. В настоящее время

подавляющее количество моделей строится в общеземных прямо-

угольных системах координат (например, Гаусса—Крюгера), что

облегчает добавление в модель новых данных. Однако построение

модели в этом случае требует привязки всех данных, использованных

в работе. Для реалистичного представления местности современная

виртуальная модель должна содержать следующую информацию:

• данные о рельефе (цифровую модель рельефа — ЦМР);

• растровые изображения земной поверхности (сканированные

карты либо снимки);

• векторные данные;

• подписи;

• трехмерные объекты специального назначения (сложные мо-

дели, импортированные из других программ для создания трех-

мерной графики);

• дополнительные растровые изображения или анимации.

Цифровая модель рельефа. Одной из наиболее важных составля-

ющих ВММ является ЦМР (см.

2.2.3).

Степень соответствия вирту-

альной модели реальной местности в основном зависит от точности

передачи рельефа земной поверхности. Чем точнее и детальнее мо-

дель рельефа, тем более реалистична модель. Однако при визуализа-

ции трехмерных сцен на обсчет ЦМР может уходить от 50 до 98 %

вычислительных мощностей компьютера, и потому излишняя под-

робность при передаче земной поверхности нецелесообразна.

Степень подробности рельефа зависит от целей и возможнос-

тей создателя ВММ. Однако нужно отметить, что местность стано-

Та б

и ца 2.5

Сравнение

программ,

позволяющих создавать виртуальные модели

местности

ArcView

кл

ГСК|

Erdas

Imagine

Характеристики

ЗР-Analyst

MultiGEN

у|тш| Q|S

Тип используемой ЦМР (в порядке предпочтения) TIN, GRID TIN, GRID GRID

Сглаживание

граней Нет Да Да

Возможность

«обтягивания»

рельефа растровыми изображениями Да » »

Возможность нанесения подписей на модель » » »

Возможность

нанесения

векторных данных » » >>

Статическая

визуализация

(ЗР-вид)

» » »

Записьоблета по заданной траектории в видеофайл » » »

Облет

сцены в реальном времени Нет >> »

Объезд

сцены в реальном времени » » »

Импорт

ЗР-объектов

» >> >>

Анимирование

импортированных

объектов

в реальном времени » » Нет

Звуковые

эффекты

» » »

Расчет полей видимости Да >> Да

Моделирование

освещения в соответствии с заданным днем и часом Нет Нет »

Возможность

оптимизации

модели для ускорения обсчета » Да >>

Критический

размер, при котором работа с моделью становится крайне 100000 граней 50 000 граней Количество

медленной

(субъективно, может варьироватьот модели к модели) (TIN), 5 млн (TIN), 2 млн ячеек практи-

fl4CCK(GRIP)

ячеек

чески не

ограничено

Качество визуализации Низкое Высокое Высокое

Необходимость

использовании

других

программ ArcView 3.x Нет Erdas

Imagine

вится «узнаваемой» только

при

использовании данных масштаба

200000 и

крупнее. Модели, построенные

по

данным более мел-

кого масштаба, хорошо передают структуру хребтов

горных рай-

онах, однако узнаются

эти

хребты только

при

обзоре

их с

больших

высот

— в

несколько

раз

выше самих хребтов (табл.

2.6).

Вообще можно сказать,

что при

построении

ЦМР по

отече-

ственным топографическим картам какого-либо масштаба разре-

шение регулярной модели рельефа должно составлять

0,4

—

0,5 мм

в масштабе карты. Более крупный

шаг

сетки приводит

потере

«узнаваемости», более мелкий

— к

излишней трате машинных

ре-

сурсов

без

необходимости.

Растровые изображения. В

настоящее время

при

создании

ВММ

широко распространена «драпировка»

ЦМР

растровыми картами

либо космическими снимками.

Покрытие

ЦМР

растровыми геоизображениями очень помогает

при ориентации

на

модели, привнося

в ВММ

колоссальное коли-

чество новых сведений

местности,

делая

ее

действительно

ре-

алистичной.

Драпировка модели картами встречается чаше,

так как

карты

дешевле,

их

проще обрабатывать

вносить

модель. Использова-

ние космических снимков требует больших затрат

на их

закупку,

обработку, сшивку

различные виды коррекции. Однако реалис-

тичность модели, драпированной аэро-

или

космическими сним-

ками, гораздо выше,

чем у

модели,

которой использовались

то-

пографические карты.

Как правило,

драпировке модели участвует несколько раст-

ровых изображений.

Для их

использования

в ВММ

необходимо при-

вязать каждое

из них к

избранной системе координат, после чего,

как правило, изображения объединяются

одну

или

несколько

мозаик более мелких снимков. Делается

это, в

основном,

по

двум

причинам:

1) меньшее количество файлов проще

быстрее обрабатывать;

2) некоторые программы

не

могут использовать

моделях

на-

слаивающиеся друг

на

друга растры (Virtual

GIS) или

делают

это

некорректно.

При построении мозаичных изображений

настоящее время

применяются алгоритмы автоматического взаимного выравнива-

ния гистограмм,

что

позволяет сделать линию стыка изображений

невидимой. После построения мозаики

ее

цвета могут быть скор-

ректированы

любом графическом редакторе (например,

Adobe

Photoshop).

Для того чтобы карты, натянутые

на

модель, смотрелись четко

и красиво, сканирование бумажных карт должно вестись

разре-

шением

не

менее

300

точек

на

дюйм.

Оптимальным соотношением между разрешением цифровой

мо

дели рельефа

разрешением растров является отношение

1:4—1:8,

Та б л п ца 2.6

Узнаваемость

местности

в зависимости от

масштаба

Разрешение регу-

Масштаб

лярной ЦМР, on-

х/

Узнаваемость и обзор

карты тимальноелля дан-

ного

масштаба, м

000000

2000 Узнаются планетарные формы рельефа и крупные горные массивы (Гималаи, Анды

и др.). Необходим

обзор

с большой высоты (50

—

200 км), с большим охватом

мельче и

более

/ о™ ШЛА ч

(дальность

видимости 800

—

2000 км)

500000

Узнаются крупные и средние горные системы (Кавказ, Алтай, Саяны и др.), могут быть

DCW 700— 1000 идентифицированы отдельные крупные горы (Килиманджаро. Ключевская сопка,

Эльбрус).

Обзоре

высоты 30

—

80 км, дальность видимости

150—400

км

Видны

и узнаваемы отдельные крупные долины и большое число

отдельно

стоящих гор.

1:1

000000

Рельеф

низменностей и среднегорий

остается

вырожденным. Высота облета

10—30

км,

дальность

видимости —

100—150

км

Горные хребты узнаваемы, отражаются все крупные и средние долины в горах с

альпийским

рельефом.Отдельные характерные участки местности отражаются

1:500000

250 реалистично. Возможен

облет

местности на высотах ниже вершин хребтов.

Рельеф

низменностей выражен, но неточен. Высота

облета

1000 —

000 м.

Рекомендуемая

дальность

видимости — 100 км

Местность хорошо узнаваема при

облете,

видны речные долины в средней полосе

200000 70— 100 России. Горный

рельеф

показан с большой точностью и выглядит

эффектно.

Рекомендуемая высота полета 100

—

10000 м над поверхностью земли в горных районах

не ниже 1500 м — в

низменных

районах

Степень подобия

рельефа

горных участков суши

возрастает

по сравнению с

рельефом,

построенным по карте масштаба

1:200

000,

однако

принципиально новых деталей не

1:100000

—

50 появляется. В

равнинных

районах наблюдается качественно новый уровень передачи

рельефа

речных

долин и

мелких

форм

(курганы, бугры, овраги). Высота

облета

и радиус

видимости

тс же, что и в модели 1:200000

1:5()000

| 20

—

25 ~ Дальнейшее увеличение правдоподобия модели

т.е.

при разрешении ЦМР 100 м растр должен иметь разрешение

12 —25 м на местности.

Векторные данные. Отметим сразу, что использование вектор-

ных данных в виртуальных моделях требует значительных затрат

машинных ресурсов. В большинстве случаев работает следующая

закономерность: за одинаковое время будут просчитаны следую-

щие ВММ:

1) ЦМР модели объемом 100 Мб без растров и дополнительных

данных;

2) ЦМР модели объемом 50 Мб с 200-мегабайтным растровым

изображением;

3) ЦМР модели объемом 20 Мб с 80-мегабайтным растровым

изображением и 3—4 мегабайтами векторных данных;

4) ЦМР модели объемом 20 Мб с 3—4 мегабайтами векторных

данных и

—

4 Мб дополнительных сложных объектов (трехмер-

ные дома, сложные строения и конструкции и т.п.).

Внесение векторных данных в модель может происходить в двух

основных формах.

А. Данные могут быть «натянуты» на поверхность рельефа (как и

растровые изображения).

Б.

Данные могут быть «вытянуты» над поверхностью рельефа

пропорционально некоторой характеристике в таблице атрибутов

(например, мы имеем план города, где контуры зданий даны в

виде полигонов, а атрибутом каждого полигона является высота —

в этом случае при нанесении на ЦМР мы увидим на месте домов

параллелепипеды и призмы, имеющие высоту, близкую к реальной,

что позволяет быстро «построить» город или несколько населенных

пунктов на территории, не занимаясь нанесением каждого дома).

После внесения векторных данных полученные объекты могут

быть отображены в модели с использованием различных изобра-

зительных средств — например, цвета либо заливок или штрихо-

вок, что позволяет одновременно показывать в модели большое

количество данных об этих объектах.

Наиболее часто внесение векторных данных в ВММ использу-

ется для показа населенных пунктов, далее (по частоте примене-

ния) следуют озера (их представляют как площадные объекты),

реки, трубопроводы, железные и автомобильные дороги (как ли-

нейные объекты) и т.п.

Подписи. ВММ требуются подписи так же как и картам. Однако

внесение подписей в ВММ имеет свою специфику. Основными ее

чертами являются:

• нефиксированное положение точки, с которой ведется на-

блюдение (полет по ВММ возможен в любом направлении);

• низкая емкость ВММ в отношении подписей — модель быст-

ро перегружается топонимами, переставая читаться и адекватно

восприниматься пользователем;

• перспективность изображения,

при

которой далеко располо-

женные подписи могут быть просто нечитаемы,

в то

время

как

близко расположенные могут занимать

все

поле обзора.

Действительно, классическая карта предназначается

для

рас-

сматривания только

одной позииии,

в то

время

как

модель

мо-

жет быть визуализирована

любого направления.

Для

устранения

этого недостатка применяется

не

горизонтальное,

вертикальное

расположение подписей

на

модели (подписи располагаются

по-

добно дорожным знакам),

при

этом

они

автоматически поворачи-

ваются перпендикулярно направлению обзора

во

время движения

по модели.

Другие недостатки модели неустранимы,

их

следует просто знать

и учитывать

при ее

создании.

качестве методов

их

уменьшения

можно рекомендовать следующие приемы:

• использование более компактных

жирных шрифтов (напри-

мер,

Sans

Serif Bold);

• написание подписей

несколько коротких строк,

а не в

одну

длинную;

• использование ярких цветов (красного, фиолетового, тепло-

желтого)

идя

повышения различимости подписей;

• увеличение разрешения окна визуализации

(при

размере кад-

ра

1600

1200

подписей может быть вчетверо больше,

чем

при

раз-

мере 800x600).

Кроме того,

для

повышения различимости подписей можно

рекомендовать отображать

их

различными цветами

зависимости

от класса именуемого объекта (горы подписывать красно-корич-

невым цветом, города — красным, объекты гидрографии — синим

и т.д.).

При построении модели

в Erdas

Imagine

подписи готовятся

от-

дельно.

Для

этого

базовом модуле

Erdas

Imagine

создается

так

называемый файл аннотаций

(Annotation

file),

который состоит

из

точек-иентроидов подписей

карте, атрибутами которых является

сама подпись,

ее

координаты,

тип,

цвет

размер шрифта

про-

чие вспомогательные элементы. Подобный файл может быть вне-

сен

модель

как в

классической ориентации (плоские подписи),

так

и в

вертикальном виде.

Визуализация

ВММ. В

настоящее время наиболее популярными

являются следующие способы визуализации трехмерных моделей

местности:

Трехмерная статическая сцена (ЗЭ-вид).

Б.

Облет

реальном времени.

Объезд

реальном времени.

Г. Запись полета

по

траектории

возможностью смены направ-

ления полета

любой момент.

Д. Запись полета

видеофайл

без

возможности изменения

на-

правления полета.