Создание 3D модели местности по растровой топографической карте

Создание 3D модели местности по растровой топографической карте с нанесением на нее известных карстовых полостей, используя существующие программные продукты.

Береженко Д.Ю.

Аннотация В статье рассмотрены принципы работы основных модулей программной реализации для 3D моделирования местности по растровой топографической карте с нанесением на нее известных карстовых полостей. В работе рассмотрен метод решения поставленной задачи путем существующих программных продуктов. Проведен анализ исходных данных: топографическая карта. Рассмотрены принципы работы модуля векторизатора растровой топографической карты, проведен анализ работы векторизаторов R2V Toolkit и Easy Tracer с отсканированной топографической картой с низким разрешением и модуля построения карты вершин. Построение 3D модели местности позволяет более наглядно изучить особенности рельефа, прогнозирования спелеологами перспективных участков для последующих полевых работ. Дальнейшая работа проекта направлена на построение 3D моделей карстовых полостей и подземных полостей с наложением на объемную карту местности. В ходе работы был выбран участок Кузнецкого алатау, Абаканский хребет, верховье реки Аскиз. В данной области расположено более 50 извесных карстовых полостей, максимальная протяженность п.им.Королева свыше 5км. Для реализации поставленной задачи на момент написания статьи единого программного комплекса не существует. Пользователю необходимо использовать минимум три пакета: векторизатор растровой топографической карты отсканированной с разрешением не менее 300dpi (например, Easy Trace), ПО для создания 3D модели карстовой полости по журналу топографической съемки карстовых полостей (например, Survex или Compass) и ПО сводящее эти модели в одно целое (например, AutoCAD). При наличии исходных материалов более низкого качества, а именно топографической карты с низким разрешением, либо использование вместо журнала топографической съемки карстовых полостей план – разрез-развертку, выполнение первых двух этапов сводится к выполнению работ вручную. Программные продукты позволяющие работать с картами местности можно разделить на три группы: Программы работы с векторными картами – как правило, это программы ориентированные на GPS устройства, примерами таких программ ГИС-РУССА[1], GARMIN. Основное назначение таких программ схематичное ориентирование на местности. Точность этих карт очень низкая, в ПО ГИС-РУССА точную привязку к местности имеют только реки и ручьи, расхождение же вершин гор 50-100м (данные получены опытным путем устройствами GPS-модуль GlobalSat BC-337 GPS и Glofish M700 с GPS-приемником SiRFStar III). Программы работы с растровыми картами – наиболее широкоиспользуемый программные продукты OzyExplorer, ArcGIS, Easy Trace[2]. OzyExplorer включает в себя множество функций по работе с растровыми картами, поддерживает ряд стандартов координат, в том числе стандарт используемый большинством отечественных топографических карт - Пулково 1942 и мировой стандарт WGS-84, используемый большинством GPS-модулями. Easy Trace – специализированный программный продукт ориентированный на векторизацию карт. Проект компании Google, в рамках которого в сети Интернет были размещены спутниковые фотографии всей земной поверхности. Фотографии некоторых регионов имеют беспрецедентно высокое разрешение. Во многих случаях русская версия Google Earth называется Google Планета Земля. В отличие от других аналогичных сервисов, показывающих спутниковые снимки в обычном браузере (например, Google Maps или TerraServer), в данном сервисе используется специальная, загружаемая на компьютер пользователя клиентская программа Google Earth. [3]. Рис. 1. 3D модель местности полученная средствами Google Earth. а) участок снятый на высоком разрешении, Гранд-Каньон, США.

б) участок снятый на низком разрешении, Абаканский хребет, Россия. Такой подход хотя и требует расхода лишнего трафика, необходимого для закачивания самой программы, но зато в дальнейшем обеспечивает дополнительные возможности, трудно реализуемые с помощью веб-интерфейса. Эта программа изначально была выпущена компанией Keyhole, а затем куплена компанией Google, которая и сделала программу общедоступной. Существуют так же платные версии Google Earth Plus и Google Earth Pro, отличающиеся поддержкой GPS навигации, средств презентаций и повышенным разрешением распечатки. Google Earth (Google Планета Земля) - это клиентское ПО для работы с трехмерной моделью Земли, созданной на основе спутниковых фотографий высокого разрешения. Широкие возможности по изменению масштаба изображений (иногда вплоть до отдельных домов), и многое другое, включая определение координат объекта. Карту можно просматривать под любым углом; большая часть карты - это обычные 2D-фотографии, но некоторые объекты (населенные пункты) представлены в виде трехмерных моделей. С помощью программы Google Планета Земля можно совершить путешествие по всей планете: увидеть изображения различных мест, сделанные со спутника, посмотреть карты местности и сооружения в трехмерном изображении[4]. Популярные места сняты на высоком разрешении, к таким относятся города, исторические памятники (Рис.1.а). Если же перейти на местность отдаленную от населенных пунктов, то детализация снимков значительно хуже (Рис.1.б). Нанесение карстовых полостей можно используя формат KML[7]. Файлы KML можно создавать с помощью пользовательского интерфейса Google Планета Земля или вводить "необработанный" KML с нуля с помощью редактора XML или обычного текста. Файлы KML и связанные с ними изображения (если они есть) можно сжимать с помощью формата ZIP в архивы KMZ. Для публикации файлов KML И KMZ их можно отправлять по электронной почте, размещать их в локальной сети или выкладывать на публично доступный сервер в Интернете. Средства просмотра изображения Земли наподобие Google Планета Земля обрабатывают файлы KML так же, как веб-браузеры обрабатывают HTML-файлы. После правильной настройки вашего сервера и публикации URL-адреса файлов KML, любой пользователь, установивший Google Планета Земля, может просмотреть файлы KML, размещенные на вашем общедоступном веб-сервере. Формат KML поддерживается многими приложениями, такими как Google Планета Земля, Карты Google, Карты Google для мобильных устройств, NASA WorldWind, ESRI ArcGIS Explorer, Adobe PhotoShop, AutoCAD и COMPASS. Рис. 2. Экспортированный KML-файл из COMPASS Достоинства Google Earth: Google Earth автоматически подгружает из интернета необходимые пользователю изображения и другие данные, сохраняет их в памяти компьютера и на жёстком диске для дальнейшего использования. Скачанные данные сохраняются на диске, и при последующих запусках программы закачиваются только новые данные, что позволяет существенно экономить трафик[5]. Для визуализации изображения используется трёхмерная модель всего земного шара (с учётом высоты над уровнем моря), которая отображается на экране при помощи интерфейсов DirectX или OpenGL. Именно в трёхмерности ландшафтов поверхности Земли и состоит главное отличие программы Google Earth от её предшественника Google Maps. Пользователь может легко перемещаться в любую точку планеты, управляя положением «виртуальной камеры»[5]. Практически вся поверхность суши покрыта изображениями, полученными от компании DigitalGlobe, и имеющими разрешение 15 м на пиксель. Есть отдельные участки поверхности (как правило, покрывающие столицы и некоторые крупные города большинства стран мира), имеющие более подробное разрешение. Например, Москва снята с разрешением 0,6 м/пк, а многие города США — с разрешением 0,15 м/пк. Данные ландшафта имеют разрешение порядка 100 м. Имеется огромное количество дополнительных данных, которые можно подключить по желанию пользователя. Например, названия населённых пунктов, водоёмов, аэропортов, дороги, ж/д, и др. информация. Кроме этого, для многих городов имеется более подробная информация — названия улиц, магазины, заправки, гостиницы, и т. д. Имеется слой геоданных (синхронизированный через Интернет с соответствующей базой данных), на котором отображены (с пространственной привязкой) ссылки на статьи из Википедии. В России можно видеть названия улиц всех городов в центральных областях[4]. Пользователи могут создавать свои собственные метки и накладывать свои изображения поверх спутниковых (это могут быть карты, или более детальные снимки, полученные из других источников). Этими метками можно обмениваться с другими пользователями программы через форум Google Earth Community. Снимки обновляются, самый старый по Республике Хакасия 2006г. Очень высокая детализация некоторых участков. С 3D модели местности этих участков более детальны, чем топографическая карта 1:100 000. Использование универсального формата KML. Позволяет наносить на карту любые данные: треки, 3D модели, текстовые заметки, пользовательские точки. Недостатки Google Earth: Размер КЭШ памяти не может превышать 500Мб, размер КЭШ диска не может превышать 2000Мб. Для запуска и работы требуется постоянное подключение интернет. Нет возможности работы в режиме off-line[3], что делает невозможным использование программы в местах, где слабый или вовсе отсутствует канал связи с всемирной сетью. Зоны, отдаленные от населенных пунктов, имеют плохую детализацию. Кроме того достаточно написать заявление в компанию Google и указанный квадрат будет отдален (ухудшена детализация). Нет возможности добавления любых пользовательских объектов. Хоть палитра компонентов достаточно богата, она ориентирована на широкий круг пользователей, все эти компоненты направлены на развлекательную сферу[4]. Из-за большого количества пользователей, отправленные на форум Google Earth Community метки становятся видны всем пользователям Google Earth примерно через месяц[4]. Построение 3D модели местности по топографической карте. До недавнего времени в общем пользовании были карты масштаба 1: 200 000. Эти карты пригодны только для ориентирования и поиска крупных объектов. На данный момент доступны карты масштаба 1: 100 000 – «киллометровки» (1см=1км)[9]. Детализация уступает снятым зонам Google Earth с высоким разрешением, но превосходит зоны снятые в плохом качестве. Топографическая карта — уменьшенное, точное, подробное и наглядное изображение земной поверхности со всеми ее объектами, выполненное в определенной картографической проекции[10]. Основной графический документ о местности, содержащий точное, подробное и наглядное изображение местных предметов и рельефа. На топографических картах местные предметы изображаются условными общепринятыми знаками, а рельеф — горизонталями. Сферические поверхности не развертываются на плоскости без складок и разрывов и по этой причине на картах неизбежны искажения длин, углов, площадей[10]. Лишь в некоторых проекциях сохраняется равенство углов, но из-за этого значительно искажаются длины и площади, или сохраняется равенство площадей, но значительно искажаются углы и длины. Топографические карты масштаба 1:25 000—1:500 000 создаются в поперечно-цилиндрической проекции Гаусса. Длины линий сохраняются только вдоль осевого меридиана, в остальных местах они несколько преувеличены. Наибольшие относительные искажения длин имеют место на границах зон и в пределах нашей страны достигают 1/1000, относительные искажения площадей— 1/500. Искажения расстояний при графических измерениях на топографических картах не обнаруживаются; они учитываются только при выполнении специальных задач, связанных с использованием больших дальностей[10]. Топографические карты издаются в масштабах, указанных в табл. 1. Таблица 1

Топографические карты масштаба 1: 25 000—1: 1 000 000 Полнота и детальность топографических карт зависят главным образом от их масштаба (чем крупнее масштаб, тем полнее и детальней изображаются и характеризуются на карте элементы местности) и характера местности (чем меньше на местности различных объектов, тем полнее они отображаются на карте). Полнота и детальность отображения отдельных объектов на топографических картах масштаба 1: 50 000-1: 500 000 на среднепересеченную обжитую местность, холмы котловины, лощины и другие формы рельефа показываются на топографических картах при высоте (глубине) более 0,5 высоты сечения данной карты. На карте масштаба 1: 1 000 000 элементы местности изображаются с более значительным отбором. Например, на карте среднепересеченной обжитой местности показываются только главные шоссейные дороги, важнейшие населенные пункты, но не более одного на 100 кв. км, реки длиной более 10 км и т. п. На всех топографических картах возможно полнее показываются объекты местности, существенно определяющие ее тактические свойства: на картах пустынно-степных районов до масштаба 1: 200 000 включительно даются все элементы гидрографии, дороги, тропы, а также местные предметы, имеющие ориентирное значение; на картах труднодоступных районов более полно отображается дорожная сеть и т. п. Карта масштаба 1: 100 000 вмещает в себя квадрат 37х32км (таблица 1). 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. Успешная автоматическая векторизация для реальных картографических материалов достаточно редкий случай[11], поэтому, как правило, используется полуавтоматическая векторизация. При детальном изучении топографических карт было установлено, что в местах большого перепада высоты между двумя толстыми красными линиями не всегда четыре тонких, тонкие линии-горизонтали могут обрываться (рис. 3). В связи с этим для построения карты высот, необходимо опираться на толстые красные линии, а тонкие использовать только для корректировки промежутка между ними. Рис. 3. Примеры уменьшения количества и разрывов тонких сплошных горизонталей на топографических картах.

Итак, векторизация - это[11]: 1) создание проекта. Проект позволяет задать: • систему координат и единицы измерения для будущих векторных данных; • состав векторных слоёв, их цвет, полигональность, порядок отображения; • топологические правила взаимодействия векторных слоёв (общие вершины, узлы, отсутствие взаимодействия); • состав атрибутивных данных векторных слоёв; • порядок использования топо-символов или блоков векторных данных. 2) сканирование материала. Здесь важно правильно определить: • разрешение DPI (точек на дюйм); • число цветов - чёрно-белый, серошкальный или цветной растр; • яркость и контрастность получаемого растра. 3) привязка растров к системе координат. Операция, как правило, совмещена с: • геометрической коррекцией растров; • "сшивкой" растровых фрагментов в единое целое. 4) цветоделение (для цветных растров). Цель операции: • выделение тематических слоёв, например, рек, рельефа или дорог в отдельные чёрно-белые растры; • стирание или маскирование "паразитных" (шумовых) линий на растре. 5) фильтрация чёрно-белых растров. Необязательная операция, но она позволяет: • повысить качество и точность векторного материала; • "связать" разрывы в линиях и разделить "склеенные" соседние линии; • применить на следующем шаге автоматическую векторизацию. 6) автоматическая, полуавтоматическая или ручная векторизация. Собственно процесс преобразования растра в вектор. • автоматическая; • полуавтоматическая; • ручная; • заполнение или генерация атрибутивных данных. 7) контроль и редактирование. Как следует из названия, это: • выявление ошибок визуально или с помощью набора тестовых утилит; • устранение выявленных и помеченных ошибок. 8) "сшивка" соседних листов включает в себя: • объединение векторных примитивов на границах листов; • согласование атрибутивных данных объединяемых объектов. 9) экспорт векторных (а возможно и растровых) данных в конечную GIS. Здесь можно: • вывести данные только из заданной области; • "сдвинуть" координаты или масштаб векторных данных; • преобразовать окружности в полилинии или блочные элементы в отдельные примитивы. Существует ряд программ позволяющий автоматизировать процесс векторизации. В таблице 2 представлен список популярных векторизаторов[12]. Таблица 2

Таблица сравнений программ для работы с векторной графикой Все вышеназванные программы, для поставленной задачи, можно разделить на две группы: программы общего назначения и программы оцифровки растровых топографических карт. Результат программ векторизации общего назначения (Рис.4) ориентирован на автоматизацию работы дизайнера[13]. Для векторизации топографических карт данная группа не пригодна.

Рис. 4. Этапы векторизации программы R2V Toolkit а)исходное; б)обработка; в)результат. В данной работе представлен анализа Easy Trace 8.4 PRO Demo – векторизатор топографических карт, поддерживающий обменные форматы распространненых GIS/CAD. Обладает большими возможностями по подготовке растров к векторизации и позволяет отказаться от использования широкоформатных сканеров. Инструменты трассировки адаптированы для объектов определенных типов и адаптируются к качеству растрового материала. Easy Trace позволяет сшивать несколько проектов в один и контролировать правильность выполнения сшивки. Основной существенный недостаток ПО Easy Trace 8.4 PRO Demo требование к разрешению отсканированного материала, для корректной работы программы Easy Trace карты должны быть отсканированы с разрешением 300-400dpi, на практике доступный материал имеет разрешение не выше 72dpi(Рис.3). На рисунке Рис.5. показаны ошибки трассировки карты отсканированной на 72dpi.

Рис. 5. Ошибки трассировщика кривых линий векторизатора Easy Trace при работе с изображением отсканированным с разрешением 72dpi.

Задание высот. В Easy Trace можно присвоить значение Z-координаты полилиниям как вручную — при помощи редактора, так и в полуавтоматическом режиме[14]. Для этого надо включить инструмент простановки высот, задать шаг изменения Z: 1. присвоить значение Z любой полилинии, 2. указав на нее, "перечеркнуть" пучок изолиний. 3. Повторять п. 2 пока не будут присвоены значения Z всем полилиниям. Остается только следить за ростом или понижением значения высоты и не пропускать линии, имеющие серый (начальный) цвет. Пересечение "гребней" и "впадин" отслеживается автоматически. Ведется непрерывный контроль сответствия высот ранее присвоенным значениям. А контролировать процесс помогает цветовая гамма и индикация значений присвоенных высот в точках пересечений (Рис. 6). После векторизации топографической карты можно экспортировать ее в 3D редактор, например Autodesk AutoCAD 2008, для дальнейшей работы с 3D моделью местности. На рисунке Рис.7. представлен участок Абаканского хребта с нанесением нитей ходов карстовых пещер.

Рис. 6. Присвоение значений высот изолиниям.

Рис. 7. Представление 3D модели местности с нанесением на нее нитей ходов пещер. В ходе работы с программой Easy Trace 8.4 PRO Demo можно выделить следующие достоинства: Очень удобный интерфейс. При ручной трассировке к минимуму сведены лишние операции пользователя. Минимальные системные требования. На любом современном компьютере программа работает стабильно. Возможность экспорта в другие современные программы, в частности в Autodesk AutoCAD. Быстрый метод назначений высот изолиниям. Недостатки. Полуавтоматический режим уступает ручному режиму. Для корректной работы необходимо точно выставить цветовой диапазон изолиний. Маркер очень медленно перемещается по изолинии. Изолиния после полуавтоматической трассировки очень нагружена точками, необходимо запускать оптимизацию. Полуавтоматическая трассировка подразумевает, что пользователь сам указывает каждую изолинию. В ручном режиме время на трассировку изолинии тратится на порядок меньше чем при использовании полуавтоматического режима трассировки. Не возможность использования полуавтоматической трассировки изображения отсканированного на низком разрешении. Изолиния представляет собой набор ломаных линий (типа Line), векторная карта выглядит угловатой. Нет возможности рисовать линию в обе стороны. Если начато выделение с середины изолинии то в противоположную сторону придется рисовать еще одну, а после производить автоматическое склеивание изолиний на одной высоте. Для просмотра и работы с 3D моделью необходимо дополнительное ПО, а это дополнительные затраты. В ходе работы было рассмотрено два способа работы с 3D моделями местности: векторизация топографической карты и использование готовых моделей по аэро-космическим снимкам. Проведен анализ программных продуктов Google Earth и Easy Trace 8.4 PRO Demo. Выявлены их достоинства и недостатки. Проведен анализ исходных данных: топографическая карта. На основе изученного материала выявлены принципы работы векторизатора растровой топографической карты и модуля построения карты вершин. Оба метода имеют ряд недостатков, что обосновывает необходимость в создании специализированного единого программного комплекса 3D моделирования местности по растровой топографической карте с нанесением на нее известных карстовых полостей, устраняя описанные в статье недостатки. Литература 1. Фyнкции программы GIS-Russa // gisrx.ru: GIS-Russa. Система спутниковой навигации. URL: http://www.gisrx.ru/function.html (дата обращения: 10.09.2009). 2. Описание Easy Trace PRO // dataplus.ru: DATA+. URL: http://www.dataplus.ru/Soft/VECTORIZ/Ea … trace.html(дата обращения: 10.09.2009). 3. Трехмерные здания и ландшафты // earth.google.com: Программа Google Планета Земля. URL: http://earth.google.com/tour.html#v=10 (дата обращения: 11.09.2009). 4. Википедия. Google Планета Земля // ru.wikipedia.org: Материал из Википедии — свободной энциклопедии. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/GoogleEarth (дата обращения: 09.09.2009). 5. Google Earth 5.1.3509.4636 Beta // newestsoft.com: NewestSoft.com URL: http://www.newestsoft.com/cat34_535.html(дата обращения: 11.09.2009). 6. Власенко Л.И. Топографические карты 1:100000 // maps.vlasenko.net: Топографическая карта России, Украины, Беларуси. 2004. URL: http://maps.vlasenko.net/soviet-militar … p100k.html (дата обращения: 12.09.2009). 7. Введение в документацию KML // code.google.com: Google code URL: http://code.google.com/intl/ru/apis/kml/documentation (дата обращения: 11.09.2009). 8. Google Earth KML File Export. // fountainware.com/compass: Compass Home Page URL: http://www.fountainware.com/compass/(дата обращения: 11.09.2009). 9. ГОСТ Р 51607-2000. Карты цифровые топографические. Правила цифрового описания картографической информации. Общие требования 10. ГОСТ 21667-76. Картография. Термины и определения 11. Руководство пользователя Easy Trace v8.x PRO 12. Википедия. Список ПО Векторизации // ru.wikipedia.org: Материал из Википедии — свободной энциклопедии. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Список_ПО_для_векторизации (дата обращения: 10.09.2009). 13. Сравнение возможностей пакетов R2V и Easy Trace 7.5 PRO на примере автоматической векторизации цветных изолинейных растров // dataplus.ru: DATA+. URL: http://www.dataplus.ru/Soft/VECTORIZ/Easy7.5/r2v.html (дата обращения: 15.10.2009) 14. Easy Trace Group, г.Рязань (Тезисы докладов 9-ой Всероссийской учебно-практической конференции «Организация, технология и опыт ведения кадастровых работ». М.: ГИС-Ассоциация, 2004 г.)