Александр Гречищев, DATA+
Виталий Бараниченко, Сергей Монастырев,
Андрей Шпильман, СибНАЦ, Тюмень
Многомерность ГИС
Требования к пространственной геоинформации, содержащейся в цифровых картах, географических базах данных и ГИС в целом постоянно повышаются. Одной из наиболее насущных задач является поддержание данных в актуальном состоянии. Кроме того, рост числа потребителей геоинформации с разным уровнем подготовки также делает все более важной задачу представления и интерпретации пространственных данных, лежащих в основе ГИС.
Еще недавно в геоинформационных системах, как правило, применялись двумерные пространственные данные. Сейчас ГИС в основном работают в так называемом 2,5- мерном пространстве, когда величина Z атрибутивно привязана к точке (X,Y), часто через цифровые модели рельефа. В интегрированной фотореалистичной информационной среде, становление которой мы сейчас наблюдаем, осуществляется переход к полноценным трехмерным данным и, более того, с учетом временного параметра, — к многомерным операциям.
Потребность в реалистичном отображении окружающего мира увеличивает значимость трехмерного (3D) моделирования. 3D модели облегчают планирование, контроль и принятие решений во многих отраслях. Трехмерная фотореалистичная визуализация территорий методами компьютерной графики и создание муниципальных трехмерных ГИС способны изменить технологию и практику управления городом, городского планирования окружающей среды, разработки и ведения проектов.
Современные графические станции в состоянии обрабатывать и визуализировать объемы данных, необходимые для создания фотореалистичных трехмерных моделей городских ландшафтов. Например, такая модель подготовлена специалистами DATA+ (Москва) и Сибирского научно-аналитического центра (Тюмень) на центральный район Салехарда. Она позволяет:
- выполнить фотореалистичное отображение территории и виртуальное передвижение по модели;
- оценить возможности моделирования и анализа данных городского ландшафта, изменения моделей зданий и иных объектов;
- комбинировать тематические слои с внедренными 3D объектами;
- исследовать методы подготовки перспективных трехмерных топологических ГИС-данных и моделей и совмещения их с данными САПР.
Стратегия моделирования
Фотореалистичная визуализация городской территории требует больших усилий по сбору исходной информации, геометрическому и радиометрическому моделированию отдельных объектов и итоговой модели (сцены) и сильно зависит от полноты и точности данных, представляющих ландшафт. Подходящей отправной точкой могут служить базовые данные, составляющие основу ГИС: цифровые модели рельефа (ЦМР), электронные карты. Однако, 3D модели возвышающихся над поверхностью земли объектов, таких как здания, деревья, ограждения, опоры ЛЭП и т.д., тем более с отображением их текстуры, еще не доступны в существующих ГИС-системах. Поэтому при создании фотореалистичной сцены необходимо раздельно формировать модели поверхности городской территории и трехмерных объектов, на ней расположенных. Стратегию моделирования можно представить в виде схемы (рис. 1). В рамках этой стратегии и выполнялись работы по созданию экспериментальной модели города Салехарда.
Рис. 1. Стратегия и компоненты 3D моделирования территории города [3].
Трехмерная модель города, или сцена, состоит из модели местности (земной поверхности) и моделей наземных объектов, как правило, созданных человеком. При создании моделей необходимо решить две важнейшие задачи: конструирование геометрии и текстурирование модели.
Геометрию модели местности определяет система координат, в которой создана цифровая модель поверхности. Выбор местной прямоугольной системы координат позволяет упростить совмещение моделей местности и городских объектов, которые создаются в прямоугольной системе координат.
Модель земной поверхности, на которой (а для сложной муниципальной 3D ГИС — и под которой) размещаются модели городских объектов, можно получить на основе подготовленного по космическим или аэроснимкам ортофотоизображения, которое «натянуто» на поверхность, созданную по цифровой модели рельефа. Другими словами, цифровая модель рельефа текстурируется ортофотоизображением местности. Преобразование аэро- или космических снимков к местной системе координат осуществляется в результате ортотрансформирования с использованием ЦМР и электронных карт ГИС или отсканированных (растровых) топокарт и планов, представленных в заданной системе координат. Возможно также применение GPS-измерений в опознаваемых на снимках точках. При этом должно быть установлено соответствие между системой координат GPS-приемника и местной системой.
На аэрокосмических снимках видны крыши зданий, которые, как правило, выступают за контуры здания у его основания. Часто видны боковые поверхности зданий (в зависимости от угла фотографирования) и изображения крыш зданий смещаются относительно их проекции на земную поверхность. Также очень часто контуры крыш по форме не совпадают с контурами оснований зданий. Поэтому, если просто поместить 3D объект на смоделированную по снимку поверхность, то он не совпадет с изображением на снимке.
Кроме того, на аэрокосмических снимках практически всегда присутствует тень от объектов, что фактически привязывает создаваемую модель к определенному времени суток (углу Солнца). Также на снимке практически фиксируется сезон съемки (время года). Чтобы увеличить качество текстуры земной поверхности для целей визуализации, некоторые из ситуационно-зависимых эффектов в ортоизображении должны быть заменены. Потребуется дополнительная обработка ортоизображения, фактически — дополнительная цифровая фильтрация и ретуширование областей, примыкающих на модели к внедряемому объекту.
Можно, конечно, заменить ортофотоснимок (или ортомозаику из аэрофотоснимков) поверхностью, полученной на основе электронной карты города, созданной, обновленной или доработанной с использованием актуальных аэрокосмических снимков. Но это потребует дополнительных временных и материальных затрат.
Другой важной составляющей фотореалистичной модели города являются 3D модели объектов: зданий, сооружений, деревьев, труб, ограждений, опор и т.д. При этом самыми важными объектами являются здания, поэтому основные усилия направлены на совершенствование методов конструирования моделей зданий из “сырых” данных и методов их хранения.
В общем случае, для показа зданий используются поверхности, которые необходимы для рендеринга, текстурирования моделей. При этом возможно применение топологии, что позволяет в дальнейшем использовать общую метрическую информацию для соседних объектов при помощи подробного описания пространственных взаимосвязей. Информация о геометрических объектах может быть получена с 2D карт (контуры оснований зданий), аэрофотоснимков (контуры крыш, дымоходов, пристроек), снимков с земли и высоких наземных объектов (детали фасадов), путем прямых измерений на местности и т.д.
Использование фотореалистичных текстур является важным моментом при создании городских 3D- моделей. В пользу их применения можно привести как минимум два значимых аргумента [2]:
- Фотореалистичное текстурирование, примененное к 3D моделям, дает наиболее близкое к действительности отображение окружающего мира.
- Текстура содержит информацию, отсутствующую в геометрической модели, например, детали и материалы, из которых сделана отображаемая поверхность.
К этому можно добавить, что применение фототекстур во многом упрощает создание и хранение трехмерной модели зданий, несмотря на то, что фототекстуры составляют до 90% от общего объема данных модели. Всегда необходимо определять разумный уровень разрешения при конструировании моделей зданий и соответствующее ему соотношение между описанием деталей объектов с помощью геометрического моделирования и с помощью текстур. Геометрическое описание мелких деталей фасадов может не оправдать затраченных усилий, финансов и времени. Применение же фотореалистичных текстур позволяет показывать в модели очень сложные в геометрическом смысле элементы.
После создания текстурированной поверхности и текстурированных зданий необходимо их совместить. Совмещение моделей зданий с моделью поверхности выполняется на уровне минимальной высоты здания. Может потребоваться дополнительная обработка цифровой модели рельефа, чтобы удалить его «лишние» неровности.
Рассматриваемый метод позволяет раздельно манипулировать как реконструированной поверхностью, так и каждым поверхностным объектом. Можно удалять и видоизменять (реконструировать и редактировать) как геометрические объекты, так и их текстуры. Для обеспечения работы с запросами к каждому объекту может быть прикреплена детальная атрибутивная информация.
Таким образом, при конструировании фотореалистичных 3D моделей городов используются следующие основные наборы данных:
- цифровая модель рельефа местности;
- 2D информация о поверхностных объектах;
- наземные, аэро- и космические снимки.
Цифровые модели рельефа используются для моделирования поверхности конструируемой сцены, а информация с 2D карт и ГИС — для определения “отпечатков” зданий (местоположения оснований на поверхности). Различные снимки предоставляют информацию о высоте зданий и прочих объектов и являются основой для определения их геометрии и фототекстурирования. Для более точного определения местоположения объектов в заданной системе координат и для определения их реальных размеров могут проводиться дополнительные натурные измерения.
Моделирование Салехарда
Кратко охарактеризуем основные данные и элементы моделей, которые применялись при подготовке фотореалистичной 3D модели Салехарда.
Цифровые модели рельефа
Выбор типа представления ЦМР является обязательным аспектом 3D конструирования моделей городов. Для отображения рельефа используются регулярная сетка — описание местности с помощью регулярной сетки с равными промежутками между ячейками (растровая ЦМР), и нерегулярная триангуляционная сеть (Triangulated Irregular Network — TIN).
TIN дает лучшее представление рельефа в случае сильнопересеченной местности. Но TIN-модель трудно обновлять. Каждое изменение рельефа моделируемой территории обычно влечет за собой необходимость заново развивать всю сеть. Другая отрицательная черта TIN — чрезмерная сложность создания уровней детализации. Вследствие этого, визуализация в режиме реального времени на основе TIN представления затруднена.
Растровому методу свойственны эффекты усреднения и “размывания”, поэтому при работе с крупными масштабами его применение ограничено. Но использование растрово-сетчатого представления местности обеспечивает легкость обработки и хранения данных, применение простых и легко автоматизируемых методов создания уровней детализации, что важно для быстрой визуализации больших объемов данных.
Поскольку в наших работах применялось раздельное моделирование поверхности и поверхностных объектов, то использовалась растровая цифровая модель рельефа. Исходные данные для конструирования ЦМР получены с 2D карт, содержащих горизонтали. При этом были созданы:
- ЦМР части территории ЯНАО, соответствующей снимку Landsat на Салехард, по векторной карте масштаба 1:1 000 000. Шаг матрицы 50 м.
- ЦМР окрестностей Салехарда по картам масштаба 1:100 000. Шаг матрицы 10 м.
- ЦМР Салехарда по карте города масштаба 1:10 000. Шаг матрицы 2,5 м.
Последняя цифровая модель рельефа стала основной при создании трехмерной модели города. Однако практика показала, что для представления модели города в крупном масштабе необходимо иметь ЦМР с шагом 0,5-1 м. Она может быть получена на основе топографических планов города или в результате стереофотограмметрической обработки аэрофотоснимков.
Аэрокосмические снимки
Как отмечалось выше, земная поверхность моделируется на основе ЦМР и ортоизображения местности. Было подготовлено несколько моделей поверхности, для их создания применялись различные аэро- и космические снимки. Так, для мелкомасштабной обзорной модели использовался космический снимок Landsat с разрешением 30 м. Для создания модели территории города и его ближайших окрестностей — космический снимок Ikonos, полученный в марте 2002 года, преобразованный к разрешению на местности 2,5 м. Ввиду обилия снега снимок классифицируется как зимний. Для создания модели поверхности центральной части города взято аэрофотоизображение, полученное в сентябре 2002 года и представленное с разрешением пиксела 1 м. Изображение классифицируется как летне-осеннее.
Для координатной привязки снимков и создания ортоизображения в местной системе координат использовались карты и планы различных масштабов. Также применялись GPS-измерения контрольных точек, пересчитанные в местную систему координат.
ГИС данные
Двумерные пространственные ГИС данные, полученные путем векторизации крупномасштабных топографических планов и карт, применялись в основном для определения проекционных размеров создаваемых трехмерных объектов и их местоположения в итоговой модели города. Кроме этого, векторные тематические слои электронных карт были задействованы при моделировании различных коммуникаций для отображения их совместно с трехмерными моделями основных зданий.
Работы по созданию 3D модели Салехарда выявили, что крупномасштабные планшеты (1:2000 и 1:500) и карты города требуют существенного обновления. Это связано с тем, что в Салехарде в настоящее время развернуто массовое строительство, сильно изменившее вид города. Для сбора данных, необходимых для обновления топографических карт соответствующих масштабов и создания актуальной муниципальной геоинформационной системы, необходимо получение новых аэрокосмических снимков и проведение геодезических и фотограмметрических работ, а также наземных обследований.
Фотографии объектов
Для 3D объектов, чьи вертикальные стороны не видны на аэрокосмических снимках, необходимо получить наземные фотографии. Так как эти изображения используются в качестве основного источника цифровой текстурной информации, предпочтительно использование цифровой фотокамеры, что исключит фотохимическую обработку и сканирование снимков. Фотографии городских объектов используются также для определения и уточнения вертикальных размеров моделируемых объектов.
Практика показала, что фотографирование объектов необходимо выполнять не только с уровня улицы, но и с возвышающихся объектов: вышек, крыш домов и т.д. Для простых объектов достаточно 2-4 снимков, для сложных зданий и сооружений требуется 16-20 и более. Съемку в городе лучше всего проводить в пасмурную погоду, что позволяет уменьшить объем работ по подготовке фототекстур.
3D объекты и фототекстуры
При подготовке трехмерной модели Салехарда на этапе пилот-проекта территория центрального района города условно была разделена на два участка: район детальной проработки трехмерных объектов и прилегающие территории (район грубой 3D модели объектов). Первый участок включал восемь центральных кварталов города и некоторые здания вне этих кварталов, представляющие исторический, градостроительный и прочий интерес. Здесь были сфотографированы все основные объекты. Для них подготовлены более детальные геометрические модели, использованные для текстурирования.
При фототекстурировании объектов источниками данных служили:
- для крыш зданий — аэрокосмические снимки высокого разрешения и снимки с вышек;
- для стен зданий и других вертикальных поверхностей — снимки, сделанные с уровня улицы и высоких объектов в городе.
Для второго участка строились простые модели, где трехмерность обеспечивалась «выращиванием» контура здания на уровень, определяемый по зимнему снимку в результате измерения средней длины тени с учетом высоты Солнца. Здесь были допущены ошибки, особенно заметные на участках, где строения близко расположены друг к другу. Кроме того, не учитывалась форма крыш, хотя по снимкам высокого разрешения она хорошо интерпретируется.
Процесс подготовки трехмерных объектов зданий достаточно сложен, занимает много времени и требует определенных навыков. Излишняя прорисовка геометрии приводит к тому, что модель становится очень сложной и «неповоротливой». С другой стороны, чрезмерное упрощение и типизация модели может привести к тому, что объект становится не похожим на реальный.
Трехмерное представление местности значительно повышает возможности визуального анализа при изучении и управлении городской территорией. Это можно продемонстрировать на простом примере, показав, как выглядит один и тот же участок на снимках, двумерной карте, трехмерной модели без текстур и с текстурированием (рис. 2).
Рис. 2.
Результаты и перспективы
В результате работ получено несколько вариантов фотореалистичной модели Салехарда. Например, на рис. 3 показана «зимняя» модель города, а на рис. 4 — «летне-осенняя». Некоторые виды центрального района Салехарда с различных направлений, позволяющие оценить результаты выполненных работ, представлены на рис. 5-8. Подготовлены также анимационные файлы с имитацией пролета над городом. Но это только первые шаги на пути к комплексной муниципальной геоинформационной системе, предусматривающей возможность трехмерного отображения городской территории.
 Рис. 3. |
 Рис. 4. |
 Рис. 5. |
 Рис. 6. |
 Рис. 7. |
 Рис. 8. |
Рис. 3 — 8. Фрагменты виртуального пролета над моделью Салехарда.
Заметим, что на рис. 7 на переднем плане показаны здания, которые спроектированы и возводятся в городе компанией Ямата, предоставившей нам САПР-модели строящихся зданий. Они легко «внедряются» в фотореалистичную модель города, технология создания которой рассмотрена выше, что позволяет использовать полученную модель в проектных работах.
Мы не рассматривали вопросы подготовки данных фотограмметрическими методами, хотя лучшим возможным методом получения исходных данных для создания трехмерных моделей и 3D ГИС часто является стереофотограмметрия, так как из аэро- и наземных (а в последнее время и некоторых космических с высоким разрешением) стереоснимков могут быть получены и геометрия, и текстуры. Не уделено достаточно внимания моделированию поверхности и трехмерных объектов с помощью TIN. Также не были затронуты вопросы подключения атрибутивной информации — это темы наших дальнейших исследований. Заметим, что в городах очень часто здания строились по типовым проектам. Поэтому перспективным можно считать и создание наборов моделей с типовой геометрией (библиотеки типовых моделей), а текстуры к ним брать с фотоснимков, получаемых в городе.
Технические и экономические аспекты подготовки качественных данных, в том числе и трехмерных моделей, еще долго будут оставаться одними из самых важных. Необходимое для 3D моделирования аппаратное обеспечение уже существует и с каждым днем становится все более совершенным. Задача исследователей и разработчиков сейчас — создание технологий автоматического конструирования 3D моделей с использованием различных данных.
Литература
1. P. Agouris, A. Stefanidis “Integration of photogrammetric and geografphic databases” — International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, Part B4. Vienna 1996, pp.24-29.
2. S.Z. Nedkova, M. Gruber, M. Kofler “Merging DTM and CAD data for 3D modeling purposes of urbun areas” — International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, Part B4. Vienna 1996, pp.311-315.
3. R. Wurlander, M. Gruber, H. Mayer “Photorealistic terrain visualization using methods of 3D-computer-graphics and digital photogrammetry” — International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, Part B4. Vienna 1996, pp. 972-977.
4. J. Danahy “Visualsation data needs in environmental planning and design: Virtualising the 3D real world” — GIM International, May 2000, pp.12-15.
5. Кузнецов О.В., Леонов А.Л., Наумов С.В. «ГИС в городском планировании и моделировании» — М. DATA+, ArcReview № 3, 2001, с.20.
