Сергей Наумов, Денис Савицкий, DATA+
Московский государственный университет, крупнейший и старейший ВУЗ страны, «Храм науки», недавно отметивший славный юбилей. С более утилитарных позиций — это крупный научно-производственный комплекс, многочисленные объекты которого занимают обширную территорию в одном из красивейших районов Москвы. Вид с Воробьевых гор внушает уважение и навевает сентиментальное настроение. Однако когда мы приступили к моделированию территории, окружающей главное здание (ГЗ) МГУ, вся сентиментальность нас быстро оставила, сменившись озабоченностью масштабами и техническими аспектами предстоящей работы.
Конец лета – начало осени. Район утопает в зелени высоких деревьев, скрывающих постройки. Здания факультетов и лабораторий, бетонные коробки и облицованные камнем солидные сооружения сталинских времен, спортивные объекты, парковые зоны… Первую фотографическую экспедицию мы проделали на ногах, оставив машину на смотровой площадке, вторую, наученные опытом, осуществили на колесах, периодически останавливаясь, чтобы сделать несколько снимков зданий цифровым фотоаппаратом.
Задача трехмерного моделирования района Воробьевых гор и Лужников возникла как часть оперативной подготовки данных к проекту G4M (GIS for Moscow – ГИС для Москвы). Дефицит времени и ресурсов заставил нас ограничиться только наиболее заметными объектами, такими как ГЗ МГУ, Большая спортивная арена Лужников и др. Трехмерное моделирование выполнялось, ориентируясь на продукты ESRI. Требовалось продемонстрировать возможности работы ArcGIS 9 и модуля 3D Analyst с реальными трехмерными объектами, определить «узкие» места и сформулировать основные требования к интегрируемым в трехмерную сцену моделям объектов.
МГУ, Воробьевы горы и Лужники
Исходными данными для трехмерного моделирования служили векторные карты масштаба 1:10000 (местная система координат), цифровая модель рельефа (ЦМР) и цветной космический снимок с пространственным разрешением 2,4 м. Прогулки и поездки по территории МГУ и Лужников дали около 350 фотографий фасадов объектов. Для съемки использовался цифровой фотоаппарат Olympus Е10. Также мы получили возможность сфотографировать панораму Лужников с 22 этажа ГЗ и с крыши здания Российской академии наук (рис. 1). Для этого использовался цифровой фотоаппарат Panasonic Lumix FZ10, имеющий оптический стабилизатор изображения, особенно важный при съемке объективом с большим фокусным расстоянием.
Рис. 1. Панорама Лужников и Воробьевых гор, снятая со здания РАН.
Полученные фотографии, наряду с векторными контурами «подошв» зданий, служили основой для воссоздания трехмерных моделей объектов. Многие объекты не удалось сфотографировать со всех необходимых ракурсов, поэтому при моделировании недостающих фасадов приходилось дублировать имеющиеся. Накопленный ранее опыт работ по трехмерному моделированию городской застройки для отображения в интерактивных приложениях [1, 2], таких как ArcScene (средство визуализации модуля 3D Analyst), показал, что главным художественным приемом должен являться минимализм средств. (Тут хочется заметить, что низкополигональное моделирование в компьютерной графике — это довольно сложное искусство передачи основных элементов формы объекта малым числом полигонов с целью экономии ресурсов). Поэтому при создании моделей зданий и сооружений геометрическими объектами представлялись только основные элементы зданий, а мелкие и декоративные имитировались фототекстурами, полученными из наземных фотографий. При моделировании ГЗ МГУ выяснилась архитектурная особенность материала, используемого для облицовки, – при разном освещении здание приобретает различные оттенки. За счет этого смоделированная часть фасада часто была схожа с реальным изображением на одной фотографии и заметно отличалась по цвету от фотографий, сделанных в другое время.
Модели в ArcScene
По исходному полигональному слою контуров домов средствами ArcInfo были построены центроиды, использовавшиеся для расстановки трехмерных моделей в приложении ArcScene. Появившиеся в версии ArcGIS 9 средства работы с трехмерными текстурированными символами позволяют удобно импортировать, разместить и, при необходимости, отмасштабировать или развернуть трехмерную модель, используемую в качестве условного знака точечного объекта. Входящая в поставку библиотека трехмерных условных знаков включает сотни моделей, среди которых здания, сооружения, городская инфраструктура, транспорт. Такая библиотека особенно полезна в случае, когда смоделированные уникальные архитектурные объекты необходимо «окружить» более типичными объектами дорожной инфраструктуры, растительностью и т.д. (рис. 2). Вновь создаваемые трехмерные объекты могут быть внесены в библиотеку условных знаков и использоваться в других моделях.
Рис. 2. Здание химического факультета МГУ и его модель в ArcScene (справа).
Векторные слои дорог, лесных массивов, кварталов и водных объектов были спроецированы на цифровую модель рельефа. В качестве условных знаков для них, вместо традиционной моноцветной заливки, были подобраны наиболее подходящие мозаичные текстуры. Также использовались текстуры, взятые с космического снимка моделируемой территории (рис. 3). Здания и сооружения, для которых модели не создавались, были вытянуты по вертикали на высоту, значение которой хранилось в атрибутивной таблице. Векторная информация была структурирована в базу геоданных ArcGIS, растровые изображения, обработанные в ERDAS IMAGINE, подгружались в трехмерную сцену в формате этой программы (img).
Рис. 3. Двумерные данные для трехмерной модели (фрагмент космоснимка).
Моделирование объектов на основе наземных фотографий всегда несет в себе элемент неточности и условности (впрочем, любое моделирование таково). С точки зрения достоверности и детальности оптимальным является использование архитектурных чертежей, результатов лазерного сканирования или наземной фотограмметрической съемки. У нас их не было, а если бы и были, их преобразование в готовую текстурированную модель заняло бы значительно больше отведенного нам времени – вспомним хотя бы количество лепнины и другого декора на главном здании МГУ. Кроме того, такие материалы часто содержат огромное количество информации, не нужной в подобной задаче, например, невидимые внутренние архитектурные элементы, межэтажные перекрытия и т.п.
Более интересными данными с точки зрения создания «полнокровной» ГИС являются схемы коммуникаций, поэтажные планы, адреса и списки отделов, кафедр, организаций и другие пространственно-определенные данные. Пространственные данные, имеющие корректную топологическую или сетевую структуру, позволяют выполнять развитый анализ и создавать на его основе новую информацию. В этом и проявляются уникальные возможности ГИС, выходящие далеко за рамки обычной справочно-информационной системы.
Трехмерная модель – преимущества и возможности
В результате работы была создана трехмерная модель территории МГУ и спорткомплекса Лужники (рис. 4, 5). Проект подготовлен в среде ArcGIS с использованием модуля 3D Analyst. Визуализация трехмерной модели осуществляется с помощью приложения ArcScene, входящего в 3D Analyst.
Рис. 4. Большая спортивная арена Лужников – наземная фотография (слева) и трехмерная модель в ArcScene.
Рис. 5. Главное здание МГУ: один из вариантов моделирования.
Полученные материалы могут служить наглядной демонстрацией возможностей ArcScene по комплексной визуализации городских территорий средствами ГИС. Созданный виртуальный мир (рис. 6) и лежащие в его основе исходные данные могут использоваться в разнообразных ГИС-проектах, либо при моделировании различных процессов с помощью широкого спектра средств и инструментов ArcGIS.
Рис. 6. Трехмерная модель территории, созданная в модуле 3D Analyst, вид со стороны Лужников.
Чем же хороша смоделированная территория? Тем, что в ней присутствуют самые разные комбинации реальных пространственных объектов. К примеру, очень хорошо развита дорожная инфраструктура. Имеются как шоссейные дороги, так и сложная сеть разветвленных подъездных дорог. То есть, появляется возможность моделировать движение транспорта, изучать загруженность дорожной сети, «узкие места» и возникающие пробки, оценить степень «охваченности» дорожной сетью всего комплекса МГУ. Если учесть, что в данной модели не меньше информации и о пешеходных дорожках, пешеходных переходах, светофорах, то можно значительно усложнить моделирование оценкой пересечения прогулочных и парковых мест, их приближенностью к различным классам дорог. Можно учесть данные о растительности и пешеходных потоках в разное время дня, спрогнозировать оптимальное расположение новых учебных корпусов, рекреационных объектов, памятников и фонтанов, рассчитать оптимальный режим совместной работы всех светофоров на территории Воробьевых гор и т.д. И самое замечательное, что все получаемые результаты можно средствами ArcScene также изобразить в описываемом трехмерном мире. Значит можно, взглянув на получаемую картину, оценить достоверность самого результата и наглядно представить пространственное распределение информации. Ведь нередко здравый смысл и жизненный опыт позволяют нам найти ошибки намного быстрее, чем скрупулезный анализ массива данных. Воистину, «лучше один раз увидеть…».
На территории МГУ имеется сложная разветвленная сеть коммуникаций. ГИС можно использовать, например, для анализа электрической сети или системы канализации. Берег Москва-реки характеризуется разнообразными участками рельефа. При наличии точной матрицы рельефа и используя средства ГИС возможно рассчитать направление и динамику стока воды по всей территории в период сильных ливней. Конечно же, все это можно увидеть наглядно, представив эти данные непосредственно в 3D-мире. А значит, становится возможным оценить ситуацию в целом, наблюдая весь комплекс с высоты птичьего полета либо отдельные участки территории в различных ракурсах (рис. 7).
Рис. 7. Фрагменты анимации полета над трехмерной моделью территории.
Это лишь отдельные примеры использования подобной трехмерной модели, возможности на сегодняшний день ограничены лишь вашей фантазией и мощностью компьютера. В нашей работе мы использовали компьютеры с процессором PentiumIV (1.8 ГГц), 1 Гб оперативной памяти и видеокартой GeForce4 – конфигурация, не являющаяся на сегодня чем-то исключительным.
Планы и перспективы
В дальнейшем мы планируем создать модели некоторых наиболее интересных с нашей точки зрения объектов (например, прыжкового трамплина и Троицкой церкви на Воробьевых горах). Для создания более реалистичной виртуальной прогулки по району необходимо тщательно восстановить форму рельефа по берегам реки, детальнее воссоздать структуру растительности, небольших пешеходных дорожек, тропинок, фонтанов и памятников.
Более отдаленные перспективы включают дополнение модели подземными коммуникациями, добавление растительности и уточнение высот зданий, представляемых на нашей модели «коробками». В следующую версию ArcGIS будет включен серверный компонент ArcGlobe, который позволит представлять трехмерные данные через Интернет при помощи веб-браузера, тем самым обеспечивая доступность проекта широкому кругу пользователей.
Для того, чтобы в полной мере воспользоваться функциональными возможностями ГИС, именно как информационной системы, планируется добавить более детальную атрибутивную информацию: специализация каждого отдельного сооружения (назначение спортзалов, виды покрытия на теннисных кортах и т.п.), преобладающие виды растительности в парковых и лесопарковых зонах, объекты общепита или досуга, расположенные внутри больших зданий и т.д. Но модель есть модель, тем более тестовая, и здесь можно дать волю фантазии.
Сегодня трехмерное моделирование используется для решения различных задач. Исходя из них, выбираются технические средства, использующиеся для воссоздания трехмерной модели существующих объектов. Это может быть лазерный сканер, обеспечивающий точное и детальное измерение объекта, а может быть цифровой фотоаппарат, позволяющий быстро запечатлеть внешний вид фасадов. В градостроительной области трехмерное моделирование объектов в некоторых случаях может являться единственным способом сохранить память об архитектурных сооружениях, разрушающихся от времени, сносимых или перестраиваемых в связи с реконструкцией застройки. Строительство новых зданий, особенно не типовых, в последнее время практически не обходится без их предварительного моделирования и встраивания в существующий ландшафт. Отражая потребности пользователей, геоинформационные системы динамично развиваются и «впитывают» в себя возможности, изначально присущие другим отраслям, например, системам архитектурного проектирования. Круг пользователей ГИС, таким образом, постоянно расширяется. Эта тенденция видится нам и в будущем.
Московскому Государственному Университету мы желаем встретить в процветании много будущих юбилеев.
Литература
1. О. Кузнецов, А. Леонов, С. Наумов «ГИС в городском планировании и моделировании» — М. DATA+, ArcReview № 3, 2001, с.20.
2. А. Гречищев, В. Бараниченко, С. Монастырев, А. Шпильман «Трехмерное моделирование и фотореалистичная визуализация городских территорий» — М. DATA+, ArcReview № 2, 2003, с.12-13.
