Сергей Наумов, Светлана Савидова, DATA+
Моделирование окружающего мира, активно применяющееся во многих задачах планирования и управления, требует соответствующих инструментов, методик и данных. Практически любая информация содержит пространственную или географическую составляющую. Именно поэтому технологии геоинформационных систем (ГИС), предоставляющие широкие возможности по интеграции и совместному анализу данных из различных источников, становятся все более популярным и востребованным инструментом для решения разнообразных задач практически во всех сферах деятельности. В последнее время одним из наиболее перспективных направлений применения ГИС стало построение виртуальных моделей.
Поскольку геометрическому описанию нашего мира присуща третья координата, средства трехмерного моделирования стали неотъемлемым компонентом современных ГИС. Кроме информации о высоте объектов, третья координата может служить характеристикой любых процессов или явлений (температуры, загрязнения и т.д.) и использоваться для их пространственного представления. Трехмерные модели территорий применяются при ситуационном моделировании (тренажеры, командные учения и пр.), анализе проектов и решений (дорожное строительство и архитектура), для выполнения аналитических расчетов и как инструмент поддержки принятия управленческих решений.
И ГИС, и программные комплексы для обработки данных дистанционного зондирования имеют в своем арсенале приложения для трехмерного моделирования и визуализации. Ведущие компании-разработчики программного обеспечения для создания ГИС – ESRI и Leica Geosystems – уделяют этому направлению большое внимание.
Продукты ESRI
Для работы с трехмерными моделями местности компания ESRI разработала модуль ArcGIS 3D Analyst. Он дополняет продукты ArcGIS Desktop (ArcView, ArcEditor, ArcInfo) инструментами создания и анализа поверхностей, а также двумя приложениями для создания и представления трехмерных моделей: ArcScene (локальные участки территории) и ArcGlobe (модели в планетарном масштабе). Как и вся линейка ArcGIS, модуль 3D Analyst разработан на основе COM-модели и использует базовые компоненты ArcObjects. Это позволяет воспользоваться готовыми библиотеками с аналитическими функциями и средствами трехмерной визуализации при создании как локальных, так и серверных ГИС-приложений. Например, при помощи инструмента разработчика ArcGIS Engine, можно создавать собственные приложения трехмерной визуализации, использующие компонент GlobeControl для интерактивной визуализации трехмерных сцен.
В новой версии ArcGIS 9.2 существенно расширена часть, связанная с трехмерным моделированием и визуализацией. Добавлены новые инструменты работы с типом данных TIN, ряд новых функций конвертации между форматами, в том числе поддержка формата данных лазерного сканирования LAS. Кроме того, в базе геоданных появляется новый тип данных terrain, служащий для хранения описания модели местности и позволяющий реализовать концепцию уровней детальности. Это особенно важно для эффективного отображения и манипулирования данными по обширным территориям.
Рис. 1. В ArcGIS Explorer в качестве растровых изображений могут быть использованы разнообразные снимки (на примере – изображение Земли ночью).
В версии 9.2 улучшены возможности визуализации в приложении ArcGlobe. Добавлена автоматическая расстановка подписей, поддерживаются новые типы и форматы данных (TIN в качестве модели рельефа, KML в качестве трехмерных моделей объектов). Возможность управления распределением компьютерных ресурсов позволяет конфигурировать то, как имеющийся объем оперативной памяти будет использоваться для хранения различных типов данных (растров, моделей рельефа, геометрии и текстур трехмерных объектов).
В новую версию также включен ArcGIS Explorer – бесплатное простое в работе приложение для доступа к наборам данных, для интеграции и использования ГИС-сервисов и сервисов пространственных данных. Это также новый клиент для ArcGIS Server, предоставляющий доступ к возможностям ГИС широкому кругу пользователей. ArcGIS Explorer – это средство визуализации как двумерных, так и трехмерных данных, позволяющее не только просматривать наборы данных, но и анализировать их с помощью ГИС-инструментов (рис. 1-5).
Рис. 2. Импорт трехмерных моделей в формате KMZ.
Рис. 3. В ArcGIS Explorer, кроме веб-сервисов, источниками данных могут быть снимки, хранящиеся на локальном компьютере.
Источники данных, к которым может подключаться ArcGIS Explorer, можно разделить на три категории: это загружаемые по умолчанию публичные бесплатные веб-сервисы ESRI, сервисы, созданные и опубликованные на основе ArcGIS Server, ArcIMS или WMS-стандартов, а также локальные наборы данных, находящиеся на компьютере или в локальной сети пользователя. Различные источники данных можно объединять и загружать одновременно.
Рис. 4. Поиск маршрута между заданными точками.
Рис. 5. Трехмерная модель городской застройки.
Наиболее интересной особенностью ArcGIS Explorer является поддержка так называемых задач (tasks). Задачи – это вопросы, которые ArcGIS Explorer задает серверу. Аналитические функции серверных приложений отвечают на эти вопросы, ответ возвращается пользователю и может быть отображен на экране, использован как вводная информация для следующей задачи, опубликован или сохранен. Базовые задачи включают поиск по адресу, названию, номеру телефона, прокладку маршрута, поиск по местным ориентирам (достопримечательностям), Интернет-поиск и определение местоположения компьютера пользователя, добавление трехмерных моделей в формате KML или KMZ. Пользовательские задачи могут создаваться в среде ArcGIS и включать карты, глобусы, инструменты геообработки и модели, при их решении могут быть задействованы другие доступные модули (Network Analyst, Data Interoperability и др.). Пользовательские задачи публикуются при помощи ArcGIS Server. Они могут использовать любые веб-сервисы, а результатом их работы может являться не только значение, но и действие – добавление слоя, отображение файла и т.д.
Продукты Leica Geosystems
Компания Leica Geosystems также предлагает целый ряд программных продуктов для подготовки данных, создания и публикации трехмерного мира.
Для подготовки данных Leica Geosystems разработала линейку фотограмметрических продуктов, которые позволяют на основе стереопары снимков получать данные о рельефе, а также трехмерные модели зданий и сооружений. Это широко известный программный продукт Leica Photogrammetry Suite (LPS) с возможностями создания и редактирования рельефа и модуль Stereo Analyst, который позволяет оцифровывать в стереорежиме трехмерные объекты прямо со снимков.
В области трехмерных ГИС одним из первых появился модуль ERDAS Virtual GIS. В последующем он непрерывно развивался и совершенствовался, обеспечивая не только создание и анализ трехмерной сцены, но и придание ей большей реалистичности с помощью спецэффектов, анимации, гиперссылок, а также запись видеороликов.
Недавно Leica Geosystems выпустила третье поколение трехмерных ГИС, отвечающее последним тенденциям развития информационных технологий. В нем представлен новый продукт Leica Virtual Explorer (LVE). Основным его отличием от продуктов фирмы ESRI является акцент на создании реалистичных визуальных эффектов и расширенные возможности публикации трехмерных сцен. LVE позволяет объединить терабайты геопространственной информации в единое виртуальное пространство, к которому могут обращаться миллионы пользователей по всему миру, и для работы с которым не требуется никакой специальной предварительной обработки данных (рис. 6, 7).
Рис. 6. Взаимодействие серверных и клиентских приложений в Leica Virtual Explorer.
Рис. 7. Пример представления данных.
Помимо анализа пространственной информации, в LVE существует ряд интересных особенностей. Так, инструмент Animation Tool, который поможет создать качественную анимацию трехмерной сцены, включая анимацию трехмерных объектов, использование скриптов событий (например, запуска дополнительных видеороликов) и эффект голосового воспроизведения напечатанного текста. А инструмент Leica Virtual Explorer Collaboration даёт возможность пользователям по всему миру одновременно работать в рамках единой сессии на каком-либо сервере (рис. 8). В рамках сессии пользователь может видеть местоположение других пользователей на трёхмерной сцене, прикрепляться к ним и видеть то же самое, что и они, создавать и аннотировать объекты, общаться в чате.
Рис. 8. Чат между удаленными пользователями в рамках одной рабочей сессии.
Помимо этого, LVE является геоинформационной системой со всеми возможностями измерения, поиска, просмотра и изменения атрибутивной информации, средствами геокодирования и редактирования данных. Программный продукт работает со многими форматами данных, применяемых в разных ГИС-пакетах, включая практически все растровые форматы, векторные форматы и трёхмерные модели.
LVE состоит из нескольких модулей, которые помогут создать необходимую конфигурацию под конкретные задачи пользователя: от простого приложения для персонального компьютера и публикации трёхмерных данных на DVD до создания мощных Интернет-ресурсов для распространения геопространственных данных для широкой аудитории Интернета. Все входящие в LVE модули объединены единым и простым в использовании интерфейсом.
Для создания и просмотра реалистичных трёхмерных сцен предназначен модуль LVE Architect. Он использует разные снимки, векторные и тематические слои ГИС, ЦМР и другие геоданные, а также трехмерные объекты распространенных 3D форматов. Множество инструментов помогут построить трехмерную сцену, создать атмосферные и анимационные эффекты, провести анализ зон видимости, смоделировать зоны затопления, построить купола обзора, найти кратчайшее расстояние и многое другое. Созданные трехмерные сцены могут быть опубликованы как в сети, так и на каком-либо носителе, что особенно удобно для пользователей, которые имеют ограничения на доступ в Интернет.
Leica Virtual Explorer Server предназначен для организации распространения трёхмерных сцен через Интернет или частные сети.
Leica Virtual Explorer DVD – это приложение для конвертации трёхмерных сцен в специальный оптимизированный формат для публикации на CD, DVD или распространения через Интернет в виде файлов.
Для просмотра и анализа опубликованных данных имеется два вида клиентов. LVE Client – бесплатно распространяемое приложение, предназначенное для просмотра через удалённый доступ трёхмерных сцен, включающее основные инструменты визуализации и анализа. А LVE Pro Client содержит полный набор инструментов для работы с трёхмерной информацией и позволяет добавлять в сцену данные, хранящиеся на локальном диске.
Для контроля количества пользователей, одновременно работающих с данными, лежащими на сервере, существует LVE Connections.
Продукт Leica Virtual Explorer сфокусирован на повышении фотореалистичности создаваемой трехмерной сцены, а также предоставляет все привычные функции ГИС по анализу пространственных данных.
Создание трехмерных моделей объектов
Несколько слов необходимо сказать об инструментах для создания трехмерных моделей зданий и сооружений. Выбор программных средств для создания моделей объектов, прежде всего, диктуется доступными исходными данными. Помимо этого, важным критерием является то, каким образом трехмерная модель внедряется в ГИС: в качестве условного знака для точечных объектов; в качестве 2,5-мерного вектора; в качестве реальной 3D-геометрии (например, мульти-патч). Перечислим некоторые программные продукты, используемые для создания трехмерных моделей:
- Leica Stereo Analyst – уже упомянутый дополнительный модуль для ERDAS IMAGINE, позволяющий выполнять стереодешифрирование изображений, а также создавать трехмерные модели объектов по стереопарам снимков. Обеспечен экспорт в форматы 3DShape-file, FLT, VRML. Поддерживается связь с фотограмметрическими решениями от Leica на уровне чтения файла блока, автоматическое текстурирование по аэрокосмическим снимкам. Дополнительные возможности предоставляет модуль Texel Mapper, который помогает текстурировать трехмерные модели зданий, например, цифровыми фотографиями фасадов (рис. 9).
- SketchUp – простой в освоении инструмент для создания трехмерных моделей. Имеется возможность импорта/экспорта непосредственно в базу геоданных ESRI (импорт 2D-векторов, экспорт в мульти-патч с текстурами в реальных координатах), KML/KMZ, другие обменные форматы. Некоторое время назад компания-разработчик была куплена Google, после чего выпущена бесплатная версия с возможностями экспорта только в формат Google Earth. При использовании соответствующего плагина модели в формате SketchUp могут быть использованы в качестве трехмерных условных символов в приложениях ArcScene и ArcGlobe.
- CyberCity-Modeler – позволяет строить трехмерные модели зданий по облаку точек, полученному по стереопарам аэро-космических снимков в фотограмметрических продуктах. Предлагает инструменты для построения плоскостей по узловым точкам, включая задание топологических правил и редактирование неточностей, возникших в процессе оцифровки. Имеются инструменты для текстурирования по аэро-космическим снимкам и по результатам наземной съемки. Поддерживается создание моделей с разными уровнями детальности (LOD).
- 3DStudioMax, Arcon, Model Builder… – любые системы трехмерного моделирования, в которых есть возможность экспорта в требуемый формат.
Рис. 9. Leica Texel Mapper позволяет текстурировать 3D модели зданий фотографиями фасадов.
Важно помнить, что выбор программного обеспечения зависит, в первую очередь, от поставленной задачи и ее условий: является ли трехмерное моделирование дополняющим основные производственные процессы компании или самостоятельной задачей, как и кем предполагается использовать трехмерную модель, какие функции необходимо реализовать, необходимо ли обеспечить доступ широкого круга пользователей к трехмерным данным или, напротив, ограничить свободное распространение информации. Ответив на эти вопросы, можно подобрать оптимальное по функциональности и стоимости решение для создания трехмерных моделей местности.
