БЛОК-СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

БЛОК-СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Полезная модель касается формирования трехмерной геоинформационной системы (трехмерной электронной карты) и может быть использована при разработке карт населенных пунктов и незастроенных территорий.
Известны выполненные на бумаге двухмерные карты, которые содержат информацию об участке земной поверхности в виде условных обозначений, привязанных к соответствующим точкам или объектам на местности. Известны перспективные и панорамные карты, которые содержат изображение той же территории, но полностью или частично данной в художественном представлении. См. например, карту «Планпанорама Санкт-Петербурга, изд-во «Судостроение, С.-Петербург, 1989 г. (копия фрагмента прилагается). На этой карте часть зданий, в основном, исторические и художественные памятники, даны в аксонометрическом изображении. См. также панорамный план Швейцарии, изд-во Hallwag, г. Берн, Швейцария, 1978 г. (копия фрагмента прилагается). На этой карте в аксонометрическом изображении дан горный рельеф Швейцарских Альп.
Аналогично, но с более детальной прорисовкой сформирована карта г. Хельсинки, 1998 г., изд-во Karttakeskus и муниципалитет г. Хельсинки (копия фрагмента прилагается).
МКИ: G09B, 29/00
в основу берется перспективный снимок (снимки) местности, полученный с летательного аппарата, по которому с заданной подробностью производится отрисовка всех или отдельных элементов территории;
в основу берется обычная карта, выполненная в заданной проекции, на которую наносятся изображения ранее заснятых в перспективе отдельных объектов или воспроизводятся изображения объектов методами художественной графики;
в основу берется обычная карта, трансформируемая оптическим либо иным путем с целью получения эффекта псевдопанорамного снимка, на которую по имеющимся изображениям отдельных объектов или методами художественной графики наносятся изображения объектов;
В любом из представленных процессов необходимо наличие картографической основы (как минимум) и панорамных снимков, а также визуальных изображений объектов, расположенных на картографируемой территории. Кроме того, необходима трансформация изображений в зависимости от угла и точки зрения, чтобы изображения зданий и элементов рельефа не перекрывали проезды и друг друга, а карта не теряла информативности.
Это требует большого объема материальных затрат и работ для создания только одного оригинала. Сформированные вышеперечисленными методами карты исключают возможность их трансформирования при изменении угла или точки зрения на заданный объект или территорию в целом. Кроме того, все известные системы формирования панорамных и перспективных карт требуют внесения неправдоподобных непропорциональных искажений для сохранения наглядности.
Известны двухмерные топографические карты, которые содержат изображения не только плоских координат объектов (географических, прямоугольных, условных), но и сведения о третьей координате объектов (высота над уровнем моря, учет разной высотности точек над земной поверхностью для определения видимости объектов, истинных расстояний и др. информации). Однако такие карты могут содержать только очень ограниченный круг сведений о третьей координате, чтобы физически не перегружать информационное поле.
Таким образом, бумажные двухмерные карты имеют ограниченное информационное поле, в них исключена трансформация изображений без трудоемкого процесса пересоставления, что сужает область их применения.
Наиболее близким к предлагаемому техническим решением можно считать традиционные компьютерные геоинформационные системы (ГИС), которые являются продолжением традиционной двухмерной картографии. ГИС содержит карту местности в электронном варианте, а также множество дополнительных сведений об объектах, размещаемых на карте (например, геологические, туристические, данные о загрязнениях, структуре населения и т. п. данные). См. например статью «История глубиной 20 метров - использование археологических данных в ГИС (журнал «ГИС-обозрение, № 3, 1997, стр. 14-16).
Кроме традиционных сведений, современные компьютерные картографические системы (Maplnfo, ArcView и др.) позволяют заносить в ГИС в виде баз данных дискретную информацию о третьей координате объекта (высоте) в виде отдельных численных значений. Для искусственных сооружений это - этажность, для выдающихся сооружений (трубы, башни и пр.) - высота в метрах или иных единицах, для рельефа отметки высот и глубин верхней или нижней точки и горизонтали (изобаты) - плавные кривые линии, соединяющие точки с равной высотой. Эти линии проводятся с определенным шагом по высоте, например 2 м, 4 м и т. д., и дают ступенчатое описание форм рельефа в проекции на плоскость.
Применение электронных карт и ГИС позволяет с помощью различных специализированных программных пакетов производить обработку баз данных и переносить их в заданном объеме на традиционные носители на бумаге или на пленках, а также генерировать методами компьютерной интерполяции и визуализации различные виды иллюстраций, вплоть до получения отдельных перспективных изображений территорий. Однако применяемые принципиальные решения не дают возможности оперировать с непрерывным пространством для произвольного вида объектов в нем.
Таким образом, современные ГИС содержат большой объем информации о картографируемой местности, однако не дают непрерывного (вместо дискретного или ступенчатого) описания вертикального строения местности и ее объектов.
Задача предлагаемого решения - расширение информационного поля электронной карты путем введения непрерывного описания пространства и, в частности, вертикального строения местности, упрощение процесса формирования панорамной (трехмерной) карты, повышение достоверности информации о картографируемой территории и обеспечение трансформирования
изображения (изменения угла или точки зрения на местность и территорию) для решения различных прикладных задач.
Для решения поставленной задачи в блок-схему формирования трехмерной геоинформационной системы (ГИС), включающей двухмерную электронную карту, введены:
-база данных об объектах местности в виде изображений в вертикальной плоскости,
-база данных о количественных и качественных характеристиках объектов (содержащая, в том числе, вертикальные координаты),
-блок управления базами данных,
-блок согласования баз данных,
-блок трехмерных построений.
При этом выходы баз данных и двухмерной электронной карты соединены со входом блока управления базами данных, выход которого соединен со входом блока согласования баз данных, выход которого соединен с блоком трехмерных построений. Предлагаемая блок-схема позволяет создать трехмерную геоинформационную систему с непрерывным вертикальным строением и возможностью трансформирования изображения под разными углами зрения.
Предлагаемая блок-схема формирования ГИС иллюстрируется:
-фиг. 1 - Блок-схема системы формирования трехмерной геоинформационной системы;
-фиг. 2 - фрагмент двухмерной карты;
-фиг. 3 - фрагмент трехмерной карты;
-фиг. 4 - схема использования трехмерной ГИС.
Традиционная ГИС содержит двухмерную информацию о картографируемой территории и объектах на ней аналогично традиционной двухмерной бумажной карте. Причем информация об объектах содержится в виде плоского двухмерного изображения в плане. Двухмерная электронная карта (1) отображает полную информацию о картографируемой местности (плановое положение объектов, отметки высот и горизонтали, отметки глубин и изобаты, некоторые качественные и количественные характеристики объектов и т.д.).
База данных изображений объектов (2) - содержит информацию о внешнем виде и вертикальной составляющей объектов (например: фасад здания, геологическое обнажение, крепостная стена, склон горы и т.д.)
База данных о количественных и качественных характеристиках объектов (3) содержит не отраженные на двухмерной карте характеристики объектов (например: для искусственных сооружений - материал постройки, год постройки, архитектор и т.д., для природных образований - слагающие породы, возраст деревьев, площадные характеристики и т.д.).
С помощью блока управления базами данных (4) в блоке согласования (5) состыковываются изображения из двухмерной электронной карты (1) (фиг.2) с изображениями базы данных (2) и характеристиками базы данных (3). На выходе блока согласования (5) получаем новую базу данных, включающую данные всех трех исходных баз (1), (2) и (3) (фиг.З) (например: плановое положение объектов в заданной системе координат, их внешний вид, качественные и количественные характеристики) и позволяющую оперировать ими (например: вызывать и отключать изображения, вызывать и отключать характеристики и описания и т.д.).
В блоке трехмерных построений (6), оперируя изображениями и характеристиками из вновь полученной базы данных, осуществляются трехмерные построения искусственных сооружений и природных образований. Таким образом, поэтапно формируется трехмерная ГИС для картографируемой территории.
Пример реализации. Вариант искусственных сооружений. По имеющимся изображениям фасадов из базы данных (2) и характеристикам из базы данных (3) создается каркасная модель каждого сооружения, где в заданном масштабе и системе координат и высот отражено не только плановое положение сооружения (двухмерная карта - фиг. 2), но и его вертикальная составляющая. Затем производится детальная прорисовка фасадов, крыш и других элементов для удобства ориентирования и достижения максимальной наглядности (трехмерная карта - фиг.З). Вариант природных образований. С использованием данных о рельефе территории (отметки высот (глубин), горизонтали (изобаты) из двухмерной карты (1), осуществляются трехмерные построения, где каждый элемент рельефа формируется путем соединения, «натягивания плоскости на горизонтали (изобаты) с учетом индивидуальных особенностей каждого элемента рельефа картографируемой территории. Итогом операции является трехмерная карта рельефа территории. Затем, с использованием изображений и известных характеристик из базы данных (2) и (3), производится детальная проработка склонов, оврагов, пиков и т.д. На основании взятых с двухмерной электронной карты (1) плановых положений природных образований и искусственных
сооружений производится совмещение трехмерной карты рельефа с находящимися на ней сооружениями. Итогом стыковки результатов построений искусственных сооружений и природных образований в сочетании с вновь созданной базой данных и является трехмерная ГИС.
Трехмерная ГИС используется (см. фиг.4) так же, как и традиционные двухмерные ГИС, для получения различных сведений, содержащихся в системе. Однако, за счет осуществления и введения в ГИС трехмерных построений с целым рядом новых характеристик объектов, она значительно расширяет количественный и качественный состав этих сведений и превосходит их в наглядности и возможностях использования. Кроме того, в трехмерную ГИС заложена возможность свободного плавного трансформирования (масштабирования, разворота, наклона и т.д.), что дает дополнительные возможности для получения информации (например: рассматривать сооружение (сооружения) или элемент (элементы) рельефа не в строго заданном масштабе и проекции, а в наиболее удобной точке.
Трехмерная ГИС используется, как готовый продукт для решения целого ряда прикладных задач (фиг. 4):
I.Через блок редактирования векторной графики на базе трехмерной ГИС можно получить бесконечное множество издательских оригиналов для последующего тиражирования полиграфическим или иным способом. Эта возможность обусловлена тем, что трехмерная электронная карта (неотъемлемая часть ГИС) свободно трансформируется как по горизонтали, так и по вертикали, и может быть зафиксирована в любой плоскости под любым углом зрения. Сфера применения: получение панорамных и перспективных изображений различных территорий.
II.Блок стыковки с устройствами прототипирования позволяет состыковать трехмерную ГИС со специальными устройствами (фрезерными, лазерными и т.п.), использующими ГИС как чертеж и позволяющими воспроизвести трехмерную карту территории в физический объемный макет этой территории. Эта возможность обусловлена тем, что каждый объект картографируемой территории представляет собой строгую математическую модель (чертеж). Сфера применения: получение объемного макета картографируемой территории, получение матриц для производства рельефной карты картографируемой территории.
т.п.), сигнализации (например: охранная, пожарная) и управления (например: открывание и закрывание дверей, включение и выключение механизмов) с целью создания системы управления и слежения процессами, происходящими на картографируемой территории (например, отслеживание передвижения сотрудников охраны многоэтажного объекта не только в плане, но и по высоте (этажам). Эта возможность обусловлена наличием соответствующих устройств слежения и управления, способных работать в созданной системе. Сфера применения: создание индивидуальных систем слежения и управления.
IV.Блок стыковки с анимационными программами позволяет создавать трехмерные обучающие системы, компьютерные игры, анимационные заставки различной тематики (например: обучение водителей в условиях реального города, история, архитектура, география и т. д.) с возможностью виртуальных путешествий, прогулок или езды по городу, внутреннего строения природных образований (например: разрезов вулканов) и сооружений (например: получение изображений памятников архитектуры в разрезе) и т.д. Эта возможность обусловлена свободной конвертацией (перенесением) всего необходимого объема информации из трехмерной ГИС в любую анимационную программу с дальнейшей конкретной доработкой в зависимости от направления и требований обучающей системы. Сфера применения: производство трехмерных обучающих программ, анимационных роликов для видео и TV, компьютерных игр и других анимационных и интерактивных продуктов.
V.Блок стыковки с инженерными программами позволяет осуществлять стыковку с инженерными и архитектурными программами для проектирования и расчетов в реальной среде картографируемой территории (например: встраивание новых объектов в сложившуюся застройку, проектирование новых объектов с привязкой к уже существующим объектам и т. д.) Эта возможность обусловлена свободной конвертацией трехмерной ГИС в инженерные и архитектурные программы и наличием в них инструментов для измерений и построений. Сфера применения: создание наглядных трехмерных проектов с возможностью масштабирования и трансформации для рассматривания с различных точек и под различными углами зрения.
Таким образом, предлагаемая блок-схема формирования трехмерной геоинформационной системы позволяет расширить информационное поле электронной карты и в сочетании с известными блоками обеспечивает решение большого количества прикладных задач.