Технология создания трехмерной фотореалистичной модели территории Студгородка ИрГТУ средствами ГИС

Этот анализ, по нашему мнению, дает возможность более правильно регулировать технологический режим работы скважин, уточнять выбор метода интенсификации притоков (к примеру, можно ли применять метод вибрации). Кроме того, представится возможность прогнозировать развитие участков разной степени засолонения коллектора, следовательно, направлять поисковое, разведочное и эксплуатацион-

ное бурение для достижения более эффективных результатов. Этого можно достичь, если будут установлены механизмы выпадения солей в коллекторах верхнечонского горизонта, время садки соли, масштабы процесса засолонения коллекторов. По нашему мнению, все надо делать поэтапно. Один из этапов изучения засолонения песчаников на Непском своде отражает эта статья.

Библиографический список

1. Анциферов А.С. Причины засолонения коллекторов нефти и газа в Лено-Тунгусской нефтегазоносной провинции // Доклады Академии Наук, 2000.

2. Железнова А.Н., Золотов А.Н., Ниполаева Л.В. О влиянии солевых буровых рассолов на условия отдачи песчаников нижнего кембрия в Приленском районе Иркутской области. ВНИГНИ Восточно-Сибирское ГУ, Т. 370. №1. С.80-82.

3. Качин В.А. и др. Обосновать продуктивные поля и произвести подсчет запасов нефти и газа категории С2 по Верх-

по заказ-наряду

нечонскому месторождению. Отчет 1423419527. Фонды ИГУ. Иркутск, 1987. 4. Качин В.А. и др. Разработать критерии выделения перспективных на нефть и газ полей в преображенском, усть-кутском горизонтах центральной части Непского свода и установить зоны и степень засолонения песчаников Верхне-чонского месторождения. Отчет по договору 1423419062. Фонды ИГУ. Иркутск, 1988.

УДК 528.946

ТЕХНОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ ТРЕХМЕРНОЙ ФОТОРЕАЛИСТИЧНОЙ МОДЕЛИ ТЕРРИТОРИИ СТУДГОРОДКА ИРГТУ СРЕДСТВАМИ ГИС

1 9

© Е.В. Клевцов1, А.С. Аксаментов2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлены краткое описание технологии создания цифрового топографического плана по данным дистанционного зондирования Земли и трёхмерное моделирование наземной и подземной составляющих исследуемой территории средствами отечественной ГИС «КАРТА 2005» (панорама). Трехмерные модели наилучшим образом описывают реальную местность, объекты окружающего мира и их взаимное расположение, что позволяет использовать их при решении градостроительных, природоохранных, навигационных задач для различных территориальных образований. В качестве иллюстрации рассмотрена территория Студгородка ИрГТУ, отображенная с максимальной реалистичностью, включая трехмерную модель некоторых элементов подземных и наземных коммуникаций. Ил. 8. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: трехмерное моделирование; дистанционное зондирование Земли; фотореалистичные мод ели; геоинформационные системы.

TECHNOLOGY TO CREATE A THREE-DIMENSIONAL PHOTOREALISTIC MODEL OF ISTU CAMPUS

TERRITORY BY GIS

E.V. Klevtsov, A.S. Aksamentov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper briefly describes a digital topographic map technology by the data of Earth remote sensing and a three-dimensional modeling of surface and underground components of the territory under investigation by means of domestic GIS "Karta 2005" (Panorama). The ability of three-dimensional models make the best of describing the real locality, environmental objects and their mutual arrangement is a condition of their use when solving town planning, nature conserva-tional and navigational problems for various territorial subdivisions. The territory of ISTU campus serves as an ill ustration of the most realistic display, including a three-dimensional model of some elements of underground and above-ground communications. 8 figures. 10 sources.

Key words: three-dimensional modeling; Earth remote sensing; photorealistic models; geo information systems (GIS).

1 Клевцов Евгений Валерьевич, кандидат географических наук, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: (3952) 405103, e-mail: v11 @istu.edu

Klevtsov Evgeny, Candidate of Geography, Associate Professor of the Department of Mine Surveying and Geodesy, tel.: (3952) 405103, e-mail: v11@istu.edu

2Аксаментов Андрей Сергеевич, аспирант, тел.: (3952) 405103, e-mail: radeon_fx@mail.ru Aksamentov Andrei, Postgraduate, tel.: (3952) 405103, e-mail: radeon_fx@mail.ru

Современные технологии компьютерной графики позволяют улучшать восприятие картографического изображения с помощью трехмерного моделирования. Трехмерные картографические изображения являются электронными картами, представляющими собой визуализированные на средствах компьютерных систем моделирования пространственные образы основных элементов и объектов местности. Они предназначены для использования в системах управления и навигации при анализе местности, решении расчетных задач и моделировании, проектировании инженерных сооружений, мониторинге окружающей среды.

Трехмерное моделирование позволяет наилучшим образом описывать реальную местность, объекты окружающего мира и их взаимное расположение.

Трехмерные модели представляют собой полноценные трехмерные карты, которые позволяют выбирать объекты на модели с целью запроса информации об объекте, редактировать их внешний вид и характеристики (семантику), определять координаты объектов, выполнять измерительные и расчётные операции, производить детальную оценку местности в камеральных условиях.

Коллектив картографов Иркутского государственного технического университета накопил достаточный опыт в подготовке и выпуске печатной картографической продукции, создаваемой средствами ГИС и отражающей состояние картографируемой территории на требуемый момент времени. Для актуализации созданных плоских карт использовались изображения аэрокосмических снимков в цветовой гамме, близкой к естественной, реже - сами снимки. Основное внимание уделялось корректности отображения реальных объектов, при этом атрибутивная база данных практически отсутствовала (создавались надписи, а не подписи). Этот подход не позволял использовать главную особенность ГИС - способность интегрировать пространственные и атрибутивные данные вместе с функциями анализа и моделирования различных процессов и тем самым использовать эту технологию в качестве общей платформы для интеграции всего информационного богатства в решении возникающих задач. Созданные карты тиражировались в необходимом заказчику количестве и выполняли в дальнейшем роль обычных бумажных карт, т.е. заказчик не исполь-

зовал интерактивные возможности взаимодействия с картами в электронном варианте [1, 2].

Дальнейшее развитие применения средств геоинформационного картографирования диктовала необходимость решения навигационных задач, задач экологической и природоохранной направленности для различных территориальных образований, создания карт городских комплексов, включая их природную и градостроительную составляющие и пр. В этом случае создаваемые тематические карты не только отображали состояние наземных природных и антропогенных объектов, но и позволяли устанавливать взаимосвязи между явлениями и объектами средствами пространственного анализа. Учет этого анализа повышал объективность принятия решений по планированию и управлению развитием территорий, предупреждению и ликвидации последствий природных и техногенных чрезвычайных ситуаций и т.п. [3, 4].

Современный рынок инструментальных ГИС позволяет создавать трехмерные модели реальных объектов и территорий, а доступность космоснимков высокого и сверхвысокого разрешения - повышать достоверность выпускаемой картографической продукции.

В статье приводится краткое описание технологии создания цифровой карты (топографического плана) по данным ДЗЗ и трёхмерное моделирование наземной и подземной составляющих исследуемой территории средствами отечественной ГИС «КАРТА 2005» (Панорама). Такие технологии на современном уровне обязательно присутствуют при решении каждой из перечисленных выше задач. В качестве иллюстрации рассматривается фрагмент территории города Иркутска (Студгородок ИрГТУ), отображенной с максимальной реалистичностью (рис. 1), включая трехмерную модель некоторых элементов подземных и наземных коммуникаций (рис. 2).

Большинство эксплуатационных систем городских инженерных служб в качестве основы для пространственных данных по коммуникациям используют различные схематические материалы, которые имеют мало общего с действительными координатами объектов инженерных сетей. Кроме того, каждая служба имеет представление только о своих коммуникациях и ничего не знает о расположении объектов других инженерных сетей.

Рис. 1. Обзорная модель Студгородка ИрГТУ

Рис. 2. Модель подземных коммуникаций Студгородка ИрГТУ

Разработка ГИС инженерных коммуникаций позволяет службам получить точные координаты объектов инженерных сетей, их основные характеристики, информацию о взаимном расположении сетей различных типов, а также определять точное нахождение места аварии, расстояние от ближайших строений, проезжей части и т.п. [5].

В зависимости от поставленных задач можно создать общую модель территории, включающую как наземную, так и подземную компоненты. Модель может быть представлена двумя типами - каркасной моделью городской застройки и моделью с подробной проработкой каждого здания и текстурирования трехмерных объектов. В качестве базовой информационной основы для построения векторной карты можно использовать набор космических снимков. Например, можно воспользоваться снимками со спутника Quickbird - снимками из разряда самого высокого пространственного разрешения, получаемого с коммерческих спутников. Разрешение 60 см. и высокая точность ориентирования хорошо подходят для картографирования городских территорий. Из доступных снимков более высоким разрешением обладают снимки (рис. 3) нового космического аппарата GeoEye1.

При выборе космических снимков мы руководствовались общими требованиями, учитывающими геометрическое разрешение, наличие мультиспек-

тральных каналов, точность позиционирования, территорию покрытия одной сцены. Ортокорректировка снимков позволила увеличить изображение для выделения отдельных объектов с помощью функции усиления контраста и четкости картинки.

Выделять объекты предпочтительнее на панхроматических снимках высокого разрешения, которое, как правило, в четыре раза больше, чем разрешение мультиспектральных каналов. В большинстве случаев панхроматический канал не только охватывает видимый спектр (0.4-0.7мкм), но и захватывает ближний ИК, увеличивая информационное содержание и четкость изображения. Части объектов легко определяются, если они не скрыты, например, растительностью. Просматриваются мелкие архитектурные детали и различные дополнительные сооружения [6].

Согласно [7] перечень задач, решаемых с использованием космосъемки, может включать: мониторинг фактического использования земель района и состояния территории; оценку состояния площадок для строительства и подъездных путей к ним; оценку состояния основных коммуникаций и уточнение схем расположения коммунально-энергетических сетей, мониторинг состояния тепловых сетей, трубопроводов (диагностику их состояния и выделение предаварий-ных участков); мониторинг транспортной сети города; мониторинг состояния полигонов бытовых отходов.

Рис. 3. Космоснимок территории Студгородка. GeoEye, июнь 2009 г.

Еще недавно в геоинформационных системах, как правило, применялись двумерные пространственные данные. Сейчас требования к геоинформации, содержащейся в цифровых картах, географических базах данных и ГИС в целом, повышаются, и современные ГИС в основном работают в так называемом 2,5 -мерном пространстве, когда высотная отметка Z атрибутивно привязана к точке (Х^). В интегрированной фотореалистичной информационной среде, становление которой сейчас происходит, осуществляется переход к полноценным трехмерным данным, а с учетом времени - к многомерным операциям [8].

Потребность в реалистичном отображении окружающего мира увеличивает значимость трехмерного моделирования. 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.

Технология построения трехмерной модели реализована на базе приложений, входящих в состав ГИС "КАРТА 2005". Это Редактор карты, Редактор классификатора, Редактор библиотеки трехмерных видов объектов, Построение трехмерной модели, Редактор трехмерной карты [9]. Построенные модели представляют собой полноценные трехмерные карты, позволяющие выбирать объекты на модели с целью запроса информации об объекте, редактировать их внешний вид и характеристики.

Для построения трехмерной модели местности используются векторная карта, матрица высот, триангуляционная модель рельефа, классификатор карты, библиотека трехмерных моделей объектов, цифровые фотоснимки местности и цифровые фотографии объектов местности. Работа начинается с подготовки

классификатора - настройки кодового состава объектов и семантических характеристик. Для объектов с одним кодом и локализацией создается общее трехмерное изображение. Для отличия объектов одного типа, но с разным внешним видом каждому типу объекта присваивается свой код, ввести который можно в любой момент в процессе редактирования, есть и другие способы разбиения объектов [10].

Для создания реалистичного изображения объекта на трехмерной карте поверхность объекта покрывается текстурами, формирование которых выполняется по цифровым фотографиям. При фотографировании крупных объектов выделяем на поверхности объекта повторяемые части и фотографируем эти части (рис. 4, 5). Исходным материалом для получения текстуры являются растровые файлы (BMP, JPEG, TIFF). Слишком мелкие повторяющиеся детали укрупняются, а тонкие линии утолщаются.

Для отображения поверхности задаются свойства материала - цвет, отражающая и поглощающая способности. В некоторых случаях видимыми можно оставить только характерные линии поверхности, остальная часть текстуры устанавливается прозрачной [10]. Для создания объектов непрямоугольной формы необходимо при обработке рисунка закрасить неотображаемую часть цветом, отсутствующим в видимом изображении. При назначении текстуры объекту для цвета неотображаемой части устанавливается прозрачность.

Библиотека текстур является составной частью файла библиотеки трехмерных видов объектов. Подготовленные текстуры целесообразно сразу добавлять в новый файл, пополняя библиотеку текстур. Для оценки применимости выбранной текстуры для типовых моделей в окне демонстрации текстур (рис. 6) просматривают текстуру и принимают решение.

±1

шш

Рис. 4. Фотография ИрГТУ для текстурирования

Рис. 5. Подготовленная текстура

Трехмерная модель может содержать объекты типового или детального вида. Типовой вид назначается для объектов одного кода и локализации, и его описание хранится в шаблоне, представляющем собой набор различных частей трехмерного изображения [10]. Если объект содержит неповторяющиеся элементы, то для каждого из них создаются свои шаблоны, строящиеся по отдельной метрике. Используя шаблоны, можно сформировать достаточно сложное изображение, однако требующее создания большого количества дополнительных объектов и дублирования семантических характеристик.

Другой путь: строить более сложный вид объекта - модель, состоящую из формы, вектора привязки и подчиненных моделей. Для создания модели объекта выбирают одну из заданных форм метрики (или создают ее), например, для серии зданий одного вида создают в редакторе классификатора отдельные модели - подъезд, верх шахты лифта, торец, фасад, тыльную сторону здания и пр. Далее создают основную модель. Выбирают форму и на ней укладывают

подчиненные модели. Модель привязывается к конкретному объекту карты автоматически. Конкретная форма модели указывается в семантике объекта. Если семантики у объекта нет, выбирается первая форма модели. Вектор привязки модели совмещается с первыми двумя точками метрики объекта либо указывается вручную [10].

Шаблоны и модели вместе составляют библиотеку трехмерных изображений. Для просмотра объектов на трехмерной карте, объектам двухмерной карты назначают соответствующие трехмерные изображения, взятые из стандартного набора (библиотеки) либо созданные заново [10].

Построить трехмерную модель местности можно как для всего района, отображенного в окне двухмерной карты, так и для любого фрагмента. При первом открытии окна «Отображение трехмерной модели» для активной двухмерной карты построение трехмерной модели выполняется по области, отображенной в окне двухмерной карты (рис. 7).

Рис. 6. Окно демонстрации текстур

Файп Правка Вид Поиск Задачи База Масштаб Параметры Окно Помощь -151 х|

Рис. 7. Электронная карта территории Студгородка и построенная по ней 3D модель

Также возможен выбор области по двухмерной карте. При этом окно трехмерной карты закрывается,

окно «Выбор объекта» (рис. 8), которое содержит информацию об объекте карты.

Рис. 8. Окно информации о выделенном объекте

и пользователь выбирает на двухмерной карте прямоугольный участок местности, для которого будет построена трехмерная карта. По окончании выбора открывается окно, содержащее трехмерную карту. При закрытии окна трехмерной карты последний выбранный для данного района способ выбора области построения трехмерной карты сохраняется для последующего восстановления при открытии.

Выбор объекта в окне трехмерной карты выполняется при нажатии левой клавиши мыши на трехмерном изображении объекта, либо на изображении объекта на поверхности рельефа. При этом открывается

Подключенная к классификатору карты библиотека трехмерных изображений объектов активизирует закладку 3D в окне «Выбор объекта». Клавиша «Параметры» этой закладки позволяет редактировать/ создавать трехмерные объекты задачи «Редактирование классификатора». Сохранение изменений трехмерного объекта влечет за собой автоматическое обновление других объектов этого кода. Аналогичные результаты получаются при редактировании других параметров объекта (его семантики или метрики) в окне «Выбор объекта».

Библиографический список

1. Корюгин Р.В., Клевцов Е.В., Панкратов В.С., Канина Л.А. Административно-хозяйственная карта Черемховского района Иркутской области, масштаб 1:200 000 [Карта] / под науч. ред. Пластинина Л.А. Иркутск: Изд-во 475 ВКФ, 2007. 4 листа.

2. Корюгин Р.В., Панкратов В.С., Роголева Е.Н. Административно-хозяйственная карта Усольского района Иркутской области, масштаб 1:200 000 [Карта] / под науч. ред. Пласти-нина Л.А. Иркутск: Изд-во 475 ВКФ, 2007. 4 листа.

3. Клевцов Е.В., Панкратов В.С. Инфосити. Геоинформационная система [Электронный ресурс]. Режим доступа CD -диск. Иркутск, 2008.

4. НИР, госконтракт № 02.740.11.5045 от 20.07.09 «Оперативный дистанционный мониторинг зоны воздействия на природную среду каскада ангарских водохранилищ».

5. Геоинформационная система (ГИС) инженерных коммуникаций [Электронный ресурс]. Режим доступа

http://www.iat-ant.com/index.php?page_id=66&lang_id =2&PHPSESSID=ef1 b209dada3ff433ebfb2c5ae51c03b

6. Вольпе Ф., Росси Л. Картографирование городов по снимкам Quickbird [Электронный ресурс]. - Режим доступа www.ugi.ru/content/dzz/quickbird_.doc

7. Возможности применения космических снимков высокого разрешения в муниципальном управлении [Электронный ресурс]. - Режим доступа http://www.sovzond.ru/dzz/publications/543/3124.html

8. Кузнецов О.В., Леонов А.Л., Наумов С.В. ГИС в городском планировании и моделировании // ArcReview. 2001. №3. С.20.

9. Основные технические характеристики ГИС. Карта 2005, Версия 9.15. Ногинск: Панорама 1991-2008.

10. Технология построения трёхмерной модели. Ногинск: Панорама 1991-2007.