Перспективные карты – один из самых наглядных и понятных широкому кругу читателей видов картографической продукции. Такие карты практически без помощи легенды позволяют передать информацию о местности.
Трехмерные карты составляются и оформляются по совершенно разным технологиям: от рукописных до полностью автоматизированных. Но чаще всего – это интерактивная работа, сочетающая в себе возможности современных графических и ГИС-софтов с пониманием человека о том, какой продукт необходимо получить в результате работы. Поэтому целью данной работы является не столько разработка перспективной карты, сколько нахождение оптимальной технологии создания таких карт на примере города Юбилейного Московской области. Создание трехмерных моделей не является сложной задачей, если картограф обладает исходными данными и соответствующим софтом. Но может ли трехмерная модель называться картой и удовлетворяет ли она требованиям, предъявляемым к картам, – это предстоит выяснить в процессе исследования.
При разработке технологии создания перспективной карты была поставлена цель добиться упрощения процесса составления за счет максимальной его автоматизации, а также исследование возможностей оформления карт с использованием ГИС-технологий. Для этих целей необходимо использовать последние достижения в среде пространственного геомоделирования.
Карта, составляемая по проектируемой технологии, является краеведческой по назначению, носит справочно-информационный характер и предназначена для широкого круга потребителей. Она составляется для ознакомления людей с территорией города, его планировкой и объектами.
В ходе проектирования содержания и оформления карты необходимо провести анализ литературных источников, выбрать основной и дополнительный картографический материал, построить электронную трёхмерную модель, выполнить её оформление, проведя для этого экспериментальные работы, разработать технологическую схему составления и подготовки проектируемой карты к изданию. Также необходимо провести оценку значимости проведённой работы. Помимо этого необходимо рассмотреть вопрос об экологической обстановке на картографируемой территории – как в городе Юбилейном, так и в Московской области.
Для анализа использованы следующие картографические и прочие материалы:
- Космический снимок из источника «Яндекс-карты» (cпутник IKONOS), дата съёмки 2009-07-13, облачность 10 %, угол отклонения от надира 27,54º, разрешение 1 м (рис. 1).
- Космический снимок, взятый с источника «Google планета Земля» (cпутник GeoEye-1 (ресурс GeoEye)), дата съёмки 2007-05-06, облачность 0 %, угол отклонения от надира 18,64º, разрешение 50 см (рис. 2).
- План – г. Юбилейный – 1: 5 000. – ООО «Центргипрозем», аэрофотосъёмка 2008 г., топосъёмка 2008 г. (рис. 3)
- План-схема г. Юбилейного – Путеводитель «Юбилейный. Город ракетно-космической науки»
Рис. 1 – Фрагмент снимка с «Яндекс-карт».
Рис. 2 – Фрагмент снимка «Google Earth».
Рис. 3 – Фрагмент плана 1:5 000.
Перечисленные картографические произведения, а также космические снимки оценивались по полноте содержания, достоверности, точности и современности материала.
В процессе анализа выбор лежал между снимком GeoEye-2 и топографическим планом масштаба 1:5 000. За основу принят снимок как более современный материал с высоким разрешением (0,5 м).
Так как создаваемую карту планировалось разрабатывать в трехмерном изображении, для построения трехмерных зданий было решено использовать дополнительные данные. В качестве дополнительных источников применялись: цифровая модель рельефа города Юбилейного (с SRTM), фотографии объектов, а также топографический план масштаба 1:5 000 (для определения высоты зданий по этажности и элементов составления, которые не видны на снимке) и план-схема из буклета (источник 4).
После выбора основного и дополнительных источников были проведёны анализ и оценка программных средств. В итоге было решено использовать следующие основные программы: MicroStation (для создания трёхмерной модели), Walkinside (для визуализации отрендеренной модели, выбора ракурса, создания видеооблётов).
Карта проектировалась как настенная. Её назначение обзорно-краеведческое (для применения в школе: изучения краеведения, географии и истории города).
Для построения перспективной проекции на данную территорию выбран автоматический способ ее получения с помощью средств программы MicroStation. И, несмотря преимущественно плоский рельеф картографируемой территории, он был учтён при создании перспективы. Построение осуществлялось в интерактивном режиме, при этом программой использовались и учитывались все требования и правила получения перспективы.
Положение всех составляющих элементов при построении, выбирались так, чтобы обеспечить наилучшие условия отображения. Под этими условиями в данном случае понимаются эстетические аспекты и необходимость более детального и достоверного показа наиболее важных элементов территории.
При выборе точки зрения использовались программы Microstation и Walkinside. Ставилась задача показа наибольшей площади основной территории города.
К будущей карте в этом отношении предъявлялись следующие требования
- показать все основные объекты населённого пункта, а также все жилые районы;
- по возможности избежать «мёртвых зон» на карте (строения переднего плана не должны закрывать собой строения и улицы дальнего плана);
- в связи с особенным значением железной дороги как основной транспортной артерии города и одновременно границы населённого пункта постараться изобразить её как можно более полно.
В результате проведения большого количества экспериментальных работ выбраны 2 ракурса территории, наиболее удовлетворяющие вышеописанным требованиям (Рис. 4 и 5). Из них в качестве окончательного был выбран вид, показанный на Рис. 5.
Рис. 4. Первый вариант экспериментального вида.
Рис. 5. Второй вариант экспериментального вида
При проектировании оформления карты был проведён анализ ранее изданных карт аналогичной тематики, чтобы использовать удачные приемы и избежать повторения ошибок. Для этого были оценены все достоинства и недостатки фонового, штрихового и шрифтового оформления карт.
Проанализированы картографические произведения:
- Перспективные карты ул. Остоженки и горного жилого комплекса. (Рис. 6)
- Перспективная карта железнодорожной станции. (Рис. 7)
- Другие примеры перспективных карт.
Рис. 6. – Фрагмент перспективной карты Остоженки
Рис. 7. – Фрагмент перспективной карты железнодорожной станции
Промежуточным результатом работы по проекту явилась модель (рис. 8).
Рис. 8 – Фрагмент трёхмерной модели в режиме WireFrame.
Она представляет из себя трёхмерный векторный файл, который с помощью математических функций описывает линии и поверхности моделируемой местности. Данная модель является технической и не нуждается в особом оформлении для проведения по ней различных работ (картометрии, дополнительных построений, редактирования).
Но так как с помощью модели планировалось создание трёхмерной перспективной карты, решено провести некоторые оформительские работы для наглядности и удобства дальнейшей работы. В связи с этим проведён ряд экспериментов. В них вошёл подбор текстур лесной растительности для её выделения на использованном снимке, подбор тектсур и заливок для отображения форм зданий, а также выбор наиболее подходящего освещения для отображения снимка и подчёркивания пластики трёхмерных объектов (рис. 9 а и 9 б).
Рис. 9 а – Один из вариантов оформления модели (текстура, имитирующая стены зданий, трёхмерные модели деревьев).
Рис. 9 б – Один из вариантов оформления модели (монохромная текстура зданий, текстура растительности).
В результате этих работ был выбран вид, фрагмент которого представлен на рис. 9 б.
Исходя из характера проектируемой карты, предлагается оформление её в векторных редакторах (таких, как Adobe Illustrator или Corel Draw). Ввиду того, что в программе MicroStation составление элементов ведётся в векторном виде, а также того, что средства этой программы позволяют перевести трёхмерную модель в файл плоских двухмерных фигур в соответствии с выбранной картинной плоскостью проектирования, получение файла для обработки в векторных редакторах не представляет труда.
Положительными сторонами векторного оформления являются:
- возможность оперативно присваивать тому или иному полигону (шейпу) градиентную (для скатов крыш), однотонную (для фасадов) или текстурную заливку;
- возможность применения чистых и ярких цветов для тех или иных элементов содержания карты;
- возможность создавать чертежи фасадов зданий достоверно (по результатам полевых обследований) и с нужной подробностью;
- возможность переводить в векторный вид растровые изображения (например, растровые изображения леса или отдельных деревьев);
- полученная таким способом карта может быть напечатана любым размером (формат карты будет зависеть лишь от запросов заказчика);
- файл векторной карты не будет занимать больших объёмов памяти, что предполагает быструю работу с ним.
Кроме того, после составления карты на неё можно наносить и тематическую нагрузку.
Сразу после выбора основного материала, по которому будет вестись составление, снимок «вырезан» (программа Google Earth) и импортирован в программу MicroStation. Также из программы Google Earth сняты координаты крайних точек картографируемой территории. Это было сделано для загрузки цифровой модели рельефа (рис. 10).
Рис. 10 – Цифровая модель рельефа в изометрии.
Перепады высот в г. Юбилейном незначительные. Тем не менее мы не пренебрегли рельефом местности, что сделает карту более точной и достоверной. ЦМР была получена с помощью SRTM.
Цифрование зданий велось средствами программы MicroStation с одновременным дешифрированием снимка (рис. 11). Изначально оцифровка производилась в нескольких слоях (низкие дома, высотные дома, гаражи и т.д.), которые затем были объединены в один для получения единого файла .dgn. Для построения трехмерных зданий произведено экструдирование. Для определения высоты домов использован топографический план масштаба 1:5 000. Кроме того, при недостатке сведений высоту можно было определить по величине тени либо путём полевого обследования. Высота каждого этажа принималась равной 3 м. В случае с крышей, имеющей скаты, по её оси наносился конёк, который помещался на высоту 2 м от нижней границы крыши. Все поверхности-плоскости программа строит как треугольники, поскольку это особенность данного софта (через 3 точки можно провести лишь одну плоскость), либо фигуры с большим количеством углов, но при условии, что все точки (вершины углов) лежат в одной плоскости. Было решено воспользоваться первым вариантом (треугольниками), поскольку со вторым возникли трудности. Построение крыш из треугольников хорошо видно на рис. 12 (боковые поверхности «вытягивались» экструзией, а потому не состоят из треугольников).
Рис. 11 – Оцифровка зданий с одновременным дешифрированием снимка.
Рис. 12 – Здания в изометрии (вид с юго-запада). Увеличено.
Составление и оцифровка площадей растительности производилось по снимку и не составило особых затруднений. Кроме того, на карту наносились не только сплошные лесные и парковые массивы, но и редколесья, а также отдельно стоящие выдающиеся деревья. В результате цифрования получились площади сплошного лесного покрова, которые после были заполнены одиночными деревьями (на трёхмерной модели они изображались точками). Это видно на рис. 13 (оранжевые контуры – контуры растительности, зелёные точки – нанесённые единичные деревья, зелёные точки в пределах оранжевых контуров – расставленные программными средствами деревья). Впоследствии точки всех деревьев были спроецированы на цифровую модель рельефа. Затем в каждую из точек как в точку основания ствола были «посажены» трёхмерные модели деревьев разной величины (разная величина и нерегулярность в распределении точек оснований деревьев в последствии создали впечатление леса близкого к реальному).
Рис. 13 – Пример контуров растительности с расставленными основаниями деревьев.
Трёхмерная модель дерева представляет собой три грани, (каждая из которых – плоское изображение растения) пересекающиеся по одной линии (линии ствола) (рис. 14 и 15). Таким образом, модель дерева ничем не отличается от используемой в компьютерных играх, имитирующих трёхмерное пространство.
Рис. 14 – укрупнённое изображение каркасов деревьев в изометрии.
Рис. 15 – расстановка трёхмерных моделей деревьев.
Впоследствии для выбора наилучшего отображения растительности на будущей карте использовались и варианты с текстурированием цифровой модели рельефа: а именно тех её частей, где расположена сплошная растительность. Для этого пришлось «сажать» на рельеф плоские контура лесов, так как в них потом и вводилась та или иная текстура. Как контуры растительности, так и улицы (см. ниже) после «посадки» на рельеф становятся составляющей цифровой модели рельефа, окрашенной в другой цвет, то есть как бы «вырезают» из этой модели площади.
Составление улиц города велось с одновременным дешифрированием снимка с подразделением на три категории:
- магистральные;
- главные;
- прочие.
Кроме того, на карту нанесена железная дорога и три железнодорожные станции – одна категории «Спутник» (скоростная ветка), две другие – станция и платформа «Болшево», принадлежащие, соответственно, монинской и фрязинской веткам железной дороги.
После оцифровки улиц и присвоения им класса, они (как и площади растительности) были посажены на цифровую модель рельефа (улицы в этом случае уже перешли в разряд площадных объектов).
Из прочих элементов содержания показаны пруд, стадион и ограждения. Стадион и пруд после составления были «посажены» на цифровую модель рельефа. Ограждения были составлены как ломаные линии, из которых с помощью экструзии имитировали заборы.
В процессе составления возникали некоторые трудности. Например, при составлении каждый элемент содержания находился в своём .dgn-файле. Адреса ко всем этим файлам были прописаны в другом специальном файле .vrp. Трудность заключалась в том, что при очередном просмотре через программу Walkinside файла .vrp (модель со всеми элементами содержания) оказывалось, что элементы неверно привязаны друг к другу. Например, здания оказывались «под землёй» (рис. 16).
Рис. 16 – Пример несовпадения описывающих кубов разных слоёв.
Причиной такого результата стало изменение пространственного объёма одного из элементов содержания (одного файла .dgn). Так, при проблеме «домов под землёй» выяснилось, что перед появлением проблемы в файле со зданиями находились фундаменты домов, расположенные намного (на сотни метров) ниже изображений домов, согласованных с рельефом. То есть так называемый «описывающий куб» этого файла включал в себя и созданные модели домов, и эти «лишние» фундаменты. После удаления ненужных фундаментов описывающий куб стал охватывать гораздо меньшее пространство. При этом привязывался этот куб к описывающим кубам других файлов (других элементов содержания) как и прежде с помощью точки своего геометрического центра. А она после удаления лишних элементов (с изменением величины самого куба) изменила своё положение. Решением такого положения дел стала простая «отвязка» файла трёхмерных моделей зданий с последующей новой привязкой (функция Detach – Attach).
Следующая проблема состояла в восприятии программой MicroStation поверхностей, однозначно определяемых в пространстве как треугольников. А это было неудобно в последующей обработке площадей-треугольников. Ведь каждый четырёхугольный скат крыши или стены дома представлял из себя 2 треугольника. И это вызывало неудобства при вводе текстур, заливок и градиентов. Кроме этого в связи с относительно большими перепадами высот низкие (3 м) строения частично попадали под поверхность ЦМР (рис. 17).
Рис. 17 – Пример пересечения поверхности крыши с ЦМР.
Проблема была решена на стадии оформления в программе векторной графики. Проблема «погружения» зданий под ЦМР была решена двумя способами: поворотом плоскости основания (а значит и всего строения) практически параллельно той части ЦМР, на которой оно находится; увеличения высоты здания (рис. 18).
Рис. 18 – Исправленный вариант соотнесения модели здания с цифровой моделью рельефа.
Для имитации растительности были использованы модели лиственных деревьев. Но игнорирование хвойных деревьев, а также кустарниковой растительности понижало сходство создаваемой модели с действительностью. Ещё одна проблема связана с вводом текстур в площади растительности как альтернативы объёмным моделям деревьев.
Несмотря на относительность этой проблемы и наличие моделей различных деревьев в библиотеке, мы всё-таки ограничились вводом лишь одного вида деревьев. Это связано с трудностями при использовании разных моделей растений: это и программные препоны, и распознавание различных видов растений на снимке (вплоть до полевого обследования). Однако проблема была отчасти решена расстановкой деревьев в случайном порядке, а также случайный же порядок ориентировки граней моделей деревьев и их разный размер (это приблизило изображение к действительности и помогло избежать муара). Сложность же с вводом текстур была связана с «посадкой» площадей растительности на ЦМР.
В связи с составлением улиц хотелось бы упомянуть о профилированности дорог и улиц, то есть об их плоскостном строении. Ведь по сути улицы – относительно плоские ленты, врезанные в рельеф. Были также проблемы, связанные собственно с оцифровкой улиц по снимку: из-за густой растительности не все улицы удавалось распознавать и точно цифровать. Кроме того, пришлось столкнуться с неточным автоматическим соединением площадей отдельных улиц или их фрагментов в более крупные площади (со стремлением к минимизации их количества) и последующим их наложением на рельеф.
Проблема профилированности улиц не была решена в силу её незначительности с учётом равнинности рельефа. Трудности, связанные с невидимыми участками улиц, удалось решить с помощью использования наряду со снимком топографического плана масштаба 1:5 000 (рис. 19).Соединение же площадей улиц и последующая посадка их на рельеф была осуществлена вручную после работы автомата. С помощью функции рендеринга определялись проблемы с вырезанием из цифровой модели рельефа улиц, после чего треугольники модели исправлялись вручную до полного соответствия с действительностью.
Рис. 19 – Пример оцифровки невидимой на снимке улицы по двум источникам
Технологическая схема создания перспективных карт приведена на рис. 20:
Рис. 20 - Технологическая схема создания перспективных карт.
Пахмурин А.Г., ООО "ГЕО Иннотер"
