Трёхмерные модели как системы отображения пространственной информации и их практическое использование

Трехмерное моделирование, как новый способ предоставления информации, в последнее время пользуется большой популярностью, находя применение во многих областях человеческой деятельности. Ценность трехмерного моделирования в том, что оно позволяет отобразить в объеме не только существующие, но и проектируемые объекты. Мы хотели бы остановиться на тех областях применения 3D-моделирования, которые наиболее востребованы в свете специфики современных задач.

Одним из значимых направлений применения трехмерных моделей является информационная поддержка проектных решений. 3D моделирование позволяет опробовать технические решения непосредственно в процессе проектирования, что радикально сокращает временные затраты и существенно повышает качество проектов.

Моделирование для информационной поддержки проектных решений имеет два этапа — подготовительный (подготовки данных) и расчетно-аналитический. Первый во многом схож с аналогичным этапом двухмерного проектирования, но в обязательном порядке требует наличия данных аэросъемки или космического дистанционного зондирования. Второй подразумевает вычисление каких-либо параметров по 3D-моделям (например, определение зон затопления, зон покрытия пространственными данными, проектирование телекоммуникационных сетей, прогнозирование ледовой обстановки).

Особенность проектных задач состоит в моделировании и оптимизации решения, которое еще предстоит реализовать. Контроль результатов именно на этом этапе особенно важен, поскольку позволяет сократить количество ошибок проектирования без заметного увеличения стоимости проекта. В любом случае, общая стоимость создания 3D-моделей значительно меньше затрат на внесение изменений в уже существующий объект. Виртуальная трехмерная модель позволяет проводить визуальный контроль и оптимизировать проектные решения с учетом рельефа местности, дендроплана, имеющейся и проектируемой инфраструктуры. 3D-проекты, совмещенные с трехмерной моделью территории, дают представление о том, как возводимые объекты впишутся в ландшафт.

Трехмерное моделирование широко применяется для целей мониторинга и управления объектами. Сбор информации по объекту может осуществляться:

регулярно (с определенной периодичностью);
в режиме реального времени, когда информация доступна постоянно;
временно, т. е. с большой периодичностью в режиме долгосрочной перспективы.

Кроме того, результаты мониторинга могут быть представлены в 3D-модели, демонстрируя динамику развития процесса на территории.

Логическим продолжением мониторинга в режиме реального времени являются интерактивные (предполагают наличие обратной связи) системы управления пространственными процессами, основанные на использовании трехмерных моделей объектов.

Графическое представление объектов управления в виде 3D-моделей преподносит информацию в наиболее удобном и естественном для человека виде, что положительным образом сказывается на качестве и оперативности принятия решений. Это свойство 3D-моделей может широко использоваться при создании ситуационных центров управления территориями (центры кризисных ситуаций, оперативные службы, подразделения по отслеживанию использования биоресурсов, по учету и контролю объектов недвижимости и т. д.).

Реализованные проекты

Проектирование сельскохозяйственных ферм в Анголе

Проектирование сельскохозяйственных ферм в Африке по программе Международного банка реконструкции и развития. Основной целью работ по проекту «Ангола» было создание топографической карты и 3D-модели местности на территорию фермы в Ваку Кунго.

Был выполнен комплекс следующих задач:

планирование и заказ новой цветной космической съемки со спутника GeoEye-1 с пространственным разрешением 0,5 м;
фотограмметрическая обработка и ортотрасформирование полученных изображений с использованием коэффициентов рациональных функций (RPC-полиномы);
создание на основе ортотрансформированных изображений фотокарты и цифровой топографической карты;
создание 3D-модели фермы на основе одиночного снимка GeoEye-1 и подготовленной топографической карты с точностью до 3 м по высоте.

Отличительной особенностью проекта стали рекордно короткие сроки выполнения работ: от заказа новой съемки до получения карт и 3D-модели прошло меньше месяца.

Ортотрансформирование и радиометрическая коррекция выполнялись в программе Geomatica 10.2 (PCI Geomatics, Канада). Составление карты велось в MapInfo Professional 10.0 (Pitney Bowes Business Insight, США), были дешифрированы и отрисованы точечные, линейные и площадные объекты. Для создания 3D-модели фермы использована программная среда MicroStation V8 (Bentley Systems, США).

Трехмерная модель сельскохозяйственной фермы, Ангола

Трехмерная модель сельскохозяйственной фермы, Ангола.

Проектирование таможенных терминалов РЖД

Для решения логистических задач в интересах РЖД реализована программа по созданию нескольких десятков видов таможенных терминалов. В частности, на территорию села Белый Раст Дмитровского района Московской области сформирована трехмерная модель для целей проектирования одного из таких терминалов.

Задачи, которые нужно было решить при осуществлении проекта:

построение 3D-модели терминала на основе проектной документации;
построение модели местности по данным космического зондирования;
определение оптимального состава и местоположения объектов инфраструктуры.

Система управления и визуализации такой модели дает возможность пользователю выполнять измерительные операции в трехмерном пространстве, оперативно вносить изменения и оценивать их с различных точек зрения, моделировать движение транспортных средств и решать иные задачи.

3D-модель таможенного терминала в с.Белый Раст

3D-модель таможенного терминала в с.Белый Раст. Видеоролик c YouTube

Проектирование телекоммуникационных сетей

Трехмерное моделирование было использовано в качестве информационной поддержки задачи проектирования телекоммуникационных сетей в Бухаресте (Румыния).

Эффективное проектирование телекоммуникационных сетей невозможно без выполнения аналитических расчетов, основанных на трехмерных моделях территорий. Городская инфраструктура характеризуется взаимосвязанностью всех объектов. Нельзя изменить пространственные характеристики одного объекта, не учитывая последствий для других.

Упрощенная модель Бухареста создавалась с использованием автоматических технологий в программном обеспечении MicroStation V8 и применялась для аналитических расчетов местоположения ретрансляторов.

Исходными данными послужили космические снимки IKONOS с пространственным разрешением 0,8 м. Степень детализации и точность модели городской территории, полученной по одиночному снимку, удовлетворяют требованиям к исходным данным для проведения аналитических расчетов. Модель создавалась по технологии 2,5-D, которая позволяет оперативно получать результаты по наиболее конкурентной стоимости.

Трехмерная модель города Бухарест

Трехмерная модель г. Бухарест

Мониторинг и управление объектами территории аэропорта Внуково

Ежегодно по заказу аппарата управления аэропорта Внуково проводится космическая съемка, которая позволяет контролировать изменение параметров объектов с течением времени и соответствие строительных работ проектному решению.

Задачи, которые нужно было решить при осуществлении проекта:

построение упрощенной модели аэропорта, дорожной, железнодорожной инфраструктуры и прилегающего района общей площадью около 100 км ;
визуализация изменений состояния местности на 3D-модели;
возможность мониторинга и моделирования перемещения самолетов и наземного транспорта.

3D -модель аэропорта Внуково

3D - модель аэропорта Внуково

Современные технические средства позволяют осуществлять построение 3D-моделей различной сложности по таким объектам, как автомобильные и железные дороги, элементы транспортной инфраструктуры (мосты, туннели и т. п.), линии электропередачи и элементы инфраструктуры энергетики (подстанции, трансформаторы и т. п.); газо- и нефтепродуктопроводы и элементы их инфраструктуры, городская и сельская застройка (улицы, дома, строения, сооружения); промышленные площадки (внутренняя инфраструктура предприятий, цехов, территорий и т. п.).
Применение 3D-моделирования может полностью заменить стадию физического макетирования объекта или территории. Качество, детальность и сложность 3D-моделей зависят от конкретных задач пользователей, объема дополнительной пространственной информации и ряда других особенностей.

Нет сомнений в том, что трехмерная модель становится важным и практически неотъемлемым инструментом любой системы управления, предназначенной для решения широкого спектра практических задач.

Сенаторова М.А., "ГЕО Иннотер"