Методика создания перспективных карт по 3D-моделям местности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.33, кандидат технических наук Бугаков, Петр Юрьевич

• Бугаков, Петр Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бугаков, Петр Юрьевич

1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ МЕСТНОСТИ.

1.1 Изучение разработок в области картографического отображения трехмерного пространства.

1.2 Анализ возможностей применения современных редакторов трехмерной графики в картографии.

1.3 Методы визуализации трехмерных моделей.

1.4 Проблемы трехмерного картографирования и выбор направления исследования.

1.5 Выводы по первому разделу.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ТРЕХМЕРНОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ.

2.1 Особенности перспективных карт.

2.2 Научно-методические основы построения перспективных картографических изображений.

2.3 Принципы картографического отображения трехмерных моделей местности.

2.4 Формализация характеристик трехмерного картографирования.

2.5 Выводы по второму разделу.

3 РАЗРАБОТКА СПОСОБА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КАРТ ПО ЗП МОДЕЛЯМ МЕСТНОСТИ.

3.1 Разработка способа построения перспективных карт местности.

3.2 Разработка технологической схемы трехмерного картографирования.

3.3 Разработка технических решений по обеспечению широкого использования перспективных карт.

3.4 Вывод по третьему разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика создания перспективных карт по 3D-моделям местности»

Актуальность темы диссертации. Карта всегда являлась самым удобным и привычным для восприятия средством отображения пространства вокруг нас. До настоящего времени основное внимание уделялось картам, отображающим трехмерное пространство в различных двумерных картографических проекциях на плоскости. В традиционной картографии для отображения на двухмерной карте высотной составляющей картографируемых объектов используется ряд картографических изобразительных способов: горизонтали, штрихи, светотеневая пластика, блок-диаграммы, высотные отметки и др. Преимущественная ориентация на создание и использование традиционных двухмерных карт была обусловлена, с одной стороны, относительной простотой построения двумерной ортогональной картографической проекции, а с другой стороны - целым рядом трудностей в построении перспективных карт, обусловленных их особыми свойствами и ограничениями методов сбора первичной топографической информации. До начала широкого использования компьютерной техники в области картографии технология построения перспективных картографических изображений была основана на ручном создании рисунков отдельных объектов местности. Этот процесс был весьма трудоемким, занимал много времени и требовал определенного мастерства, поэтому созданием перспективных карт занимались только опытные картографы-художники. Таким образом, перспективные карты представляли собой в большей степени произведения искусства, нежели картографический инструмент.

Период конца XX - начала XXI века совпал с техническим рывком в области электроники и вычислительной техники. Использование новых электронных средств получения, хранения, обработки и передачи информации привело как к количественным, так и к качественным изменениям в науке и технике. Так в геодезии, фотограмметрии и картографии внедрение новых электронных измерительных и вычислительных систем оказало влияние не только на объемы собираемой и обрабатываемой информации, но и позволило получать качественно новую информацию, процесс сбора которой был ранее недоступен для существующих средств измерений. Появились принципиально новые возможности также и для процессов переработки информации в части объемов и скорости вычислений. Началась эпоха трехмерного компьютерного моделирования объектов и территорий. В этих условиях, интенсивное развитие и внедрение компьютерных технологий в картографию требует переосмысления традиционных методических решений и подходов и адаптации их к новым техническим возможностям.

Одной из характерных черт современной картографии является появление нового направления по составлению картографических произведений на основе обработки созданных цифровых (геоинформационных) моделей местности. При этом в зависимости от мерности базовых моделей местности открывается возможность оперативного составления не только традиционных двухмерных, но и трехмерных картографических произведений в виде перспективных карт. В последнем случае, карты составляются на основе трехмерной цифровой модели местности, представляющей собой базу пространственных данных, описывающих в цифровой форме тройками координат объекты местности и обеспечивающих процессы визуального картографического отображения геопространства, пространственных измерений и пространственного анализа.

Особая актуальность этой тематики обусловлена «взрывной» тенденцией перехода к трехмерному моделированию и представлению окружающего нас геопространства ЗЭ - моделями. Многочисленные программные средства геоинформационных систем (ГИС), систем автоматизированного проектирования (САПР), трехмерной машинной графики предоставляют широкие возможности для автоматизированного формирования перспективных изображений трехмерного мира.

Основным преимуществом перспективных карт является формирование у пользователя максимально достоверного представления об изображенных на ней объектах трехмерного пространства. Перспективная карта, по сравнению с традиционной, способна обеспечить более высокую степень узнаваемости изображенных на ней объектов при ориентировании на местности. Поэтому перспективные карты могут быть использованы не только профессионалами, но и пользователями, не имеющими специальной подготовки в области картографии. Перспективные карты находят и могут найти еще более широкое применение в навигации, туризме, городском планировании, экологии, ландшафтном дизайне и других сферах человеческой деятельности.

Степень разработанности проблемы. Значительный вклад в развитие компьютерных методов картографирования, внедрения геоинформационных технологий внесли известные отечественные ученые: Баранов Ю. Б., Берлянт А. М., Жалковский Е. А., Капралов Е. Г., Кошкарев А. В., Лурье И. К., Лисицкий Д. В., Мартыненко А. И., Тикунов В. С., Халугин Е. И., Цветков В.Я. и др. Большой методический интерес представляют работы Атояна Р. В., Вахрамеевой Л. А., Смирнова Л. Е., посвященные вопросам воспроизведения трехмерного пространства на картах.

В настоящее время в России и в мире начались разработки в области ЗЭ -моделирования и уже разработан ряд специализированных программных средств для построения трехмерных моделей. С помощью этих программных средств силами различных организаций и специалистов, не имеющих специальной картографической подготовки, начали создаваться перспективные карты ряда городов и отдельных регионов. Полученные при этом результаты часто имеют низкое картографическое качество, не отвечают базовым картографическим требованиям (например, в части генерализации), не систематизированы, не имеют четкого научно-методического обоснования и характеризуются низким профессиональным уровнем с позиций картографии. В то же время, потребность в перспективном картографическом отображении территории в последние годы существенно возрастает.

Таким образом, одной из важнейших и актуальных задач картографии на современном этапе ее развития становится теоретическое обоснование сущности перспективных карт и разработка научно-методических основ процессов их составления и использования, которые в настоящей работе предлагается обозначать термином «трехмерное картографирование» [44].

Целью диссертационной работы является исследование сущности, особенностей перспективных карт и разработка методики их создания на основе трехмерных моделей местности.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- проанализировано современное состояние и выявлены проблемы картографической визуализации трехмерных моделей местности;

- проведены исследование и оценка возможности применения современных редакторов трехмерной графики в картографии;

- выполнено раскрытие особенностей перспективных карт;

- проведено исследование характеристик и параметров трехмерного картографирования;

- разработаны научно-методические основы и дано обоснование принципов картографического отображения трехмерных моделей местности;

- разработаны способы и методика трехмерного картографирования местности;

- разработано техническое решение по обеспечению широкого использования перспективных карт.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются компьютерные картографические изображения. Предметом исследования -методика создания перспективных карт на основе трехмерных моделей местности.

Методы, средства исследований. Для решения поставленных задач использовались базовые понятия и методы картографии, геоинформатики и трехмерной компьютерной графики, методы системного подхода и современное программно-аппаратное обеспечение.

Научная новизна выполненной работы состоит в следующем:

- исследованы особенности, характеристики и параметры трехмерного картографирования и перспективных карт;

- выполнена формализация и предложена теоретическая основа создания перспективных карт на базе трехмерных моделей местности;

- разработаны научно-методические основы трехмерного картографирования;

- разработаны способы построения перспективных карт местности;

- разработаны и защищены патентами технические решения, обеспечивающие широкое использование перспективных карт.

Практическая ценность: разработаны методика и технологическая схема построения перспективных карт по трехмерным моделям местности.

На защиту выносятся следующие положения:

- методические основы трехмерного картографирования;

- способы построения перспективных карт местности;

- технологическая схема трехмерного картографирования;

- технические решения по обеспечению широкого использования перспективных карт.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации соответствует пункту 4 - «Новые методы составления и проектирования, новые виды топографических и общегеографических карт и атласов» и пункту 5 - «Новые методы составления и проектирования, новые виды и типы тематических и кадастровых карт и атласов» паспорта научной специальности 25.00.33 - «Картография».

Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы использованы в научно-исследовательской работе по теме «Разработка инструментальной справочно-аналитической географической информационной системы», выполняемой в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по контракту №

02.740.11.0735 при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям. Основные результаты, полученные в процессе диссертационного 8 исследования, внедрены в учебный процесс и студенческую научную деятельность кафедры картографии и геоинформатики СГГА, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований представлены в докладах и опубликованы на следующих научно-технических конференциях:

- V Международный научный конгресс «Гео-Сибирь-2009», 20-24 апреля 2009 г., г. Новосибирск;

- Региональная научно-методическая конференция «Актуальные вопросы модернизации высшего образования», 11-12 февраля 2010 г., Новосибирск;

- Международный семинар «Раннее предупреждение и управление в кризисных и чрезвычайных ситуациях», 28 апреля 2010 г., г. Новосибирск

- VII Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь - 2011», 27-29 апреля 2011 г., г. Новосибирск

- Международная научная конференция «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» в рамках VIII Международного научного конгресса «Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012», 10-20 апреля 2012 г., г. Новосибирск.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 6 статьях и 1 патенте, из которых одна статья опубликована в рецензируемом научном журнале, входящем в Перечень ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх разделов, заключения, 4 таблиц, библиографии из 57 наименований. Общий объем составляет 117 страниц, 29 рисунков, 5 приложений.

Заключение диссертации по теме «Картография», Бугаков, Петр Юрьевич

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем: а) выполнен анализ современного состояния и выявлены проблемы картографической визуализации трехмерных моделей местности. В результате анализа научных работ было установлено, что в данный момент не существует единой, четко сформулированной научно-методической основы создания перспективных карт на основе трехмерных моделей местности. Определены основные направления исследований и основные задачи, требующие решения; б) проведено исследование и дана оценка возможности применения современных редакторов трехмерной графики в картографии. В ходе исследования установлено, что современные редакторы трехмерной графики могут быть использованы для создания трехмерных моделей объектов местности для дальнейшего их использования при создании перспективных картографических произведений. При этом использование функционала редакторов трехмерной графики способно улучшить наглядность картографического произведения и, следовательно, повысить качество восприятия информации о пространстве, объектах, процессах, которыми оно представлено; в) раскрыты особенности, выявлены достоинства и недостатки перспективных карт. Было установлено, что задача вычисления оптимального положения точки наблюдения является одной из значимых для достижения наиболее выгодного отображения трехмерного картографируемого объекта на плоскости. При этом оптимальность положения точки наблюдения должна определяться на основе специального критерия, выбираемого в соответствии с тематической направленностью информационной полнотой получаемого перспективного изображения; г) исследованы характеристики и параметры трехмерного картографирования. В результате анализа особенностей трехмерного моделирования и визуализации была сформулирована система параметров процесса создания перспективных картографических изображений, которая может использоваться для управления их качеством и эксплуатационными характеристиками; д) разработаны научно-методические основы и обоснованы основные принципы картографического отображения трехмерных моделей местности, обеспечивающие соблюдение основных картографических требования с учетом специфических особенностей перспективных карт. Выполнена формализация цифрового трехмерного картографирования; е) разработаны способы и методика трехмерного картографирования местности. Выполнена разработка способа построения перспективных карт местности, позволяющего обеспечить нахождение оптимального положения центра проекции (точки наблюдения) при создании перспективной карты на основе трехмерной цифровой модели местности с целью наиболее выгодного отображения объектов местности. На разработанное техническое решение «Способ построения перспективных карт местности» в Федеральную службу по интеллектуальной собственности была отправлена заявка №2012119224(028941) от 10.05.2012 о выдачи патента на изобретение. По результатам экспертизы заявки получено уведомление об удовлетворении ходатайства от 10.09.12; ж) разработаны технические решения по обеспечению широкого использования перспективных карт в экономике и среди населения путем создания специальных геоинформационных систем, ориентированных на пользователей, не имеющих профессиональной подготовки области картографии, геоинформатики, компьютерной графики. Были получены и защищены два новых технических решения:

1) Инструментальная справочно-аналитическая геоинформационная система (патент Российской Федерации на полезную модель №113599, 2012 год) [36];

2) Способ осуществления справочно-аналитических функций ГИС (положительное решение о выдачи патента на изобретение по заявке №2011145007/08(067449) от 07.11.2011) [22].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполненных диссертационных исследований были решены поставленные задачи и достигнута основная цель работы - исследована сущность, особенности перспективных карт и разработана методика их создания на основе трехмерных моделей местности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бугаков, Петр Юрьевич, 2012 год

1. Атоян, Р. В. Перспективное изображение на туристских картах Текст. // Геодезия и картография. 1987. - № 8. - С. 36-40.

2. Атоян, Р. В. Трехмерные изображения. Карты-панорамы городов Текст. // Геодезия и картография. 1997. - № 9. - С. 43-50.

3. Берлянт, А. М. Виртуальные геоизображения. Текст. М.: Научный мир, 2001. - 56 с.

4. Берлянт, А. М. Геоиконика Текст. М: Астрея, 1996 - 208 с.

5. Берлянт, А. М. Графические модели мира Текст. // Соросовский образовательный журнал. 1999. - № 4. - С. 65-71.

6. Берлянт, А. М. Виртуальное картографирование Текст. // Природа. -2002. № 7. С. 3-9.

7. Берлянт, А. М. Картографические анимации Текст. / А. М. Берлянт, Л. А. Ушакова. М.: Научный мир, 2000. - 108 с.

8. Берлянт, А. М. Картографический словарь Текст. — М.: Науч. мир, 2005.-424 с.

9. Берлянт, А. М. Картография Текст.: учебник для вузов [Текст]. М.: Аспект Пресс, 2001. - 336 с.

10. Берлянт, А. М. Свойства визуализации как способа моделирования геоизображений Текст. // Геодезия и картография. 2005. - № 12. - С. 43 - 52.

11. Бондаренко, С. В. 3ds Мах 8. Библиотека пользователя (+CD) Текст. / С. В. Бондаренко, М. Ю. Бондаренко. — СПб.: Питер, 2006. — 608 е.: ил. — (Сер. Библиотека пользователя).

12. Бугаевский, Л. М. Математическая картография Текст.: учебник для вузов.-М.: 1998.-400 с.

13. Васмут, А. С. Автоматизация и математические методы в картосоставлении / А. С. Васмут, Л. М. Бугаевский, А. М. Портнов. М.: Недра, 1991.-391 с.

14. Васмут, А. С. Дизайн в картографии туризма Текст. / А. С. Васмут, Р. В. Атоян. // Геодезия и картография. 1989. - № 8. - С. 38-40.

15. Вахрамеева, Л. А. Математическая картография Текст. / Л. А. Вахрамеева, Л. М. Бугаевский, 3. Л. Казакова. М.: Недра, 1986. - 286 с.

16. Владимирский, Г. А. Перспектива Текст. М. : Учпедгиз, 1952. -121 с.

17. Геоинформатика. Толковый словарь терминов Текст. / Под ред.

18. A. М. Берлянта, А. В. Кошкарева. М.: ГИС-Ассоциация, 1999. - 204 с.

19. Дёмин, А. Ю. Компьютерная графика Электронный ресурс.: -электрон, учеб. пособие / А. Ю. Дёмин, А. В. Кудинов. Томский политехи, ун. - 2005. - Режим доступа : http://compgraph.ad.cctpu.edu.ru/index.html. - Загл. с экрана.

20. Евтеев, В. И. Построение перспективного рисунка Текст. /

21. B. И. Евтеев, А. Я. Зметный, И. В. Новиков. Л.: Учпедгиз, 1963. - 199 с.

22. Зенкин, Г. М. О механизмах константности зрительного восприятия пространства Текст. / Г. М. Зенкин, А. П. Петров. // Сенсорные системы. Механизмы зрения. JL: Наука, 1979. С. 25-39.

23. Картоведение Текст. : учебник для вузов / А. М. Берлянт, А. В. Востокова, В. И. Кравцова и др.; под ред. А. М. Берлянта М.: Аспект Пресс, 2003.-477 с.

24. Лисицкий, Д. В. Изменение сущности и функций картографических изображений на современном этапе развития общества Текст. / Д. В. Лисицкий, С.Ю. Кацко. // Геодезия и картография 2008. - № 2. - С. 26-28.

25. Лисицкий, Д. В. Использование возможностей применения современных редакторов трехмерной графики и анимации в картографии Текст. / Д. В. Лисицкий, П. Ю. Бугаков. // Гео-Сибирь-2009: сб. матер. V

26. Междунар. научн. Конгресса «ГЕО-Сибирь 2009» - СГГА, Новосибирск, 2009. - Т.1. Геодезия, информатика, картография маркшейдерия., ч.1. - С. 127-131.

27. Лисицкий, Д. В. Картографическая визуализация трехмерных моделей местности Текст. / Д. В. Лисицкий, П. Ю. Бугаков. // Вестник СГГА (Сибирской государственной геодезической академии). Новосибирск: СГГА, 2011.-Вып. 3 (16). - С. 87-93.

28. Лисицкий, Д. В. Картографическое отображение трехмерных моделей местности Текст. / Д. В. Лисицкий, B.C. Хорошилов, П.Ю. Бугаков. // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2012. - № 2/1. - С. 98-102.

29. Маров, М. Н. Энциклопедия 3D Studio МАХ 3 Текст. СПб.: Питер, 2000.- 1184 е.: ил.

30. Наземное лазерное сканирование Текст.: монография /

31. B. А. Середович, А. В. Комиссаров, Д. В. Комиссаров, Т. А. Широкова. -Новосибирск: СГГА, 2009. 261 с.

32. Основные проблемы пространственного представления местности в цифровых картографических изделиях Текст. / В. Н. Филатов, В. С. Авдеев, Р.

33. C. Мухудинов, В. А. Радионов. // Геодезия и картография. 2007. - № 4. - С. 3538.

34. Раушенбах, Б. В. Системы перспективы в изобразительном искусстве. Общая теория перспективы Текст. М.: Наука, 1986. - 256 с.

35. Роджерс, Д. Математические основы машинной графики Текст. / Д. Роджерс, Дж. Адаме; пер. с англ. М.: Мир, 2001. - 604 с.

36. Салищев, К. А. Картоведение Текст. 3-е изд. - М.: Изд-во МГУ, 1990. - 400 с.

37. Салищев, К. А. Картография Текст.: учебник. М.: Высш. шк., 1982. -272 с.

38. Салищев, К. А. Проектирование и составление карт Текст. 2-е изд. -М.: Изд-во МГУ, 1987. - 240 с.

39. Смирнов, JI. Е. Трехмерное картографирование Текст. Л.: Изд-во Ленинград. Ун-та, 1982. - 101 с.

40. Трехмерное моделирование и фотореалистичная визуализация городских территорий Текст. / А. Гречищев, В. Бараниченко, С. Монастырев, А. Шпильман; М. DATA+. // ArcReview. 2003. - № 2. С.12-13.

41. Хлебникова, Т. А. Технология построения измерительных трехмерных видеосцен по данным ЦММ: проблемы и пути решения Текст. // Геодезия и картография. 2008. - № 2. - С. 44-46.

42. Buchholz, Н. Real-Time Visualization of 3D City Models. PhD thesis, HPI, Universität Potsdam, 2006.

43. Glander, T., Dôllner , J. Abstract Representations for Interactive Visualization of Virtual 3D City Models. Computers, Environment and Urban Systems, vol. 33, no. 5, pp. 375 387, 2009.

44. Glander, T., Dôllner , J.Dôllner Automated Cell-Based Generalization of Virtual 3D City Models with Dynamic Landmark Highlighting. Mise, 2008. (Online Proceedings of 11th ICA Workshop on Generalisation and Multiple Representations)

45. Glander, T., Trapp, M. A Concept of effective landmark depiction in geovirtual 3d environments by view-dependent deformation. 4th International Symposium on LBS and Telecartography, 2007.

46. Glander, T., Trapp, M., Dôllner, J. Concepts for Automatic Generalization of Virtual 3D Landscape Models. gis.SCIENCE, vol. 25, no. 1, pp. 18-23, 2012.

47. Internet based Geographic Information System: patent US2006/0161586 United States: G06F17/00 / Timothy Tierney №11/199,902 ; Filed Aug/ 8.2005 ; pub. Date Jul. 20.2006

48. Kraak, M.J.: Computer-assisted cartographical three-dimensional imaging techniques. Delft University Press, Delft, (1988).

49. Lynch, K. The Image of the City. MIT Press, 1960

50. Pasewaldt, S., Trapp, M., Dôllner, J. Multiscale Visualization of 3D Geovirtual Environments Using View-Dependent Multi-Perspective Views. Journal ofWSCG, vol. 19, no. 3,pp. 111-118, 2011.