Тривимірні реалістичні картографічні моделі: теорія і практика створення

Размещено на http://www.аllbest.ru/

Размещено на http://www.аllbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 528.952:644/645

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук

Тривимірні реалістичні картографічні моделі: теорія і практика створення

11.00.12 - географічна картографія

Орещенко Андрій Васильович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі геодезії і картографії географічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: кандидат філологічних наук, доцент Балабін Віктор Володимирович, заслужений працівник освіти України, генерал-майор, начальник Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Пересадько Віліна Анатоліївна, завідувач кафедри фізичної географії та картографії, декан геолого-географічного факультету Харківського національного університету ім. В. Н. Каразіна

кандидат географічних наук Любченко Василь Євгенійович, головний редактор - начальник видавничого відділу державного підприємства "Державна картографічна фабрика"

Захист відбудеться " 11 " квітня 2011 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.07 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою ДСП-680, м. Київ, просп. акад. Глушкова, 2а, географічний факультет, ауд. 312.

Відгуки на автореферат надсилати на адресу: МСП 01601, м. Київ-601, вул. Володимирська, 64, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, географічний факультет, проф. Іщуку С. І.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01601, м. Київ, ДСП-601, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий " 9 " березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор географічних наук, професор С.І. Іщук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Розвиток картографічної науки і практики, зокрема використання ГІС-технологій у процесі картографування зумовлює можливості розробки нових форм картографічних творів - тривимірних реалістичних картографічних моделей (ТРКМ). Такі моделі є новим способом представлення просторової інформації, який забезпечує сприйняття особливостей території у формі, максимально близькій до природної.

Розвиток тривимірного моделювання на основі ГІС-технологій обумовлений, перш за все, економічною доцільністю його використання для вирішення окремих виробничих завдань і наочністю демонстрації результатів наукових досліджень або виконаної роботи. Тривимірні реалістичні картографічні моделі характеризуються, на відміну від традиційних карт, більшим проявом таких властивостей, як наочність, оглядовість, образно-знаковість, що значно підвищує їх можливості та результативність при оцінці потенціалу території під час проведення різного виду планувальних та реалізації дослідницьких проектів. Крім того, віртуальній моделі можна надати довільних властивостей, які реальний об'єкт не здатний продемонструвати і зобразити те, що без тривимірного моделювання візуалізувати неможливо або економічно недоцільно.

Сучасна практика тривимірного моделювання розглядає питання створення окремих компонентів тривимірних моделей, наводяться приклади їх використання для вирішення прикладних задач. Більшість таких досліджень вузькоспеціалізовані і нездатні представити адекватні картографічні моделі реальної дійсності, які би за властивостями нагадували географічну карту. Потрібно розробити цілісну універсальну методику виготовлення повнофункціональних тривимірних моделей територій, які би відповідали усім вимогам до картографічних моделей.

Тому актуальним є отримання працездатного алгоритму напівавтоматизованого виготовлення ТРКМ, що зменшить трудомісткість і підвищить якість цих продуктів. Це також зробить можливим повною мірою використати результати інтеграції картографії з геоінформатикою, дистанційним зондуванням і кібернетикою.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження безпосередньо пов'язане з науковою роботою кафедри геодезії та картографії Київського національного університету імені Тараса Шевченка (держбюджетна тема № 06БФ050-04) "Геоінформаційне тематичне карто-графування: проблемно-орієнтований підхід та семіотичні основи" (номер державної реєстрації 0106U005752, 2006-2010 рр.).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є розроблення теоретико-методологічних основ створення та використання ТРКМ і елементів їх змісту (тривимірних позначень). Для досягнення цієї мети були поставлені та вирішені такі завдання:

- сформулювати поняття тривимірної реалістичної картографічної моделі території та визначити її специфічні властивості;

- визначити місце цих продуктів в системі картографічних творів;

- обґрунтувати методику побудови тривимірних моделей з використанням картографічних даних в різних видах програмного забезпечення;

- обґрунтувати основні напрями та прийоми застосування тривимірних моделей для вирішення сучасних практичних задач;

- вдосконалити методику пошуку даних для створення таких продуктів.

Об'єктом дослідження є реальна дійсність, що моделюється за допомогою ТРКМ.

Предметом дослідження є теоретико-методологічні засади створення і застосування тривимірних реалістичних картографічних моделей.

Методологія й методи дослідження. У дисертації використано теоретичне положення сучасної картографічної науки про можливості створення і застосування моделей територій.

В дисертаційному дослідженні використовувались такі методи: історичний і спостереження - для визначення тенденцій загального розвитку картографії; порівняльно-географічний для виділення характерних елементів території, що моделюється; ідеалізації для визначення напрямів досліджень і формування кінцевого результату; експерименту і ГІС моделювання для виготовлення зразків тривимірних моделей; абстрагування, системного підходу, аналізу та синтезу - для визначення специфічних властивостей тривимірних моделей; описовий - для передачі послідовності дій під час виготовлення моделі; наукової класифікації та системного підходу для формування визначення понять; діалектичний - для узгодження алгоритмів створення тривимірних моделей.

Інформаційна база дослідження була сформована на основі літературних та картографічних джерел, статистичних матеріалів та нормативних документів, які зберігаються в Центральній науковій бібліотеці ім. В. І. Вернадського та Науковій бібліотеці ім. М. Максимовича. Вихідні картографічні матеріали були отримані в Укркартгеофонді і у фондах картографічних підприємств, зокрема в Українському державному аерогеодезичному підприємстві та Науково-дослідному інституті геодезії і картографії. Значна частина даних отримана з електронних ресурсів природничих служб США і Великобританії, ресурсів ГІС-асоціацій і геопорталів.

Наукова новизна одержаних результатів дослідження полягає у тому, що автором

вперше:

- розроблено положення про змістову єдність тривимірних моделей і традиційних картографічних творів;

- сформульовано визначення і властивості ТРКМ як новітніх картографічних творів;

- визначено місце ТРКМ в системі картографічних творів;

- обґрунтовано відбір програм, які забезпечують створення тривимірних реалістичних картографічних моделей;

- обґрунтовано основні напрями та прийоми застосування тривимірних моделей для вирішення сучасних практичних задач;

удосконалено:

- термінологічний апарат стосовно створення тривимірних картографічних моделей;

- методичні підходи до виготовлення тривимірних позначень і принципи формування їх бібліотеки;

- методику пошуку даних для ТРКМ;

отримали подальший розвиток:

- класифікація тривимірних моделей місцевості;

- положення про взаємну конвертованість тривимірних моделей місцевості, виготовлених в різних програмах.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані теоретичні результати можуть бути використані для обґрунтування предметного розширення картознавства, а саме розділів стосовно класифікації картографічних творів, їх сутності, властивостей та форм існування, а також переліку картографічних джерел і способів використання картографічних продуктів.

Результати досліджень включено до наукового звіту кафедри геодезії та картографії Київського національного університету імені Тараса Шевченка по держбюджетній темі № 06БФ050-04 "Геоінформаційне тематичне карто-графування: проблемно-орієнтований підхід та семіотичні основи", номер державної реєстрації 0106U005752, 2006-2010 рр. (довідка № 050/1046-30, видана 23 листопада 2010 р.).

Результати дослідження у вигляді методики виготовлення ТРКМ можуть бути використані для розробок, пов'язаних з використанням властивостей місцевості (інженерні планування, землевпорядкування тощо).

Практичні результати дисертаційного дослідження застосовані під час демаркації державного кордону між Україною і Республікою Молдова у Науково-дослідному інституті геодезії і картографії.

Особистий внесок здобувача. Дисертація виконана автором самостійно на основі вивчення місця і ролі тривимірних реалістичних картографічних моделей у сучасній картографії, а також їх властивостей і характеристик. Для практичної апробації вироблених методик створення ТРКМ використано такі програми, як АrcG ІS, 3DS Mаx і Bryce. При цьому здійснено випробування різних видів програмного забезпечення і способів створення цих продуктів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались та обговорювались на таких зібраннях: XV І І І Міжнародному науково-практичному семінарі "Актуальні проблеми географічної освіти і картографії" (Харків, 2009); X ІV Міжнародному науково-технічному симпозіумі "Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища: GPS і G ІS - технології" (Алушта, Крим, 2009); Міжнародній науково-практичній конференції "Країнознавство як міждисциплінарний напрям наукових досліджень: актуальні проблеми" (Київ, 2010); Міжнародній науково-практичній конференції "Туризм: наука, освіта, практика" (Київ, 2010); Науковій конференції "Молоді науковці-географічній науці" (Київ, 2009); V І І Міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених (Дніпропетровськ, 2010); V І Всеукраїнській науково-практичній конференції "Національне картографування: стан, проблеми та перспективи розвитку" (Київ, 2010).

Публікації. Всього за темою дисертації опубліковано 16 наукових праць, зокрема 11 статей у фахових наукових виданнях і 5 - у збірниках матеріалів конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, переліку умовних позначень і термінів, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел і 11 додатків. Зміст дисертації викладений на 220 сторінках машинописного тексту. 162 сторінки займає основна частина, яка містить 2 таблиці і 69 рисунків. Список літератури складається з 236 найменувань.

Основний зміст роботи

У першому розділі "Тривимірні реалістичні картографічні моделі як особливий вид картографічних творів" викладено особливості розвитку сучасної картографії, розглядається ступінь вивченості питання виготовлення тривимірних моделей, обґрунтовано приналежність ТРКМ до продуктів саме цієї науки (рис. 1).

Рис. 1. Місце ТРКМ в сучасній картографії

Зараз більшість картографічних творів використовуються у паперовому вигляді. Це зручно, бо не потребує спеціальних електронних пристроїв для зберігання і відображення карт. Також це не ставить користувача в залежність від обладнання.

Проте можна виділити картографічні продукти, які принципово не можуть існувати у матеріальній формі, оскільки остання не забезпечує передачу властивостей цих творів, задля споживання яких їх було виготовлено. Проте ці властивості добре зберігаються у електронній формі. До таких творів належать карти-анімації, віртуальні блок-діаграми, тривимірні та інтерактивні картографічні моделі і, нарешті, ТРКМ.

Наприклад, інтерактивна модель забезпечує взаємодію з користувачем, що в матеріальній формі не реалізується. Тривимірну модель можна роздивитися з усіх сторін, а на папері можна реалізувати обмежене число її видів. Анімоване зображення за допомогою матеріальної форми представлення не передається на потрібному рівні. Тільки у віртуальному середовищі ці твори є повнофункціональними.

Першочерговою функцією ТРКМ є формування географічного образу. Суть у тому, що через географічний образ здійснюється сприйняття, а головне, запам'ятовування і використання географічної інформації. Саме він є складовою частиною функціонального механізму, що вирішує ті завдання, для яких альтернативні географічному методи не виправдовують себе. Адже в практиці використання картографічних моделей існує перелік задач, для розв'язку яких доцільніше застосовувати алгоритми, що пристосовані для оперування просторовими (нелінійними) даними.

Під час читання карти по картографічному образу користувач формує в своїй свідомості географічний (ментальний) образ місцевості, що потребує певних зусиль (декодування інформації). Тривимірна модель вже містить реалістичні об'єкти, які не потрібно перетворювати в знакову картографічну систему, а під час читання здійснювати зворотний процес. Виготовлення і використання тривимірних картографічних моделей дозволяє обійти процес кодування-декодування інформації. Типові риси об'єктів передаються в тривимірному вигляді, одночасно виключаючи їх зайві особливості (рис 2).

Наприклад, сприймаючи на карті умовний знак будівлі, користувач уявляє її в загальних рисах, не зосереджуючи увагу на деталях. Теоретично він знає, що кожна будівля, дерево чи шосе різні, але уявляє їх типовими і однаковими. Так же і тривимірна реалістична модель показує реальні тривимірні об'єкти без їх зайвих індивідуальних рис, тобто всі однаковими. Можна зробити висновок, що вигляд ТРКМ дуже наближений до географічного образу території.

ТРКМ генетично походять від традиційних картографічних моделей. Їх виділення в окрему групу відбувається на основі особливостей, пов'язаних з їх побудовою (специфічне програмне забезпечення) та функціонування (віртуальний вигляд). Тому ТРКМ мають, з одного боку, властивості звичайних (традиційних) карт, а з іншого боку - специфічні властивості.

До перших належать знаковість (символьність) картографічного зображення, генералізованість, просторово-часова подібність, системність відображення дійсності, метричність, наочність, читаність, інформативність тощо.

До специфічних властивостей можна віднести: багатовимірність, реалістичність, інтерактивність, мультимедійність, мультиплатформність, мультимасштабність і багаторівневу генералізацію, анімованість і оновлюваність.

Рис 2. Типова будівля

Пошук даних становить значну проблему під час виготовлення тривимірних реалістичних картографічних моделей. Вона характерна для всієї вітчизняної картографії, а також для інших географічних наук.

У фахових працях для виготовлення тривимірних моделей використовуються вже готові картографічні дані і не висвітлено питання пошуку географічних даних, зокрема безкоштовних. Вихідними даними для ТРКМ можуть бути:

1) інформація про рельєф;

2) векторні шари загальногеографічних даних, до яких належать всі об'єкти, крім ЦМР і службових елементів моделі. Це гідрографія, будівлі населених пунктів, рослинність тощо;

3) тривимірні позначення;

4) матеріали і текстури;

5) тематична інформація.

Варто зауважити, що дані, використані для виготовлення тривимірних моделей, як і для будь-яких інших картографічних творів, повинні мати документальне підтвердження. Джерела їх отримання зазначаються у звіті про виконану роботу. Тому інформація з Інтернет не завжди придатна для використання, оскільки не має відомостей про точність або опублікована з порушенням авторського права. Для виконання замовлень слід використовувати офіційні дані, до яких належать матеріали Укркартгеофонду, Військово-топографічної служби Збройних Сил України, міських і обласних архітектур, фондів картографічних підприємств і платна картографічна інформація. Якщо потрібні матеріали відсутні або точність їх недостатня для вирішення поставленої задачі, виконуються роботи зі збору інформації або виконання таких робіт замовляється іншому підприємству на умовах підряду. Плата за інформацію повинна вноситись до кошторису під час проектування робіт.

В першому розділі також розглядаються теоретико-методичні основи розроблення тривимірних позначень. Взагалі теорія тривимірних геозображень поступається практичним напрацюванням, тому в цій частині викладено теоретичні аспекти процесу створення одиниць змісту ТРКМ і визначено вимоги до них. Позначення мають створюватись як узгоджена картографічна мовна система, що дозволить уникнути помилок. Кожному елементу змісту моделей в залежності від характеру локалізації ставиться у відповідність певне тривимірне позначення або здійснюється редагування вихідного картографічного знака.

В другому розділі "Створення тривимірних реалістичних картографічних моделей" викладено методики створення тривимірних моделей і їх елементів.

З початку 90-х років попереднього століття розвиваються методика і програмні засоби для створення тривимірних моделей ландшафтів. Такі моделі не є картографічними творами, бо на останніх об'єкти території позначаються стандартними умовними позначеннями, які різняться тільки показниками картографування. Доцільно створювати моделі, де тривимірні позначення є типовими і пізнаваними для кожного з об'єктів місцевості (ТРКМ). Вони мають багато спільного з картами і на їх виготовлення витрачається менше часу і зусиль. Важливим є питання практичного створення тривимірних позначень, оскільки досі не розроблені способи відтворення тематичного змісту реалістичних картографічних моделей, в тому числі й динамічних показників. Визначено три способи виготовлення таких позначень. Перший з них - фотограмметричний, який дає можливість отримати модель об'єкта за його фотознімками. Другий - лазерне сканування, що представляє об'єкт як "хмару точок" з подальшим перетворенням його у високополігональну модель. Третій спосіб - виготовлення моделі в ручному режимі за допомогою тривимірних редакторів.

Важливою є технологічна проблема, яка полягає у несуміщенні векторних даних і текстур, які мають різні проекції. Вирішення її дозволяє виготовляти текстури з довільними властивостями, які зможуть забезпечити реалістичність зображення моделі.

Одним з головних елементів ТРКМ є рельєф, точніше його цифрове представлення, яке й забезпечує реалізацію тривимірності цих картографічних продуктів. Тому важливим є вирішення проблеми передачі інформації про рельєф з цифрових карт в середовище тривимірних редакторів і її подальшої обробки, а також опис основних типів і структурних моделей представлення рельєфу.

В другій частині другого розділу представлена загальна технологічна схема виготовлення ТРКМ, яка складається з таких етапів: проектування, збір вихідних матеріалів і налаштування обладнання, створення компонентів змісту моделі, виготовлення растрової підкладки для процесу суміщення компонентів, перетворення змістових елементів на тривимірні позначення, суміщення шарів, редагування, нанесення тематичного навантаження і написів, формування ефектів природного середовища.

Спочатку складається проект робіт, потім збираються як картографічні матеріали, так і зображення, продукти мультимедіа і додаткові, в тому числі текстові дані, які потрібні для роботи. Перевага має надаватись цифровим геоінформаційним даним, потім векторній інформації. В останню чергу використовуються растрові і описові матеріали. До цієї частини входить придбання чи отримання програмного забезпечення.

Тривимірна модель створюється подібно до звичайної цифрової карти. На відміну від віртуальних геозображень, кожний її шар можна створити у довільний час і до об'єднання в одному продукті на будь-якому робочому місці. Це дозволяє працювати над різними шарами паралельно і прискорити виконання замовлення. Якщо основним вихідним матеріалом є цифрова топографічна карта, проблем із суміщенням даних не повинно бути. Єдина методика виготовлення тривимірних моделей дозволить уникнути великої кількості правок і перетворення цього процесу в надміру "творчий". Як один із шарів створюється цифрова модель рельєфу.

Всі шари завантажуються в будь-яке програмне середовище (ГІС чи векторний редактор). По растровій підкладці перевіряється положення елементів після їх імпорту.

Перетворення змістових елементів на тривимірні позначення здійснюється в напівавтоматичному режимі за допомогою одного з алгоритмів, що міститься в обраній програмі і забезпечує коректний результат. Як правило, в окремо взятій програмі такий алгоритм єдиний. У ГІС для шару потрібно поставити у відповідність тривимірне позначення, яке є в бібліотеці (класифікаторі). Тривимірні редактори замінюють об'єкти з однаковими іменами, які знаходяться в різних файлах. В подальшому позначення масштабуються, розвертаються або редагуються іншим чином, щоб відповідати дійсному положенню об'єктів на місцевості. Кожному об'єкту в шарі можна призначити тривимірне позначення одного типу (рис. 3, 4). Тому чим більше шарів, тим змістовніша модель.

Суміщення шарів полягає у завантаженні останніх у єдиний файл моделі, оскільки, як правило, змістові елементи виготовляються окремо. В ГІС це реалізується приєднанням шару до моделі за допомогою відповідної операції з даними ("Відкрити таблицю" або "Додати дані" тощо). В тривимірних редакторах шари приєднуються до головного файлу моделі за допомогою команди "Merge" (в 3ds MАX) чи аналогічної в альтернативному програмному забезпеченні. Потім перевіряються координати об'єктів кожного шару по растровій підкладинці. Модель віддається на перевірку редактору. картографічний тривимірний програмний модель

Редактор дає зауваження щодо змісту моделі і окремих об'єктів. Здійснюється виправлення помилок, неточностей конвертації, розходження або накладення текстур.

Під час нанесення тематичного навантаження і написів перше може бути представленим як окремий шар, так і характеристиками об'єктів географічної основи. Тематика взаємодіє з основним зображенням, змінюючи його властивості і окремих додаткових позначень може не бути.

Рис. 3. Тривимірна реалістична картографічна модель, створена в АrcG ІS

Рис. 4. Тривимірна реалістична картографічна модель, створена в 3ds Mаx

Для формування ефектів природного середовища створюється імітація атмосфери, хмар, встановлюється освітлення моделі. Цим етапом не варто нехтувати, бо через зовнішній вигляд формується враження користувача. Особливу увагу слід звернути на правильний підбір освітлення; за замовчуванням в тривимірних редакторах модель освітлена досить невдало.

Процес виготовлення ТРКМ на цьому закінчується. Проте до використання модель ще не готова. В залежності від її призначення додаються певні етапи. Для отримання зображень і відеопослідовностей здійснюється:

- встановлення ключових кадрів анімації об'єктів і камер моделі;

- рендеринг (фінальне виведення) відеопослідовності чи серії зображень. Накладення ефектів на відеоряд, створення звукової доріжки не належить до робіт, які можуть виконувати картографічні підприємства.

Якщо має бути виготовлена інтерактивна модель, додатково здійснюється створення програмної оболонки, яка реалізує завантаження моделі та її взаємодію з користувачем, підготовка до поширення і оптимізація даних моделі.

Цілком очевидно, що створення ТРКМ потребує специфічного обладнання, фахової та менеджерської підготовки і науково-організаційного забезпечення. Тому для виробництва ТРКМ варто створювати спеціальні відділи на картографічних підприємствах. За сформованими методиками здійснено виготовлення ТРКМ в ГІС Аrc Іnfо, визначені переваги та недоліки цієї програми. Така ж робота виконана і щодо редакторів тривимірної графіки і генераторів ландшафтів.

В третьому розділі "Основні напрями використання тривимірних реалістичних картографічних моделей" перераховані способи їх застосування для вирішення практичних задач.

Сучасне картографування і географію загалом не можна уявити без тривимірного моделювання. Такі геозображення сьогодні використовуються в різних галузях науки, виробництва і навчання.

ТРКМ застосовуються в кіно, телебаченні, рекламі, художньому дизайні і презентаціях, комп'ютерних іграх, тобто там, де якість зображення відіграє ключову роль. Проте їх походження не картографічне, вони є продуктами графічного дизайну, комп'ютерної анімації та кінематографа. Внаслідок загальносвітових тенденцій розвитку цифрових технологій відбувається стирання меж і проникнення однієї галузі в іншу. Те ж саме відбувається в картографії. Тому вона має весь час розвиватися і розширювати поле своєї діяльності, щоб не втратити замовників і ринки збуту своєї продукції.

Тривимірні реалістичні картографічні моделі можуть використовуватись там, де вже застосовуються традиційні картографічні продукти. Це планування розбудови міських територій, моніторинг стану споруд та об'єктів культурної спадщини, комплексне управління комерційними спорудами та їх інфраструктурою, візуалізація транспортних потоків, наслідків можливих аварій і катастроф, зон радіопокриття (наприклад, для згущення мережі мобільного зв'язку), вирішення питань безпеки країни тощо.

Важливим є застосування тривимірних моделей для передачі розташування підземних комунікацій. Особливо це актуально в містах, де їх густота дуже висока. Такі моделі дадуть можливість уникнути аварій під час ремонтних робіт.

Ще однією сферою використання ТРКМ може стати ринок землі і нерухомості. Від того, наскільки наочно і повно буде представлена продукція, залежить успіх підприємницької діяльності в цій області.

Тривимірні моделі можуть бути задіяними для вирішення наукових питань. Їх роль полягає в ілюстрації досліджуваного явища чи процесу. Також за ними можна проводити вимірювання в програмному забезпеченні, яке використовувалось для їх виготовлення.

Особливо перспективним є використання ТРКМ для створення комунікаційних систем, для забезпечення прийняття рішень під час демаркації державного кордону, візуалізації природних географічних явищ, передачі стану атмосфери, демонстрації динаміки природних і соціально-економічних явищ.

Комунікаційні системи використовуються як інформаційне забезпечення практичних потреб користувачів.

Спрощується прийняття рішень, пов'язаних із перерозподілом земельних або водних ділянок, наприклад, під час демаркаційних робіт. Важливо правильно встановити проходження державного кордону на всіх ділянках, в тому числі і на водних. Водні ділянки є досить складними при договірному узгодженні, що пов'язано з принципами та нормами міжнародного права. Від придатності річки для судноплавства залежить проходження лінії кордону (рис. 5).

Рис. 5. Проходження тальвегу, фарватеру і серединної лінії по р. Дністер в районі м. Могилів-Подільський

За допомогою тривимірної моделі можна наочно продемонструвати способи проведення кордону - по тальвегу, фарватеру чи серединній лінії річки. Анімаційна модель може відобразити його зміни під час коливання рівня води.

Як приклад демонстрації природних географічних явищ обрано утворення і розвиток ерозійних форм рельєфу (яру). Для виготовлення такої моделі можуть бути використані дані топографічної зйомки і дистанційного зондування. У такому випадку ТРКМ складатиметься з трьох частин. Перша - ЦМР (цифрова модель рельєфу) місцевості, на якій розвивається негативна форма. Вона дає можливість оцінити територію. Друга - цифрове представлення поверхні яру, яке має бути достатньо детальним. Останній компонент - це текстура. Її можна отримати, використавши матеріали аерозйомки, фотографії або супутникові знімки одного з численних геопорталів. Тривимірна модель може містити додатково інші елементи ландшафту (рослинність, будівлі, промислові об'єкти), якщо це допомагає донести суть дослідження.

Моделювання атмосферних явищ покращує візуальні характеристики тривимірних моделей. Реалістичний вигляд неба сприяє цілісному розумінню сюжету моделі, правильному прочитанню її змісту. Запропонований фрактальний алгоритм задовільно моделює зовнішній вигляд хмарного покриву. Його потрібно застосовувати для роботи в програмному забезпеченні, яке не має заданих за замовчуванням характеристик атмосфери (в ГІС і редакторах тривимірної графіки).

Демонстрація динаміки природних і соціально-економічних явищ за допомогою тривимірних карт-анімацій належить до особливого виду картографічних творів, що застосовуються для показу змінюваних у часі та просторі явищ в режимі реального часу. Саме так тривимірне представлення інформації вдосконалює можливості картографії в новітніх сферах.

Застосування анімаційних карт розширює демонстраційну функцію картографії, дає можливість охопити ті процеси і явища, котрі не можуть бути відображені на традиційних екземплярах. ТРКМ дозволяють задавати лише початкові і кінцеві значення, опускаючи проміжні, що звільняє картографа від рутинної роботи, даючи йому змогу зосередитись на головній задачі з обробки і аналізу інформації, а значить, підвищити продуктивність праці.

На сьогодні програмне забезпечення достатньо розвинуте, щоб забезпечити напівавтоматичну побудову ТРКМ, що дало можливість розробити методику отримання виключно якісних і реалістичних моделей.

Висновки

У дисертаційній роботі представлені теоретико-методологічні засади створення і використання тривимірних реалістичних картографічних моделей та елементів їх змісту (тривимірних позначень). Результати дисертаційного дослідження дозволили сформулювати наступні висновки:

1. Тривимірна реалістична картографічна модель є особливою просторово-часовою формою збереження і представлення реальних і абстрактних об'єктів і ситуацій, побудована за математичним законом, яка формується й існує в програмно-керованому середовищі, створює можливість для інтерактивної взаємодії з користувачем, відображає за допомогою цифрових копій природних об'єктів їх розміщення і властивості та призначена для використання в тому випадку, коли реалістичний вигляд території має першочергове значення.

Специфічними властивостями цих продуктів, які відокремлюють їх від картографічних творів та інших тривимірних моделей є: фотографічна якість зображення (реалістичність), яка забезпечується повнотою змісту і засобами візуалізації; багатовимірність (можливість представлення інформації у трьох вимірах); інтерактивність (реагування програмної оболонки моделі на дії користувача); мультимедійність (забезпечується поєднанням віртуальних геозображень з іншими форматами даних, такими як фотографії, анімації, відео- і звукозапис); мультиплатформність (здатність електронних геозображень працювати на різних обчислювальних платформах); мультимасштабність і багаторівнева генералізація (можливість перегляду моделі за різних масштабів, кожному з яких відповідає свій рівень детальності); анімованість (означає рух і зміну всього зображення, окремих його частин чи точок огляду в автоматичному режимі) та оновлюваність (здатність ТРКМ оперативно відображати дані, які змінюються).

2. За своїми основними властивостями (системність відображення дійсності, просторово-часова подібність, генералізованість, метричність, наочність, читаність, інформативність) ТРКМ належить до класу картографічних творів. Враховуючи специфічні властивості ТРКМ - до підрозділу віртуальних геозображень разом з інтерактивними картами, картами-анімаціями, блок-діаграмами тощо.

3. Створення ТРКМ ґрунтується на двох положеннях - про змістову єдність тривимірних реалістичних картографічних моделей і традиційних картографічних творів та взаємну конвертованість тривимірних моделей місцевості, виготовлених в різних програмах. Змістова єдність полягає у тому, що будь-який цифровий картографічний матеріал може використовуватись у незмінному виді як для виготовлення карт, так і для створення ТРКМ. Під час виготовлення ТРКМ змінюється тільки форма представлення даних, але не сама їх сутність. Під час процесу конвертації зберігаються просторові й атрибутивні дані, змінюються тільки способи представлення тривимірної інформації. Як наслідок, конвертацію слід проводити на найбільш низькому рівні представлення даних, тобто на рівні цифрової карти.

Важливими є принципи виготовлення тривимірних позначень, які є змістовими одиницями ТРКМ. Для створення одиниць змісту також потрібні розробка цифрових засобів моделювання рельєфу і виготовлення текстур. Вказана методика значно зменшує затрати праці і ґрунтується на застосуванні функцій промислового програмного забезпечення, які забезпечують операційну автоматизацію за рахунок використання картографічних даних. Таким чином, для виготовлення моделей потрібно здійснювати тільки керуючі операції.

Під час виготовлення ТРКМ варто використовувати ГІС з функціями тривимірного моделювання, редактори тривимірної графіки і програми для створення реалістичних територій. Кожний з класів програм певним чином допускає реалізацію положень про змістову єдність тривимірних реалістичних картографічних моделей і традиційних картографічних творів та взаємну конвертованість тривимірних моделей місцевості, виготовлених в різних програмах.

4. Обґрунтовано основні напрями та прийоми застосування тривимірних моделей для вирішення сучасних практичних задач, розглянуто також окремі прикладні задачі їх створення, зокрема питання організації виробництва цих картографічних творів. Запропоновано схему розподілу праці і визначено, з яких фахівців має комплектуватися штат виробничого відділу. Схема розподілу праці передбачає використання фахівців різного профілю і рівня підготовки, що дасть можливість збалансувати витрати на їх утримання.

5. Вдосконалено методику пошуку даних для створення таких продуктів. Вихідною інформацією для ТРКМ можуть бути як дані спостережень, так і вторинні картографічні дані, які описують планове положення елементів моделі. Рельєф служить для визначення висотних координат об'єктів. Тривимірні позначення та матеріали поверхонь з текстурами забезпечують реалістичний вигляд моделі, а тематична інформація передає її зміст.

Обґрунтування визначення ТРКМ та демонстрація їх інформаційної та когнітивної цінності здійснена шляхом аналізу особливостей їх змісту, визначення специфічних властивостей і аналізу методики їх створення. Результати роботи оприлюднені в наукових працях і апробовані під час доповідей на конференціях. Також є впровадження у виробничий процес.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Статті у фахових наукових виданнях:

1. Орещенко А. В. Створення тривимірних реалістичних моделей у програмі 3ds Mаx / Орещенко А. В. Вісник геодезії та картографії. - 2009. - № 6. - С. 35-40.

2. Орещенко А. В. Створення анімаційних карт із заданими переходами між ключовими точками / А. В. Орещенко // Вісник геодезії та картографії. - 2008. - № 2. - С. 21-27.

3. Орещенко А. В. Особливості встановлення державного кордону на річкових ділянках (на прикладі українсько-молдовського кордону) / А. В. Орещенко // Вісник геодезії та картографії. - 2008. - № 3. - С. 26-29.

4. Орещенко А. В. Моделювання хмарного покриву для тривимірних реалістичних картографічних моделей / А. В. Орещенко // Зб. наук. пр. Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту. - 2008. - Вип. 257. - С. 119-125.

5. Орещенко А. Переваги технології Flаsh для поширення тривимірних картографічних моделей / А. В. Орещенко // Геодезія, картографія і аерофотознімання - 2008. - № 71. - С. 198-203.

6. Орещенко А. В. Публікація тривимірних реалістичних картографічних моделей в Інтернеті / Орещенко А. В. // Картографія та вища школа. - 2009 р. - Вип. 15. - С. 51-57.

7. Орещенко А. В. Специфічні властивості тривимірних реалістичних картографічних моделей / Орещенко А. В. Картографія та вища школа. - 2009 р. - Вип. 14. - С. 23-29.

8. Орещенко А. В. Засоби публікації тривимірних реалістичних картографічних моделей / Орещенко А. В. // Проблеми безперервної географічної освіти і картографії. - 2009 р. - Вип. 10. - С. 147-152.

9. Орещенко А. В. Організація виробництва тривимірних реалістичних картографічних моделей / Орещенко А. В. // Географія та туризм. - 2010 р. - Вип. 4. - С. 158-166.

10. Орещенко А. В. Фахівці зі створення тривимірних картографічних моделей: категорії "А" і "Б" / Орещенко А. В. // Географія та туризм. - 2010 р. - Вип. 5. - С. 35-42.

11. Орещенко А. В. Джерела даних для тривимірних реалістичних картографічних моделей / Орещенко А. В. // Географія та туризм. - 2010 р. - Вип. 8. - С. 140-148.

Публікації в інших виданнях, тези наукових доповідей

12. Орещенко А. В. Рельєф як головний компонент тривимірних реалістичних картографічних моделей / Орещенко А. В. // Зб. наук. пр. Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - 2009 р. - Вип. 24. - С. 305-309.

13. Орещенко А. Місце тривимірних реалістичних картографічних моделей в сучасній картографії / Орещенко А. // Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища: GPS і G ІS - технології: міжнар. наук.-тех. симпозіум, 8-13 вер. 2009 р. : тези доп. - Львів, 2009. - С. 177-191.

14. Орещенко А. Створення тривимірної моделі яру в програмі Bryce / Орещенко А. // География, геология, геоэкология: опыт научных исследований: V І І міжнар. наук. конференція студентів, аспірантів і молодих вчених, 11-14 трав. 2010 р. : тези доп. - Дніпропетровськ, 2010. - С. 273-275.

15. Орещенко А. В. Створення знаків для тривимірних реалістичних картографічних моделей за допомогою програми Phоtоmоdeler Scаnner / Орещенко А. В. // Національне картографування: стан, проблеми та перспективи розвитку : зб. наук. пр. - К.: ДНВП "Картографія", 2010. - С. 42-47.

16. Орещенко А. В. Створення тривимірних карт засобами ГІС / Орещенко А. В. // Молоді науковці - географічній науці: зб. наук. пр. - К.: Сталь, 2009. - С. 189-191.

Анотація

Орещенко А. В. Тривимірні реалістичні картографічні моделі: теорія і практика створення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.12 - географічна картографія. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2011.

Дисертація присвячена розробці цілісної науково-обґрунтованої методики виготовлення тривимірних реалістичних картографічних моделей (ТРКМ) і окремих елементів їх змісту (тривимірних позначень).

Викладено особливості розвитку сучасної картографії. Розглядається ступінь вивченості питання виготовлення ТРКМ, сформульовано і обґрунтовано визначення цих продуктів, перераховано їх специфічні властивості, визначено їх місце в картографії. Проаналізовано особливості формування географічного образу території за допомогою тривимірних позначень. Зазначено переваги цієї нової форми подання інформації. Вирішено питання інформаційного забезпечення їх створення. Розроблена теорія, методичні підходи і практичні методи виготовлення тривимірних позначень. Визначено їх зображувальні засоби. Обґрунтовано відбір програмного забезпечення і створено методики для виготовлення ТРКМ в кожній з програм. Викладено особливості використання цих продуктів. Запропоновано склад виробничого відділу зі створення ТРКМ.

Ключові слова: тривимірна модель місцевості, тривимірна графіка, цифрова карта, створення, методика, тривимірне позначення, реалістична модель, комп'ютерна програма, оптимізація, географічний образ, картографічний образ.

Анотация

Орещенко А. В. Трехмерные реалистические картографические модели: теория и практика создания. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.12 - географическая картография. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2011.

Диссертация посвящена разработке целостной научно-обоснованной методики изготовления трехмерных реалистических картографических моделей (ТРКМ) и отдельных элементов их содержания (трехмерных обозначений).

Изложено особенности развития современной картографии. Рассматривается степень изучености вопроса изготовления трехмерных моделей, сформулировано и обосновано определение этих картографических продуктов, перечислено их специфические свойства, которые дают возможность понять суть этих произведений. Проанализировано особенности формирования географического образа территории с помощью трехмерных обозначений. Определено также место ТРКМ в современной картографии, обосновано их принадлежность к продуктам именно этой науки. Определено преимущества этой новой формы подачи информации. Решен вопрос информационного обеспечения создания ТРКМ. поскольку поиск данных составляет значительную проблемму как для картографии, так и для географических наук вместе.

Разработана теория и методические подходы к изготовлению трехмерных обозначений и определены особенности передачи содержания с их помощью. Описаны особенности созданния картографического образа. Рассматриваются практические методы создания трехмерных обозначений. Решена проблема трансформирования растров для изготовления текстур. Кратко обозначено моделирование рельефа. Определено изобразительные средства для трехмерного обозначения.

Детально изложена методика изготовления трехмерных реалистических картографических моделей. Обосновано отбор программного обеспечения для создания этих продуктов.

Созданная методика решает важную проблему - позволяет перенести максимальное количество информации с доступных картографических материалов. Каждый обьект на модели получает координаты с цифровой топографической карты, а потом замещается на трехмерное обозначение, которое за внешним видом отвечает природному обьекту. Такие трехмерные реалистические картографические модели имеют много общего с картами и на их изготовление тратится меньше времени и усилий.

Изложено особенности использования этих продуктов. Перечислены отрасли науки и производства, где использование ТРКМ желательно или необходимо. Определено порядок организации производственного отдела с создания ТРКМ.

Ключевые слова: трехмерная модель местности, трехмерная графика, цифровая карта, создание, методика, трехмерное обозначение, реалистическая модель, компьютерная программа, оптимизация, географический образ, картографический образ.

Summаry

Оreshchenkо А. V. Three-D іmenc іоnаl Reаl іst іc Cаrtоgrаph іc Mоdels: Theоry аnd Prаct іce оf Creаt іng. - Mаnuscr іpt.

D іssertаt іоn оf Cаnd іdаte оf Geоgrаph іc Sc іences degree іn spec іаlty 11.00.12 - Geоgrаph іcаl Cаrtоgrаphy. - Ky іv Nаt іоnаl Tаrаs Shevchenkо Un іvers іty, Ky іv, 2011.

The d іssertаt іоn іs devоted tо elаbоrаt іоn оf cоmplete sc іent іf іcаlly grоunded pr іnc іples оf 3D reаl іst іc cаrtоgrаph іc mоdels (3DRCM) аnd іnd іv іduаl cоntent elements (three-d іmenc іоnаl s іgns) prоduct іоn wh іch prоduct іоn w іll be іn sаme оrder w іth pr іnc іples оf creаt іng d іg іtаl mаps.

There аre stаted the pecul іаr іt іes оf mоdern cаrtоgrаphy develоpment. The degree оf іssue іnvest іgаt іоn оf 3DRCM creаt іng іs cоns іdered, the determ іnаt іоn оf the prоduct іs оutspоken аnd grоunded, the іr spec іf іc prоpert іes аre cоunted аnd there іs stаted the іr plаce іn cаrtоgrаphy. The espec іаl іt іes оf fоrm іng the geоgrаph іc terr іtоry іmаge us іng 3D s іgns аre аnаlysed. There іs def іned the аdvаntаges оf th іs new fоrm оf іnfоrmаt іоn presentаt іоn. The іnfоrmаt іоn supply іssue іs sоlved. The theоry, pr іnc іple аpprоаches аnd prаct іcаl methооds оf 3D s іgns creаt іng аre elаbоrаted. There аre def іned the іmаg іne meаns оf 3DRCM. The select іоn оf sоftwаre іs grоunded аnd іt іs creаted the pr іnc іples fоr creаt іng mоdels іn eаch prоgrаm. The prоducts us іng pecul іаr іt іes аre stаted аnd the structure оf 3DRCM creаt іng depаrture іs prоpоsed іn the d іssertаt іоn.

Keywоrds: three-d іmens іоnаl terrа іn mоdel, 3D grаph іcs, d іg іtаl mаp, creаt іng, pr іnc іples, 3D s іgn, reаl іst іc mоdel, cоmputer prоgrаm, оpt іm іzаt іоn, geоgrаph іcаl іmаge, cаrtоgrаph іcаl іmаge.

Размещено на Allbest.ru