Рельєф як об’єкт картографування

 

 

ЗМІСТ

ВСТУП 3

1. ОГЛЯД ТРАДИЦІЙНИХ МЕТОДІВ ЗОБРАЖЕННЯ РЕЛЬЄФУ 5

1.1. Рельєф як об’єкт картографування 7

1.2. Основні вимоги до зображення рельєфу 8

1.3. Огляд традиційних методів створення тривимірних моделей   рельєфу 8

2. ЦИФРОВІ МОДЕЛІ РЕЛЬЄФУ 11

2.1. Цифрові моделі рельєфу, загальні відомості 11

2.2. Цифрові моделі рельєфу TIN 17

2.3. Растрова цифрова модель рельєфу (GRID  DEM) 19

3. СТВОРЕННЯ ТА ВІЗУАЛІЗАЦІЯ ОБ’ЄМНИХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЄФУ ЗА ДОПОМОГОЮ СУЧАСНИХ ПРОГРАМНИХ ПРОДУКТІВ 23

3.1. Вихідна картографічна інформація та її опрацювання за допомогою комп’ютерних технології 23

3.2. Огляд програмних продуктів, призначених для створення обє’мних моделей рельєфу 28

3.3. Створення цифрової моделі рельєфу Хмельницької області в середовищі Surfer 32

3.4. Створення 3D моделі рельєфу в ArcGIS 3D Analist 37

3.5. Створення 3D моделі рельєфу в Autodesk Land Desktop 42

ВИСНОВКИ 50

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 53

ДОДАТКИ 56

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

На сучасному етапі розвитку науки та техніки, за тотального впровадження комп’ютерних технологій в усі сфери  життя основним методом дослідження  природних процесів та розв’язання  породжених ними проблем стає моделювання об’ємних моделей рельєфу. Однак для його проведення потрібно мати адекватну модель рельєфу реальної місцевості у вигляді суцільної поверхні та володіти методами її дослідження. Така модель повинна давати змогу не лише швидко отримати необхідні числові дані, але й наочно зображати місцевість у вигляді об’ємної карти для перегляду, а також надавати інструментарій для дослідження цієї моделі та аналізу результатів. Саме тому на сьогоднішній день є великий попит на такі методи зображення рельєфу, які набагато якісніше, точніше, швидше, наочніше відображають рельєф і потребують подальшого дослідження.

Метою даної дипломної роботи є дослідження існуючих способів цифрового зображення рельєфу, методів створення та візуалізації об’ємних моделей рельєфу, завдань, які можна виконати за їх допомогою, ступеня їх використання, можливостей подальшого вдосконалення і розвитку, а також огляд програмного забезпечення який використовується для їх створення.

Досягнення поставленої мети відбувалось поступово при вирішенні завдань дипломної роботи. Такими завданнями стали:

• ознайомлення з існуючими традиційними способами відтворення обє’му рельєфу;
• дослідження цифрових способів рельєфу, та створення цифрових моделей рельєфу; огляд основних програмних продуктів, що застосовуються для створення обє’мних моделей рельєфу;
• формулювання висновків стосовно проведеної роботи.

Об'єктом дослідження даної дипломної роботи є об’ємні моделі рельєфу.

Предметом дослідження є створення та візуалізація обємних моделей рельєфу

При дослідженні об'єкту та предмету використані такі методи: монографічний, наукової систематизації, аналізу, синтезу, порівняння, прогнозування. Монографічний метод використовувався для вирішення задачі детального ознайомлення з існуючими способами створення ЦМР та тривимірного моделювання рельєфу і полягав у зборі, ознайомленні та систематизації літературних і Інтернет джерел по даній темі. Для вирішення завдання аналізу способів створення 3D моделей рельєфу, та сучасних програмних продуктів покликаних створювати їх використовувались методи наукової систематизації та аналізу. Методи синтезу, порівняння і прогнозування були використані в основному для виконання задачі формулювання висновків стосовно проведеної роботи.

Для розкриття суті проведеної роботи необхідно перш за все сформулювати ключові поняття теми дослідження: рельєф, ЦМР, 3D модель рельєфу, комп’ютерні технології.

Рельєф – це сукупність форм земної поверхні, які мають визначену геологічну будову та знаходяться під постійним впливом атмосфери, гідросфери, біосфери і внутрішніх сил Землі.

ЦМР – це цифрове подання топографічної поверхні у вигляді регулярної мережі клітинок заданого розміру (GRID DEM) або нерегулярної трикутної мережі (TIN DEM).

3D модель рельєфу – це цифрове подання топографічної поверхні візуалізоване у тривимірному просторі. 

Компютерні технології – це технології навчання, засновані на використанні комп'ютера і програмного забезпечення, які вирішують такі дидактичні завдання, розв'язування яких без використання комп'ютера недостатньо ефективно.

 

 

1. ОГЛЯД ТРАДИЦІЙНИХ МЕТОДІВ ЗОБРАЖЕННЯ РЕЛЬЄФУ

 

1.  Рельєф як об’єкт картографування

 

Одним з найважливіших елементів  змісту будь-якої карти карти є  рельєф. Рельєф – це сукупність форм земної поверхні, які мають визначену геологічну будову та знаходяться під постійним впливом атмосфери, гідросфери, біосфери і внутрішніх сил Землі.

 На будь-якій ділянці земна  поверхня являє собою нескінченне  чергування піднять та знижень,  які можуть мати найрізноманітніші розміри та обриси, і називаються формами рельєфу.

Нерівності  земної поверхні складаються з підвищень  і понижень, що багаторазово повторюються та чергуються між собою і називаються рельєфом. Кожна форма – це геометричне тіло, обмежене зверху і з боків поверхнями різного зовнішнього вигляду та протяжності. Вони називаються елементами рельєфу і поділяються на плоскі поверхні і схили. При зіткненні двох чи більше елементарних поверхонь різної орієнтації в просторі утворюються вершини, гребені, сідловини, перегини схилів, лінії вододілів та інші форми рельєфу.

Основними формами рельєфу Землі  є гори і рівнини. Гори –  це значні, високо підняті над місцевістю, сильно і глибоко розчленовані ділянки земної кори із складчастою або складчасто-бриловою структурою. Гірські країни (гори) складаються із окремих гірських хребтів та міжгірських долин і котловин, що розділяють ці хребти.

За абсолютною висотою гори поділяють  на три групи: низькі - до 1000 м., середньовисотні - 1000 - 2000 м. і високі - понад 2000 м. Низькі гори характеризуються округлими вершинами, похилими схилами, порівняно широкими річковими долинами. Для високих гір типові гострі вершини,  вузькі долини, круті схили. Середньовисотні гори мають перехідні зовнішні риси. За походженням гори поділяються на складчасті, брилові і складчасто-брилові.

Рівнини – це ділянки поверхні, що характеризуються незначними коливаннями висот та малим ухилом. Коливання висот у їхніх межах не перевищує 200 м, а ухили менше 5°. Рівнини займають більшу частину суходолу – майже 2/3 його площі. Рівнини розрізняють за кількома ознаками: за абсолютною висотою, за утворенням та за характером поверхні.

За абсолютною висотою  земної поверхні рівнини поділяються  на низовинні (до висоти 200 м.), височині (від 200 до 500 м.) і плоскогір’я (до 1000 м.). До рівнин відносять також плато – це підвищені, рівні, слабо розчленовані ділянки, які відокремлені від прилеглих рівнин виступами, котрі, як правило, розмішені на висотах понад 500 м.

Залежно від розмірів виділяють  форми рельєфу:

- планетарні (материки, геосинкліналі, серединно-океанічні хребти тощо);

- мегаформи (гірські пояси, рівнинні країни, планетарні розколи тощо);

- макроформи (окремі хребти або впадини однієї гірської країни і т. ін.);

- мезоформи (переважно екзогенного генезису – долини рік, моренні гряди тощо);

- мікроформи (ерозійні ритвини, берегові вали, карстові лійки і т. ін.);

- наноформи (дрібні вимоїни і промоїни, купини і т. ін.).

Окремі форми та їх поєднання  можуть вивчатися з різних поглядів. Існують три основних напрямки у  вивченні рельєфу, які досить тісно  пов’язані один з одним: морфографічний, морфометричний і генетичний. Геоморфологія вивчає зовнішні особливості й розміри форм рельєфу, внутрішню будову, походження рельєфу та історію його формування. Картографія намагається оптимізувати зображення рельєфу та зробити його якомога точнішим, адже картографія займається морфографічним вивченням рельєфу.

 

2.  Основні вимоги до зображення рельєфу

 

В сучасній картографії до зображення рельєфу  на картах сформувались чітко визначені  вимоги, які дають можливість фахівцям із певної сфери вирішувати конкретно  поставлені завдання. Щоб ці завдання були вирішені успішно, зображення рельєфу  на картах повинне відповідати таким  основним цілям:

• наочно передавати характер рельєфу та морфологічні особливості різних його типів (горбисто-моренного, гірського, карстового, вулканічного та ін.), а також ступінь розчленованості рельєфу;
• правильно відображати розташування, розміри та форми нерівностей місцевості, що характеризують її прохідність, маскувальні та захисні властивості, а також забезпечувати можливість орієнтуватися за об’єктами рельєфу на місцевості; в районах бідних на орієнтири, з особливими подробицями й точністю відображувати деталі рельєфу;
• точно та чітко передавати основні орографічні лінії на карті (вододіли, тальвеги, уступи, сідловини і т. ін.) та характерні точки рельєфу;
• чітко вказувати напрямки схилів, їх стрімкість, а також різкі вертикальні порушення поверхні (обривів, осипів, ярів, вимоїн та ін.);
• забезпечувати можливість швидко визначати з точністю, яка допускається масштабом карти, абсолютних висот точок місцевості та перевищень одних точок над іншими.

Попередньо  розглянуті  вимоги до зображення рельєфу  на картах, ми можемо об’єднати у 2 групи  вимог, що пред’являються до плоского зображення рельєфу. Отже, нам необхідна, по - перше, його вимірність, тобто можливість визначення по карті абсолютних висот і відносних перевищень точок місцевості, напрямку й крутизни схилів, горизонтальної і вертикальної розчленованості та інших кількісних показників рельєфу; по - друге, пластичність зображення, тобто виразність об’ємних форм рельєфу, ілюзія його тривимірності. На картах різного призначення й тематики реалізація й співвідношення цих вимог неоднакові. Історично вони визначалися умовами часу – рівнем знань, технічних можливостей і особливостями практичного використання карт.

У всіх випадках зображення рельєфу повинно відповідати  дійсності, тобто бути географічно  правильним. В цьому картографам  неоціненну допомогу виявляє геоморфологія, котра вивчає закономірності розвитку рельєфу земної поверхні, його зв’язки  з іншими елементами ландшафту, дає  характеристику особливостей рельєфу  і, виявляючи головні, другорядні і  менш істотні об’єкти рельєфу  та їх риси, тим самим створює  правильні шляхи генералізації  при зображенні рельєфу на карті[2,3,5].

 

1.3 Огляд традиційних методів зображення рельєфу та створення тривимірних моделей

 

Зображення рельєфу належить до старих і незмінно актуальних проблем  картографії. Якщо розглядати це завдання як моделювання нерівностей земної поверхні в плоскому двомірному зображенні, то для цього зручний один з видів ізоліній – горизонталі (ізогіпси), що дозволяють визначати третю координату – висоту в будь - якій точці цієї поверхні. На тематичних картах виникає необхідність і в інших кількісних показниках, наприклад горизонтальній і вертикальній розчленованості рельєфу, для чого придатний спосіб кількісного фону. До плоского зображення рельєфу пред'являються дві основні вимоги: по-перше, його вимірність, тобто можливість визначення по карті абсолютних висот і відносних перевищень точок місцевості, напряму, крутизни і довжини схилів, горизонтальної і вертикальної розчленованості та інших кількісних показників рельєфу; по-друге, пластичність зображення, тобто виразність об'ємних форм рельєфу, ілюзія його опуклості і глибини.

ПЕРІОДИ	ІСТОРИЧНИЙ ОГЛЯД КАРТОГРАФУВАННЯ  РЕЛЬЄФУ
Карти примітивних народів	Серед примітивних народів були поширені декілька видів карт. Різноманітність  форм подібних карт залежала від матеріалу, з якого вони виготовлялися. Найпоширенішими  були дерево та камінь, а також шкіра  та кість. Вже в той час багато цих народів навчилися точно  відображати  місцевість на плоских  картах, намагаючись відобразити  рельєф.  Так у 1826 році це було доказано капітаном Ф. В. Бічі. Він побачив  створення ескімосами рельєфної  моделі узбережжя в затоці Кацебу. Пізніше було побачено, що ескімоси затоки Камберленд  для позначення високо берега використовували метод  штрихів. Але найхарактернішим матеріалом було дерево, яке використовують для  створення карт ескімоси Гренландії. Із частин дерева вирізаються рельєфні зображення узбережжя. Не мають аналогів карти Маршаллових островів, ці карти виготовлялися з жорсткого пальмового листя, яке перевязувалось кокосовим листям  так, щоб  основне листя лежало в різних напрямках. На цих картах також біли закріплені ракушки, які визначали узбережжя та положення островів. Пальмове листя представляло океанічні течії. Цих карт було 3 види: раббанг, маттанг, мед до [Додаток А]. Також дуже розвинутими були карти народів Мексики [Додаток Б].
Карти Християнського Середньовіччя	Карти,які були створенні у цей  період були маленькими та схематичними, бо розвивалися під впливом «  Християнської топографії». Проте  с часом вони ставалися більшими так збагачувались інформацією. Ці карти були декількох видів: Карти римського типу. На них був зображений круглий диск, на якому Азія займала верхню частину, а Європа та Африка – нижню. Горизонтальну лінію, яка відділяла  Азі. Від Європи з Африкою , були Дон, Азовське ,Чорне, Мармурове, Егейське, Середземне моря.  Карти цього типу відомі, як Т-О. Карти Картеса,дуже рідкі,вони  відомі,тим,що мали поділ на зони. Третій вид – це синтез двох попередніх. Ці карти сильно відрізнялися за розмірами, формами, а зміст іх був дуже загальним. Зорієнтовані на схід,та ділили Землю на четверті. Ранньосередньовічні карти  мають посилання на інші карти, які  виготовлялися, але не збереглися [Додаток В].
Ісламські карти	Цю групу карт неможливо назвати  арабськими, бо  вони поєднують усі  карти ісламських народів. Ісламська  картографія має три фази: Вплив Птолемея; Ісламська картографія; Норманно – арабська фаза. Представником першої фази був Махаммад ібн – Муса аль  – Хорезмі, який створив опис  до карт за допомогою «Географії»  Птолемея. Але неможливо визначити, створив він сам карти чи ні. Для другої фази характерним є  набори різноманітних карт, які доповнювали  географічні трактати. В цих картах вже відсутній європейський вплив.  Це були добре виконанні малюнки  так схеми місцевості, на яких були показані міста, гори, річки, проте не були визначені відстані. Альбом цих  карт отримав назву « Атлас  Ісламу».  Під час третьої фази була розроблена карта Ідрісі, тому час називають періодом Ідрісі [Додаток Г].
Карти пізнього Середньовіччя	В цей час карти стають самостійними виробами, а не ілюстраціями к тексту. Одним із перших новиї характер карти  Петра Весконте, який був першим професійним картографом. Він займався морськими картами. В той час  починає розвиватися церковна кртографія  Вершиною того періоду стає  карта  фра Мауро. Це кругла карта світу, діаметром 1,96 метрів, з півднем зверху, яка знаходилась в прямокутній  рамці. Головним недоліком цієї карти є перенасиченість інформацією та деталями , але ця карта представляє науковий інтерес, бо є кульмінацією картографіх пізнього Середньовіччя.
Перші печатні карти	Після видання « географії»  Птолемея в XV столітті, наступила епоха печатних карт. В географії, як і в інших природничих науках, відсутність ілюстрацій зробило середньовічні описи незрозумілими. Таким чином, друк став могутнім повштовком  для подальшого розвитку картографії [Додаток Д].
XVIII -  XIX століття	На протязі багатьох століть рельєф зображувався примітивним малюнком. Лише  у XV – XVIII столітті ввійшов вжиток перспективний метод картографічного зображення рельєфу, але малюнок все одно був схематичний, тому ніякі виміри не можливо було робити.  Але вже тоді цей цей метод був неактуальним.  Тоді в XVII столітті Леманом був розроблен метод штрихів , а саме в 1799 році. Штрихи відображали усі нерівності місцевості.  В той час також почали використовувати ізолінії. Проте історія горизонталей веде свій початок з XVI століття . В 1584 році землемер П. Брюенс показав за допомогою ізобат глибину річки Спарне. Горизонталі рельєфу суши ввели французи в XVII столітті. В цей час почали розробляти гіпсометричні карти, а саме метод пошарового зафарбування. Прикладом цього є гіпсометрична карта Росії 1872 року. На початку ХХ століття з'явилися пластичні способи, засновані на принципах прямовисного і косого освітлення рельєфу, а з другої його половини - математично строгий спосіб ізоліній (горизонталей), часто доповнюваний колірними і світлотіньовими прийомами підвищення їх наочності. Пізніше, вже в було запропоновано ряд прийомів «картографічного моделювання на стереоскопічному принципі, при якому плоскі зображення на стереоскопічному принципі, при якому плоскі зображення здатні давати повну просторову імітацію рельєфу. В той час з'явилися блок-діаграми - перспективні зображення земної поверхні при похилому промені зору, зазвичай пов'язані з розрізами земної оболонки.