Рельєф як об’єкт картографування

 

Рис. 2.3.6 Тривимірна цифрова модель рельєфу

 

На картах різного призначення  і тематики реалізація і співвідношення цих вимог неоднакові. Для якісних  характеристик рельєфу, наприклад  його генезису, використовується спосіб якісного фону. Здавалося б, справа обмежується конкретним застосуванням  розглянутих способів зображення. Проте  часто ставлять особливе завдання - досягнення зорового ефекту об'ємності, глибини плоского зображення, коли при погляді на карту у читача виникає наочне уявлення про форми  і розчленування рельєфу [10].

До традиційних методів створення  тривимірних моделей рельєфу  можна віднести:

Блок-діаграмою називається перспективне зображення рельєфу в межах деякого блоку,який наче вирізаний з тіла Землі. Виходить фігура, близька до паралелепіпеда, на якій верхня площина замінена рельєфним зображенням місцевості. Зображення блок-діаграми будується на площині в аксонометричній (паралельній) проекції або центральній проекції. Основою для її побудови служить топографічна або інша карта з горизонталями або ізобатами. При побудові блок - діаграми в центральній перспективі вибирається головна крапка, кілометрова сітка топографічної карти або сітка профільних ліній трансформується в перспективне зображення. Потім проводяться профільні лінії, по яких малюється зображення земної поверхні. Блок-діаграма, побудована з однієї точки перспективи, володіє змінним масштабом. Це робить зображення  природнішим для спостереження, але ускладнює побудову, а також вимірювання по зображенню [11].

З геометричної оптики відомо, що об'ємне відчуття виникає в результаті стереоефекту при розгляді двох плоских перспективних зображень – стереопари. Якщо кожне око бачить тільки один з компонентів стереопари, вона сприймається в єдиному, суміщеному образі як просторове зображення.

Зазвичай стереопари готують за допомогою фотографування натуральних  об'єктів з двох точок зору, наприклад  шляхом аерозйомки земної поверхні або  фотографування рельєфних моделей  місцевості – останнє для стереоефекту відмивки. Глибинне відчуття горизонталей виходить, коли одним малюнком слугує сама карта, іншим – її копія, що виконується з послідовним зсувом горизонталей і контурів.

Якість стереоефекту або стереосприймання оцінюється такими критеріями, як правильність і повнота сприйняття форм, швидкість  відтворення стереоефекту і ін. Повним стереоскопічним сприйняттям стереомоделі, є таке, яке нічим не відрізняється  від безпосереднього бачення  об'ємної моделі. Такий ефект досягається, коли зображення безперервне, як наприклад, аерофотографія. Реальне сприйняття стереомоделі рельєфу залежить від кількості ізоліній, що одночасно знаходяться у полі зору спостерігача. Чим частіше проведені горизонталі і чим чіткіші їх контура, тим простіше сприймається рельєф стереоскопічно. Якщо ж горизонталі проведені рідко, їх може бути недостатньо, щоб при стереоскопічному розгляді виникло враження про рельєф, як безперервну поверхню.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ЦИФРОВІ МОДЕЛІ РЕЛЬЄФУ

 

2.1 Цифрові моделі рельєфу, загальні відомості.

 

Однією з істотних переваг технологій географічних інформаційних систем (ГІС) над звичайними традиційними картографічними методами досліджень є можливість створення просторових моделей у трьох вимірах. Основними координатами в таких ГІСмоделях крім широти і довготи служать також дані про висоту. При цьому система може оперувати з десятками і сотнями тисяч висотних відміток, а не з одиницями і десятками, що було можливо при використанні методів традиційної картографії. У зв'язку з доступністю швидкої комп'ютерної обробки величезних масивів висотних даних стає реальним створення максимально наближеної до дійсності цифрової моделі рельєфу (ЦМР). На основі ЦМР, у свою чергу, можливе швидке створення серії тематичних карт найважливіших морфометричних показників: гіпсометричної карти, карт крутизни та експозицій схилів, а на їх основі і карт ерозійної небезпеки, напрямків поверхневого стоку, геохімічної міграції елементів, стійкості ландшафтів і т.п. [21]

Під цифровою моделлю рельєфу – ЦМР (в англомовній науковій літературі – Digital Elevation Model(DEM), інколи – Digital Terrain Model (DTM), хоча останній термін не є точним, оскільки його дослівним перекладом з англійської мови є термін «цифрова модель місцевості») – у геоінформатиці звичайно розуміють цифрове подання топографічної поверхні у вигляді регулярної мережі клітинок заданого розміру (GRID DEM) або нерегулярної трикутної мережі (TIN DEM). Ці дві форми подання ЦМР є в наш час взаємно конвертованими і мають практично однакові можливості щодо подання і аналізу рельєфу [4].

Відомо, що в геоморфології і  картографії існують дещо інші підходи  до трактування цього поняття. У  коло визначення ЦМР згідно з цими підходами звичайно входять форма  задания вихідних даних і спосіб обчислення значень поля в заданих  точках. Так, О.В. Поздняков і І.Г. Черваньов (1990) цифровою моделлю рельєфу називають модель, утворену дискретним масивом чисел, що описує просторове положення характерних точок каркасних ліній (тальвегів і вододілів) одного порядку. У картографії під ЦМР будь - якого географічного поля, у тому числі й рельєфу, розуміють певну форму подання вихідних даних і спосіб їх структурного опису. Це дозволяє обчислювати (відновлювати) значення поля в заданій області шляхом інтерполяції чи екстраполяції.

З погляду на аналіз територіальних природних або природно-господарських  комплексів і вирішення прикладних завдань, пов'язаних з навколишнім середовищем, засобами ГІСтехнологій, кращим є перше визначення. Воно трактує ЦМР як один із шарів інформаційного блока ГІС, що містить цифрову інформацію про відмітки топографічної поверхні у вигляді растра або TINмоделі. У цьому випадку форма представлення вихідних даних про рельєф і спосіб відновлення значень топографічної поверхні по клітинках растра заданого розміру з використанням методів інтерполяції й екстраполяції складають основу її побудови [12].

Перші експерименти по створенню ЦМР  відбувались ще на початкових етапах розвитку геоінформатики та автоматизованої  картографії першої половини 60-х  років XX ст. З тих пір розроблені методи та алгоритми вирішення різних завдань, створені програмні засоби моделювання, великі, в тому числі національні та глобальні, масиви даних про рельєф, накопичений досвід вирішення з їх допомогою наукових і прикладних задач [1].

Незважаючи на уявну простоту модельованого об'єкта – рельєфу, який на перший погляд, добре описується математично як поверхня або поле, практика пропонує безліч способів і технологій створення ЦМР. 
Велика кількість джерел вихідних даних про рельєф викликана, у свою чергу, різноманіттям способів отримання і організації первинних вимірювальних відомостей та їх похідних. Серед них геодезичні роботи та топографічна зйомка місцевості, стереофотограмметрична обробка фототеодолітних, аеро- і космічних знімків, промірні роботи та ехолокація підводного рельєфу акваторій океанів і внутрішніх водойм, радіолокаційна зйомка рельєфу льодовикового ложа і небесних тіл. Різноманітні і вторинні джерела відомостей про рельєф, наприклад топографічні карти і плани [4].

Зокрема, потрібно зазначити, що дані дистанційного зондування Землі як інформаційного забезпечення ЦМР постійно зростає.  Цьому сприяють технологічні та технічні причини:

• зростання просторової роздільної здатності систем сканерної зйомки (наприклад, космічні знімки Quick Bird II мають дозвіл 61 см);
• широке розповсюдження недорогих і доступних цифрових фотограмметричних станцій, у тому числі на платформі персональних комп'ютерів;
• поява принципово відмінного від стереофотограмметричного методу екстракції висот – інтерферометрії.

Аерофотознімки  широко використовуються для контролю якості ЦМР. 
З їх відносно великомасштабної стереомоделі беруться контрольні точки зі значеннями висотних відміток, точність яких  набагато вище, ніж в моделі яка створюється.

Процедури екстракції висот з даних ДЗЗ мають певні недоліки. В умовах щільної міської забудови або високої лісистості території одержана ЦМР буде в основному відображати геометрію будівель і споруд або пологу лісу і вимагатиме втручання оператора в автоматизований процес її побудови. 

Крім  фотограмметрії дані дистанційного зондування широко використовуються при створенні систем віртуальної реальності для 
«обтягування» (драпірування) тривимірних моделей рельєфу з метою придання «реалістичності» моделі. При використанні різночасових даних дистанційного зондування такі моделі дуже показові при вивченні динаміки геосистем. 
         Просторова організація вихідних даних про рельєф як безлічі опорних точок моделі (точок з відомими висотними відмітками) також різна. Їх розподіл може бути регулярним, структурним і хаотичним. З урахуванням технології отримання та передобробки (характеру фотограмметричної обробки стереомоделей і технології цифрування карт) можна виділити такі системи висотних відміток рельєфу:

1. нерегулярно розташованих точок;
2. нерегулярно розташованих точок, положення яких пов'язано зі структурою рельєфу (структурні лінії поля);
3. точок, регулярно розташованих уздовж ліній, слабко пов'язаних зі структурою рельєфу (на ізолінія або профілях, наприклад галс попутного проміру);
4. регулярно розташованих точок (прямокутні, трикутні або шестикутні регулярні мережі) [12].

При цифровому моделювання рельєфу  виділяють наступні технологічні етапи:

1. створення вихідного масиву даних;
2. перетворення вихідного масиву вимірів для цілей вирішення конкретної задачі та створення моделі рельєфу;
3. візуалізація моделі рельєфу за допомогою засобів комп'ютерної графіки;
4. інтерпретація цифрової моделі рельєфу для отримання практичного результату;
5. застосування цифрової моделі рельєфу для вирішення прикладних завдань [14].

ЦМР складається  з двох категорій даних: геометричної та семантичної.

Геометричні дані містять інформацію про просторове положення поверхні, що моделюється  і, як правило, можуть бути представлені у вигляді функції двох змінних:

z = F (x, y), (1)

де z - позначка точки; x і y - північна і східна координати.

Семантичні  дані характеризують приналежність  точок поверхні до різних типів топографічних  об’єктів (поле, луг, дорога, річка і  т.д.). Ці дані мають вигляд спеціальних  семантичних кодів, які приписуються дискретним елементам цифрової моделі.

Вихідними даними для побудови ЦМР є знімальні  точки. Кожна точка повинна бути задана, як мінімум, п’ятьма параметрами:

• номером точки;
• північною координатою x;
• східною координатою y;
• відміткою z;
• семантичним кодом.

Точки можуть бути отримані як безпосередньо від  дослідників, так і за допомогою  оцифровки відсканованих зображень. Чим більше точок на одиницю площі, тим краще цифрова модель описує реальну поверхню.

У першому  випадку здобуття точок для побудови цифрових моделей рельєфу слід віддати  належне топографічному зніманню. І  хоча сьогодні принцип нівелювання  залишився незмінним, геодезичні роботи більше не зупиняються просто на визначенні відміток точок. Сьогоднішні вимоги до геодезичних інструментів визначають нівелір як комплексну ергономічну  вимірювальну систему, яка не тільки є повністю автоматизованою системою для збору та обробки даних  у цифровому вигляді, а й забезпечує виняткову ефективність виконання  робіт при використанні найсучасніших  технологій. Відомі цифрові моделі рельєфу, що широко використовуються на практиці, поділяються на три групи: регулярні, структурні та нерегулярні.

У регулярних (GRID DEM) моделях точки з відомими просторовими координатами розташовуються в вершинах сітки або квадратів, або прямокутників, або рівносторонніх трикутників. Існують також цифрові моделі у вигляді системи поперечних профілів, проведених через певні відстані уздовж заданої лінії (наприклад, осі траси). За регулярним моделям висотне положення в будь-якій точці місцевості, як правило, визначається лінійною інтерполяцією висот всередині заданого квадрата або прямокутника. Основними недоліками таких моделей є неефективне розташування точок, так як не на всіх ділянках потрібно однакова щільність сітки, і підвищені трудовитрати при розбитті вузлових точок на місцевості. Регулярні моделі знаходять застосування в тих випадках, коли потрібна підвищена точність зйомки, наприклад, при проектуванні аеродромів. Геоінформаційний ресурс Golden Software Surfer 10 належить саме до цього типу подання моделей рельєфу.

У структурних  цифрових моделях точки з відомими просторовими координатами розташовуються на структурних лініях рельєфу, місцях зміни кутів нахилу схилів, на характерних  лініях дороги, урізу річок. Зміна  позначок вздовж структурної лінії  описується поліноміальною залежністю. У порівнянні з регулярною структурна цифрова модель вимагає меншу  щільність вихідних точок і при  лінійної інтерполяції є досить ефективною для опису поверхні міських доріг.

У нерегулярних цифрових моделях рельєфу (Triangulated Irregular Network) точки можуть розташовуватися без будь-якої системи, але з заданої щільністю. Основою цифрової моделі рельєфу цього типу є сукупність сполучених між собою плоских трикутних граней із заданими висотами  у вершині кожного з них. Ці моделі є найбільш універсальними і отримали в даний час найбільш широке поширення [10].

Цифрові моделі рельєфу є основою розв’язання засобами ГІСтехнологій досить широкого спектра завдань, основними серед яких є:

- візуалізації  рельєфу у двовимірному і тривимірному  зображенні;

- визначення  морфометричних характеристик рельєфу;

- побудови  карт нахилів й експозицій  схилів;

- побудови  карт поздовжньої і поперечної  кривизни схилів;

- обчислення  і візуалізації зон видимості  і невидимості для однієї або  системи точок;

- розрахунки  об'ємів щодо заданого висотного  рівня;

- побудови  профілів;

- побудови  карт ліній течії;

- виділення  структурних ліній рельєфу, у  тому числі ліній ерозійної  мережі, вододілів, оконтурування  водозборів [12].