Рельєф як об’єкт картографування

Банки даних для картографічних цілей є інформаційною системою централізованого збереження й колективного використання потрібних для створення карт відомостей у цифровому вигляді.

База даних включає два типи інформації: просторову (графічну) та описову (атрибутивну). Вони зберігаються в комп'ютерному середовищі у вигляді набору файлів, які відповідають за просторову або описову інформацію про об'єкти карти.

Підсистема обробки інформації складається з самого комп’ютера, системи управління і програмного забезпечення. Створені сотні різноманітних спеціалізованих програм (пакетів програм), які дозволяють вибирати потрібну проекцію, прийоми генералізації і способи зображення, будувати карти, суміщати їх одна з одною, візуалізувати і виводити на друк. Програмні комплекси спроможні виконувати і більш складні роботи: проводити аналіз території, дешифрувати знімки і класифікувати картографовані об’єкти, моделювати процеси, співставляти, оцінювати альтернативні варіанти і вибирати оптимальний шлях вирішення. А сучасні інтелектуальні програми моделюють навіть деякі процеси людського мислення.

Більша  частина підсистем обробки інформації працює в діалоговому (інтерактивному) режимі, в ході якого йде безпосередній двосторонній обмін інформацією між картографом і комп’ютером.

Підсистема виводу (видачі) інформації – комплекс пристроїв для візуалізації обробленої інформації в картографічній формі. Це екрани (дисплеї), друкуючі пристрої (принтери),креслярські автомати (плотери) та ін. За їх допомогою швидко виводять результати картографування в тій формі, яка зручна користувачу. Це можуть бути не тільки карти, а і тексти, графіки, тривимірні моделі, таблиці, але якщо мова йде про просторову інформацію, частіше вона дається в картографічній формі [2].

Всі підсистеми, що входять в автоматичні картографічні системи, входять також і в ГІС. В склад картографічної ГІС виробничого призначення включають і підсистему видання, яка дозволяє виготовляти друкарські форми і друкувати карти. Якщо тиражі невеликі, то використовують настільні картографічні видавничі системи [6].

Існують різні технологічні схеми комп'ютерного створення карт залежно від наявного складу технічних засобів, потрібних для виконання всіх етапів роботи, та інших умов. Одна з них – створення карти за даними ГІС. Складнішою є схема, за якою потрібно формувати базу даних. Спрощений її варіант виглядає так:

• цифрування картографічних джерел (просторових даних) і створення картографічної бази даних (вихідної інформації);
• обробка й перетворення вихідної інформації комп'ютерними засобами;
• графічне відтворення обробленої інформації та побудова карт (атласів);
• тиражування картографічних творів [19].

Цифрування  потрібних джерел зручно здійснювати  шляхом сканування. Результатом є  растрове зображення просторових даних  у вигляді прямокутної матриці, кожному пікселу якої надається певне значення.

 Існують  такі типи обробки й перетворення вихідної інформації:

• попередня обробка цифрових даних для перетворення їх у форму, потрібну для створення нових карт;
• відбір та узгодження просторової інформації (за площею, довжиною);
• зміна системи координат чи масштабу;
• відбір та узгодження атрибутивної інформації (напр., залишити автошляхи тільки європейського значення);
• побудова координатних сіток, трансформація картографічних проекцій;
• підрахунки, пов'язані з локалізацією цифрової інформації у певних точках, лініях чи одиницях територіального поділу;
• вимірювальні операції, включаючи обчислення довжин відрізків прямих і кривих ліній, обчислення площ, периметрів, характеристик форм об'єктів;
• одержання нових показників об'єктів, що картографуються (напр., визначення статистичних та оціночних показників);
• аналіз поверхні (моделей рельєфу), включаючи обчислення кутів нахилу та експозиції схилів, інтерполяцію висот, визначення зон видимості-невидимості, побудова горизонталей, накладення тематичних шарів на тривимірне зображення, створення профілів поперечних перерізів, обчислення об'ємів. Обсяг обробки й кількість типів її перетворення залежать від змісту карти, що створюється [2].

Графічне  відтворення обробленої інформації, а потім і побудова карт відбувається спочатку шляхом переведення растрового зображення у векторне, яке наближене до традиційного графічного зображення паперових карт і може бути візуалізоване на моніторі комп'ютера. Отриману екранну карту можна редагувати й коригувати, вносячи до неї потрібні уточнення й виправлення.

При комп’ютерному  складанні попередньо відскановану географічну основу виводять на екран  в укрупненому масштабі, на неї накладають тематичну інформацію з інших картографічних джерел шляхом масштабування, проектування чи ручної перерисовки. Цифрову інформацію (наприклад, статистичні дані) викликають з баз даних чи вводять безпосередньо з клавіатури. Всі елементи змісту дають зразу в прийнятій легенді. Одночасно на карті розміщують написи, слідкуючи за тим, щоби вони добре відповідали елементам змісту [17].

Використання  цифрових карт забезпечує одержання  точнішої та єдиної основи для створення  цілої низки картографічних творів на одну й ту саму територію. При використанні ГІС-технологій автоматизована генералізація контурів (берегової лінії, гідрографії та інших лінійних об'єктів), за умови вдало підібраного алгоритму, майже не потребує ручного редагування.

Кінцевим  етапом опрацювання інформації ГІС-пакетами є формування типової основи сторінки в атласі чи окремої карти. Отримана типова основа шляхом експорту в DXF-формат підлягає оформленню з використанням функцій видавничих графічних програм. Векторне зображення формату DXF коректно імпортується в програми векторної графіки, при цьому зберігається пошарове представлення даних.

В межах  ГІС-продуктів практично неможливо  виконати всі вимоги до видавничого оригіналу, тому створені електронні карти конвертуються у графічні формати для  роботи у більш гнучких до графічних робіт програмах і подальшої підготовки до видання.

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

З того самого моменту, як з'явилися перші карти, перед картографами постала проблема, як відобразити тривимірний рельєф на двомірній карті. Використовувались горизонталі (лінії рівних висот), на картах давалася відмивка (штриховка) рельєфу, різні висоти рельєфу місцевості виділялися забарвленням з різною тональністю. Але й сьогодні розвиток картографії не стоїть на місці і, з розвитком комп'ютерної техніки, з'являються нові можливості представлення рельєфу місцевості. Все більшу популярність набуває тривимірна візуалізація моделі рельєфу, тому що вона дозволяє навіть професійно непідготовленим людям, отримати досить повне уявлення про рельєф. Сучасні технології тривимірної візуалізації дозволяють «поглянути на рельєф місцевості з будь-якої точки простору під будь–яким кутом, « політати » над місцевістю, проводити аналіз та вивчення рельєфу, виконання різноманітних інженерних завдань [3].

Один з найбільш динамічних напрямів використання ЦМР – це тривимірне моделювання. Адже на відміну від двовимірної карти, тривимірні моделі рельєфу дозволяють чітко побачити на власні очі і 
візуально оцінити форму та «пластику» рельєфу, межі геоморфологічних одиниць, особливості будови річкового русла та інше.

Для більшої «реалістичності» тривимірних моделей часто використовують драпіровку їх векторними об'єктами, топографічними картами і  аерокосмічними знімками [Дод. А].

Подальший розвиток тривимірного моделювання та анімаційних 
технологій привів до створення віртуальних геозображень, які поєднують в собі властивості карти, перспективного знімка, блок-діаграми та компю’терної анімації. 

  У машинній графіці візуалізація віртуальної реальності передбачає, перш за все, застосування ефектів тривимірності і анімації. Саме вони створюють ілюзію присутності в реальному просторі та можливості інтерактивної взаємодії з ним.

Програмне забезпечення Golden Software Surfer – засіб для моделювання і аналізу поверхонь, візуалізації ландшафту, розробки тривимірних карт і багато чого іншого. Потужні інтерполяційні функції програми перетворюють розрізнені дані в чудові поверхні високої якості. Surfer відрізняється багатим розмаїттям створюваних карт: карт ізоліній, векторів, вихідних даних, затіненого рельєфу та інших.

Для створення та візуалізації віртуальної моделі місцевості (ВММ) 
з досить високим ступенем реалістичності потрібне застосування 
програм, здатних обробляти тривимірні об'єкти, драпіровані 
(«обтягнуті») текстурою (растровими картами або знімками). Всі існуючі програми, які надають подібні можливості, можуть бути розділені на кілька типів:

1. CAD-пакети, призначені для креслення або проектування 
(не для картографії), що містять вбудовані функції для візуалізуєтьсяції тривимірних об'єктів;

2. Програми для створення 3D графіки і відеоефектів;

3. Картографічні програми (ГІСпакети).

CAD-пакети (AutoCAD, Microstation і т.п.), як правило, не дають змоги створювати повноцінні ВММ в силу того, що вони просто не призначені для цього, однак при необхідності в них можна створити тривиміру 
модель рельєфу, драпіровану текстурою, а також додати на модель додаткові об'єкти (будинки, споруди). Пакети дозволяють візуалізувати модель з будь-якого ракурсу або обертати її перед спостерігачем.

На відміну від пакетів систем автоматизованого проектування, 
програми для створення тривимірної графіки і відео (такі, як 3DStudio 
MAX) не настільки обмежені у функціях. У цих пакетах можна 
створити будь-яку, близьку до дійсності модель місцевості, незважаючи на те, що програми цього типу не призначені для виконання картографічних функцій (не підтримується прив'язка растрів, картографічні проекції, пошарове подання данних, бази даних тощо). До основних недоліків цих пакетів можна віднести неможливість обльоту місцевості в реальному часі, тому що прорахунок кожного кадру може займати від декількох секунд до декількох годин. Також важким є створення великих детальних моделей місцевості (модель, яка відповідає за розмірами і детальності середньому 
листу карти масштабу 1:200 000, є дуже великою моделлю). Проте якість графіки, яку можна одержати в результаті моделювання в таких програмах є дуже високо.

Серед програмного забезпечення ГІС, що дозволяє створювати 
ВММ, слід зазначити програму Virtual GIS, що входить до складу повнофункціонального комплексу ERDAS Imagine (Leica Geosystems), MultiGen, а також модуль 3D Analyst ГІС-пакету ArcGIS (ESRI). Дані па- 
кети дозволяють текстурувати поверхні, наносити додаткові 
об'єкти, проводити прорахунок сцени в реальному часі, підтримують 
картографічні системи координат і проекції. Із згаданих програм найбільш багаті можливості має MultiGen, проте обрахування 
великих складних сцен в даній програмі утруднений. Можливостей Virtual GIS менше, проте на сьогоднішній момент ця програма дозволяє створювати найбільш великі ВММ високої роздільної здатності, обраховуючи їх у реальному часі і з гарною якістю. В даний час переважна кількість моделей будується в загальноземних прямокутних системах координат (наприклад, Гауса – Крюгера), що полегшує додавання в модель нових даних. Однак 
побудова моделі в цьому випадку вимагає прив'язки всіх даних що використовуються в роботі. Для реалістичного уявлення місцевості сучасна віртуальна модель повинна містити наступну інформацію:

• дані про рельєф (ЦМР);
• растрові зображення земної поверхні (скановані карти або знімки);
• векторні дані;
• підписи;
• тривимірні об'єкти спеціального призначення (складні моделі,
• імпортовані з інших програм для створення тривимірної графіки);
• додаткові растрові зображення або анімації.

Однією з найбільш важливих складових ВММ є ЦМР. Ступінь відповідності і деталізації віртуальної моделі реальної місцевості в основному залежить від точності передачі рельєфу земної поверхні. Чим точніша і детальніша модель рельєфу, тим більш реалістична модель. Однак на візуалізацію тривимірних сцен на обрахунок ЦМР може використовуватись від 50 до 98% обчислювальних потужностей комп'ютера, і тому зайва детальність при передачі земної поверхні недоцільна [13].

Ступінь детальності рельєфу залежить від цілей і можливостей ство- 
давця ВММ. Однак потрібно відзначити, що місцевість можна впізнати  тільки при використанні даних масштабу 1:200 000 і крупніших. Моделі, побудовані за даними більш дрібного масштабу, добре передають структуру хребтів в гірських районах, однак впізнаються ці хребти тільки при огляді їх з великих висот – у кілька разів вище самих хребтів. Більш великий крок сітки призводить до втрати «впізаваності», дрібніший – до зайвої трати машинних ресурсів без необхідності [3].