Что такое цифровое моделирование рельефа и его виды: создание 3D модели местности

Исследовать каждый сантиметр заданной территории невозможно. Поэтому исследователям приходится интерполировать значения неизведанного пространства по соседствующим дискретным данным, координатам. Для таких целей и требуется цифровое моделирование рельефа местности. Это позволяет предоставить гипотетические сведения о том или ином участке поверхности, его геопространственных координатах, характеристиках и возможных реакциях на то или иное воздействие.

Такой инструмент необходим не только геологам и географам, но и строителям, архитекторам. Без точных сведений о рельефе на участке строительства невозможно начать проектирование.

Обычно такая подготовительная работа поручается специалистам, которые затем передают данные в другие руки.

Трехмерные 3D цифровые модели рельефа и местности (ЦМР и ЦММ): что это такое

Англоязычный термин – Digital Elevation Model (DEM) или Digital Terrain Model (DTM). Моделирование представляет собой создание растрового образца или топографической карты местности, выполненной в виде мелких ячеек – сети. Она образована массой дискретных чисел, координат, которые определяют местонахождение важных объектов, в том числе рек, возвышенностей и пр.

Такой метод используется в картографии. Он позволяет восстанавливать порядок чисел на тех участках, которые не были досконально исследованы. Это делается с помощью двух процедур:

• интерполирование – величины ищутся по уже известным показателям;

• экстраполирование – значение находится не в заданном интервале, а в определенной точке.

Во втором случае применяется также формула, которая обуславливает построение цифровой модели рельефа (ЦМР) и местности (ЦММ).

Для работы с такими растрами используется технология ГИС. Это требуется как для природно-охранительных мероприятий, так и для сельскохозяйственных нужд. Кроме того, с появлением и развитием электронных онлайн-карт, навигаторов, способами DEM заполняются неизведанные пустоты на территории.

Топографическая информация об уже известных точках получается путем исследований на местности, а также благодаря спутникам. На участке проводятся следующие инженерные изыскания:

• геодезические;

• гидрометеорологические;

• геологические;

• экологические;

• геотехнические;

• геофизические.

Все они проводятся с занесением всех данных в предпроектную документацию. Исследователи-геодезисты предпочитают использовать для работы компьютерную программу Geonium. Она автоматизирует все изыскательные работы, делает выпуск всех чертежей в соответствии с регулярно обновляющимися нормами. Софт содержит 6 модулей, которые в комплексе позволяют создать подробную топографическую карту с нанесением сечений, размеров.

Цифровая модель рельефа местности представляет собой результат сложения всех работ на местности и дистанционного зондирования. Он их достоверности зависит правильность выстраиваемого объекта.

Расположение точек на сетке

Модель обычно представлена в двух или трех координатах. Классические карты содержат только две линии, они определяются соответственно по функциям: Z=f(X, Y), где координаты X, Y – это горизонтальное и вертикальное расположение единиц. Им характерны различные значения, их может быть настолько много, насколько качественно проведены исследования – температура в различные периоды, влажность, давление, расположение над уровнем моря, почвенные показатели, уровень грунтовых вод и многое другое.

Когда появляется третья величина, говорят о создании объемной цифровой модели местности – 3D ЦММ. Такое моделирование можно проводить исключительно на компьютерной платформе, которая поддерживает трехмерное проектирование, например, ZWCAD.

Расположение координат зависит от способа получения данных – более подробные и менее. Как могут располагаться точки:

• Регулярно, часто на квадратных, треугольных или шестиугольных ячейках – если были проведены исследования с помощью тахеометрической съемки или нивелирования.

• Линейно, когда значения могут распределяться по одной прямой – если были проведены картометрические изыскания.

• Разбросано (изолинейно). Такие узоры получаются при особенностях рельефа.

В зависимости от этого используются такие типы интерполяции цифровых моделей рельефа:

• кусочная полиномиальная;

• сплайновая;

• способ порций Кунса;

• применение ортогональных и неортогональных полиномов, рядов Фурье;

• скользящее взвешенное осреднение и пр.

Подробность и адекватность результатов зависят не только от способа построения формул, но и от размера ячеек. Если берутся крупные шестигранники или четырехугольники, то вероятность достоверности минимальна.

Если есть возможности укрупнить изображение и взять за единицу минимальный отрезок, то точность ЦМР повысится. Но для сверки обычно используют реальный взгляд на топографию местности.

Виды структур для представления поверхности цифровой модели рельефа местности

TIN

TriangulatedIrregularNetwork – это неровность, которая состоит из непрерывающих связь треугольников. Так ребро каждого элемента – это часть соседствующей фигуры. Вершины каждого пазла – точки координат с известным значением. Они соединяются не линейно, а по принципу триангуляции Делоне. Для этого через вершины проходят окружности, а ребра ставятся по соответствующим точкам пересекающихся кругов.

Минусом является возможная погрешность из-за неполных данных. Но несомненный плюс такой модели в том, что исследования не содержат изменений исходных значений. Также это самый быстрый способ интерполирования. Раньше все ГИС работали по такому принципу, сейчас более популярным становится следующий.

GRID

Дословный перевод с английского – сетка. Она действительно представляет собой сеть со значением высот. Матрица преобразует, интерполирует исходные значения, заполняя полученными результатами ячейки. Особенность системы в том, что показатели могут бесконечно преобразовываться и уточняться, в зависимости от приближения.

Выбор интервала между точками зависит от местности. На территории с низким уровнем пересеченности (равнины) работа с цифровой моделью рельефа имеет укрупненный шаг. В то время как для показателя неровности – холмы,овраги, водоемы – используются частотные полосы с минимальным отступом координат друг от друга.

TGRID

Triangulatedgrid – сетка сочетает принципы двух предыдущих программ. Основное преимущество в том, что такая технология идеально подходит для описания сложных топографических карт, мест с трудным рельефом. Математические вычисления помогают предугадывать, на первый взгляд неожиданные, изменения поверхности, такие как валуны и небольшие впадины. Используется не один, а несколько методов интерполяции:

• линейная;

• метод обратных взвешенных расстояний;

• кригинг;

• сплайнинтерполяция;

• трендинтерполяция.

Так, кроме формул и закономерностей, появляются статистические данные, которые учитывают возможность непредвиденного появления неровностей.

Этапы создания цифровой модели рельефа по данным топографических карт

В электронные системы ГИС до настоящего момента еще заносят данные, которые представлены в многообразных топографических картотеках. Это делается следующим образом:

• Сканирование. При этом процессе должно учитываться оптимальное разрешение. Оно определяется исходя из нужд ЦММ. Слишком детальная информация может не пригодиться, зато основа будет долго загружаться, а ее проработка потребует длительного времени.

• Стыковка и наложение. Этот этап позволяет склеить все элементы будущей модели, сделать швы незаметными, дополнить имеющиеся погрешности в данных, например, если на одном источнике не было что-либо отмечено, а на втором было.

• Векторизация. Чтобы отметить горизонтальные линии, необходимо программное обеспечение, которое сделает это в автоматическом режиме. Если самостоятельно, вручную к этому приступать, то потребуется много времени.

• Интерполяция растрового изображения по одному из выше представленных методов. Этот момент и делает из электронной карты полноценную ЦМР.

• Объемная визуализация. Если цифровая модель рельефа загружена в ГИС, то с этим не будет проблем. Работать с ней будет удобно во многих САПР, в том числе в ZWCAD. Программа поддерживает большинство форматов. Если создание ЦММ было необходимо для последующего проектирования, то можно сразу пользоваться программными продуктами от «ЗВСОФТ».

Для чего нужно создание модели местности – область применения

В совокупности значений такая технология необходима для детального изучения рельефа на любой территории. Его можно познавать как на плоскости, так и в объеме. Кроме того, при желании можно спрогнозировать разрез почвы, определить уровень грунтовых вод и прочее. Так что, правильнее всего будет сказать, что ЦММ необходимы для изучения местности буквально вдоль и поперек. Такими широкими возможностями пользуются во многих отраслях:

• В целях картографирования. Это направление положило истоки оцифровки данных, а также дало множество исходного материала. Теперь уже оно само пользуется возможностями топографических моделей.

• Ландшафтный дизайн. Для обустройства обширной местности потребуется узнать обо всех особенностях грунта и рельефа – где будет скапливаться вода, в каком месте лучше посадить растения.

• Проектирование зданий и сооружений. Эта цель сейчас одна из основных, которые обслуживают ЦММ. Растровые изображения переносятся в системы CAD, а могут там и создаваться. На такой подложке создаются модели будущих строений. Учитываются не только координаты тех или иных точек, но и характеристики строительной площадки.

• Строение автомобильных дорог, магистралей и развязок. Перед тем как приступить к ремонтным работам, а тем более до начала масштабного строительства, необходимо подробно изучить ту основу, на которой будет стоять дорога. Исследуется не только рельеф, но и уровень возможной просадки, нахождение грунтовых вод, которые могут размыть основания и пр.

• Природоохранительные задачи. Особые точки на сетке ставятся в тех местах, где располагаются водоемы. Когда перед глазами сотрудника растровая картинка, намного легче ориентироваться на местности, отмечать все достопримечательные или особые места.

• Научные изыскания: биологи, экологи, географы, геологи и многие другие ученые в качестве исследований выбирают ЦММ.

• Бытовое использование цифрового моделирования в ГИС – электронные карты, навигаторы. Без карты в гаджете многие пользователи не смогут ориентироваться в городе, не говоря уже о незнакомых местах.

• Военное дело и мореплавание.

SRTM – новый способ получения данных

Все большее распространение получает применение сведений с радарной топографической съемки, она же – Shuttle radar topographic mission. Информация ведется с двух шаттлов, которые вращаются вокруг Земли. Вся планета полностью, кроме океанов и самых крайних (южных и северных) широт заснята радиолокационными сенсорами.

Данных имеют некоторый срок давности, они предложены в открытом доступе с 2005 года. Вся сеть имеет трехсекундный шаг, они как раз и берутся в качестве точек для построения ЦММ. Только на территории Америки шаг составляет – 1 секунду, это обусловлено тем, что шаттл и вся программа принадлежат США.

Программное обеспечение для работы с моделями

Компания ZWSOFT разрабатывает и реализует программные продукты, которые позволяют работать с геопространственной информацией как в двухмерном, так и в трехмерном пространстве.

Представим некоторые программы.

ZWCAD 2018 Professional – базовый САПР, то есть система автоматизированного проектирования. Применяется специалистами во множестве областях. Активно используется для проектирования и моделирования зданий и сооружений, а также участка. Для этого необходимы данные о рельефе и грунте. Преимущества софта:

• проектирование в 2D и 3D;

• объемная визуализация;

• работа со множеством графических и текстовых форматов;

• удобная интеграция со сторонними программами;

• доступная стоимость и понятная система лицензирования;

• удобный, русскоязычный интерфейс.

ПО имеет также дополнительные надстройки, которые увеличивают базовые функции:

• ИНЖКАД – система позволяет создать трехмерную ЦММ по двухмерной съемке объекта используя геодезическим маркерам-объектам векторной съемки, и далее работать со всеми инженерными системами на участке, проектировать подземные и поверхностные работы.

• Geonium – софт для проектных изысканий, необходим для занесения всех данных и для формирования подробных таблиц. ЦММ строится путем импортирования геоточек, как из текстовых файлов, полученных из ПО геодезических приборов, так и полученных из векторных объектов на чертеже.

• FormZ Pro – профессиональная программа трехмерного проектирования для архитекторов и дизайнеров. Построение ЦММ происходит совмещением контурных линий рельефа и замкнутого контура, представляющего часть территории.

• Spatial Manager - программа, позволяющая импортировать и экспортировать данные из Google Earth, OpenStreetMap. Дает возможность автоматизации переноса сведений. Лицензия оплачивается единоразово и не требует продлений. Софт отличается простым и понятным интерфейсом.  

Создавайте цифровые модели рельефа вместе с «ЗВСОФТ».