Визуализация транспортных сетей

Напомним, что транспортная сеть состоит из узлов, рёбер и маршрутов (см. п. 2.4). При отображении объектов транспортной сети на карте можно использовать обычные визуализаторы, используемые для векторных данных. Однако в некоторых ГИС имеются специфичные способы визуализации для транспортных сетей. Например, на рис. 5.18 приведен пример улично-дорожной сети города. Видно, что дуги сети отображаются линиями со стрелками на концах, показывающими допустимые направления движения. Также видны маршруты общественного транспорта, которые представлены линиями со стрелками, идущими вдоль дороги.

В некоторых случаях информация о транспортной сети может отображаться иными способами, например, следующими:

1. Картограммы транспортных потоков (рис. 5.19). В этом визуализаторе дуги сети отображаются линиями одинакового цвета, но разной толщины, которая пропорциональна транспортному потоку на соответствующей дуге сети. Транспортным потоком может быть число автомобилей, проехавших по дороге за некоторое время (например, за час или сутки), количество пассажиров, перевезенных по указанной дуге, или что-то иное.

2. Межрайонные связи - это картограмма укрупненных транспортных потоков между транспортными районами. Между серединами транспортных районов проводятся линии, толщина которых делается пропорциональной величине обобщенного транспортного потока по всем дорогам между двумя районами (рис. 5.20).

 

 

Рис. 5.18. Фрагмент улично-дорожной сети города с маршрутами транспорта

 

 

 

Рис. 5.19. Пример визуализации транспортных потоков

 

Рис. 5.20. Пример визуализации межрайонных связей транспортных районов

Визуализация поверхностей

Поверхности в ГИС обычно представляются двумя способами - в виде регулярной или нерегулярной сети отсчетов, т.е. с помощью растровой или триангуляционной модели.

Существует несколько основных способов отображения поверхностей на карте:

1. Отображение цветами по высотам. Каждая точка на карте отображается цветом, который выбирается исходя из высоты соответствующей точки на поверхности (рис. 5.21, а).

2. Светотеневое отображение (способ «отмывки рельефа»). В этом способе каждая точка на карте отображается цветом так, чтобы создавался эффект «выпуклого» трехмерного изображения (рис. 5.21, б).

3. Отображение изолиниями. Этот способ является наиболее распространенным в традиционной («бумажной») картографии. В нем на карте отображается множество изолиний - линий одинаковой высоты, проводимых через разные высотные отметки с некоторым шагом (рис. 5.22, а).

4. Отображение изоконтурами. Изоконтуры - это области на карте, в которых высоты распределены в некотором диапазоне. По сути, изоконтуры - это области между смежными изолиниями. Данный способ отображения является компьютерным обобщением способа изолиний, позволяя в ряде случае более наглядно показать распределение высот на карте. При отображении изоконтуров на карте их часто раскрашиваются в зависимости от высот отдельных контуров (рис. 5.22, б).

 

 

(а) (б)

 

Рис. 5.21. Отображение модели рельефа цветами по высотам (а) и светотенями (б)

 

 

 

(а) (б)

 

Рис. 5.22. Отображение модели рельефа изолиниями (а) и изоконтурами (б)

5. Изображение изоклинами. Изоклины - это линии одинакового уклона на поверхности, построенные с определенным шагом. Уклон в данной точке поверхности измеряется как отклонение нормали к поверхности в этой точке от вертикали. Уклон может измеряться в градусах, однако наиболее часто он измеряется в процентах или промилле.

Величина уклона поверхности в процентах указывает, на сколько метров изменится высотная отметка на поверхности при перемещении вдоль поверхности на 100 м. Например, проценты используются для обозначения уклона на дорожных знаках. Так, значение уклона 5% означает перепад высот в 5 метров на 100 м дороги.

Аналогично измеряется величина уклона поверхности в промилле, только здесь за основу берется перемещение по поверхности на 1000 м. Например, уклон дороги в 20‰ означает перепад высот в 20 метров на 1000 м дороги.

В ГИС изоклины, как и изолинии, могут отображаться как отдельные линии (рис. 5.23, а), так и в виде замкнутых контуров (рис. 5.23, б).

 

 

(а) (б)

 

Рис. 5.23. Отображение модели рельефа изоклинами в виде линий (а) и контуров (б)

 

6. Отображение векторами уклонов. Этот способ визуализации обычно используется при работе в крупном масштабе, когда достаточно визуально определить направление и угол уклона поверхности. Обычно в центре каждой ячейки поверхности ставится стрелка, которая направлена в сторону наклона поверхности, а её длина показывает степень наклона: чем длиннее стрелка, тем больше уклон (рис. 5.24, а). Иногда вместо длины стрелки варьируется её толщина: чем толще стрелка, тем больше уклон.

 

(а) (б)

 

Рис. 5.24. Отображение модели рельефа векторами уклонов (а) и экспозициями склонов (б)

 

7. Отображение экспозициями склонов. Данный способ позволяет визуально определить, в какую сторону света наклонена поверхность. Обычно все стороны света делят на 8 частей секторами по 45° (север, юг, запад, восток, северо-запад, северо-восток, юго-запад и юго-восток), а затем для каждой ячейки модели поверхности определяют направление уклона поверхности и выбирают один из 8 цветов отображения (рис. 5.24, б).

Трехмерная визуализация в ГИС является дополнительным иллюстративным средством, позволяющим интерактивно осмотреть цифровую модель местности с эффектом присутствия.

Обычная ЦММ зачастую не несёт в себе достаточно информации для создания полноценного трехмерного изображения. Такая ЦММ, дополненная вспомогательными сведениями, называется виртуальной моделью местности (ВММ), иногда называемой также сценой.

 

Трехмерная визуализация

В настоящее время виртуальные модели местности отображаются на экране компьютера с помощью стандартных средств, имеющихся во всех современных компьютерах. Почти все современные компьютеры содержат в своём составе видеокарты, позволяющие работать в трехмерном режиме. Почти все операционные системы содержат программные библиотеки для трехмерной визуализации, среди которых наиболее известны OpenGL и DirectX. Использование той или иной программной библиотеки во многом накладывает определенные ограничения. В первую очередь, это ограничения по скорости, качеству и детальности визуализации.

Виртуальная модель местности состоит из следующих видов данных:

1. Модели рельефа (ЦМР) в виде регулярной или нерегулярной сети отсчетов. С точки зрения качества трехмерной визуализации наилучший результат обычно достигается с помощью нерегулярной (триангуляционной) модели рельефа, особенно при равном числе элементов ЦМР. Однако часто применяется и регулярная (растровая) модель, особенно для мелкомасштабных карт.

Следует знать, что скорость трехмерной визуализации (количество кадров, отрисовываемых ГИС за 1 секунду) модели рельефа обычно зависит только от числа элементов ЦМР, а потому выбор типа ЦМР обычно делается в пользу нерегулярной триангуляционной модели, несмотря на то, что файл нерегулярной модели занимает на диске существенно больше места, нежели файл аналогичной регулярной модели.

На рис. 5.25 приведен пример трехмерного изображения триангуляционной модели рельефа, а на рис. 5.26 - пример регулярной модели.

 

(а) (б)

 

(в)

Рис. 5.25. Трехмерное отображение триангуляционной модели рельефа
(а - триангуляция; б - триангуляционная модель рельефа; в - трехмерное отображение рельефа)

(а) (б)

Рис. 5.26. Трехмерное отображение регулярной модели рельефа (а - регулярная сеть; б -трехмерное отображение рельефа)

 

2. Растровые изображения земной поверхности. Это может быть космический или аэрофотоснимок, сканированное изображение карты, либо изображение двухмерной карты, автоматически сгенерированной обычными средствами ГИС. Такие растровые изображения накладываются (натягиваются) поверх модели рельефа методом текстурирования (рис. 5.27).

 

Рис. 5.27. Трехмерное изображение местности с натянутым на рельеф аэрофотоснимком и векторными данными (здания)

 

3. Векторные данные, которые путем выдавливания по вертикали приобретают объемный вид. Например, слой зданий, представленный в виде полигонов, путём выдавливания вверх на некоторую высоту (в зависимости от значений атрибутов) приобретает вид многогранников. Стороны этих зданий могут быть окрашены одним цветом, либо на них можно нанести текстуру (рис. 5.27).

4. Подписи объектов. Трехмерные подписи бывают двух видов: плоские и трехмерные. Плоские подписи рисуются поверх готового трехмерного изображения вблизи интересующих объектов. При этом недостатком является то, что такие плоские подписи могут взаимно перекрываться, не давая читать текст, и не всегда ясно, к какому объекту относится надпись.

Трехмерные подписи - это, по сути, полноценными трехмерными объектами, являющимися частью трехмерной сцены. Трехмерные подписи обычно подобны дорожным знакам, установленным в некоторых точках местности, но при этом они могут поворачиваться к зрителю. При необходимости можно приблизиться к этой подписи и рассмотреть её.

5. Трехмерные объекты специального назначения. Обычно эти объекты импортируются из других программ в виде готовых моделей, представленных в некотором стандартном формате, при этом наиболее часто используются форматы 3D Studio (файлы с расширением.3DS) и X-файлы (файлы с расширением.X). Таким способом можно, например, импортировать детальную трехмерную модель здания и установить её в некотором месте на карте, при этом здание появится в окне трехмерного вида.

Некоторые геоинформационные системы предоставляют возможности по автоматическому созданию трехмерных моделей некоторых стандартных видов объектов, включая здания (имеющие крыши со скатами), автомобили, самолёты, трубопроводы, дорожные знаки, ограждения, заборы, зеленые насаждения и пр. (рис. 5.28).

В настоящее время наиболее часто используются следующие способы просмотра виртуальных моделей местности:

1. Статический просмотр ВММ с определенной точки зрения. Данный способ наиболее прост и не требует больших мощностей компьютера.

2. Облет ВММ в реальном времени (в режиме самолёта). Этот способ позволяет наиболее полно визуально осмотреть местность. При этом, для обеспечения эффекта присутствия изображение должно пересчитываться в реальном времени со скоростью не менее 10-20 кадров в секунду. В этом режиме пользователь может передвигаться по трехмерной сцене, используя клавиатуру или мышь.

3. Объезд ВММ в реальном времени (в режиме автомобиля или пешехода). Данный способ, по сути, эквивалентен предыдущему, за исключением того, что в этом случае высота точки зрения над поверхностью фиксирована.

4. Заранее записанный видеофайл. Предыдущие два способа не всегда можно полноценно использовать из-за высоких требований к скорости работы видеокарты и компьютера в целом. Именно поэтому во многих трехмерных ГИС существует возможность создания видеоролика, показывающего изображение вдоль некоторой заранее заданной траектории полёта. ГИС просчитывает отдельные кадры изображения и сохраняет их в видеофайл, например, в формате AVI. После этого полученный видеоролик можно просматривать уже любыми средствами просмотра видеофильмов на обычных (не самых мощных) компьютерах.

 

Рис. 5.28. Трехмерное изображение местности с дорогой, зданиями,
путепроводом и зелеными насаждениями

 

Отметим, что большинство ГИС не позволяют работать с реальными большими ВММ в реальном режиме времени. Это обычно связано с техническими особенностями реализации ГИС, когда ВММ целиком загружается в оперативную и видеопамять.

В настоящее время средства работы с ВММ имеются во многих ГИС, однако их большинство имеют существенные ограничения. Среди множества решений для работы с ВММ можно отметить программный продукт SiteBuilder 3D (производитель MultiGen-Paradigm, США), с помощью которого можно создавать виртуальные модели местности с огромным количеством объектов и высокой степенью детализации. Этот продукт реализован как программная надстройка для ArcView GIS 3.2 и для ArcGIS 8.x/9.x.

SiteBuilder 3D по обычным (плоским) данным в ГИС самостоятельно создаёт необходимую ВММ с дополнительными структурами данных, позволяющими выполнять визуализацию трехмерных карт в реальном режиме времени. На рис. 5.29 приведён пример ВММ, построенного с помощью SiteBuilder 3D на основе карты в ArcView GIS 3.2. В левой части экрана показана исходная двумерная карта, в правой части - соответствующее трехмерное изображение. Для удобства навигации в пространстве в левой части экрана двумя линиями показывается угол обзора.

 

Рис. 5.29. Трехмерное изображение местности, построенное с помощью
программы SiteBuilder 3D в среде ArcView GIS 3.2

Картографические анимации

Карты в ГИС являются прямым компьютерным аналогом бумажным карт, однако компьютеры также позволяют использовать новые изобразительные возможности, не имеющие аналогов в традиционной картографии. Одним из таких инструментов является функция трехмерной визуализации, рассмотренная в предыдущем разделе. В данном разделе мы рассмотрим другой инструмент, позволяющий создавать динамические (двигающиеся, анимированные) изображения картографических объектов.

Динамические карты можно разделить на следующие виды:

1. Оперативные карты, меняющиеся в соответствии с изменением геометрических или атрибутивных характеристик пространственных объектов. Такие изображения обычно предназначены для оперативного мониторинга состояния объектов в реальном режиме времени.

Типичным применением оперативных карт является отслеживание положения объектов, движущихся на местности. Это могут быть, например, автомобили оперативных служб, перемещающиеся по городу. Эти машины должны быть снабжены GPS-приемниками и периодически передавать информацию в некоторый компьютерный центр с уведомлением об изменении своего положения в пространстве. В этом центре информация о положении автомобилей должна сохраняться в базу данных. В свою очередь, ГИС должна периодически делать запросы к этой базе данных, извлекать оттуда информацию о положении автомобилей и перерисовывать карту с автомобилями (рис. 5.30).

 

Рис. 5.30. Схема работы системы, отслеживающей с помощью ГИС
положение автомобилей на местности

 

Ещё одним типичным применением оперативных карт является их использование для отображения различной технологической информации, поступающей с разнообразных датчиков с помощью телеметрии. Например, система управления светофорами в городе состоит из электронной карты, на которой отображается состояние всех светофоров, а также средств удаленного управления светофорами.

Светофоры могут, как управляться из единого центра, так и самостоятельно изменять своё состояние (например, по нажатию кнопки пешеходом, желающим перейти дорогу). Поэтому на светофорах должны стоять датчики, передающие в центральную базу данных своё состояние. В свою очередь, ГИС должна периодические опрашивать состояние всех светофоров и перерисовывать изображение карты (рис. 5.31).

 

Рис. 5.31. Пример карты, на которой оперативно отображаются состояния светофоров

 

2. Карты с анимированными условными знаками. В таких картах используются особые условные знаки, которые постоянно меняют свой внешний вид. В обычной картографии условные знаки характеризуются формой, размером, цветом, яркостью, ориентацией и внутренней структурой. В анимированных условных знаках эти характеристики постоянно меняются по некоторому закону. При этом дополнительной характеристикой условных знаков становится закон изменения знаков, в т.ч. скорость изменения. Рассмотрим основные способы анимации условных знаков:

Анимация формы. Например, на карте страны города могут быть показаны в виде пульсирующих кружочков. Размер кружочков должен периодически меняться между максимальным размером, пропорциональным населению города, и минимальным (например, составляющим половину от максимального). При этом скорость изменения размера кружочков должна быть пропорциональна среднегодовому приросту населения в процентах.

Анимация цвета. В этом способе цвет условного знака периодически меняется от одного значения до другого, при этом скорость пульсации цвета может быть пропорциональна некоторому заданному параметру.

Анимация положения знака. В этом способе сам условный знак не меняется, но меняется его расположение на карте. Условный знак может перемещаться по некоторым траекториям (например, вдоль преобладающий направлений перемещения воздушных масс), либо выполнять случайные перемещения около одного места. Например, такими условными знаками, размещенные на карте у населенных пунктов, можно описать уровень миграции.

3. Анимированные двумерные карты динамики. Такие карты состоят из последовательности карт, содержащий один и тот же набор пространственных объектов (точечных, линейных или площадных), но с разными геометрическими (отражение динамики положения) и атрибутивными (отражение динамики состояния) характеристиками. Таким способом, например, можно показать во времени динамику движения фронтов воздушных масс по поверхности Земли, динамику изменения загрязнений окружающей среды.

4. Анимированные анаморфозы. Данный вид анимации можно рассматривать как разновидность предыдущего вида - карт динамики, показывающих анаморфическими средствами изменение различных параметров во времени. Например, так можно создать видеофильм, показывающий изменение населения Земли в различных регионах во времени.

5. Анимированные двумерные карты движения. В таких картах все объекты являются фиксированными и не меняются во время анимации. Меняется только точка зрения на карту (масштаб изображения и координаты центра карты на экране). Последовательность кадров, соответствующих различным точкам зрения, сохраняется с помощью ГИС в видеофайл для дальнейшего просмотра. Такие анимированные карты движения обычно используются в презентационных целях.

6. Анимированные трехмерные карты динамики. Такие карты, как и в двумерном случае, позволяют анимировать фиксированный набор пространственных объектов, меняющих свои геометрические или атрибутивные характеристики. Основное преимущество трехмерной анимации перед двумерной заключается в более полноценной возможности анимировать поверхности и другие трехмерные объекты.

7. Анимированные трехмерные карты движения. По сути, этот способ анимации рассмотрен в предыдущем разделе, где описаны функции облёта и объезда трехмерной модели местности.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое тематическая карта в ГИС?

2. Какие виды условных знаков бывают в картографии и какими способами они создаются в ГИС?

3. Какие есть в ГИС способы визуализации векторных данных?

4. Какие есть в ГИС способы визуализации растровых данных?

5. Какие есть в ГИС способы визуализации транспортных сетей?

6. Какие есть в ГИС способы визуализации поверхностей?

7. Какие есть в ГИС способы трехмерной визуализации?

8. Что такое картографическая анимация, каково её назначение? Какие виды анимации бывают в ГИС?