Рассмотрены способы создания аналитических и картографических моделей природной среды, базирующихся на использовании топографических цифровых карт масштабного ряда 1:25000-1:200000. Приведены примеры построения моделей и специализированных тематических карт.
Исходные данные для моделирования рельефа.
В качестве исходных данных для построения моделей рельефа могут быть использованы любые цифровые картографические объекты для которых указана абсолютная отметка, например: файлы горизонталей, отметки урезов воды, отметки высот, отметки пунктов ГГС, а так же цифровые изображения рек, преобразованных определенным образом. В примерах приведенных ниже использовался только файл горизонталей, по этой причине модель рельефа получилась «ступенчатой», (см рис. 8).
|
Для большинства вычислений, используются 3 модели рельефа: GRID («матрица высот»), TIN («триангуляция Делоне»), Lattice («регулярная сетка»). Созданные демонстрационные модели, принадлежат к классам GRID и TIN-моделей и построены с использованием файла рельефа,
Рис 1. Цифровая карта рельефа, используемая для построения модели.
Растровые модели.
Модель рельефа является частным случаем более широкого класса растровых моделей, которые могут представлять распределение какой-либо величины (температуры, экспозиции склонов и т.п) по поверхности земли. В дальнейшем мы рассмотрим несколько таких моделей для производных от рельефа параметров.
Для формирования шкалы при визуализации растровых моделей удобно использовать классификацию по способу равных значений.
На рис 2 приведен пример отображения созданной ранее модели рельефа с использованием палитры «радуга». Синим цветом отображены низменности, красным – возвышенности. Распределение цвета дает наглядное представление о высоте каждой точки местности. Такая карта гораздо более наглядна чем традиционное представление в виде горизонталей.
Рис 2. Примеры визуализации растровой модели рельефа.
Гидрологическое моделирование.
Рассмотрим два примера: создание площадей водосбора и моделирование поверхностного стока.
В качестве исходных данных будем использовать построенную модель рельефа. Для того, чтобы она была применима, необходимо выполнить три подготовительных этапа:
· Построить модель углов наклона склонов
· Исследовать ошибки модели. Ошибками являются маленькие «паразитные» локальные впадины, не отвечающие реальному положению дел на местности.
На рис 3 приведена карта бассейнов полученная путем обработки рельефа и гидрографии (Тяновское месторождение).
Рис 3. Водосборные бассейны найденные по модели рельефа. Светло-серым цветом отображены озера, черным – границы бассейнов. Вблизи кромки некоторых озер и, особенно, по краям карты заметны аномалии (помечены черными кружками). Так отображаются протяженные «щелевые» паразитные бассейны, которые появляются вследствие недостатка, неточности или каких-либо особенностей исходных данных. Эти аномалии легко устраняются в автоматическом режиме.
Создание модели поверхностного стока является еще одним важным аспектом использования моделей GRID. В каждой ячейке построенной матрицы представлено количество воды, которая может накопиться в данном участке местности при условии, что дождь будет идти непрерывно. В дальнейшем из этой модели можно выделить собственно осевые линии потоков и их характеристики.
|
Рис 4. Модель поверхностного стока.
Обсуждение результатов.
Построенные демонстрационные карты наглядно показывают несколько важных характеристик местности и могут служить для ответов, например, на следующие вопросы (ЧС, строительство, экология и т.п.):
· В каком направлении потечет вода (или какая-либо другая жидкость, например нефть) если она попадет в определенный участок местности?
· В какую реку попадет вода (нефть, кислота, жидкие отходы, СДЯВ и т.п.)?
· Какие участки местности наиболее опасны с точки зрения аварийных ситуаций на продуктопроводах?
· Как удобнее сформировать дренажную систему крупных технических сооружений?
· На какой речной бассейн более всего влияет данное техническое сооружение?
· Каков будет объем поверхностного стока? (для анализа паводковой ситуации и т.п.)
Маршрутизация.
Общая схема движения по поверхности земли состоит в следующем: каждой точке пространства (ячейке матрицы!) ставиться в соответствие:
· определенный вес или импеданс (время проезда, стоимость, проходимость и т.п.)
· физическая высота в какой-либо геодезической системе высот, для вычисления реального длины пути
· горизонтальный фактор (например сопротивление ветра)
· вертикальный фактор (например увеличение, уменьшение затрат бензина при подъеме - спуске)
|
На первом этапе были получены матрицы доступности каждой точки местности от каждой из конечных точек маршрута. На втором этапе был построен коридор – матрица, содержащая сумму весов (т.е. характеристик доступности) из двух исходных матриц. Таким образом – наш маршрут проходит через те точки которые наиболее доступны как от начальной точки так и от конечной. Матрица коридора приведена на рис 5. Чем темнее тон, тем доступнее данная точка местности.
Рис 5. Коридор – наиболее рациональный путь перемещения от начальной точки в конечную.
|
Мы можем выделить «самые доступные точки», применив пороговый фильтр. Результат его применения приведен на рис 6., который для удобства оценки результата содержит изображение горизонталей.
Рис 6. Зона наиболее удобного пути из начальной точки в конечную, с учетом рельефа.
Обсуждение результатов.
Область применения подобных моделей самая разнообразная (ЧС, проектирование, бизнес-задачи, военные задачи):
· вычисление зон досягаемости с учетом ограничений (например на количество бензина, на препятствия)
· вычисление кратчайших маршрутов по поверхности земли, по речной сети и т.п. (с учетом ограничений) для движения транспортных средств; для строительства инженерных коммуникаций, линий электропередачи и т.п. В последнем случае в качестве матрицы весов можно взять специальным образом преобразованные данные скажем о геологической ситуации, заболоченности и т.п.
· вычисление наиболее удобного расположения магазинов или станций обслуживания с учетом естественных препятствий (домов, ограждений)
· другие аналитические задачи, которые могут быть сведены к поиску кратчайшего расстояния в матрице весов (например в матрице «взвешенного» графа, который скажем представляет собой пути решения, со многими вариантами, определенной проблемы).
Исследование видимости.
Исследование видимости можно проводить на моделях двух типов: GRID и TIN. Ниже приведены решения двух задач с использованием этих моделей: анализ видимости по лучу зрения и анализ видимости участков местности из определенной точки стояния (построение зон видимости).
|
Анализ видимости. На рис 7 приведена модель TIN и луч зрения из начальной точки в конечную. Зеленым цветом отмечены видимые участки, красным цветом – невидимые. Заметим, что сама конечная точка не видна. На рис. 8 приведен профиль по лучу зрения.
|
Рис 7. Луч зрения. Стрелкой показано направление «взгляда». Зеленым цветом показаны видимые участки, а красным – невидимые.
Рис 8. Профиль местности по лучу зрения. Хорошо видны «уступы», получающиеся вследствие недостаточности исходной информации для построения модели рельефа и отсутствием аппроксимации при ее построении (принципиально такая возможность присутствует).
Построение зон видимости. В качестве исходной точки была выбрана одна из самых низких точек на данной местности (отмечена на рис 9 черным кружком). Использовалась модель GRID. Результаты построения приведены на рис 9. Для удобства оценки результата зоны совмещены с изображением модели рельефа GRID. Участки местности видимые из исходной точки отмечены белым цветом. Сложный характер рельефа обуславливает сложную конфигурацию комплекса видимых участков.
Рис 9. Зоны видимости. Положение «наблюдателя», отмечено черным кружком.
Обсуждение результатов.
В основном решение данных задач требуется для проектирования инженерных сетей, архитектурного проектирования и т.п. Может применяться для построения специальных карт для военных целей. Общие вопросы на которые можно ответить сводятся к следующим:
· Как увеличиться зона видимости если «приподняться» в данной точке на N метров?
· Где расположить очередную ретрансляционную станцию (рефракция учитывается) или опору ЛЭП?
· Какие зоны перекрываются определенным числом (одной, двумя, ни одной) ретрансляционной вышкой (рефракция учитывается) или наблюдательной вышкой?
· Как будет распространяться ударная волна при взрыве?
3D картография.
По сравнению с традиционной картографией, использующей «плоские» изображения и имеющей три визуальных параметра (X, Y и условный знак) для отображения действительности, 3D картография имеет еще один визуальный параметр – высоту, которая показывается в аксонометрической проекции (см рис 10, 11). Подобные карты, получаемые в стандартном, «бумажном» виде как правило ограничено пригодны для картометрических работ, но как уже было сказано обладают существенно большей, по сравнению с «плоской» картографией наглядностью. Следовательно, основная сфера применения таких карт – оценка ситуации, помощь в принятии решений, наглядная демонстрация каких либо показателей (МЧС, военные, архитекторы, проектировщики, органы государственного управления и т.п).
Рис 10. 3D карта рельефа.
Рис 11. 3D карта рельефа, совмещенная с картой гидрографической сети.
Сферы применения.
Средства визуализации позволяют сформировать визуальные представления для аналитических моделей и результатов вычислений, проведенных с их помощью.
Общая схема работ должна включать три основных этапа:
· Постановку задачи
· Аналитическое моделирование
· Картографическое моделирование.
Более детально, эта схема представлена на рис 11.
|
Рис 11. Детальная схема работ.
Средства для картографического моделирования являются чрезвычайно развитыми, по этой причине существует возможность создать карту практически любой сложности, состоящую из различных векторных и растровых слоев. Далее эту карту можно конвертировать в какое-либо средство просмотра или в какую-либо другую ГИС для передачи заказчику или на основе полученных данных составить атлас. Такая схема действий представляется наиболее оптимальной.