Вопрос№1 способы построения 3д модели

Цифровое моделирование рельефа как одна из важных модели­ функций геоинформационных систем включает две груп­пы операций, первая из которых обслуживает решение задач со­ здания модели рельефа, вторая — ее использование. Под цифровой моделью рельефа (ЦМР) принято понимать сред­ство цифрового представления трехмерных пространственных объек­тов (поверхностей или рельефов) в виде трехмерных данных, обра­зующих множество высотных отметок (отметок глубин) и иных зна­чений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной или нерегуляр­ной сети, или совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний.

Создание ЦМР. В проблематику создания ЦМР традиционно входят вопросы оценки источников данных о рельефе (в том числе их точности), выбора моделей пространственных данных для его описания, методы реализации модели применительно к решае­мой задаче, верификация полученной модели.

Источники данных для ЦМР. Несмотря на кажущуюся я простоту моделируемого объекта — рельефа, хорошо, на первый взгляд, описываемого математически как поверхность или поле, практика предлагает множество способов и технологий создания ЦМР. Множественность типов источников исходных данных о рельефе вызвана, в свою очередь, многообразием способов получения и организации первичных измерительных сведений и их производ­ных. Среди них геодезические работы и топографическая съемка местности, стереофотограмметрическая обработка фототеодолит­ных, аэро- и космических снимков, альтиметрическая съемка (ре­льеф суши), промерные работы и эхолотирование подводного ре­льефа акваторий океанов и внутренних водоемов, радиолокацион­ная съемка рельефа ледникового ложа и небесных тел.

Обычно первичные данные су­ществуют или с использованием тех или иных операций приво­дятся к одному из двух наиболее широко распространенных пред­ставлений поверхностей (полей) в ГИС: растровой модели и модели TIN. Растровая модель пространственных данных — разбиение изображения на далее неделимые элементы (пиксе­лы) — применительно к ЦМР обозначает матрицу высот: регуляр­ную сеть высотных отметок в ее узлах, рас­стояние между которыми определяет ее пространственное разрешение. Именно таковы ЦМР, создаваемые национальными картографическими службами многих стран. Преимущество такой модели — в удобстве ее компью­терной обработки.

К растровой, или как ее чаще называют матричной или регу­лярной модели, путем интерполяции, аппроксимации, сглаживания и иных трансформаций могут быть приведены ЦМР всех иных типов, что чаще всего и делается на практике. Для восстановления поля высот в любой его точке (например, в узле регулярной сети) по заданному множеству высотных отметок (например, по цифровым записям горизонталей) обычно применяются разнообразные методы интерполяции. Среди них наиболее употребительными считается: метод кригинга, средневзвешенная интерполяция по методу Шепарда, полиномиальное и кусочно-полиномиальное сглаживание.

Суть модели TIN в ее наименовании — «Нерегулярная треу­гольная сеть». В своем пространственном выражении это сеть треуголь­ников — обычно элементов триангуляции Делоне — с высотными отметками в ее узлах, что позволяет представить моделируемую поверхность как многогранную. Теоретические основы и алгоритмы решения задачи построе­ния триангуляции Делоне на плоскости и тесно связанной с нею задачи построения полигонов Тиссена (диаграмм Вороного), изучаемые вычислительной геометрией, детально рассмотрены О. Р. Мусиным и А. В. Скворцовым. Кроме всего прочего, ими показано, что с точки зре­ния практических приложений, в том числе для создания ЦМР, классическая триангуляция Делоне, как основа модели TIN, обладает свойствами, обуславлива­ющими ее оптимальность в трех смыслах: она имеет наименьший индекс гармоничности как сумму индексов гармоничности каж­дого из образующих треугольников, свойства максимальности минимального угла и минимальности пло­щади образуемой многогранной поверхности.

Модель TIN поддерживается многими мощными универсаль­ными программными средствами ГИС, модулями обработки и со­ здания ЦМР в их составе. Таков, к примеру, модуль pcTIN в программных средствах ГИС Arclnfo. Однако ее ис­пользование в технологиях создания ЦМР на основе слоя оцифро­ванных горизонталей цифровых карт вскрыло его существенные недостатки. Основ­ ной из них — «эффект террас», выражающийся в появлении плоских участков в заведомо невозмож­ной геоморфологической ситуации. Одна из основных причин — малость рассто­яний между точками цифровой записи горизонталей в сравнении с расстояниями между самими горизонталями, что характерно для большинства типов рельефа в их картографическом отображении. Появление таких морфологических артефактов нарушает морфографию и морфометрию моделируемого рельефа и снижает точность и качество самой модели и ее производных.

Трехмерное представление рельефа в виде светотеневого или нитяного (каркасного) изображения (блок-диаграммы) — еще одна из широко распространенных функций обработки ЦМР. В основе построения таких изображений (по крайней мере, ос­нованных на представлении ЦМР моделью TIN) лежат алгоритмы компьютерной графики, разрешающие проблему удаления неви­димых поверхностей при формировании трехмерных сцен и их проецировании на плоскость.

Подобные изображения часто называют условным термином «2,5-мерные изображения», подчеркивая их отличие от истинно трехмерных, предназначенных для стереовосприятия объемного изображения или обеспечивающих такое восприятие непосредственно. В сочетании с «драпировкой» цифровым изображением местно­сти такое трехмерное (точнее, 2,5-мерное) изображение рельефа способно дать ее высокореалистичный вид с высоты «птичьего полета». Динамическая серия таких изображений, имитирующая полет летательного аппарата, принадлежащая к классу виртуально-реальностных изображений, широк о используется в оборонных и гражданских приложениях при обучении штурманов авиа ­ экипажей и морских судов. Технология виртуальной реальности уже становится штатной функцией обработки ЦМР в составе коммерческих программных средств ГИС.