Необходимость создания единой цифровой модели местности

При проведении инженерно-геодезических изысканий на территориях, где уже ведется какая-либо деятельность, работа начинается с изучения существующих материалов и проведения полевого исследования с целью подтверждения и уточнения имеющихся данных.

Следует отметить, что даже в условиях динамично развивающихся компьютерных технологий в недостаточной степени решенными остаются некоторые вопросы компьютерного моделирования и структурирования данных, появляются новые возможности развития в каждой отрасли, разрабатываются новые программные продукты, позволяющие оптимизировать работу, сократить время проведения работ и увеличить их точность.

Спрос на создание и реалистичное представление пространственной информации стимулирует развитие и широкое распространение новых программных продуктов, технологий и методов, позволяющих моделировать объекты и пространство в трёхмерном виде.

Развитие автоматизированных систем проектирования, а также возрастающая необходимость решения инженерно-геодезических задач в все более короткие сроки в различных отраслях народного хозяйства обуславливают необходимость внедрения структуры цифровой модели местности для инженерного назначения.

Моделирование местности, ее анализ и изучение по построенным моделям постепенно становятся неотъемлемой частью исследований в науках о Земле (геология, тектоника, гидрология, океанология, климатология и т. д.), в экологии, прикладной географии, земельном кадастре и инженерных проектах. Компьютерная обработка и представление в виде цифровых моделей местности пространственных данных находит широкое применение при анализе распространения участков загрязнений, в метеорологии и климатологии, в моделировании месторождений, коммуникаций, сооружений, видимости и затопления территорий, в изучении склоновых процессов, водного стока, миграции химических элементов, а также во многих проектах по устойчивому развитию территорий.

Основой для представления данных для ГИС являются цифровые модели. Под цифровой моделью географического объекта понимается определенная форма представления исходных данных и способ их структурного описания, позволяющий «вычислять» объект путем интерполяции, аппроксимации или экстраполяции.

Топографическая ЦММ характеризует ситуацию и рельеф местности. Она состоит из цифровой модели рельефа местности (ЦМРМ) и цифровой модели контуров (ситуации) местности (ЦМКМ). Кроме этого ЦММ может дополняться моделью специального инженерного назначения (ЦМИН). В инженерной практике часто используют сочетание цифровых моделей, характеризующих ситуацию, рельеф, гидрологические, инженерно-геологические, технико-экономические и другие показатели.

Существует множество методик сбора и обработки информации для последующего построения цифровой модели, но по-прежнему нет четкого определения цифровой модели местности. Проанализировав существующую информацию, можно прийти к выводу, что цифровая модель местности — это, прежде всего, базовая основа, обладающая способностью накопления информации и использования ее для изменения своих возможностей и адаптации к изменениям, т. е. ресурсностью и интеллектуальностью.

Помимо этого, ЦММ должна обладать способностью построения и визуализации аналитической трехмерной топографической поверхности; математическим аппаратом моделирования процессов в трехмерном географическом пространстве. Исходя из этого определения, ЦММ содержит цифровую модель рельефа (ЦМР), как необходимую платформу для всего остального множества объектов.

При решении инженерно-геодезических задач на ЭВМ применяют математическую интерпретацию цифровых моделей, ее называют математической моделью местности (МММ). Автоматизированное проектирование на основе ЦММ и МММ сокращает затраты труда и времени в десятки раз по сравнению с использованием для этих целей бумажных топографических карт и планов.

Процесс цифрового моделирования местности включает создание ЦММ, ее обработку и использование. Исходными данными для создания цифровых моделей местности являются результаты топографической съемки, данные о геологии и гидрографии местности.

Единые правила кодирования и цифрового описания объектов местности позволят существенно улучшить информационное взаимодействие программных средств и информационных систем, используемых для обработки и анализа результатов инженерных изысканий. Появляется необходимость создания структуры ЦММ, применимой для всех ситуаций и отражающей весь объем информации.

Рис. 2. Единая структура цифровой модели местности

Исходными данными для создания цифровых моделей местности является совокупность метрической (геодезические пространственные координаты характерных точек рельефа и ситуации), атрибутивной (символы; названия; статистическая информация; коды объектов; графические признаки, например, цвет и т. п.), семантической (технические параметры инженерных сооружений, геологическая характеристика грунтов, данные о деревьях в лесных массивах и т. п.), структурной (описывает связи между различными объектами — отношения объектов к какому-либо множеству: раздельные пункты железнодорожной линии, здания и сооружения населенного пункта, строения и конструкции соответствующих производств и т. п.) и параметрической информации (трехмерная модель, в которой осями координат являются параметр X, пространство N и время Т, причем под пространством понимается упорядоченное множество источников информации, в частности измеряемых величин). Исходя из вышесказанного, необходима разработка единой структуры ЦММ (рис.1).

Цифровые модели местности должны содержать максимально точное описание расположения реальных объектов местности в принятой государственной системе координат и их семантических характеристик (свойств). Свойства объектов описываются с применением единых классификаторов (справочников), обеспечивающих автоматизированный обмен и обработку данных.

Цифровые модели местности являются базой для создания широкого спектра картографической продукции, используемой землеустроительными и кадастровыми службами. Это цифровые (электронные) карты, фотопланы, контурные фотопланы, топографические фотопланы, ортофотопланы, фотокарты и топографические планы.

Сейчас на рынке представлено множество программных средств для создания, обработки и обновления цифровых моделей местности. Открытым остается вопрос, что следует выбрать для выполнения поставленных задач.

Система CREDO ТОПОПЛАН предназначена для создания цифровой модели местности инженерного назначения, выпуска чертежей топографических планов и планшетов, подготовки цифровой модели местности для дальнейшей работы над ней. Для построения цифровой модели местности система позволяет различным образом выполнить геометрические построения. В построениях используется разнообразные геометрические элементы точка, прямая, окружность, а также гладкая сопрягающая кривая на основе сплайна. Использование гладкой сопрягающей кривой обеспечивает более качественное и точное отображение объектов ЦММ, позволяет уменьшить количество исходных данных, увеличить скорость визуализации, упростить процедуры создания и редактирования объектов. Сегменты геометрических элементов объединяются в полилинии, плановая геометрия которых дополняется профилем, что позволяет построить трехмерную модель местности. (Визуализация происходит «мягко» при средней по мощности видео карте).

В отличие от программного комплекса CREDO, ArcGIS не является специализированным программным продуктом для проведения и обработки геодезических и топографических работ. Целью использования данной программы для создания ЦММ явилась возможность более наглядной визуализации территории съемки и представление макета местности с наземными строениями и насаждениями, а также подземными коммуникациями в трехмерном виде.

Прежде чем начать работу по созданию цифровой модели местности, необходимо поставить задачи, требующие выполнения, и уяснить требования к результату выполнения этих задач. Таким образом, создание ЦММ в программном комплексе CREDO обеспечивает передачу результатов работы между подразделениями или организациями в едином электронном формате. Это является необходимым условием в современных информационных технологиях, т. к. значительно ускоряет процесс обработки и выпуска данных. В свою очередь, создание ЦММ в ArcGIS, несет в себе более широкие возможности по трехмерному моделированию и ГИС-анализу природных и антропогенных объектов местности.