Тема № 3. Визуализация данных и результатов анализа Занятие № 6. Картографическая визуализация и анимация.
Цель занятия: студент должен получить представление о визуализации данных и результатов анализа в ГИС.
ПЛАН ЛЕКЦИИ Ведение 1. Картографическая визуализация. Электронные карты и атласы. 2. Виртуально - реальностные изображения. 3. Картографические анимации. 4. Заключение.
Список литературы 1. Капралов Е. Г. Основы геоинформатики. В двух книгах / Е. Г. Капралов, А. В. Кошкарев, В. А. Тикунов / Под ред. В. С. Тикунова. – М. : Академия, 2004. Книга 1, гл. 6.
ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ К ЗАЧЕТУ 1. Картографическая визуализация. Электронные карты и атласы 2. Виртуальная модель местности и её компоненты. 3. Картографические анимации.
ВВЕДЕНИЕ Цифровые модели пространственных данных могут использоваться лишь в среде компьютера. Очевидно, что, например, бессмысленно выводить на экран списки координатных пар, описывающих линейный объект. Следовательно, в ГИС необходимо производить визуализацию данных.
Визуализация (графическое воспроизведение, отображение (visualization)) проектирование и генерация изображений, в том числе картографических, и иной графики на устройствах отображения (преимущественно на экране дисплея) на основе исходных цифровых данных и правил, а также алгоритмов их преобразования. Сегодня вы познакомитесь с процессом визуализации данных и результатов их анализа в ГИС.
1. Картографическая визуализация. Электронные карты и атласы A. Картографическая визуализация Целостное представление о пространственных данных может дать только графическая визуализация данных, выражающая и отображающая данные в единстве их позиционной и непозиционной составляющих.
Такой тип графического воспроизведения данных имеет вид картографического изображения. Объектом визуализации являются не сами данные (цифровые модели), а описываемые ими реальные пространственные объекты.
Картографическая графика в ГИС использует традиционную для топокарт символику. Главная функция картографической графики в ГИС – служить интерфейсом между человеком и машиной.
Это своеобразный картографический интерфейс, дополняющий графический интерфейс пользователя, обычный для любого программного продукта, включая программные средства ГИС.
Средствами геоинформатики разрабатываются электронные карты, которые могут служить основой координирования иных пространственных данных, образуя их цифровую основу, так называемую карту-основу.
B. Электронные карты (ЭК) - это картографические изображения на мониторе как результат визуализации некоторых цифровых данных. Под электронными картами понимают также цифровые записи на компакт-дисках, предназначенные для внешнего использования вне программной среды их создания.
В этом смысле электронная карта - картографическое произведение в электронной форме, представляющее собой цифровые данные (в том числе цифровые карты или слои данных ГИС), как правило, в записи на диске CD-ROM, вместе с программными средствами их визуализации, обычно картографическим визуализатором или картографическим браузером (map browser), предназначенное для генерации электронных карт.
В настоящее время существуют не только отдельные электронные карты, но и электронные атласы. Электронный атлас - система, включающая цифровые данные и средства генерации электронных карт.
Первым электронным атласом была электронная энциклопедия Великобритании на оптических носителях с разнообразными картографическими материалами, изданная во второй половине 80 -х годов.
Сегодня ЭА очень разнообразны. Существуют разные виды классификации ЭА, например: Топографические и батиметрические карты (атласы) национального, регионального или планетарного охвата. Карты и атласы навигационного назначения (например, электронные морские навигационные карты или карты автодорожной сети).
Информационно-справочные системы энциклопедического типа, включающие развитые функции картографической визуализации. Национальные ЭА. Атласы состояния окружающей среды.
Крупные наборы цифровых статистических данных (например, результатов переписи населения) с возможностями их картографической трансформации. Обучающие средства. Картографические БД о межгосударственных границах и сетях административно – территориального деления.
Первая группа ЭА наиболее полно представлена разнообразной многотиражной электронной продукцией. Среди широко распространенных коммерческих ЭА мира выделяется мультимедийный атлас, созданный фирмой Microsoft, «Encarta World Atlas» (1996 г. , М 1: 500 000).
Первый из отечественных ЭА — «Электронная политическая карта мира» , изданная Роскартографией совместно с фирмой INGIT Ltd. (Ингит, Санкт-Петербург) в 1996 г. , имеет версии для ОС MS-DOS и MS-Windows, обеспечивает картографическую визуализацию общегеографических карт (без рельефа) в масштабе 1: 50 000 и крупнее (примерно до масштаба 1: 4 000) без видимого огрубления.
Мировые ЭА включают стандартные и дополнительные функции; среди них планы крупных городов, текстовые описания государств, крупных гидрографических объектов и т. п. , в мультимедийных реализациях сопровождающиеся подборками фотографий, видеоклипов, государственных флагов и гимнов.
ЭА содержат страноведческие статистические сводки с возможностями визуализации в виде статистических таблиц, которые могут быть преобразованы пользователем в элементы деловой графики, а иногда и в карты и т. п.
Наиболее разработаны ЭК второй группы. Работы по морским навигационным системам координируются Международной гидрографической организацией (IHO), они стандартизованы и внедрены флотами многих госу-дарств.
Эксплуатация таких систем основана на использовании приемников глобальных систем позиционирования, отображении навигационной ситуации на морских навигационных ЭК, решении штурманских задач с помощью специализированного программного обеспечения.
Информационую основу системы образуют ЭК в записях на CD-ROM. В России производством морских навигационных ЭК заняты две организации г. Санкт-Петербурга: филиал фирмы С -МАР (Норвегия) и предприятие АО «Моринтех» гидрографической службы ВМФ МО РФ. Библиотека ЭК в записях на CD-ROM компании С-МАР, покрывает всю акваторию мирового океана.
Развивается производство автодорожных ЭК, обслуживающих интересы двух главных областей их использования: 1) диспетчеризации транспортных потоков и контроля автомобильного парка крупными автотранспортными предприятиями (например, таксопарками) или службами экстренной помощи (полиция, скорая медицинская помощь, службы МЧС);
2) индивидуальной навигации автотранспортного средства. Расширение работ над созданием ЭК автонавигационного назначения в США, Японии и Западной Европе инициируется ведущими автомобильными компаниями, заинтересованными в оснащении автомобилей соответствующими системами.
Третья группа ЭА содержит различные таблично-статистические, текстовые, графические и иных элементы, сопровождающие визуализацию картографической составляющей. Это справочные издания энциклопедического типа, многие из которых в настоящее время оснащаются средствами мультимедиа.
Чисто справочные, поисковые и визуализационные возможности таких изданий могут дополняться функциями пространственного анализа. Российским примером ЭА справочного типа является Regional Explorer, опубликованный в 1996 г.
Четвертую группу образуют комплексные национальные справочные системы ЭК, по широте тематического разнообразия и статусу фундаментального картографического продукта вполне аналогичные комплексным региональным или национальным атласам в традиционном полиграфическом исполнении.
Пятая группа ЭА может быть названа тематическими атласами природы, содержащими физико-географические данные. Примером является российскоамериканский ЭА мира «Наша 3 емля» с поконтинентным обзором природы и хозяйства в масштабе 1: 10 000 (для Европы) и 1: 20 000 для других континентов).
Атлас содержит 262 карты по 44 темам, обширный текстовой материал, координатно привязанные космические снимки и слайды, визуализируемые с помощью программного средства типа картографического визуализатора клона Arc. View.
Примером седьмого типа ЭА, предназначенных для целей обучения, является электронное обучающее средство Geopedia, подготовленного издательством Британской энциклопедии.
Основное меню продукта, оформленное в виде книжной полки, открывает перед пользователем возможности визуализации карт мира, материков и отдельных государств в контурном виде или с добавлением других элементов.
Пользователь также может ознакомиться с текстовыми и табличностатистическими описаниями государств, трансформировать встроенные статистические и собственные данные в деловую графику (в диаграммы), проверить знания «географической тематики» .
2. Виртуально - реальностные изображения A. Виртуальная модель местности С виртуальными изображениями вы имеете дело в компьютерных играх. В настоящее время можно создать виртуальную модель любого объекта Вселенной, о котором имеется информация.
Существуют наглядные виртуально-реальностные модели атомов, человеческого организма, объектов живой природы, отдаленных или невидимых космических объектов (например, ядра кометы Галлея) и т. д. Можно создать и виртуальные модели местности.
Виртуальная модель местности (ВММ) - это математическая модель местности (содержащая в себе информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположенных на данной территории), предназначенная для интерактивной визуализации и обладающая эффектом присутствия на местности.
В настоящее время возможна имитация облета поверхности и движение в среде (например, погружение под воду с имитацией эффектов освещения и динамики движения). Однако визуализация многослойных поверхностей (например, движение в грунте с визуализацией слоев пород) затруднена из-за неэффективности изобразительных средств и пока не применяется.
B. Программное обеспечение и его возможности Для создания и визуализации виртуальной модели местности необходимы программы, способные обрабатывать трехмерные объекты, «обтянутые» текстурой (растровыми картами либо снимками). Все существующие программы, предоставляющие подобные возможности, могут быть разделены на несколько типов:
A. CAD-пакеты, предназначенные для черчения или проектирования (не для картографии), содержащие встроенные функции для визуализации трехмерных объектов. B. Программы для создания ЗDграфики и видеоэффектов. C. Картографические программы.
CAD-пакеты (AUTOCAD, MICROSTATION) не позволяют создавать полноценные модели местности, однако при необходимости в них можно создать трехмерную модель рельефа, драпированную текстурой, а также добавить в модель дополнительные объекты (дома, сооружения и пр. ). Пакеты позволяют визуализировать модель с любого ракурса либо вращать ее перед наблюдателем.
Основным недостатком этих способов создания ВММ является огромная трудоемкость процесса, сложности с взаимным увязыванием растров, трехмерных объектов и пр. Такие модели требуют очень больших ресурсов компьютера.
В программах для создания трехмерной графики и видео (3 D-Studio МАХ) можно создать близкую к действительности, модель местности, несмотря на то, что программы этого типа не предназначены для выполнения картографических функций.
К основным недостаткам этих пакетов относится невозможность облета местности в реальном времени, так как просчет каждого кадра может занимать от нескольких секунд до нескольких часов. Также затруднительно создание обширных детальных моделей местности (модель, соответствующая среднему листу карты масштаба 1: 200 000 является очень большой моделью).
Виртуальные модели местности можно создавать с помощью картографических программ, таких как: Virtual GIS, Multi. GEN, Arc. View 3 D-Analyst. Данные пакеты позволяют текстурировать поверхности, наносить дополнительные объекты, проводить просчет сцены в реальном времени, поддерживать картографические системы координат и проекции.
C. Компоненты виртуальной модели местности Подавляющее большинство моделей строится в прямоугольных системах координат. Построение модели в этом случае требует привязки всех данных, используемых в работе. Для реалистичного представления местности современная виртуальная модель должна содержать следующую информацию:
1) данные о рельефе (цифровую модель рельефа); 2) растровые изображения земной поверхности (карты либо снимки); 3) векторные данные; 4) подписи; 5) трехмерные объекты специального назначения (сложные модели, импортированные из других программ для создания трёхмерной графики); 6) дополнительные растровые изображения или анимации.
ЦМР. Одной из наиболее важных составляющих ВММ является ЦМР. Чем точнее и детальней модель рельефа, тем более реалистична модель. Однако при визуализации трехмерных сцен на обсчет ЦМР может уходить до 98 % вычислительных мощностей компьютера, потому излишняя подробность при передаче земной поверхности нецелесообразна.
Растровые изображения. При создании ВММ широко распространена «драпировка» ЦМР растровыми картами либо космическими снимками, что делает изображение местности реалистичным.
Драпировка модели картами встречается чаще, так карты дешевле, их проще обрабатывать и вносить в модели, чем космические снимки. Однако реалистичность модели, драпированной аэро- или космическими снимками, гораздо выше.
Как правило, в драпировке модели используется несколько растровых изображений. Для их использования в ВММ необходимо привязать каждое из них в избранной системе координат, после чего, как правило, изображения объединяются в одну или несколько мозаик более мелких снимков.
Использование векторных данных в виртуальных моделях требует значительных затрат машинных ресурсов. Внесение векторных данных в модель может происходить в двух основных формах. А. Данные могут быть «натянуты» на поверхность рельефа (как растровые).
Б. Данные могут быть «вытянуты» над поверхностью рельефа пропорционально некоторой характеристике в таблице атрибутов (например, имеем план города, где контуры зданий даны в виде полигонов, а атрибутом каждого полигона является высота).
В этом случае, при нанесении векторных данных на ЦМР, увидим на месте домов параллелепипеды и призмы, имеющие высоту, близкую к реальной, что позволяет быстро «построить» город или несколько населенных пунктов на территории, не занимаясь нанесением каждого дома).
В настоящее время популярны несколько способов визуализации трехмерных моделей местности: трехмерная статическая сцена, облет в реальном времени, объезд в реальном времени, запись полета по траектории с возможностью смены направления полета, запись полета в видеофайл без возможности изменения направления полета.
Использование специальных объектов. При создании виртуальной модели местности возникает необходимость в отображении специальных объектов, таких как конструкции и строения сложной формы, деревья, и прочих дискретно расположенных предметов. Это ведет к повышению реалистичности.
К программам для работы с виртуальными моделями местности прилагается набор типовых моделей домов, техники и пр. При необходимости модель можно нарисовать в другой программе (например, в Auto. CAD, 3 D-Studio MAX, Microstation), после чего ее можно будет импортировать в модель местности.
При разработке виртуальной модели местности могут использоваться специальные эффекты: Lens Flare (блики линзы), Fog (туман), Background (фон), Heads-Up-Display (указатели тангажа и курса), Sun Positioning (положение солнца), налобный фонарь, затопление сцены, прозрачность текстуры.
В настоящее время наиболее распространёнными областями практического применения виртуального моделирования являются: - производство компьютерных игр и компьютерных эффектов в кино; - культурно-исторические модели, реалистично восстанавливающие исторические эпохи, события, ландшафт;
- обучение пилотов управлению и ориентации на незнакомой местности; особенно это важно для пилотов, летающих в горной местности; - планирование крупных хозяйственных проектов и военных операций; - рекламно-пропагандистская деятельность.
Переход к фильму «Железные дороги»
3. Картографические анимации A. Исторические сведения о картографических анимациях. Теоретические основы картографических динамических фильмов были созданы в 1959 г. американским ученым Н. Троуэром. Однако реализовать его методы удалось лишь около 20 лет спустя.
Первый картографический фильм, на основании теоретических положений Н. Троуэра, состоял всего из двух карт. В дальнейшем был создан фильм, состоящий уже из 50 карт и показывающий динамику населенности некоторых штатов США в 1936 - 1957 г. г. Фильм длился около 20 мин.
Развитие вычислительной техники позволило перейти к цифровым технологиям; демонстрация фильмов стала осуществляться на дисплее. Один из первых компьютерных роликов демонстрировал ориентацию орбиты спутника. В 1966 г. Корнвелл и Робинсон предложили использовать ЭВМ-фильмы в картографии.
В 70 - е годы XX в. в США несколько возрос интерес к анимационной картографии. В это время был создан ряд дисплей-фильмов. Из наиболее интересных следует отметить фильм трехмерных моделей роста заселенности г. Детройта, фильм о динамике использования земель в одном из штатов.
К середине 70 -х годов вышли в свет несколько обзорных работ по мультипликационной картографии. В это же время были созданы специализированные языки программирования, ориентированные на анимацию (BEFLIX и ANIMA II).
Наиболее значимый практический эффект дал опыт ученых Великобритании: сделанные ими анимации процессов, происходящих в Ирландском море, позволили отразить движения водных масс, морских фронтов и течений, составлять прогнозы и принимать решения по освоению ресурсов моря, охране морской среды и т. п.
Однако до начала 90 -х годов XX в. анимационная картография оставалась доступной лишь узкому кругу профессионалов и экспертов. Причиной была высокая цена вычислительной техники, ее низкая производительность и необходимость в затратах больших усилий на создание каждой анимации.
Бурный прогресс компьютерной техники, начавшийся в начале 90 -х годов, привел к резкому увеличению анимационных материалов, способствовал появлению самых разнообразных типов анимаций.
B. Виды картографических анимаций Существует несколько типов картографических анимаций: - анимированные двухмерные карты движения; - классические двухмерные карты, использующие в качестве изобразительного средства эффекты анимации;
- анимированные двухмерные карты динамики (карты динамики площадных контуров явлений, карты разности состояний на несколько дат одних и тех же площадных контуров, карты динамики точечных объектов (динамика положении или состояний объектов, комплексные динамические двухмерные карты, на которых одновременно показана динамика точечных, линейных и площадных объектов либо различных их сочетаний);
- анимированные линейные и площадные анаморфозы (анимированные линейные анаморфозы, анимированные анаморфозы, показывающие динамику контуров на различные даты, анимированные анаморфозы состояний контуров, комплексные анимированные анаморфозы;
- анимированные динамические трехмерные изображения (анимированные поверхности, анимированные трехмерные блок-диаграммы и условные знаки, трехмерные анимированные анаморфозы);
- анимации в виртуально-реальностных изображениях (облет местности, движение по поверхности, движение в среде, движение в пространстве виртуальной реальности цифровой модели местности одновременно с анимированием отдельных компонентов самой ЦММ).
Переход к анимации «Население России до 1917 г. » Переход к анимации «Население России после 1917 г. »
З А К Л Ю Ч Е Н И Е На занятии вы познакомились с построением ЦМР в среде ГИС и их практическим применением, а также получили представление о математико-картографическом моделировании.