ХНУ імені В. Н. Каразіна “ГІС в географії” ТЕМА: Аналіз рельєфу за допомогою ГІС. 1. Передумови та розвиток комп'ютерного моделювання рельєфу. План 2. Цифрові моделі рельєфу. Формати tin, grid… Різні методи створення ЦМР (ЦММ) 3. Напрями застосування результатів геоінформаційного моделювання рельєфу. Тривимірне моделювання на основі ЦМР (ЦММ). Харків-2012
1. Передумови та розвиток комп'ютерного моделювання рельєфу. § Початок досліджень в області моделювання рельєфу було покладено ще в XIX столітті роботами Олександра фон Гумбольта і більш пізніми роботами інших вчених. § Сьогодні подібне моделювання розвивається із залученням методів наук про Землю, геоінформатики та геостатистики. Існують різні його напрями та назви. Наприклад, у ряді «західних шкіл» такі дослідження можуть бути відомі як «кількісний аналіз рельєфу» (quantitative terrain analysis), «геоморфометрія» (geomorphometry), «кількісна геоморфологія» …. § У традиційній картографії для візуалізації рельєфних особливостей використовувались спеціальні рельєфні карти, пластикові моделі окремих форм рельєфу, на папері за спеціальними законами будувались блок-діаграми…. § Питаннями комп'ютерного моделювання рельєфу займалися й вчені Університету – Черваньов І. Г. , Костріков С. В.
2. Цифрові моделі рельєфу. Формати tin, grid… Різні методи створення ЦМР (ЦММ) § Рельєф місцевості можна розглядати в якості класичного типу поверхні. § § § Поверхня – це об’єкти, що представлені значеннями висоти Z, які певним чином розподілені по області, визначеній координатами X та Y. Цифрові моделі рельєфу є різновидом поверхонь у ГІС. Цифрова модель (ЦМ) географічного об’єкта – певна форма представлення вихідних даних та спосіб їх структурного опису, що дозволяє розраховувати (відновлювати) об’єкт шляхом математичних методів інтерполяції, апроксимації чи екстраполяції. Цифрова модель рельєфу (ЦМР) – засіб цифрового представлення рельєфу як сукупності висотних відміток або відміток глибин і інших значень аплікат (координати Z) у вузлах регулярної мережі з використанням матриці висот, нерегулярної трикутної мережі (TIN) або як сукупність ізоліній. Важливо, що збір даних для побудови ЦМР може здійснюватися за точками регулярної мережі, за структурними лініями рельєфу або хаотично. § Первинні дані для формування ЦМР можуть бути отримані: з картографічним джерел – шляхом векторізації горизонталей, § за стереопарами знімків, § у результаті геодезичних вимірювань, § за технологією лазерного сканування місцевості.
2. Цифрові моделі рельєфу. Формати tin, grid… Різні методи створення ЦМР (ЦММ) Отримання моделей рельєфу за даними ДЗЗ – особлива технологія… Приклад: «… 3 -D модели Долины гейзеров созданы в программе Scan. Ex Image Processor. Использованы снимки SPOT 2 от 21. 09. 07, IRS-P 5 от 21. 09 и цифровая модель рельефа, построенная по стереопаре, пространственное разрешение 5 м….
Структури даних для представлення поверхонь: GRID, TIN або TGRID. § TIN (Triangulated Irregular Network) – нерегулярна тріангуляційна мережа, система трикутників, що не перекривають один одного. Вершинами трикутників є первинні опорні точки. У цьому випадку, рельєф є багатогранною поверхнею, кожна грань якої описується або лінійною функцією, або поліномінальною поверхнею, коефіцієнти якої визначаються за значеннями у вершинах граней трикутників. Для отримання моделі поверхні, ГІС з'єднує пари точок ребрами певним способом, названим тріангуляцією Делоне.
Додатково: Тріангуляція Делоне Триангуляция Делоне в приложении к двумерному пространству формулируется следующим образом: система взаимосвязанных неперекрывающихся треугольников имеет наименьший периметр, если ни одна из вершин не попадает внутрь ни одной из окружностей, описанных вокруг образованных треугольников. Образовавшиеся треугольники при такой триангуляции максимально приближаются к равносторонним, а каждая из сторон образовавшихся треугольников из противолежащей вершины видна под максимальным углом из всех возможных точек соответствующей полуплоскости. Интерполяция выполняется по образованным ребрам.
Структури даних для представлення поверхонь: GRID, TIN або TGRID. . . § GRID – модель представляє регулярну матрицю значень висот, отриману шляхом інтерполяції первинних даних. Для кожного осередку матриці, висота обчислюється на основі інтерполяції.
Додатково: Інтерполяція Восстановление поверхностей реализуется на основе интерполяции исходных данных. Интерполяция – восстановление функции на заданном интервале по известным ее значениям конечного множества точек, принадлежащих этому интервалу. В настоящее время известны десятки методов интерполяции поверхностей, наиболее распространенные: линейная интерполяция; метод обратных взвешенных расстояний, кригинг; сплайн-интерполяция; тренд-интерполяция. Кригинг. Метод интерполяции, который основан на использовании методов математической статистики. В его реализации поверхность рассматривается в виде трех независимых величин. Первая - тренд, характеризует изменение поверхности в определенном направлении. Далее предполагается, что имеются небольшие отклонения от общей тенденции, вроде маленьких пиков и впадин, которые являются случайными, но все же связанными друг с другом. Наконец, имеется случайный шум (например, валуны). С каждой из трех переменных надо оперировать в отдельности. Рис. Элементы кригинга: 1 - тренд, 2 - случайные, но пространственно связанные высотные колебания, 3 - случайный шум.
Структури даних для представлення поверхонь: GRID, TIN або TGRID. . . § TGRID (triangulated grid) – модель, що поєднує в собі елементи моделей TIN та GRID. Такі моделі мають свої переваги, наприклад, дозволяють використовувати додаткові дані для опису складних форм рельєфу (обриви, скельні виступи). Варто зазначити, що цифрова модель рельєфу і цифрова модель місцевості (ЦММ) є не рівнозначними поняттями, так як у випадку аналізу місцевості до значення координати Z може включатися не лише висота рельєфу, але і висоти додаткових об’єктів на ньому – будівель, лісу тощо. Ця обставина може впливати на результат моделювання, наприклад, за космічними знімками і потребує врахування, так як різниця між ЦМР і ЦММ може сягати десятків метрів.
Послідовність побудови ЦМР за топографічними картами: 1) Перетворення первинних карт у растрові зображення, тобто сканування 2) Монтаж растрових фрагментів та їх геопривязка в ГІС. 3) Векторізація растрового зображення. 4) Формування ЦМР, що може бути представлена в різних форматах. 5) Візуалізація ЦМР, що може бути представлена у різних формах (у тому числі у тривимірному вигляді)
Визуализация рельефа и создание 3 D моделей местности в Arc. GIS http: //gis-lab. info/qa/3 dviz-ag. html
Визуализация рельефа и создание 3 D моделей местности в Arc. GIS http: //gis-lab. info/qa/3 dviz-ag. html
3. Напрями застосування результатів геоінформаційного моделювання рельєфу. Тривимірне моделювання на основі ЦМР (ЦММ). Тривимірне зображення поверхні (3 -D-поверхня) – засіб цифрового об'ємного представлення поверхні, при цьому використовуються різноманітні типи проектування зображення, його можна обертати, нахиляти, переміщуватися поверхнею. Рельєф за даними ЦМР може бути відображений: • Як растрова поверхня • Як аналітична відмивка рельєфу з заданими інтервалами значень • Як тіньовий рельєф • Як суміщена модель з іншими зображеннями та тематичними шарами • Як віртуальна модель місцевості (ВММ)
3. Напрями застосування результатів геоінформаційного моделювання рельєфу. Тривимірне моделювання на основі ЦМР (ЦММ). Процес цифрового моделювання рельєфу включає створення ЦМР, їх обробку та використання. Обробка ЦМР використовується для одержання похідних морфометричних чи інших даних, включаючи: • обчислення кутів нахилу й експозиції схилів; • аналіз видимості / невидимості; • побудову тривимірних зображень, у тому числі блок-діаграм, профілів поперечного перерізу, • оцінку форми схилів через кривизну їх поперечного і поздовжнього перерізу; • генерацію мережі тальвегів і вододілів, що утворюють каркасну мережу рельєфу, особливих точок і ліній рельєфу, локальних мінімумів, або западин і локальних максимумів, чи вершин, сідловин, брівок, ліній обривів і інших порушень "гладкості" поверхні, плоских поверхонь з нульовою крутизною; • побудову ізоліній за множиною значень висот; • автоматизацію аналітичної відмивки рельєфу шляхом розрахунку відносних освітленостей схилів при вертикальному, бічному або комбінованому освітленні від одного або більше джерел; • розрахунок об’єму відносно заданого висотного рівня; • цифрову ортотрансформацію при цифровій обробці зображень; • інші обчислювальні операції і графо-аналітичні побудови.
ДЯКУЮ ЗА УВАГУ ! ! ! LOGO