Цифровые модели местности
В настоящее время в связи с повсеместным использованием в инженерной практике методов автоматизированного проектирования, а также с внедрением геоинформационных систем в различные отрасли жизнедеятельности человека всё более широкое применение находят цифровые модели местности.
Цифровая модель местности (ЦММ) – множество, элементами которого является топографо-геодезическая информация о местности. Она включает в себя:
метрическую информацию – геодезические пространственные координаты характерных точек рельефа и ситуации;
синтаксическую информацию для описания связей между точками – границы зданий, лесов, пашен, водоемов, дороги, водораздельные и водосливные линии, направления скатов между характерными точками на склонах и т.п.;
семантическую информацию, характеризующую свойства объектов – технические параметры инженерных сооружений, геологическая характеристика грунтов, данные о деревьях в лесных массивах и т.п.;
структурную информацию, описывающую 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.;
общую информацию – название участка, система координат и высот, номенклатура.
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.
ЦММ создаются с помощью таких современных программных комплексов как «Panorama», «Credo», «MapInfo», «Autodesk Civil 3D», «Pythagoras», «GeoniCS» и др.
Цифровая модель местности, записанная на машинном носителе в определенных структурах и кодах представляет собой электронную карту.
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.
Математическую интерпретацию цифровых моделей для решения конкретных инженерно-технических задач на ЭВМ называют математической моделью местности (МММ).
Математическая модель объектов или явлений действительности— это ее логико-математическое описание, содержащее информацию о ее существенных признаках в виде числовых характеристик, а также связей между этими признаками. Модель включает в себя пространственные координаты множества точек и элементов земной поверхности, объединенных в единую систему по определенным математическим закономерностям и требованиям картографии. Математическая модель картографируемого объекта может быть организована для ее хранения и дальнейшей обработки на ЭВМ в табличной или матричной форме, или в аналитическом виде.
В математической модели объекта или явления, представленной в цифровой форме, дано логико-математическое описание объекта или явления в объеме, соответствующем первичной информации, полученной в результате одного из видов съемок. Записанная информация не привязана к конкретному масштабу, классификации или системе картографических условных знаков (КУЗ). Топографические карты и планы являются основной формой хранения детальной информации о топографии местности в графическом виде.
Цифровая топографическая основа не должна слепо копировать бумажный оригинал, а создаваться с учетом требований работы с пространственными данными в ГИС. Отсюда, необходимо четко разделить понятия цифровой топографической карты (ЦТК) и цифровой модели местности (ЦММ).
Законы формирования и жизни бумажной карты и цифровой принципиально различны. Бумажная карта ориентирована, в основном, на визуальное восприятие и анализ картографического изображения. Цифровая карта предоставляет несравнимо большие возможности для работы с пространственными данными, но и требования к таким картам должны быть иными, поскольку обработка данных рассчитана не только и не столько на зрительный анализ, сколько на компьютерные технологические возможности.
Во избежание терминологической путаницы предлагается закрепить за термином ЦТК цифровой аналог бумажной топографической карты, включая параметры проекции листа карты, весь набор объектов и их атрибутов, в принятых для топокарт условных знаках, а также элементы зарамочного оформления, с сохранением за этими данными соответствующего режима секретности. Основное назначение ЦТК – поддержка и воспроизводство бумажного оригинала.
Цифровая топографическая карта (ЦТК) — цифровая модель местности, записанная на машинном носителе в установленных структуре и кодах, в принятой проекции, разграфке, системе координат и высот, по точности и содержанию соответствующих карте определенного масштаба.
Выделяют также цифровые тематические модели — логические структуры, содержащие геометрическую, картометрическую и статистическую информации об объектах тематического картографирования и системы кодирования и описания их качественных характеристик. Объектами тематического картографирования могут быть населенные пункты, объекты туризма и т. п.
По своему содержанию общая модель местности представляет собой сочетание отдельных цифровых моделей: ситуации, рельефа, почвенно-грунтовых, гидрогеологических, инженерно-геологических, технико-экономических показателей и других характеристик местности.
В отличие от ЦТК, цифровые модели местности (ЦММ) нацелены на моделирование местности, а не бумажной основы, с которой они могут производиться. При этом, основная задача – дать правильное представление о местоположении, метрических параметрах и взаимоотношениях между пространственными объектами, а не их отображениями на бумаге.
Цифровая модель местности (ЦММ) — это модель земной поверхности или ее элементов (объектов и явлений), их существенных признаков и взаимосвязей, подлежащих отображению на карте. Она представлена в цифровой форме в определенной системе координат и не привязана к конкретной системе КУЗ.
ЦММ не ограничены бумажным полем карты, поэтому они, например, будут содержать полные названия и характеристики объектов без вынужденных сокращений из-за отсутствия места для их отображения. Объекты полностью, а не только те отдельные участки, где нанесены надписи (например, названия рек), будут иметь характеризующие их атрибуты. Площадные объекты, выражаемые в масштабе карты, отображаются площадным геометрическим примитивом, а не набором разбросанных значков (например, болота), а те пространственные объекты, которые не выражаются в масштабе карты – точечными примитивами (например, мосты небольшой протяженности). Кроме того, все объекты должны быть топологически согласованными, независимо от того, видны ли дефекты топологии «на глаз» или нет. Речь идет о том, что контуры лесов даже «чуть-чуть» не должны перекрываться водными объектами, а переправы быть в стороне от рек. Кварталы должны быть в пределах границ населенного пункта, а уличная сеть не должна пересекать здания и строения.
Другими словами, в ЦММ информация должна быть организована так, чтобы при обработке данных машина могла ее однозначно интерпретировать. Для этого придется отказаться от оцифровки штрихов на болоте (как это делается некоторыми поставщиками ЦТК), не допускать разрывов для сетевых объектов – гидрографии, дорог, коммуникаций и т.д., и т.п. Но можно будет в ЦММ не вводить избыточные для цифровой модели элементы, которые необходимы на бумажной карте, такие как бергштрихи, стрелки направления течения или густая координатная сетка.
Хранение данных в ЦММ может быть организовано единым массивом в виде бесшовных карт. В современных геоинформационных системах, способных обрабатывать большие объемы данных, дробление информации по номенклатурным листам только мешает работе. В случае если вы держите цифровую информацию полистно, вам нужно подгружать, например, одни и те же слои цифровых данных столько раз, сколько у вас листов, и столько же раз осуществлять запросы к пространственной информации при ее анализе. Если объекты находятся на нескольких листах карты, то они считаются отдельными - то есть имеют отдельную длину, площадь и т.д.
Деление карт на номенклатурные листы оправдано лишь в том случае, если требуется оформление и производство бумажных карт, но тогда мы будем говорить не о ЦММ, а о ЦТК. Большинству же пользователей нужна бесшовная топографическая основа на конкретную территорию, как правило, в границах административного образования. В идеале нужно стремиться к формированию доступных банков данных на национальном, федеральном и местном (муниципальном) уровнях. Допустимые формы хранения – бесшовное (единым массивом), библиотеками (по номенклатурным листам или административным единицам), отдельными структурными единицами (номенклатурный лист или произвольная территория).
Для унифицированного представления топографических данных с разным уровнем генерализации (пространственной и семантической) требуется сквозной классификатор объектов местности.
Классификатор объектов может применяться в диапазоне масштабов от 1 000 000 до 2 000.
Так, один и тот же объект, например здание, может передаваться на картах разного масштаба либо точечным, либо полигональным примитивом и, независимо от того, в какой класс объектов он попадает, этот объект будет всегда иметь один и тот же код.
Условные знаки для объектов ЦММ должны быть упрощены по сравнению с традиционными, поскольку сложные, многослойные условные знаки существенно тормозят вывод карты на экран.
ЦММ используют для выбора оптимальных вариантов проектных решений: выбор трассы дорог, каналов и других линейных сооружений, составление проектов вертикальной планировки, расчеты искусственных сооружений и т. д.
При проектировании инженерных сооружений чаще всего используют цифровую модель ситуации и цифровую модель рельефа.
Цифровая модель ситуации создается обычно на застроенные территории; все здания, сооружения и другие элементы ситуации задаются координатами характерных точек (центров, углов, пересечением осей и т. п.), определяющими положение ситуации на местности.
Исходными данными для создания цифровых моделей местности являются результаты топографической съемки, данные о геологии и гидрографии местности.
Благодаря детальной визуализации, ЦММ позволяет провести анализ характеристик, как самой местности, так и всех расположенных на ней объектов.
С помощью ЦММ возможно решение множества задач, таких как:
определение любых геометрических параметров местности и объектов;
построение профилей и сечений;
создание моделей объектов местности и сложных технологических объектов;
мониторинг состояния объектов и технических сооружений;
определение объемов земляных работ;
контроль выполненного строительства.
ЦММ является основой для построения топографических карт и планов.
Модели служат основой отображения и анализа пространственных объектов и явлений. Выше было установлено, что основой интеграции в геоинформатике служат координатные данные. Они используются в геоинформатике для определения места и образуют один класс данных. Для определения параметров времени и тематической направленности существует другой класс данных - Атрибуты.
Основной информацией, требующей визуального картографического отображения, является пространственная информация. Она отображается с помощью графических координатных моделей.