Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

умк_Дегтярев_Геодезия_ч.1_2010г

.pdf
Скачиваний:
103
Добавлен:
22.02.2016
Размер:
5.42 Mб
Скачать

«как?». Наличие рисунков и формул обязательно, причем формулы необ-

ходимо получить, а не констатировать. По практической части, после того, как лабораторная работа сдана и принята преподавателем, студент письменно отвечает на 15 вопросов, получая оценку в процентах по выполненной правильно части.

На модуль отводится 3 недели: 3 лекции и 4 пары лабораторных занятий.

5.1. Основы представления геодезических данных

Основные вопросы: Общие положения представления. Модели данных. Геометрический метод представления. Трехмерные модели. Генерализация. Методы окончательного представления. Масштабная линейка. Проецирование и сечение объектов. Поле точек. Разбивка координатной сетки.

Общие положения представления. Все геодезические данные, оп-

ределяющие метрику (форма, размер, положение) и геометрические отношения (отображение, преобразование) между объектами, должны быть достаточно точно, адекватно и удобно представлены для целей дальнейшего рационального использования и хранения.

Таким образом, представление является заключительным этапом реализации основной цели геодезии.

В самом общем случае, данные представляются в следующих видах:

– описательном, когда свойства, связи и другие характеристики объекта представлены словесным описанием.

Например, описание ситуации на местности по маршруту движения: слева по маршруту находится еловый лесок, вытянутый в северном направлении, посреди леска пересекаются две проселочные дороги без покрытия. По маршруту движения находится легко всхолмленное поле, с редкими, небольшими кустарниками ивы и т.д.

– табличном, при котором объекты, или их характеристики, представлены в виде одной или совокупности взаимосвязанных таблиц.

Например, каталог планово высотного обоснования, представленный в табл. 5.1, где содержатся координаты и высоты точек, необходимых для производства съемки, или численно описательная табл. 5.2, в которой, наряду с численной информацией в виде высоты сооружений и площади основания, представлены их некоторые характеристики в виде описания.

211

 

Каталог планово-высотного обоснования

Таблица 5.1

 

 

 

 

 

 

 

№ пункта

Х, м

Y, м

Н, м

Примечание

ТХ-1

17456,52

12475,18

119,362

Стенной репер

ТХ-2

17514,76

12310,54

121,753

 

ТХ-3

17692,94

12356,37

121,047

 

ТХ-4

19194,71

16551,84

120,872

Уничтожен

Таблица 5.2

Инвентаризация сооружений квартала № 3

Сооружение

Адрес

Габариты

Площадь

Состояние

Периметр

жилой дом

Садовая,

60х20х18 м

6000 м2

аварийное

160 м

 

д. 7

 

 

 

 

склад

Садовая,

20х10х4 м

200 м2

удовлетворительное

60 м

 

д. 9

 

 

 

 

детсад

Садовая,

50х20х7 м

2000 м2

хорошее

140 м

 

д. 8

 

 

 

 

– аналитическом, когда свойства объектов представлены в виде одной формулы либо системы формул. Представление данных в виде одного числа также относится к аналитическому способу.

Например, поверхность в каждой точке (Xi, Yi) представлена наклонной плоскостью в виде формулы Zi =0,254 Xi 1,435 Yi +117,972; длина линии, измеренная на местности S = 78,12 м и т.д.

– графическом, при котором объект или его свойства представлены в каком-либо графическом (картографическом) виде.

Например, в виде профиля по сечению объекта, совокупности профилей, образующих блок-диаграмму, чертежа и т.д.

– цифровом, когда объект, или его свойства, представлен в виде набора цифр и описания.

Последний вид применяется только совместно с мощными вычислительными средствами и является основой цифровых моделей местности

(ЦММ).

Модели данных. Очевидно, что для полного представления объектов с их метрикой и отношениями необходимо бесконечно большое количество данных, что в принципе невозможно. Поэтому, используя некоторые приемы, мы сводим бесконечное множество данных к какому либо конечному

212

числу данных. Это множество должно сохранять основные свойства представляемых объектов и по возможности не содержать второстепенных, не главных свойств. Такого рода усеченные множества принято называть моделями. Таким образом, как и в случае измерений, мы можем представить не сами объекты с их свойствами, а только наше представление о них в виде разного рода моделей. Исходя из этого, выбор модели является первостепенной задачей представления геодезических и других данных.

В общем случае модели представления должны обладать свойствами целостности, непротиворечивости и оптимальности. Чтобы реализовать это, используют различные процедуры моделирования. Для геодезических целей наиболее подходит иерархическая модель. Основу такой модели составляют элементарные (атомарные) модели данных, из которых по различным правилам, в зависимости от типа связей, структуры и характеристик, конструируется более сложная конечная модель представления. Набор элементарных моделей данных является базой процесса представления, и поэтому требует тщательно взвешенного подхода к своему выбору.

Для построения модели объекта в виде составляющих частей и определения связей между этими частями применяют несколько стандартных приемов, к которым относят:

процедуру абстрагирования, то есть отвлечения от вида объектов с целью выделения у них общих свойств. Например, солнце и колесо, при отвлечении от сути объектов, имеют общее свойство – круглую форму;

детализацию, или разделение объекта на составляющие по какомулибо правилу. Например, для представления обычного дома на плоскости, вид сверху, его можно разделить на четыре взаимно параллельные стороны

сопределенными длинами;

объединение, как процесс воссоздания модели объекта из элементарных составляющих по набору определенных правил. Например, модель дома из предыдущего примера воссоздается из четырех элементарных объектов в виде длин сторон по правилу: воспроизводство одной стороны

длиной L1, перпендикулярно ей другой стороны длиной L2, перпендикулярно ей третьей стороны длиной L3 и т. д.

Таким образом, основой построения модели является набор элементарных моделей и правила их воссоединения.

Следует отметить, что существует несколько форм отображения объекта в модель. Основные их них дискретный и аналоговый способ, определяющий соответственные модели.

Аналоговые модели представляют модель непрерывно и в свою очередь разбиваются на две группы: прямой и косвенной аналогии. Модели

213

прямой аналогии создаются на основе физического моделирования (аналоговые карты, модели судов, самолетов, гидротехнические сооружения и т. п.), модели косвенной аналогии создаются на основе математического моделирования (аналитического описания), например, цифровая модель рельефа, построенная на основе аналитического описания поверхности.

Дискретные модели строятся путем замены непрерывных функций набором дискретных значений аргументов и функций. Дискретность определяется шагом квантования. Для сохранения информативности и адекватности дискретной модели по отношению к объекту шаг квантования должен выбираться с учетом требований к точности отображения. Примером дискретных моделей являются результаты топографической съемки, на основе которых впоследствии осуществляется аналоговое представление информации.

Теперь процесс представления геодезических данных можно свести

кследующим шагам:

1.На основе абстрагирования, выделить набор базовых элементов для представления.

2.Выполнить детализацию объекта, разделив его на элементарные составляющие из набора базовых элементов.

3.Используя некоторые правила, воссоздать объект в виде модели, выполнив процедуру объединения элементов.

Очень часто, последним этапом представления является визуализация представления, обычно в графическом виде.

Геометрический метод представления. Одним из основных мето-

дов представления данных в геодезии является графический. Исходя из того, что информация об объектах представления не является стабильной, требуется, чтобы метод графического изображения был достаточно точным, гибким и наглядным для учета особенностей изображаемых объектов, удобным для дальнейшего использования (моделирование, проектирование и т.д.).

Разнообразие объектов, их сложность и разнотипность, разный характер требований к изображению – все это предопределяет необходимость применения самых различных способов и приемов графического представления данных. Но ко всем видам графических представлений предъявляют следующие требования:

– наглядность, то есть возможность без труда по плоскому изображению объекта представить его пространственную модель, распознать его метрические элементы (форму, размер, положение), выявить детали внутреннего устройства;

214

простота построения, которая заключается в выборе такого вида представления объекта, при котором непосредственно без дополнительных работ используютсяисходныематериалы (измерения, схемы, описанияи т.д.);

метричность – возможность по изображению легко производить измерения и решать задачи метрического характера с определенной степенью точности.

Обычно выделяют два способа реализации графического представления данных:

координатный;

шаблонный.

Используя прием абстрагирования, в качестве базового набора элементарных объектов для геометрического метода представления выберем точку, линию, контур и площадь. Каждый объект должен иметь метрические значения, отражающие трехмерную реальность. На основе этих элементарных моделей нужно иметь возможность создавать другие, более сложные модели.

Примеры элементарных моделей (примитивов) представлены на рис. 5.1. Рассмотрим эти элементы подробнее.

Простейший тип пространственного объекта задают точечные примитивы, к которым относятся не только точки, но и все точечные условные знаки. Выбор объектов, представляемых в виде точек, зависит от масштаба представления. Точечные объекты (рис. 5.1, а) могут храниться в виде графического отображения, в виде таблиц их координат и описания.

Линейные элементарные объекты широко применяются для представления протяженных объектов. Могут быть разомкнутые (рис. 5.1, б) и замкнутые, в виде контуров (рис. 5.1, в). Характеризуются метрикой (форма, размер, положение) и описанием, или атрибутом.

Представляются в графическом, табличном и аналитическом виде. Полигоны представляют собой замкнутые и заполненные контуры

(рис. 5.1, г). Также характеризуются метрикой (форма, размер, положение) и описанием. Представляются в графическом и табличном виде.

а)

б)

в)

г)

 

 

Рис. 5.1. Геометрические примитивы:

 

 

 

а) точки; б) линии; в) контуры; г) полигоны

 

215

При координатном представлении данных, в качестве элементарного объекта выбирается точка с соответствующими координатами. Тогда, две координированные точки определяют линию, три точки в плоскости – ломаную или дугу, а в пространстве – плоскость и т.д. Очевидно, что для аналогового (непрерывного) представления данных, промежутки между точками должны быть заполнены по какому-либо правилу. Обычно эти правила сводят к приему линеаризации и сглаживания. В первом случае криволинейный объект, контур которого задан точками с координатами, линеаризуется заменой дуг прямыми линиями, если это не нарушает точностных характеристик объекта δ (рис. 5.2, а). При сглаживании промежутки между точками восстанавливаются в виде приближенных дуг (рис. 5.2, б).

δ

δ

а)

б)

Рис. 5.2. Восстановление промежутков при координатном представлении данных: а) линеаризацией; б) сглаживанием

При шаблонном представлении отображаемый объект воспроизводится совокупностью четырех описанных выше примитивов, при этом объект должен быть предварительно разделен на участки (рис 5.3). Обычно в качестве шаблонов используют ломаную или дугу окружности определенного радиуса.

Достаточно часто модели определяются на регулярных или не регулярных сетках, называемых также мозаиками.

Рис. 5.3. Воспроизведение контура объекта шаблонами

Из плоских регулярных мозаик, которые обычно называют GRID-моде- лями, чаще используют квадратные (рис. 5.4, а) и треугольные (рис. 5.4, б). Квадрат – самая удобная модель, так как позволяет относительно просто проводить обработку больших массивов данных. Треугольные мозаики служат хорошей основой для создания выпуклых (сферических) покрытий.

216

а)

б)

 

Рис. 5.4. Модели на регулярных сетках (GRID-модели):

 

а) квадратная сетка; б) треугольная сетка

Трехмерные модели. Модели для представления могут хранить информацию о точках как в виде двухмерных (плоских), так и трехмерных координат. Однако для многих случаев, например, таких как построение карт, трехмерные координаты преобразуют в двухмерное представление, то есть строят двухмерные (2D) модели.

Со второй половины 90-х гг. ХХ века заметна тенденция к построению трехмерных (3D) моделей. С одной стороны, это продиктовано решением практических задач, с другой – увеличением мощности вычислительных ресурсов, что необходимо для трехмерного моделирования. Такая модель должна соответствовать отображению трехмерной реальности, по возможности близкой к той, что видит человеческий глаз на местности.

В настоящее время выделилось два основных способа представления трехмерных моделей:

1.Псевдотрехмерный (2,5D), когда в созданной структуре данных значение третьей координаты Z (обычно высота) каждой точки (X, Y) записывается в качестве описательной части представления. Но значение Z может быть использовано в перспективных построениях для создания изображений трехмерных представлений. Такое представление модели дает возможность эффективного решения ряда практически важных описательных и представительских задач.

2.Истинное (3D), в которых местоположение фиксируется в трех измерениях (X, Y, Z). В этом случае Z – это не описание, а метрический элемент местоположения точки. Такой подход позволяет регистрировать разные данные в точках с одинаковыми координатами Х и Y, что делает возможным просто решать ряд метрических задач.

При трехмерном моделировании наряду с регулярными сетками (см. рис. 5.4) используют нерегулярные мозаики. Среди нерегулярных мозаик чаще всего применяют треугольные сети неправильной формы (англ.

Triangulated Irregular Network – TIN). Сети TIN (рис. 5.5) удобны для соз-

дания моделей местности по заданному набору точек с координатами и отметками.

217

Рис. 5.5. Моделирование на нерегулярной сетке (TIN-модели)

Модель треугольной нерегулярной сети (TIN) в значительной мере альтернативна модели представления, построенной на регулярной сети. TIN-модель была разработана в начале 70-х гг. ХХ века как простой способ построения поверхностей на основе набора неравномерно расположенных точек для моделирования 3D представления объектов. Опыт показал, что нерегулярная выборка лучше, чем регулярная, отражает характер реального объекта, что является достоинством TIN-моделей.

При построении TIN-модели дискретно расположенные точки соединяются линиями, образующими треугольники. В пределах каждого треугольника поверхность обычно представляется плоскостью. Поскольку поверхность каждого треугольника задается высотами трех его вершин, применение треугольников обеспечивает каждому участку мозаичной поверхности точное прилегание к смежным участкам. Это обеспечивает непрерывность поверхности при нерегулярном расположении точек.

Данная модель позволяет использовать в качестве элементов мозаики более сложные многоугольники, но их всегда можно разбить на треугольники.

Применение трехмерных моделей позволяет строить новые модели и расширяет возможности представления и визуализации объектов, что делает возможным по-новому решать задачи визуализации, метризации и проектирования объектов.

Окончательное представление 3D моделей производится на основе разных способов визуализации, таких как перспективные, на основе освещенности, отмывки, штрихов и т. д.

Генерализация. При переходе от множества крупных объектов к более мелким неизбежно возникает задача обобщения объектов в соответствии с какими-либо правилами. Процедуру обобщения по заданным правилам для отбора и отображения объектов графическим методом будем на-

зывать генерализацией данных.

218

Относительно моделирования объектов для их графического представления, генерализация рассматривается как группа методов, сохраняющих объем информации об объектах при уменьшении объема данных о них.

Например, при сокращении числа точек на контуре, остающиеся должны быть выбраны так, чтобы внешний вид линии наименее изменился (рис. 5.6).

а)

б)

Рис. 5.6. Простая генерализация:

а) исходный контур; б) генерализованный контур

Очевидно, что при процедуре генерализации производится обычное геометрическое манипулирование набором точек с координатами (хi, уi).

Генерализация как процесс включает в себя ряд стандартных процедур, из которых можно выделить следующие как основные:

упрощение, позволяющее убрать лишние или ненужные точки, исходя из определенного геометрического критерия (например, расстояние между точками, смещение от центральной линии);

сглаживание, позволяющее переместить или сдвинуть точки для устранения мелких деталей и выделения наиболее значимых тенденций изменения линии;

слияние, или объединение нескольких объектов при уменьшении масштаба. Например, берега реки или обочины дороги в мелком масштабе сливаются, остров превращается в точку;

корректировка, позволяющая в упрощенных данных снова ввести некоторые детали для придания большего сходства с оригиналом. Например, сглаженная линия может потерять сходство с оригиналом, тогда для улучшения ее вида проводят корректировку в ряде случайных точек.

Методы окончательного представления. После создания модели для окончательного представления данных с сохранением метрики необходимы некоторые дополнительные методы. Обусловлено это тем, что реальные объекты невозможно даже в модельном виде перенести на носитель (лист бумаги, дисплей компьютера) из-за их больших размеров, неопределенности в способе проецирования на плоскость и разнообразия контуров. Определенные трудности существуют и при отображении на плос-

219

кости третьей координаты объекта. Первым шагом в разрешении этих

трудностей является введение понятия масштаб.

А0

 

 

Для представления реального объ-

А1

 

В0

екта больших размеров на малом носи-

В1

теле (лист бумаги, дисплей компьютера)

 

 

 

 

его необходимо сжать в какой либо про-

 

 

 

 

 

 

порции относительно его центра О с со-

Охранением формы, то есть выполнить гомотетию (рис. 5.7) в тех пределах, которые позволят отобразить объект.

Рис. 5.7. Центральная гомотетия

 

 

 

 

 

 

 

Из рис. 5.7 видно, что коэффици-

для сжатия объекта

 

ент сжатия М будет равен

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А0О

 

=

 

 

 

А0В0

 

 

 

= М ,

(5.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АО

 

 

 

 

 

АВ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

то есть, отношению длины отрезка реального объекта к соответствующему отрезку образа (объекта представления).

Например, если длина стороны реального объекта (рис.7) |А0В0| = 100 м, а представить ее мы хотим на листе бумаги в виде отрезка в 10 см, то из (5.1) коэффициент сжатия должен быть М = 100 м : 0.10 м = 1000.

Очевидно, что коэффициент сжатия величина безразмерная, так как

ичислитель и знаменатель в (5.1) должны иметь одинаковую размерность.

Вгеодезии формула (5.1) представляется в несколько ином виде

 

А1В1

 

 

 

 

=

1

,

(5.2)

 

 

 

А В

 

 

 

 

М

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

который читается следующим образом: в одной единице образа представления содержится М единиц реального объекта. Очевидно, что для перехода в (5.2) от левой части к правой, необходимо поделить числитель и знаменатель левой части на числитель, то есть М должно равняться (5.1).

Дробь вида (5.2) принято называть аликвотной, 1:М масштабом представления, а М – знаменателем масштаба, который бывает дробным и определяется до двух значащих цифр.

Например, отрезок на бумаге 11 см на местности имеет 259,35 м. Тогда

по (5.2) имеем

0,11

=

0,11: 0,11

=

1

=

1

=1: 2400 в виде окончательного

259,35

 

259,35 : 0,11

 

2357,73

 

2400

 

масштаба представления.

220