Сергей Щербина, заместитель генерального директора, компания Esri CIS
Длительное время ГИС развивалась преимущественно как технология работы с двумерными картами. При этом возникал закономерный вопрос: раз мы живем в трехмерном пространстве, достаточно ли нам двухмерных представлений? Не теряется ли важная информация и не пора ли переходить к трехмерной картографии? Большое количество задач не удается эффективно решать без использования третьей координаты, не имея доступа к трехмерному отображению реальности. Какие инструменты и возможности имеются в распоряжении специалистов на данном этапе развития ГИС-технологий?
Сравнительно недавно трехмерное моделирование в ГИС было скорее способом визуализации результатов работы и применялось преимущественно для демонстраций, например в процессе презентации проектов потенциальным инвесторам. Доступ к трехмерным моделям напрямую из ГИС был достаточно сложным, требовал специальных навыков, поэтому конечным продуктом, который предлагали 3D-картографы, зачастую был видеоролик, а не работающая интерактивная ГИС-модель объекта или территории. В то же время 3D ГИС предполагает возможность создания, визуализации, редактирования, анализа и публикации данных в трехмерном виде.
Изначально технология 3D ГИС создавалась для решения задач по трем направлениям: подземные коммуникации, геология и налогообложение (кадастр). Однако сфер, где могут быть востребованы 3D-инструменты, значительно больше. Например, управление активами, расчеты зон паводков и затоплений, использование офисного пространства, планирование воздушных коридоров в авиации для распределения самолетов по эшелонам, точное вычисление объемов извлекаемой породы при строительстве, оценка зон видимости в условиях городской застройки и т. д.
Возможности и потенциал 3D
Работа в трех измерениях значительно расширяет возможности принятия правильных управленческих решений по сравнению с простым «пролетом» над городским пейзажем. 3D ГИС – это прежде всего новые возможности анализа геоданных, прогнозирования и проектирования. Можно сформулировать ряд требований, которым должна отвечать технология 3D ГИС: обеспечивать единую среду для работы в 2D и 3D, простоту публикации трехмерных карт и моделей, в том числе в веб- и на мобильных устройствах, автоматизацию специфических связанных с 3D процедур, например: наложение текстур и достижение эффектов, повышающих реалистичность трехмерных сцен, высокую производительность, интерактивность, поддержку технологий сбора данных и доступных наборов данных от различных поставщиков, привязку 3D-объектов к реальным координатам и пр.
Иными словами, 3D следует рассматривать как интегрированную часть ГИС-системы, а различия в приемах работы с 2D и 3D будут стираться, по мере того как 3D будет становиться инструментом работы с реальными объектами. В таком случае практически любую тематическую двухмерную карту можно представить в 3D, сформировать на ее основе трехмерную сцену с возможностью навигации или преобразовать в видеоролик.
Рис. 1. Одновременное 2D и 3D представление данных на одном экране
Так называемая сцена – одно из ключевых понятий 3D ГИС. В отличие от простого просмотра объемного изображения объекта технология динамической трехмерной сцены позволяет пользователю управлять различными параметрами. В ГИС-сцене можно задавать местоположение источника света и его направленность (как напрямую, так и косвенно, указав, например, время суток), менять угол и точку наблюдателя, чтобы увидеть сцену с разных точек (скажем, с высоты человеческого роста), перемещаться по сцене в различных направлениях и т. д. В сценах можно добиваться максимальной реалистичности, для этого предназначены соответствующие текстуры и модели объектов.
Создание и оформление 3D-сцен требуют решенияучета ряда специфических картографических задач. Так, 3D-карта может предусматривать несколько масштабов (для создания перспективы), а одни трехмерные объекты могут перекрывать другие при определенных ракурсах. Поскольку перемещение по трехмерным моделям может представлять для пользователя некоторые трудности, разработчик карты должен предложить ему подходящие инструменты для путешествия по трехмерному пространству.
В 3D ГИС могут быть представлены как глобальные модели, охватывающие земной шар, так и локальные, например 3D-карты городов, производственных комплексов или месторождений полезных ископаемых. При работе с «глобусами» основная задача – представление по единым правилам и в единой системе координат общемирового контекста. В случае локальных 3D-карт используются проекции, как и в 2D. В таблице показаны типичные примеры использования каждого из двух представлений.
Глобальное представление
Локальная 3D-модель модель
Фотореалистичное отображение Туризм Проектирование, системы безопасности
Картографическое представление Оценка глобальных климатических процессов, планирование морских и воздушных транспортных маршрутов Анализ данных, планирование разработки месторождения
«Дополненная реальность» Обзор обстановки, планирование логистики Реагирование на ЧС
Для создания 3D, как и традиционных карт, требуются качественные исходные данные. К ним относятся цифровые модели поверхностей, накладываемые на них текстуры (например, аэрофотоснимки, топокарты или окрашивание в зависимости от свойств объекта), векторные данные (растительность, контуры зданий, улично-дорожная сеть и пр.), объекты, отображаемые на карте (должны содержать данные о z-координате), надписи и т. д. Развитие технологий сбора трехмерных данных и, как следствие, повышение их качества, детализации и доступности благоприятно сказываются на распространении 3D ГИС. Такие технологии, как лазерное сканирование LiDAR (рис. 2), позволяют получать и интегрировать данные в трехмерные ГИС-модели, хранить их в базе геоданных и анализировать.
Важно не только построить модели, поработать с ними в ГИС, но и обеспечить доступность полученных результатов для других, причем желательно в максимально удобной для пользователя форме: через веб-браузер, мобильные устройства. Современные трехмерные ГИС позволяют это делать. Например, в ArcGIS такая возможность реализована через технологию веб-сцены – основной механизм публикации 3D. Веб-сцены позволяют использовать сервисы для отображения 3D-данных в браузере на мобильном или настольном устройстве, причем сцены могут динамически меняться, обновляться и т. д. Иными словами, даже после публикации можно управлять данными и способом их отображения, применять инструменты для анализа, подключать новые слои и пр.
К веб-сценам можно подключать внешние сервисы, т. е. расширять веб-сцены дополнительными данными и функциями для их обработки. В качестве примера можно привести интерактивную веб-сцену, где представлены природные достопримечательности, отображенные на основе карты WorldImagery и 3D-слоев (карту можно вращать, приближать, удалять, менять освещенность, выбирать нужную подложку и пр.).
Отметим, что участники рынка работают над созданием готовых моделей и открытых отраслевых стандартов 3D ГИС. Примером 3D городской информационной модели являются 3D CityInformationModel (3DCIM) и CityGML, которые охватывают разные аспекты городского моделирования: застройку, зонирование, права собственности, действующие административные документы и регламенты, геологическую подоснову, погоду, экологическую обстановку и пр. Использование стандартных моделей дает возможность существенно ускорить создание 3D-карт и сцен (за счет применения готовых компонентов и инструментов геообработки), упростить обмен готовыми картами и 3D-сервисами, а также повышает их совместимость.
Виртуальный Роттердам, профили скважин и воздушные потоки
Приведем несколько примеров использования технологии трехмерных ГИС. Один из наиболее любопытных проектов – «Виртуальный Роттердам» для оценки планов освоения территорий и городского развития, предназначенный как для общественности, так и для городских властей, включающий функции анализа и визуализации. Так, предлагаемый архитекторами план застройки района моделируется на 3D-карте. Поворачивая, приближая и удаляя карту, можно увидеть, как новые здания будут выглядеть с разных ракурсов, в перспективе, на фоне существующей городской застройки. На карте будут отражены также точки города и улицы, с которых будут видны новые здания. «Виртуальный город» покажет, какое воздействие окажут проектируемые строения на городскую среду, например, будут ли и в какой степени они затенять близлежащие здания и улицы в зависимости от времени суток и времени года. 3D ГИС позволяет добавлять новые здания, если воспользоваться дополнительными, импортированными или заранее подготовленными моделями.
3D ГИС широко применяется в промышленности, горном деле, энергетике. Например, сервисная компания Hunsaker, работающая в сфере золотодобычи и геологоразведки, использует ГИС для проведения изыскательских работ и выполнения расчетов как в поле, так и в офисе. Компания ведет свою деятельность преимущественно в юго-западных штатах США, где накоплены огромные массивы геологических данных о состоянии месторождений, разрабатываемых шахтах и для их анализа требуются соответствующие технологии. С помощью ПО Geosoft и ArcGIS компания создает трехмерные представления (карты) потенциала площадки.
Один из методов основан на добавлении к геологической карте новых слоев тематических данных (результаты бурения, данные геофизики и др.), что позволяет точнее их интерпретировать. Например, Hunsaker оцифровал и перевел в ГИС данные, накопленные одним из клиентов компании почти за 40 лет (в том числе данные из скважин), и создал на их основе трехмерные профили. Использование 3D обеспечивает возможность работы с большими массивами информации, такое представление более наглядно, соответственно меньше вероятность упустить важное.
Сферы использования трехмерных ГИС приведенными примерами не ограничиваются. Технологии широко применяются в области безопасности и охраны объектов для моделирования потенциальных угроз и тактики противодействия им, для предотвращения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций и стихийных бедствий (например, для расчета территорий затопления на случай паводка и путей эвакуации населения, предприятий), для создания трехмерных кадастров недвижимости (внедряемые в ряде стран системы помогают защищать права граждан на свое имущество) и т. д.
***
В заключение следует отметить, что в настоящее время развивается концепция «ГИС 5D», которая наряду с тремя пространственными составляющими предусматривает два других аспекта: «время» и «деньги». Ее возможности позволяют не только рассматривать процессы в динамике, но и учитывать, визуализировать на карте экономические факторы (затраты, окупаемость, прибыль). Тем самым ГИС можно использовать как часть системы управления проектами в сфере строительства, транспорта и пр.
