В. Иванов,  А. Баранов,  К. Королев

 Предложения по использованию геоинформационных систем и технологий трехмерного моделирования при организации связи

    Двухмерное изображение не создаст такого полного представления об объекте, как трехмерная модель. Трехмерные программные модули в геоинформационной системе (ГИС) позволяют создавать в среде трехмерной местности объекты любой сложности: архитектурные постройки, дорожные конструкции, группы деревьев, вертолеты, автомобили и так далее. Трехмерное моделирование позволяет наилучшим образом описывать реальную местность, объекты окружающего мира и их взаимное расположение. Отличие трехмерных ГИС от трехмерных интерактивных тренажеров или симуляторов, в том, что в ГИС любой трехмерный объект имеет географические координаты. Его можно выделить мышью, пространственно сравнить с другими объектами, связать с ним базу данных любой сложности, и таких объектов можно создать сколь угодно много. С позиций визуальных эффектов трехмерная ГИС и трехмерная игра могут мало отличаться друг от друга, но содержательное отличие значительно. Трехмерное моделирование можно использовать для более эффектного представления района развертывания узла связи  с учетом рельефа реальной местности, также 3D моделирование успешно применяют в конструкторских проектах при создании различных моделей и легко заменит натуральное макетирование, например, позволит создать 3D модель узла связи или элемента системы связи [1,2]. Трёхмерное изображение на плоскости в отличие от двумерного включает построение геометрической проекции объёмной модели на плоскость с помощью специализированных программ (рис. 1).

Рис. 1. Основные функции и возможности 3D программ

Создание моделей для трехмерных ГИС осуществляется с использованием программ трехмерной графики. 3D графика – вид компьютерной графики, визуальное отображение трехмерной сцены или объекта на экране монитора или какого - либо другого устройства.AutoCAD – система автоматизированного проектирования и черчения в режиме 2D и 3D, разработанная компанией Autodesk рис.2. AutoCAD и специализированные приложения на его основе нашли широкое применение в машиностроении, строительстве, архитектуре и других отраслях промышленности. В данной программе можно с помощью 2D инструментов можно создать эскиз сложной детали, а затем перевести её в трёхмерное пространство.В AutoCAD можно моделировать, как отдельные здания, так и целые комплексы. Так же в нём можно создавать текстуры для компьютерных игр.AutoCAD Map 3D создан для специалистов, выполняющих проекты в сфере транспортного строительства, энергоснабжения, земле- и водопользования и позволяет создавать, обрабатывать и анализировать проектную и ГИС-информацию.Основным форматом файла Auto CAD является DWG – закрытый формат, изначально разрабатываемый Autodesk. Для обмена данными с пользователями других САПР предлагается использовать открытый формат DXF. Следует отметить, что файлы с расширениями DWG и DXF может читать большинство современных САПР.

Рис. 2. Диалоговое окно программы Auto Cad 2009

Кроме этого, программа поддерживает запись и чтение (посредством процедур импорта/экспорта) файлов, формата 3DS, DGN, SAT и некоторых других. Autodesk 3DS Max – профессиональная программная система для создания и редактирования трёхмерной графики и анимации рис. 3. Содержит современные средства для художников и специалистов в области мультимедиа. Работает в операционных системах Microsoft Windows и Windows. Autodesk 3DS Max – доступен в 2 лицензионных версиях: студенческая – бесплатная которая предоставляет полную версию программы, но её нельзя использовать с целью получения прибыли. Autodesk 3DS Max – популярный программный пакет, предназначенный для редактирования  трех мерной графики и ее визуализации. Утилита великолепно подходит для создания простых и сложнейших структурированных трехмерных объектов – животных, людей, зданий. Программа также позволяет выполнять глубокое моделирование природной среды, включая освещение, воду, деревья, ветер. В приложение интегрирован мощный модуль анимации, предоставляющий огромные возможности касательно управления параметрами анимированного изображения.

Рис. 3. Диалоговое окно программы Autodesk 3DS Max

Создаваемый при этом видеоряд обладает высокой реалистичностью. Графическая среда большинства компьютерных игр создана средствами Autodesk 3DS Max. Кроме этого, данный пакет широко используется в теле- и киноиндустрии. Потребность в применении утилиты появляется тогда, когда необходимо получить изображение одной и той же сцены или предмета в разных проекциях. Стоит отметить, что прорисовка какой-либо сцены в 2D-редакторе займет меньше времени. Поддерживаются следующие форматы файлов: 3ds, max, lwo, jpg, png. Визуализация трехмерной сцены в Autodesk 3DS Max может осуществляться разными модулями рендеринга, предназначенными непосредственно для 3D-редакторов. Большой популярностью пользуется VRay – внешний визуализатор, характеризирующийся более реалистичными изображениями и огромным числом настроек, сравнительно со встроенным в Autodesk 3DS Max визуализатором Scanline. Blender – это бесплатный мощный редактор трехмерной графики и анимации рис. 4. Программа обладает большим набором инструментов: 3D –моделирование, анимация, рендеринг, обработки видео, а также целый набор опций для создания интерактивных игр, различные визуальные 3D – эффекты и многое другое. Актуально заметить, что такие действия как передвижение персонажей и движение губ при разговоре, мимика могут быть легко обработаны программой, так же программе не составить большого труда - управлять сложными динамическими объектами, которые взаимодействуют друг с другом и окружающей средой. Данный редактор может придать максимальной реалистичности таки эффектам, как развивающийся флаг, льющая вода и многим другим (многое зависит от фантазии и опыта пользователя). Помимо всего выше перечисленного стоит добавить, что Blender обладает большим набором примитивов (кубы, кольца, сферы, цилиндры и т.д.) и всё это бесплатно.

Рис. 4. Диалоговое окно программы Blender

Google SketchUp – это бесплатное приложение, позволяющее создавать, редактировать и просматривать 3D-проекты домов, ангаров, различные варианты дизайна интерьера, ландшафтов, танков, самолётов и прочих объектов рис. 5. С помощью Google SketchUp можно добавлять к своим моделям новые детали, текстуры и прочие всевозможные элементы, причём реалистичные текстуры находятся уже в комплекте. Созданные Вами творения можно отправлять для публичного просмотра и использования в Google 3D Warehouse. 3D Warehouse – это ресурс, который позволяет добавлять, искать, просматривать и скачивать SketchUp модели. Данный редактор обладает такими инструментами как: рисование и геометрическое моделирование; инструмент для создания простых и сложных форм – круги, овалы, квадраты; инструмент для построения пропорционально-уменьшенных копий объекта; измерительная рулетка, транспортир, расчёт площади, длины и многое другое. Основные возможности и особенности Google SketchUp:понятный и простой в использовании интерфейс; поддерживает импорт и экспорт различных форматов двухмерной растровой и трёхмерной графики, в частности: *.3ds, *.dwg, *.ddf; *.jpg, *.png, *.bmp, *.psd; дополнительно установленные плагины позволяют экспортировать в форматы *.mxs, *.atl, *.dae, *.b3d;

Рис. 5. Диалоговое окно программы Google SketchUp

экспорт в формат *.jpg в качестве снимка с рабочей области окна приложения; библиотеки компонентов, материалов и стилей рабочей области, которые можно пополнять своими элементами; возможность устанавливать тени в соответствии с заданными широтой, долготой, временем суток и года; возможность размещать свои творения в общедоступных он-лайн коллекциях Google; пополняемые библиотеки компонентов, материалов и стилей, бесплатные коллекции 3D-моделей; возможность создавать макросы для повторяющихся действий; полная интеграция с программой Google Earth («виртуальный глобус»). 3DCrafter–это популярная и бесплатная программа, предназначенная для 3D-моделирования и построения анимации в режиме реального времени рис. 6. Данным редактором применяется технология Drag&Drop, поэтому даже начинающие пользователи не почувствуют сильного затруднения в построении трехмерных моделей любой сложности.Процесс создания анимации очень прост - нужно просто указать позицию объекта в каждый конкретный (нужный) момент времени, а программа сама, автоматически подровняет (сгладит) указанные траектории.

Рис. 6. Диалоговое окно программы 3DCrafter

Основные особенности 3DCrafter: поддержка форматов импорта: 3D Studio (3ds), 3D Studio (asc), AC3D (ac), AutoCAD (dxf)2, DirectX (x),  Imagine (iob), Lightscape (lp), LightWave (lwo), Maya (rtg), Quicktime 3D (3dmf), Rail Simulator (igs/ia), RealiMation (rbs), RenderWare (rwx), StereoLithography (stl), TrainSim Modeler (dst), trueSpace (cob), VideoScape (geo), VRML 2.0 (wrl), Wavefront (obj), WorldToolKit (nff), XGL, XYZ, ZGL; поддержка формата экспорта POV-Ray (pov); автоматическое сглаживание траекторий.

Компас-3D – это самый популярный российский САПР, которым ежедневно пользуются тысячи инженеров, конструкторов и проектировщиков в России и многих других странах рис. 7. С помощью данной системы можно реализовать проекты любой сложности – построение 3D-модели, расчет прочности этой модели, проведение кинематического и динамического анализов, подготовка конструкторской документации и её передача для изготовления деталей. Особенностью Компас-3D является, то что система использует собственное математическое ядро и параметрические технологии.

Рис. 7. Диалоговое окно программы Компас-3D

Процесс построения 3D – изображения можно разделить на три последовательных этапа. На первом этапе объект преобразуется в модель, разделенную на множество многоугольников (полигонов). Следующий этап включает в себя геометрические преобразования с полигонами и установки освещения. Заключительный этап - рендеринг, на котором, создается двумерное изображение из полученных на предыдущих этапах многоугольников. Финальное изображение получается из визуализирования (рендеринга) предварительно смоделированной трехмерной сцены.

Как правило, каждая сцена представляет собой набор следующих элементов [2,3]: набор различных объектов, обладающих разными свойствами; набор источников света; набор текстур для объектов; как минимум одну камеру  или несколько камер.

Каждая сцена в 3D графике состоит из объектов. Каждый объект может состоять из: вершин (вершина – точка в трехмерном пространстве, где могут  соединятся несколько линий. Положение вершины в трехмерном пространстве  определяется своими 3D координатами по трем осям ( высота, ширина, глубина или X,Y,Z); набора ребер (ребро – 2 вершины, образующие прямую линию); набора полигонов (полигон – как минимум 3 вершины, образующие плоскость. Как  правило  полигон состоит из 3-х или 4-х вершин, но в некоторых программах 3D моделирования полигоны могут состоять из большего количества вершин).

Объект может обладать различными свойствами и поведением (свойствами своего материала – например, такими как прозрачность, зеркальность, особенностями отражения текстур и т.д.; поведение объекта определяется его расположением в пространстве (смещением, осью поворота, углом поворота, коэффициентом масштабирования, и т.д.). Каждый источник света в сцене задается следующими параметрами [4]: положение источника света в пространстве; ориентация (точка, в которую направлен этот источник); тип (фоновый/направленный/ненаправленный); цветовая схема (обычно RGB).

Все редакторы 3D графики обладает своим набором источников освещения и различными особенностями по управлению ими. Текстуры в сцене представляют собой двумерную картинку, различного формата, которая проецируется на трехмерную модель. Камера в трехмерной сцене используется для определения нужного для визуализирования участка сцены. Каждая камера задается следующим основными параметрами: положение в пространстве; направление (точнее, точкой, в которую направлена эта камера); угол зрения; угол поворота относительно своей оси. Объединение технологий трехмерной графики и геоинформационных систем реализована на базе приложений, входящих в состав ГИС «Оператор».В качестве базового программного продукта в Вооруженных силах РФ используется ГИС «Оператор» принятая на вооружение приказом МО РФ № 598 от 15 августа 2013 года [9]. ГИС «Оператор» предназначена для создания (нанесения) и редактирования (обновления) условных знаков  оперативной обстановки.

Основные направления использования ГИС «Оператор» [7]:

топогеодезическое обеспечение войск, автоматизация учета и хранения данных, расчет запасов карт;

ведение дежурных и оперативных карт и схем, автоматизация формирования графических документов;

инструментальное и информационное обеспечение учений и командно- штабных тренировок;

автоматизация процессов управления войсками, обеспечение развития

концепции сетецентрических войн;

объемное моделирование местности и оперативной обстановки, создание виртуальных макетов местности;

информационное обеспечение боевого применения высокоточного оружия;

оперативный поиск и обеспечение картографическими материалами на требуемый район;

анализ и прогнозирование оперативной обстановки;

информационное обеспечение принятия оперативных решений;

обработка, визуальный анализ тематических справочных данных, формирование наглядных графических документов с использованием цифровой картографической основы, автоматизированная обработка и отображение данных, результатов расчетов и прогнозов;

бортовая навигация и диспетчерское сопровождение транспортных средств. ГИС «Оператор» содержит средства редактирования оперативной обстановки, разнообразные классификаторы и библиотеки условных знаков оперативной обстановки, принятые в РФ и НАТО.

ГИС «Оператор» обеспечивает автоматизированную обработку различных видов пространственных данных (рис. 8):

векторные карты и планы в различных проекциях и системах координат, включая морские карты, радионавигационные (воздушные), навигационные и другие;

данные ДЗЗ, включая космические снимки в оптическом диапазоне,

мульти-спектральные снимки, данные лазерного сканирования, данные эхолокации и другие;

регулярные матрицы высот, матрицы качественных характеристик

(покрытия), TIN-модели;

3D-модели.

Рис. 8.  Виды данных, обрабатываемых в ГИС «Оператор»

Средством работы с 3D - моделями реальной местности, создаваемыми в ГИС «Оператор», является модуль  «Навигатор 3D (отображение трехмерной модели местности)» в меню «Задачи»  ГИС «Оператор» рис. 9. Технология позволяет создавать трехмерные модели местности, модели архитектурных ансамблей, интерьера внутренних помещений, надземных и подземных коммуникаций. Для усиления эффекта визуализации трехмерных изображений местности (района) операции или размещения узлов связи можно использовать  библиотеку трехмерных знаков для тактической и оперативной обстановки, которая является дополнением к классификатору условных знаков тактической и оперативно-тактической обстановки. Он представляет  собой набор трехмерных моделей единиц вооружения и военной техники, стоящей на вооружении Вооруженных Сил Российской Федерации. При вызове «Навигатора 3D» для текущего активного окна-документа карты строится трехмерная модель прямоугольного участка местности, соответствующего всей карте или выбранному участку (рис.10).

Рис. 9. Диалоговое окно ГИС «Оператор» с кнопкой  запуска  «Навигатора 3D»

Рис. 10. Диалоговое окно «Навигатора 3D»

Она представляет собой поверхность, построенную с учетом рельефа местности (при наличии матрицы высот в текущем документе), на которую может быть наложено изображение векторной, растровой или матричной карты, и расположенные на ней трехмерные объекты, соответствующие объектам двухмерной карты. В ней можно свободно «ходить» по трехмерной модели, наклонять ее под нужным углом, опускаться и подниматься, менять освещение, т.е. настроить отображение модели максимально удобным для работы образом. При необходимости более детального и индивидуального отображения местности, можно создавать свои объемные изображения объектов с помощью редактора условных знаков. Такие трехмерные модели местности найдут свое применение в ходе визуализации района операции или размещения элементов системы связи. Работа с трехмерными моделями осуществляется с использованием стандартной библиотеки OpenGL. Для просмотра готовых 3D-моделей местности, созданных в ГИС «Оператор», и работы с ними можно использовать ГИС «Навигатор 2011», которая предназначена для просмотра готовых трехмерных моделей, двухмерных векторных карт, растров, матриц, перемещения по 2D- и 3D-картам с использованием подключения GPS приемника и печати карт. Программа может работать в качестве клиента ГИС Сервера.

Для удобства работы с трехмерной моделью можно изменять:

вид поверхности модели (изображение карты, снимка, матрицы, каркасный или прозрачный вид);

вид объектов (полный, каркасный, без объектов);

подробность отображения рельефа;

освещенность модели (естественное по времени суток, типа "прожектор", направленное от пользователя);

скорость движения по модели и т.д.

Трехмерную модель можно построить как для всего отображаемого на двухмерной карте района, так и для любого его фрагмента. Доступен просмотр и изменение семантики и метрики для выбранного объекта. При изменении списка данных электронной карты, состава объектов изменяется вид трехмерной модели. Имеется три вида перемещения по трехмерной модели: вручную, по выбранному объекту и в свободном полете по заданной траектории. В трехмерной модели есть возможность сохранения текущего изображения в bmp-файл. Также можно записать AVI-файл с перемещением по трехмерной модели и с изменением ее характеристик. Перемещение по трехмерной модели и по двухмерной карте может быть синхронизировано. Поэтому имеющаяся в ГИС задача подключения GPS приемника делает возможным определение местоположения движущегося объекта как на двухмерной карте, так и на трехмерной модели. Входными данными для этой задачи являются данные в формате NMEA-0183 (в текстовом ASCII виде), принимаемые с параллельного порта компьютера, к которому подключено устройство типа GPS – приемник, или принимаемые с удаленного GPS-устройства через протокол GPRS. Имеется возможность загрузки векторных, растровых и матричных карт из различных форматов, печати загруженных данных.

В ходе работы должностных лиц органов управления связи, решают различные задачи. При этом с использованием трёхмерного моделирования могут решаться задачи по связи:

построение трехмерной модели района операции на основе электронных рабочих карт должностных лиц;

нанесение данных обстановки по связи с использование 3D классификатора оперативных знаков;

создание базы пользовательских карт в органе управления связи с трёхмерными знаками оперативной обстановки и обстановки по связи;

использование комплекса 3D анализа для выполнения информационных  расчетных задач;

определение местоположения объектов (элементов) системы связи на месте с учетом рельефа местности;

совершенствование баз данных классификаторов ГИС;

определение пригодности мест развертывания УС ПУ ОУС и других элементов СС с учетом обработки данных с возможностью развития различных природных и техногенных катастроф;

оценка оперативной обстановки и обстановки по связи с учетом реального рельефа местности;

отображение текущей информации о местоположении объектов связи  на ЦКМ у ОД ПУС объединения (дежурного по элементу СС);

создание визуальной модели развертывания УС ПУ, его вынесенных элементов, маршрутов прокладки линий связи;

качественная (визуальная) оценка выбранных мест развертывания элементов СС, маршрутов прокладки линий связи, мест преодоления различных препятствий (водных преград, перевалов в горных районах и т.д.);

комплексная оценка (количественная и качественная), оценка выбранных мест развертывания элементов СС, маршрутов прокладки линий связи и движения подвижных средств связи, мест преодоления различных препятствий (водных преград, перевалов в горных районах и т.д.);

расчет перспективной модели для любой задаваемой точки обзора;

создание динамической модели «полета» над территорией.

Для построения трехмерной модели местности используются векторная карта, матрица высот, триангуляционная модель рельефа, классификатор карты, библиотека трехмерных моделей объектов, цифровые фотоснимки местности и цифровые фотографии объектов местности рис. 12.

Рис.11. Схема построения трехмерной модели

Векторная карта – это совокупность описания паспортных данных о листе карты (масштаб, проекция, система координат, прямоугольные и геодезические координаты углов листа и т. д.), метрических данных объектов карты (координаты объектов на местности) и семантических данных объектов карты (различные свойства объектов). Векторная карта имеет расширение MAP или SIT и может быть создана в системе ГИС «Оператор», либо загружена из форматов SXF, DXF, MIF, SHP, DGN и других обменных форматов векторной информации. Матрица высот содержит абсолютные высоты рельефа местности. Матрица высот имеет расширение MTW. Матрица высот может быть создана в системе ГИС «Оператор» по данным векторной карты, либо загружена из формата GRD. Триангуляционная модель рельефа содержит треугольники нерегулярной сети, описывающие поверхность местности. Триангуляционная модель имеет расширение TIN. Триангуляционная модель рельефа создается в системе ГИС «Оператор» по данным векторной карты. Классификатор карты – это совокупность описания слоев векторной карты, видов объектов и их условных знаков, видов семантических характеристик и принимаемых ими значений, представленных в цифровом виде. Классификатор карты в цифровом виде хранится в файле RSC. Файл RSC располагается в одной директории с векторной картой, в общей директории классификаторов или в директории приложения. Классификатор карты создается в системе ГИС «Оператор». Библиотека трехмерных видов объектов содержит описания объемного вида объектов. Библиотека трехмерных вида объектов имеет расширение P3D и подключается в классификаторе карты. Создание библиотеки выполняется в системе ГИС «Оператор». Цифровые фотографии (в формате BMP, TIFF, JPEG) должны содержать изображение объектов или частей объектов и могут быть загружены с цифрового фотоаппарата. Цифровые фотоснимки местности должны содержать изображение местности в формате RSW. Изображение местности может быть использовано для наложения на поверхность рельефа. Файлы в формате RSW получаются при загрузке BMP, TIFF, JPEG файлов и других стандартных растровых форматов. Все указанные данные автоматически формируются в среде ГИС, при этом особенностью построения 3D модели элемента системы связи на местности является наличие подготовленного 3D классификатора условных знаков (библиотеки трехмерных знаков). Одной из сложных задач по созданию 3D модели обстановки является разработка библиотеки трехмерных знаков которые будут соответствовать требованиям предъявляемым к отработки картографических документов. В настоящее время 3D классификатора условных знаков элементов системы связи нет. Его создание является важной задачей для разработчиков ГИС «Оператор» и должностных лиц органов управления связи. При наличии хорошо подготовленного 3D классификатора появиться возможность использования 3D моделирования в ГИС в полном функциональном объеме. Не смотря на то, что эффективность использования ГИС доказана многолетним применением, имеются и недостатки, которым относятся:

- высокие требования к производительности автоматизированных рабочих мест (ПЭВМ);

- сложность подготовки должностных лиц для эксплуатации ГИС с элементами трехмерного моделирования;

- отсутствие единого классификатора оперативных 3D знаков для ГИС «Оператор»;

- сложность добавления новых 3D моделей в классификатор в связи с импортированием 3D моделей в формате, VMRL который устарел;

- сложность масштабирования объектов на 3D моделей;

- большой объем пользовательского слоя, свыше 250 Мбат.

Рассмотренные в статье предложения по использованию программ трёхмерного моделирования и геоинформационных систем позволят кардинально пересмотреть порядок применения ГИС при организации связи в первую очередь в звене армия – военный округ (группировка войск сил на театре военных действий).

Литература

1. Воробьёв И. Г.,  Иванов В. Г., Домбровский Я. А. Применение средств автоматизации при организации связи. Учебное пособие. СПб.: ВАС,  2012.  140 с.
2. Геоинформационная система «Карта 2011». Технология построения трехмерной модели панорама 1991-2010 Ногинск. 2010.
3. Геоинформационная система «Карта 2011». Технология создания библиотеки трехмерных знаков тактической, оперативно-тактической обстановки. Панорама 1991-2013 Ногинск. 2013.
4. Программное изделие ГИС «Оператор» для силовых структур (ГИС Оператор). Руководство системного программиста. ПАРБ.00048-02 32 01. Москва. 2013.
5. Сайт «Программист», http://olocoder.ru
6. Сайт «Софт», http://www.anyaplanet.net
7. «Геоинформационная система военного назначения ГИС «Оператор» Редактор оперативной обстановки. Редакция 2.0. Москва. 2013.
8. «Программное изделие ГИС «Оператор» для силовых структур (ГИС Оператор)» Руководство оператора. ПАРБ.00048-02 34 01. Москва. 2013.
9. Сайт «КБ Панорама», http://www.gisinfo.ru.