CC BY
487
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
Владимир Адольфович Середович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, оф. 106, кандидат технических наук, профессор, проректор по инновационной деятельности, тел. (383)343-39-57, e-mail: [email protected]
Иван Владимирович Вострое
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 8, оф. 120, аспирант, инженер-геодезист регионального центра лазерного сканирования, тел. (913)945-68-48, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются программные продукты, которые широко используются по созданию цифровых моделей местности, их возможность поддерживать и создавать трехмерные модели, импорта облака точек, способ построения рельефа, импорта и обработка исходных данных.
Ключевые слова: импорт и обработка данных, цифровая модель рельефа, трехмерная модель.
REVIEW OF CURRENT SOFTWARE PRODUCTS FOR CREATING AND USING THREE-DIMENSIONAL MODEL FOR THE OF DESIGNING OF HIGHWAYS
Vladimir A. Seredovich
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk 630108, k.t.n, prof., vice-rector on Innovative Activity, tel. (383)343-39-57, e-mail: [email protected]
Ivan V. Vostrov
Siberian State Academy of Geodesy, 10 Plakhotnogo, Novosibirsk 630108, postgraduate student, engineer - geodesist of the regional center of laser scanning, tel. (913)945-68-48, e-mail:
The article deals with software products that are widely used to create digital terrain models, their ability to maintain and create three-dimensional model, import the point cloud, a method of constructing a relief, import and processing of raw data.
Key word: import and processing of data, digital elevation model, three-dimensional model.
Любое проектирование, планирование, реконструкция и т.д., начинается с геодезических изысканий. В наши дни широко используется сбор геодезических данных с применением электронных тахеометров (тахеометрическая съемка). С появлением новых методов сбора геодезических данных, воздушное и наземное лазерное сканирование, появилась возможность создавать трехмерные модели местности.
Создание трехмерных моделей позволяет оценить объект в режиме реально времени; выполнять дополнительные расчеты такие как: определения
расстояний, габаритов; давать оценку местности и состоянию объекта изысканий и многое другое в более точном положении. Трехмерная модель отображает весь характер местности, рельефа или объекта изысканий, что позволяет осуществить планирование, проектирование, с наибольшей точностью учитывая все детали.
Система CREDO_Mix (развивается с 1989 г. в научно производственном объединении (НПО) Кредо-Диалог (г. Минск)) предназначена для создания и инженерного использования топографических крупномасштабных планов в виде цифровых моделей местности, а так же автоматизированного проектирования генеральных планов, транспортных сооружений; жилищногражданских объектов, горизонтальной и вертикальной планировок.
Система обеспечивает обработку результатов топографической съемки: импорт результатов изысканий, GPS измерений обработанных в других программных продуктах; создание, отображение, использование цифровых моделей рельефа и ситуации; проектирование трасс линейных сооружений; формирование данных для продольных и поперечных топографических профилей (разрезов) инженерных сооружений; расчет объемов работ между двумя поверхностями, экспорт цифровой модели объектов в проектирующие системы; экспорт цифровой модели местности в формате DXF (3D); создание “твердых копий” плана в листах или планшетах в формате DXF (2D).
Цифровая модель местности (ЦММ) состоит из цифровой модели рельефа (ЦМР) и цифровой модели ситуации (ЦМС).
Цифровая модель рельефа - это множество треугольных граней, построенных на точках (точки являются вершинами граней) с координатами X, Y, Z. Построение множества треугольных граней названо триангуляцией. Множество треугольников аппроксимирует участки поверхностей (естественные и спланированные участки земли, искусственные покрытия и др.).
На основе ЦМР системами CREDO решаются задачи проектирования инженерных объектов, и при этом рельеф поверхности отображается на экране, как и на топографических картах и планах: горизонталями, условными знаками обрывов и откосов и т.д.
При построении ЦМР используют структурные линии, которые однозначно определяют треангулирование участка поверхности. Каждый отрезок структурной линии, при построении ЦМР, является ребром треугольника. Структурные линии однозначно позволяют определить характерные формы рельефа: лощины (тальвеги), хребты (водоразделы) и др.
Следует создавать структурные линии в тех случаях, когда нужно изменить характер рельефа так, как видит его специалист, т.е. создание цифровой модели местности по абрисам полевых журналов и др.
После создания структурных линий создается контур рельефа - участок поверхности, имеющий, по мнению пользователя, однородный рельеф, который в свою очередь отображается горизонталями. Если, по мнению пользователя,
модель рельефа построена не корректно, можно изменить направление ребра, в процессе чего получают более сглаженные рельеф.
Вывод чертежа для обработки читаемости, можно производить в формат DXF 3D, который позволяет вывести в реальных (топографических) координатах весь объект или его отдельные части. Вывод треугольников, точек и горизонталей осуществляется в трехмерном представлении; остальная информация выводится на плоскости (Z=0). [1]
Т.О. Т. О. программа Credo_MIX очень удобный продукт для созданий ЦМР, имеет поддержку экспорта ЦММ формата DXF (3D). Не имеет модуля импорта и обработки сырых геодезических данных; не может импортировать и обрабатывать облака точек.
В системе IndorCAD/Topo (развивается с начала 90-х годов. До 2003 г. система разрабатывалась в Инженерном дорожном центре «Индор» (г. Томск) и называлась ReCAD (по аббревиатуре слов Реконструкция автомобильных дорог. В марте 2003 г. система ReCAD была передана для дальнейшего развития в специализированную фирму по разработке программного обеспечения "ИндорСофт, после чего была переименована в IndorCAD) предназначенной для геодезических изысканий имеется выбор функций по обработки данных геодезических изысканий, объемная визуализация моделей местности, векторизация растровых картографических материалов, построение и анализ цифровых моделей рельефа.
В качестве модели рельефа используется триангуляционная модель, которая строится по рельефным точкам и структурным линиям.
Эффект «выпуклого» трёхмерного изображения поверхности достигается за счёт направленного источника света, который имитирует освещение поверхности солнцем. В случаях, когда очертания и визуальное восприятие поверхности не удовлетворяют пользователя, можно редактировать триангуляцию, перебрасывая её ребра в смежных треугольниках, и отсекать (делать невидимыми) вырожденные и ненужные треугольники триангуляции. Резкие изломы поверхности корректируются структурными линиями, меняющими форму рельефа. Любое изменение в данных или добавления структурных линий приводит к автоматическому обновлению триангуляционной поверхности.
Одним из способов визуального анализа поверхности являются - линии, соединяющие точки с одинаковыми высотами, с определенным шагом, т.е. горизонталями.
Другим способом отображения поверхностей являются изоконтуры -области, в которых высоты распределены в некотором диапазоне. Изоконтуры можно раскрасить в зависимости от высот отдельных контуров, что позволяет быстро выявлять на поверхности пониженные (повышенные) места, водоразделы и пр.
Триангуляция, построенная в системе IndorCAD/Topo, может быть экспортирована в файл AutoCAD (*.dxf) в виде объектов 3D-Face.
В системе IndorCAD/Topo для визуальной оценки решений разработан модуль трёхмерной визуализации, позволяющий достаточно реалистично
представить проект вместе с инженерным обустройством, но вместе с условными обозначениями объектов на плане формируются их BD-аналоги. Пользуясь данной функцией, можно визуально оценить проделанную работу.
Имея геодезический редактор, IndorSurvey, предназначенный для обработки данных, программа позволяет импорт файлов электронных тахеометров; ввод данных вручную; расчет, уравнивание и анализ результатов данных. [2]
Т.О. программа IndorCAD является очень удобным продуктом для создания ЦМР, обработки результатов и редактирования геодезических измерений, имеет возможность подгружать обработанные данные лазерного сканирования, что позволяет создавать трехмерные модели.
Система TopoCAD (разрабатывается в фирме Adtollo AB - ранее Chaos system AB - c 1994 г. (Швеция)) предназначенная для автоматизации процессов обработки результатов геодезических измерений, создания цифровой модели местности, получения топографических и тематических планов, чертежей продольных и поперечных профилей, обеспечения горизонтальной и вертикальной планировки местности, вычисления объемов земляных работ, решения целого ряда прикладных задач, связанных с геодезическим обеспечением строительства. [3]
Программа позволяет импортировать текстовые файлы обработанных данных или данные с пробора, имеется модуль для импорта GPS измерений сразу в чертеж в полевых условиях. Для того что бы создать поверхность необходимо выделить точки, входящие в создание поверхности, выбрать функцию построить ЦМР, указать необходимые параметры: максимальную длину ребра треугольника, включить учет структурных линий, можно указать диапазон высотных отметок (Max и Min). Программа позволяет просмотреть статистику построенной поверхности, а так же площадь. Для наглядного отображения модели можно включить вывод горизонталей, кроме того программа позволяет просмотреть построенную модель в окне 3D вида. Если модель построена не корректно, то ее можно изменить стереть не корректно построенные треугольники, так же можно изменить направление интерполяции. Данные операции можно проводить в окне 3D вида. Для автоматизации редактирования модели поверхности имеет смысл предварительно создать структурные линии, для закрепления характерных элементов рельефа. Такие структурные линии позволяют автоматизировать процесс построения модели поверхности, т.к. они привязаны по высоте. После окончания редактирования можно выводить конечный результат апроксимиальных горизонталей. Программа позволяет выводить горизонтали, как без сглаживания, так и сглаженные, с различной степенью. Для построенных горизонталей можно вывести подписи высот, количество знаков надписи настраиваются. Отметки над горизонталями подписываются в видимом слои поверхности, если поверхность скрыта, то горизонтали не подпишутся. [4]
Программа TopoCAD имеет модуль, который позволяет поддерживать данные облако точек, т.е. данные трехмерного лазерного сканера и на основе
этих данных можно решать поставленные задачи для построения цифровых трехмерных моделей.
Т.О. программа TopoCAD является очень удобным продуктом для создания ЦМР, обработки результатов и редактирования геодезических измерений, импорт данных с прибора в полевых условиях (модуль полевая съемка), возможность построение поверхности, редактирование в трехмерном виде, имеет модуль облако точек, что позволяет создавать трехмерные модели.
Система AutoCAD Civil 3D предусматривает полную автоматизацию процесса обработки геодезических данных. Программный продукт имеет геодезический редактор, который помогает скачивать данные с прибора, сохранят в формате понятный Civil 3D и обрабатывать их (имеется возможность загружать данные обработанных измерений из других приложений); имеется модуль для работы с облаком полученную по результатам воздушного и наземного лазерного сканирования, функционал AutoCAD Civil 3D позволяет управлять плотностью облака точек; для визуализации экосистемы проекта, возможно, извлекать изображения и модели поверхности из службы Google Earth (Гугл Планета Земля).
Поверхность AutoCAD Civil 3D представляет собой трехмерное геометрическое представление участка земной поверхности или разность (композицию) двух областей поверхностей (в случае поверхностей для вычисления объема).
Поверхность формируется из треугольников или сеток, которые создаются в AutoCAD Civil 3D в результате соединения точек, составляющих данные поверхности.
AutoCAD Civil 3D поддерживает работу с поверхностями нескольких типов: поверхность TIN (нерегулярных триангуляционных сетей) и сетчатые поверхности (цифровых моделей рельефа по регулярной сетке, для объемов).
Поверхности TIN образуются посредством триангуляции по произвольному набору точек. Линии TIN создаются посредством соединения точек поверхности, расстояния между которыми является наименьшим, эти линии служат сторонами треугольников, образующих триангуляционную сеть поверхности.
При наличии структурных линий триангуляция поверхности принудительно выполняется вдоль структурной линии; ребра триангуляции не могут пересекать структурную линию.
Структурные линии необходимы для создания точечной модели поверхности, так как форма модели определяется не только непосредственными данными, но и посредством интерполяции данных (добавление структурных линий можно только к поверхностям TIN).
Создание поверхности на основе горизонталей: по данным горизонталей можно создавать или изменять поверхность. Так же после создания поверхности на основе горизонталей проводится исправление ошибок искажений, путем прописывания параметров горизонталей.
К созданной поверхности, можно осуществлять добавление облака точек, а так же использовать для создания новых поверхностей TIN.
При внесении любых изменений в облако точек, будет выполнена проверка взаимосвязи облака точек и объектов поверхности.
Для редактирования построенной поверхности имеется функция перестановка ребер, т.к. изменение ориентации треугольных граней на поверхности, что бы добиться боле точной модели поверхности. [5]
Т.О. AutoCAD Civil 3D является очень удобным продуктом для создания ЦМР, обработки результатов и редактирования геодезических измерений, имеет модуль облако точек, в процессе работы имеется возможность проанализировать объект, поверхность и многое другое.
Заключение
Возможности и функции, реализованные в программном обеспечении рассматривались для обработки данных наземного лазерного сканирования (иное ПО для обработки данных наземного лазерного сканирования рассмотрено в источнике «Наземное лазерное сканирование».
Рассмотренные программные продукты имеют одинаковое построение рельефа, по способу триангуляции.
Импорт и обработку сырых геодезических данных имеют программы TopoCAD, IndorCAD, AutoCAD Civil 3D.
Поддерживать и создавать трехмерные модели могут TopoCAD, AutoCAD Civil 3D, IndorCAD. Система Credo_Mix экспортирует построенную поверхности в DXF (3D).
Импорт облака точек и обработку имеют программные продукты TopoCAD и AutoCAD Civil 3D. Система IndorCAD имеет возможность подгружать обработанные данные лазерного сканирования.
С помощью внешних ссылок AutoCAD, ярлыков к данным и Autodesk Vault участники проекта, AutoCAD Civil 3D, могут совместно использовать такие элементы, как поверхность, трассы и трубопроводы. Проектные изменения синхронизируются в единой модели, что приводит к автоматическому обновлению множества чертежей.
AutoCAD Civil 3D превосходит по своим функциям и возможностям программы, рассмотренные в данной работе, т.к. имеет функции для работы с данными, поверхностями, проектирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Том 2, книга 1, Программный комплекс обработки инженерных изысканий, цифрового моделирования местности, проектирования генпланов и автомобильных дорог [Текст] - Минск. - 1999.
2. Система проектирования IndorCAD. Построение, обработка и анализ цифровой модели местности. Руководство пользователя [Текст] - Издательство Томского университета. - 2008. - 299 с.
3. Техническое приложение 3, Модульная структура TopoCAD [Текст].
4. Видеоматериал по созданию цифровой модели рельефа в программе TopoCAD.
5. И.А. Пелевина. Самоучитель AutoCAD Civil 3D 2011 [Текст] - Санкт - Петербург «БХВ - Петербург». - 2011. - 416 с.
© В.А. Середович, И.В. Вострое, 2012
