CC BY
96
ЗАДАЧИ ВИЗУАЛИЗАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ МОНИТОРИНГА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ПО ГЕОПРОСТРАНСТВЕННЫМ ДАННЫМ СРЕДСТВАМИ ГИС
Дмитрий Александрович Яковлев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры прикладной информатики, тел. 8(383)3431853, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены задачи трехмерной визуализации результатов мониторинга пространственно-временных состояний техногенных систем и приведены результаты анализа современного программного обеспечения для их решения.
Ключевые слова: пространственно-временное состояние техногенных систем, геоин-формационные системы.
MONITORING OF TECHNOGENIC FACILITIES TIME-SPACE STATE BY GEOSPATIAL DATA USING GIS: VIZUALIATION PROBLEMS
Dmitry A. Yakovlev
Postgraduate student, Applied Informatics Department, Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., phone: 8(383)3431853, e-mail: [email protected]
The paper deals with 3D visualization challenges concerning the results of time-space monitoring of technogenic systems state. The results of relevant current software analysis are presented.
Key words: existential condition of technogenic systems, geoinformation systems.
Возведение таких сложных техногенных систем как здания промышленного и гражданского назначения, высотные и уникальные объекты, энергетические, гидротехнические, транспортные и другие сооружения влечет за собой потенциальный риск возникновения аварийных ситуаций. Поэтому существует необходимость оперативного контроля и автоматизированного мониторинга состояний сооружений в реальном времени, а так же прогнозирования негативных последствий возможных чрезвычайных ситуаций.
В настоящее время появились новые технические возможности геодезического контроля пространственно-временных состояний (ПВС) объектов, например, лазерное сканирование, также в последнее время активно развиваются и применяются спутниковые технологии на основе глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Новые технологии имеют ряд преимуществ перед классическими, которые основаны на применении традиционных измерительных средствах, в том числе тахеометров, нивелиров, дальномеров. Они обеспечивают непрерывный (независимо от времени суток, погодных и климатических условий) поток информации со спутниковых датчиков, установленных в контролируемых точках, высокий уровень автоматизации, слежения за движениями объектов, изменением их геометрических параметров, чего не предос-
тавляют или предоставляют в ограниченном объеме традиционные технологии [1-3].
Результатом геодезических измерений, основанных на современных технологиях, является облако контрольных точек с координатами X, Y, Z. Изменение положения облака точек в пространстве и времени позволяет выводить суждение о движении объекта. Исходными данными, для определения движения объекта и определение изменения его геометрических параметров служат временные ряды координат точек облака исследуемого объекта [2-7].
С развитием геоинформационных систем, а также программ 3 d моделирования, позволяющих создавать, хранить, анализировать, перерабатывать и предоставлять потребителю пространственную информацию, появилась возможность трехмерной (3d) визуализации результатов мониторинга ПВС техногенных объектов по геопространственным данным. Поэтому мониторинг пространственно-временных состояний техногенных систем является одной из важнейших, приоритетных задач не только геодезии и строительства, но и геоинформатики.
3d визуализация ПВС техногенных систем (визуализация движений, определение изменения их геометрических параметров) в режиме реального времени современными программными средствами требует решения следующих задач:
1) обеспечение автоматизированной передачи базы геопространственных данных в ГИС;
2) привязка, ориентация объекта в пространтсве, с целью определения координат важных элементов или геометрических параметров;
3) реалистичное 3d отображение всех конструктивных особенностей объекта;
4) сопоставление моделей объекта принадлежащих разным эпохам наблюдений методом наложения слоев с целью определения изменения его геометрических параметров с течением времени. При анализе 3D модели объекта, важной характеристикой является технически правильное отображение всех его особенностей. Сравнивая начальное состояние объекта с последующими, возможно получение величины смещения наблюдаемых точек, что в дальнейшем позволит сделать вывод о том, как будет развиваться ситуация в будущем.
Решение этих задач позволит не только визуализировать изменение ПВС объекта, но и даст информацию (координаты любых точек объекта, расстояния между точками, углы отклонения и т.д.) для дальнейшей обработки средствами математического моделирования. Эти значения могут являться исходной информацией для решения таких задач как определение площадей, поверхностей, пространственных кривых и других геометрических элементов, что даст возможность выявлять движение, деформации объекта и его структурных частей, а также прогнозировать его пространственно-временное состояние.
Прогнозирование изменения ПВС объекта позволяет на сравнительно ранних стадиях предупредить о возможном возникновении ЧС, при проведении инженерных работ или эксплуатации техногенных сооружений.
В работе проведен анализ функциональных возможностей программного обеспечения на предмет:
1) возможности реалистичного отображения свойств объекта;
2) возможности привязки и ориентации в системе координат;
3) возможности моделирования методом Воронова (Делоне).
Для анализа были выбраны распространенные на Российском рынке программные продукты: ArcGis, AutoCAD Civil 3D и Cyclon.
Пакет программного обеспечения ArcGis, содержащий в себе такой модуль расширения как 3D Analyst, предназначен для работы с данными в трех измерениях. 3D Analyst добавляет к базовым функциям новое приложение ArcScene для отображения различных типов данных в трехмерной перспективе.
Приложение ArcScene позволяет создавать многослойные сцены и управлять свойствами отображения каждого из слоев и его положением в трехмерном пространстве. Это дает возможность сопоставления слоев и определения параметров смещений структурных элементов объекта при наложении моделей, построенных по данным разных эпох наблюдений. Поверхности, содержащие информацию о третьей координате, можно отображать, варьируя символы, цвет, прозрачность, оттенение и разрешение. Другие виды растров, такие как снимки и сканированные объекты, можно "натянуть" на поверхность, что является эффективным способом реалистичной визуализации объекта.
AutoCAD Civil 3D - САПР со встроенным ГИС функционалом предназначен для проектирования объектов инфраструктуры и выпуска документации. Рабочие процессы в нем основаны на технологии информационного моделирования (BIM). AutoCAD Civil 3D помогает лучше понимать эксплуатационные характеристики проектов, поддерживать согласованность данных и процессов и быстрее реагировать на их изменения.
Рис. l. Пример облака точек в AutoCAD Civil 3D
AutoCAD Civil 3D позволяет построить точки вручную по заданным координатам и тем самым дает возможность создать форму какого-либо объекта, для последующего его анализа и преобразования. Все точки имеют определённую отметку, а так же свои координаты в виде северного и восточного удаления от начала мировой системы координат Civil 3d.
По заданным точкам можно построить TIN - поверхность (рис. 2) и создать структурные линии поверхности (рис. 3). Такой подход дает возможность привязки и ориентации объекта в заданной системе координат, а также замену реальной поверхности объекта множеством треугольных элементов, что представляет собой множество геометрических параметров объекта.
Рис. 2. TIN поверхность построенная по заданным точкам
Рис. 3. Структурные линии поверхности
Набор программных модулей Leica HDS, который считается многими специалистами, работающими в области лазерного сканирования, является настоящим стандартом для решения задач сканирования, визуализации, измерения, построения трехмерных моделей и чертежей, анализа данных и представления результата в традиционной форме или для решения других задач. К ним относится программный комплекс Cyclone, который дает весьма широкий набор средств для различных вариантов обработки трехмерных данных лазерного сканирования в инженерии, геодезии, строительстве и других областях применения.
Всеобъемлющая полнота трехмерных облаков точек является основным достоинством по сравнению с другими источниками геометрической информации. Уникальная архитектура программы Cyclone основана на объектноориентированной базе данных, работающей по технологии Клиент/Сервер. Это
технология предоставляет самую высокую скорость отображения данных при обработке проектов лазерного сканирования. Программа Cyclone позволяет эффективно управлять данными лазерного сканирования, при этом сохраняется прозрачность обслуживания базы данных, то есть не требуются какие-либо специальные знания по управлению баз данных.
Анализ возможностей ГИС систем, позволил сделать вывод о том, что в настоящее время на Российском рынке существует несколько крупных ГИС, которые дают возможность проектировать и решать различные задачи с трехмерными моделями объектов. Однако среди рассмотренных в работе программных продуктов нет такой программы, которая позволяла бы комплексно подходить к решению перечисленных задач визуализации результатов мониторинга пространственно-временных состояний техногенных объектов по геопространственным данным. Следовательно, необходима разработка алгоритма с применением технологии программирования, которая позволила бы интегрировать необходимые элементы различных программных продуктов в единый функционал.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бугакова Т.Ю., Вовк И.Г. Математическое моделирование пространственно-временного состояния систем по геометрическим свойствам и оценка техногенного риска методом экспоненциального сглаживания // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 4 (20). - С. 47-58.
2. Бугакова Т.Ю., Вовк И.Г. Математическое моделирование пространственновременного состояния систем. Материалы V всероссийской научно -технической конференции «Актуальные вопросы строительства». - Новосибирск: НГАСУ (СИБСТРИН), 2012. -т. 2. - С. 100-105.
3. Бугакова Т.Ю., Вовк И.Г. Математическое моделирование пространственновременного состояния систем по геометрическим свойствам // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 26-31.
4. Бугакова Т.Ю. К вопросу оценки риска геотехнических систем по геодезическим данным // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 152-156.
5. Вовк И.Г. Моделирование в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. - 2011. -Вып. 1 (14). - С. 69-75.
6. Вовк И.Г. Системно-целевой подход в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА. - 2012. - Вып. 2 (18). - С. 115-124.
7. Вовк И.Г., Бугакова Т.Ю. Теория определения техногенного геодинамического риска пространственно-временного состояния технических систем // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 1, ч. 2. - С. 21-24.
8. Яковлев Д.А. Текстурирование модели техногенного объекта и его привязка к системе координат в среде 3d studio max 2009 // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 3. - С. 149-152.
© Д.А. Яковлев, 2013
