Автоматизированное создание электронных карт рельефа

Введение. 3
1.Программная среда . ГИС. 4
2.Моделирование рельефа. Теоретические аспекты.
2.1 Исторический обзор 7
2.2 Способы получения моделей рельефа 8
2.3 Методика 9
3.Моделирование рельефа. Выполнение работ. 16
3.1 Построение модели в ArcView 16
3.1.1 Построение TIN 16
3.1.2 Построение GRID 17
3.1.3 Настройка теневого рельефа 21
3.1.4 Настройка отображения GRID 23
3.1.5 Трехмерная визуализация в ArcView 24
3.1.6 Добавление тематических слоев 25
3.1.7 Получение информации по модели 32
3.2 Создание модели в ArcGIS 9 38
3.2.1 Получение 2хмерной модели 38 3.2.2 3х мерная визуализация 45
Заключение. 49
Список литературы 50

Тема данной курсовой работы – создание 3х мерных моделей рельефа. Это направление является весьма актуальным на сегодняшний день и широко применяется в различных сферах исследований. Для создания 3хмерных моделей применяется множество различных программных средств из САПР и ГИС.
Цель курсовой работы – построение 3хмерной модели заданного района
Данная курсовая работа состоит из 3 разделов
В 1 разделе дается описание возможностей ГИС и их применения.
Во 2 разделе раскрывается теоретическая сторона проблемы моделирования рельефа.
И в разделе 3 описывается пошаговое построение моделей в Arc View 3.2 и ArcGIS 9.0.

1. Игорь Поспелов Визуализация рельефа и создание 3D моделей местности в ArcGIS www.gis-lab.info
2. Вишневская.Е.А, Елбобогоев.А.В Высотский.Е.М Добрецов.Н.Н «Пространственное моделирование рельефа для морфотектонического анализа» www.gisa.ru
3. ArcGIS. Руководство пользователя. Приложение к программному комплексу ArcINFO.
4. Модуль 3D Analyst для ArcGIS. Руководство пользователя
5. Журнал ArcReview 2003 –2006 гг
6. Игорь Поспелов Визуализация рельефа в Arcview GIS www.gis-lab.info
7. Шаповалов Сергей Использование модуля 3D Analyst для Arcview GIS www.gis-lab.info
8. Берлянт А.М. Современная картография. М 1994.
9. Берлянт А.М. Трехмерная визуализация изображений. М 2000

Дисциплина: Информатика, Программирование, Базы данных
Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 42 страниц
В избранное:

Казахский Национальный Университет имени
аль-Фараби

Географический факультет
Кафедра геоморфологии и картографии

Курсовая работа:
Автоматизированное создание электронных карт рельефа

Исполнитель:
Студент 4 курса
Сагинтаев Эмиль Научный руководитель:
кгн, доцент
Ульман А.А

допущена к защите,

завкафедрой кгн, доцент ______________ Бексеитова Р.Т.

Алма-Ата 2007

Содержание

Введение.
3
1.Программная среда – ГИС.
4
2.Моделирование рельефа. Теоретические аспекты.

2.1 Исторический обзор
7
2.2 Способы получения моделей рельефа
8
2.3 Методика
9
3.Моделирование рельефа. Выполнение работ.
16
3.1 Построение модели в ArcView
16
3.1.1 Построение TIN
16
3.1.2 Построение GRID
17
3.1.3 Настройка теневого рельефа
21
3.1.4 Настройка отображения GRID
23
3.1.5 Трехмерная визуализация в ArcView
24
3.1.6 Добавление тематических слоев
25
3.1.7 Получение информации по модели
32
3.2 Создание модели в ArcGIS 9
38
3.2.1 Получение 2хмерной модели
38 3.2.2 3х мерная визуализация

45
Заключение.
49
Список литературы
50

Введение

Тема данной курсовой работы – создание 3х мерных моделей рельефа. Это
направление является весьма актуальным на сегодняшний день и широко
применяется в различных сферах исследований. Для создания 3хмерных моделей
применяется множество различных программных средств из САПР и ГИС.
Цель курсовой работы – построение 3хмерной модели заданного района
Данная курсовая работа состоит из 3 разделов
В 1 разделе дается описание возможностей ГИС и их применения.
Во 2 разделе раскрывается теоретическая сторона проблемы моделирования
рельефа.
И в разделе 3 описывается пошаговое построение моделей в Arc View
3.2 и ArcGIS 9.0.

1.Программная среда – ГИС

Сегодня уже никто не оспаривает важность и ценность картографической
информации, а также важность ее эффективного использования. При составлении
карт затрачивается очень много усилий для получения и обработки требуемой
информации. Вам нужно заставить эти данные работать на себя таким образом,
чтобы они смогли окупить средства, затраченные на их получение.
Современные компьютерные технологии уже на практике доказали свое
превосходство при работе с данными. Объединение компьютерной технологии
(особенно по обработке и анализу данных) и традиционной карты открыло новые
горизонты перед картой и привело к появлению первых геоинформационных
систем (ГИС).
Геоинформационные системы в настоящее время сочетают в себе
точность и качество цифровых карт, огромное количество справочной
информации, мощный набор инструментов для обработки и анализа данных и,
непременно, способность обмена специализированной информацией через
Internet.
Современный инструментарий ГИС позволяет получать доступ к
пространственной информации, грамотно ее проанализировать, учесть все
алгоритмы обработки. ГИС помогает лучше управлять проектами. Она
предоставляет экономичные и эффективные инструменты, позволяющие
удовлетворить потребности рынка во всевозрастающих сервисных услугах в
области геодезии и картографии без каких-либо задержек. Решения на базе ГИС
способствуют повышению Вашей конкурентоспособности на рынке высоких
технологий и информационных услуг. Проектирование инфраструктуры и
разработка соответствующего проекта инженерной подготовки и освоения
территории тоже требуют в настоящее время автоматизации и использования
соответствующих ГИС.
Cпециалистам требуются программные решения для проектирования
строительных конструкций и зданий, для моделирования рельефа земли,
топографического анализа местности, для оценки природоохранных мер, для
создания согласованной геометрической модели. Для разработки таких проектов
требуется искусство не только проектировщиков, но также землеустроителей,
градостроителей, изыскателей, гражданских инженеров-строителей,
специалистов-экологов и картографов
В том, что владение точной и достоверной информацией есть
важнейшее условие достижения успеха, уже никого не нужно убеждать. Но еще
более важно уметь работать с имеющейся информацией. Методы работы с данными
постоянно совершенствуются, и теперь уже привычно видеть документы,
таблицы, графики, чертежи и картинки на экране компьютера. При помощи
компьютера мы создаем и изменяем, извлекаем и анализируем данные. Одним из
типов документов, в который компьютер вдохнул новую жизнь, стала и
географическая карта.
Существуют виды деятельности, в которых карты - электронные,
бумажные или хотя бы представляемые в уме - незаменимы. Ведь многие дела
невозможно начать, не выяснив предварительно, ГДЕ находится точка
приложения наших усилий. Даже в быту мы ежечасно и иногда даже ежеминутно
работаем с информацией о географическом положении объектов; магазин,
детский сад, метро, работа, школа... Пространственное мышление естественно
для нашего сознания.
Последние десятилетия ознаменовались бумом в области применения карт,
и связано это с возникновением Географических Информационных Систем,
воплотивших принципиально новый подход в работе с пространственными
данными.
Географическая Информационная Система - или ГИС - это компьютерная
система, позволяющая показывать данные на электронной карте. Карты,
созданные с помощью ГИС, можно смело назвать картами нового поколения. На
карты ГИС можно нанести не только географические, но и статистические,
демографические, технические и многие другие виды данных и применять к ним
разнообразные аналитические операции. ГИС обладает уникальной способностью
выявлять скрытые взаимосвязи и тенденции, которые трудно или невозможно
заметить, используя привычные бумажные карты. Мы видим новый, качественный,
смысл наших данных, а не механический набор отдельных деталей.

Электронная карта, созданная в ГИС, поддерживается мощным арсеналом
аналитических средств, богатым инструментарием создания и редактирования
объектов, а также базами данных, специализированными устройствами
сканирования, печати и другими техническими решениями, средствами Интернет
- и даже космическими снимками и информацией со спутников.
В отличие от обычной бумажной карты, электронная карта, созданная в
ГИС, содержит скрытую информацию, которую можно активизировать по
необходимости. Эта информация организуется в виде слоев, которые можно
назвать тематическими, потому что каждый слой состоит из данных на
определенную тему. Например, если вы изучаете определенную территорию, то
один слой карты может содержать данные о дорогах, второй - о водоемах,
третий – о проживающем там населении, четвертый о больницах и так далее.
Вы можете просматривать каждый слой-карту по отдельности, а можете
совмещать сразу несколько слоев, или выбирать отдельную информацию из
различных слоев и выводить ее на карту. Вы также можете моделировать
различные ситуации, всякий раз получая изображения в соответствии с
поставленной задачей, причем без необходимости создавать новую карту.
Конечным этапом вашей работы будет выведенная на экран компьютера
карта, которая наглядно представит вам результаты вашего анализа. Первым
слоем вашей карты будет карта города. Второй слой будет отражать
расположение сети закусочных конкурентов. Третий слой - учреждения.
Четвертый слой - станции метро, пятый - школы, шестой - автодороги и так
далее. Таким образом вы составляете многослойную карту, слои которой вы
можете “листать” по очереди, накладывать друг на друга и использовать
вместе, получая более сложную картину, позволяющую вам видеть ситуацию в
целом. Кроме того, данные, которые вы используете можно обновлять, что
автоматически будет отражено на карте. И для этого вам не придется
составлять десяток отдельных карт и выводить их на печать - ведь карты ГИС
динамичные, а не статичные.
Существуют самые разнообразные компьютерные системы и отдельные
программы, которые принято относить к ГИС. Самые компактные и маленькие
помещаются на дискетах и заменяют обычные печатные городские справочные
издания. На них можно просматривать и искать информацию, но нельзя помещать
свою. С другой стороны, если перед вами стоят профессиональные задачи,
требующие применения картографических знаний и технологий, то в вашем
распоряжении мощные специализированные рабочие станции и комплексы.
Если же вы хотите полноценно и интерактивно работать с картами, не
приобретая картографического образования и разумно вкладывая средства, то
лучшим решением будет выбрать ГИС, спроектированную для нужд обычного
пользователя и снабженную привычным графическим интерфейсом. Такие ГИС
удачно сочетают мощь и простоту в использовании. Вы можете, начав с
естественных и несложных операций, постепенно подниматься до
профессионального уровня, повышая на каждом шагу эффективность своей
работы.
Люди, пользующиеся ГИС, условно могут быть разделены следующие группы:
операторы ГИС,чья работа заключается в размещении данных на карте,
инженеровпользователей ГИС, чья функция заключается в анализе и дальнейшей
работе с этими данными и теми, кому на основании полученных результатов
нужно принять решение. Кроме того, ГИС могут пользоваться широкие слои
населения через Интернет.
Существует много способов создания карт в ГИС и методов дальнейшей
работы с ними. Наиболее продуктивной будет та ГИС, которая работает в
соответствии с хорошо продуманным планом и операционными подходами,
соответствующими вашей задаче.
Вы можете формировать качественно новые решения, используя
пространственный анализ данных.
Для отображения на карте вы используете данные в привычных форматах и
стандартные технологии СУБД, не требующие дополнительного обучения
Вы можете оценивать гораздо большие объемы данных одним взглядом на
карту, быстро формировать сценарии развития событий и использовать
информацию, которую ранее не могли или не знали, как применить
Вы можете наглядно отражать (в том числе и в реальном времени) самые
разные процессы, такие как передвижения транспортных средств или
избирательную активность населения.
Картографическое представление может придать вашим документам и отчетам
наглядность независимо от объема и сложности данных
ГИС-системы и отдельные функции легко интегрируются с другими
программами, что позволяет быстро и недорого создавать программно-
технические решения для специальных задач. Такие решения можно потом
тиражировать и тем самым окупать свои затраты.
ГИС-индустрия активно развивается, вовлекая в свою орбиту новые
технологии, технические средства и источники данных.
В бизнесе задействовано огромное количество информации: данные об
объемах продаж и клиентах, учет ресурсов, списки адресов, перевозки и
транспортные средства и многое другое. Вся эта информация также может быть
помещена на электронную карту, и ГИС поможет выявить связи и
закономерности, которые не видны в таблицах и графиках.

2.Моделирование рельефа. Теоретические аспекты.

2.1 Исторический обзор
Моделирование рельефа, его анализ и изучение по построенным моделям
постепенно становятся неотъемлемой частью исследований в науках о Земле
(геология, тектоника, гидрология, океанология, климатология и т.д.), в
экологии, земельном кадастре и инженерных проектах. Компьютерная обработка
пространственных данных находит широкое применение при анализе
распространения участков загрязнений, в моделировании месторождений, а
также во многих проектах по устойчивому развитию территорий.

Начало исследований в этой области было положено еще в XIX веке работами
Александра фон Гумбольдта (Alexander von Humboldt) и более поздними
работами других немецких ученых-географов. Сегодня подобное моделирование
представляет собой сочетание наук о Земле, геоинформатики и геостатистики и
имеет много названий. Например, на Западе оно известно как количественный
анализ рельефа (quantitative terrain analysis), геоморфометрия
(geomorphometry) или количественная геоморфология.

Компьютерная обработка массивов данных по территории и цифровые модели
рельефа произвели целую революцию и в корне изменили подход к двум основным
функциям моделирования – топографическому анализу и визуализации.
Появившиеся вслед за этим геоинформационные системы и технологии пошли еще
дальше в этом направлении, предоставив возможность сочетать результаты
моделирования и нетопографические тематические данные
Основой для представления данных для ГИС и автоматизированной
картографии являются цифровые модели. Под цифровой моделью (ЦМ)
географического объекта понимается определенная форма представления
исходных данных и способ их структурного описания, позволяющий вычислять
(восстанавливать) объект путем интерполяции, аппроксимации или
экстраполяции .Относительно рельефа такая модель будет называться цифровой
моделью рельефа (ЦМР).

2.2 Способы получения моделей рельефа

Существует два кардинально различающихся способа получения моделей рельефа.

Первый способ – это методы дистанционного зондирования (ДЗ) и
фотограмметрия, где существует много наработок, методик и точность
результатов весьма убедительна. Однако высокое разрешение получаемых таким
способом моделей рельефа не находит должного применения в большинстве
случаев.

В России по ряду объективных причин внедрение компьютерных технологий
происходит медленнее, чем на Западе. Трудности эти связаны с недостаточным
развитием национальных и региональных баз данных, с высокой ценой на
программное обеспечение мирового уровня, дороговизной относительно
устаревших и недоступностью новейших радарных и космоснимков и т.д. Поэтому
большинство исследователей, и мы в том числе, вынуждены в качестве
источника для создания ЦМР использовать топографические карты.

Второй способ – построение моделей рельефа путем интерполяции оцифрованных
изолиний с топографических карт. Этот подход также не нов, имеет свои
сильные и слабые стороны. Из недостатков можно назвать трудоемкость и порой
недостаточно удовлетворительную точность моделирования. Но несмотря на эти
недостатки можно утверждать, что оцифрованные топографические материалы еще
несколько лет будут безальтернативными источниками данных для подобного
моделирования.

Варианты моделирования могут быть разгруппированы, исходя из принципа
моделирования. Прежде всего стоит упомянуть модели, представленные в виде
TIN, построенные на основе триангуляции Делоне. В качестве примера можно
привести работу Р. Латтуада и Дж. Рейпера. Такие модели используются в
проектах и приложениях исследовательской группой GeoFrance3D]. Кроме этого,
модели TIN могут использоваться при генерации дополнительных данных при их
нехватке для интерполяции. Пример подобной техники представлен в работе Д.
Хейцингера и Х. Кагера о получении корректных ЦМР с использованием
оцифрованных изолиний.

Преимуществом триангуляционной модели является то, что в ней нет никаких
преобразований исходных данных. С одной стороны, это не дает использовать
такие модели для детального анализа, но, с другой стороны, исследователь
всегда знает, что в этой модели нет никаких привнесенных ошибок, которыми
грешат модели, полученные при использовании других методов интерполяции.
Модели, полученные при интерполяции такими методами, как, например, сплайн
или кригинг представляют собой непрерывную матрицу данных, которая может
быть подвергнута более тщательному анализу. Наиболее интересными и
фундаментальными в этой области нам представляются работы М. Хатчинсона,
Дж. Вуда и П. Суаля. В этих работах рассматриваются не только вопросы
анализа моделей рельефа, но также обсуждаются варианты получения так
называемых гидрологически корректных моделей рельефа и использование
растровых данных в качестве исходных материалов.

В русскоязычной литературе, к сожалению, вопросы, связанные со способами
моделирования и оценкой точности полученных моделей, слабо освещены.

Целью данной работы является разработка методики пространственного
моделирования поверхностей, в частности рельефа, стандартными средствами
ГИС и, как результат, построение корректной модели рельефа района
исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

решение проблемы интерполяции и подбор адекватного алгоритма;

разработка технологии введения дополнительных данных в областях с низкой
плотностью исходных данных;

качественная и количественная верификация результатов моделирования;

последующий морфотектонический анализ полученной модели рельефа.

2.3 Методика

Исходными материалами послужили топографические карты района исследования
(горное обрамление Телецкого озера) масштаба 1 : 50 000 с сечением рельефа
20 м. Они послужили основой для оцифровки изолиний рельефа, гидросети, озер
и границ района исследования. Точность (или разрешение) карты определяется
толщиной линий, отпечатанных на бумаге, и для карты масштаба 1 : 50 000
составляет около 10 м. Это означает, с одной стороны, что объекты размером
менее 10 м не следует принимать в расчет, а с другой, что разрешение нашей
будущей ЦМР должно быть тоже десятиметровым. В этом случае оно будет
соответствовать качеству (точности) исходных данных. Векторные данные затем
геокодируются и переводятся в проекцию UTM, единицы измерения – метры.

В качестве векторизатора использовался пакет L-Track (разработка НРЦГИТ СО
РАН), оцифровка велась по отсканированным растрам с разрешением 600 dpi в
grayscale и RGB в ручном и полуавтоматическом режиме. При этом на прямых
участках горизонтали точки ставятся редко, а в местах изгиба – достаточно
плотно, чтобы точно описать кривизну линии (рис. 1). Выбранный для
отработки методики район весьма типичен для молодых горных стран:
чередование крутых склонов и пологих водоразделов, плоских днищ долин.
Кроме того, центральную часть района занимает часть Телецкого озера,
разбивая горное обрамление на три изолированных участка. Предполагалось,
что проявление артефактов и ошибок интерполяции при такой структуре
начальных данных будет максимальным. Предварительный геостатистический
анализ структуры исходных данных (оцифрованных изолиний) показал, что в
пределах района встречаются участки, для которых параметры семивариограммы
различаются почти на порядок: для сферической модели порог С = 21330,
радиус влияния А = 570 на участках крутых склонов; С = 1600, А = 1900 на
пологих водоразделах (анализ проводился при помощи программ VarioWin 2.2
[10]).

Рис. 1. Расположение точек на горизонталях при ручном режиме
векторизации

Основой для построения ЦМР, таким образом, стал набор нерегулярно
расположенных точек. Возникает вопрос, какой метод моделирования выбрать,
чтобы построенная модель в максимальной степени соответствовала исходному
материалу? Поверхность, построенная методами триангуляции, будет не
сглаженной, а в виде граней. Для целей морфотектонического анализа наиболее
предпочтительна модель в виде регулярной матрицы высот, так как она
обеспечивает больше возможностей для последующего анализа. Модель,
сочетающая в себе триангуляцию и регулярную матрицу, имеет свои
преимущества – такая модель позволяет закладывать так называемые изломы
поверхности (breaks, barriers) при интерполяции исходных данных. В качестве
изломов в случае модели рельефа могут выступать обрывы, скальные выступы и
другие характерные формы рельефа. Безусловно, было бы интересно и важно
имплементировать такие элементы в модели рельефа, но, к сожалению,
сочетание триангуляции и регулярной матрицы в одной модели не
поддерживается в большинстве ГИС. К тому же необходимо учитывать масштаб, в
котором проводится моделирование: в нашем случае при работе с картой
масштаба 1 : 50 000, игнорирование столь мелких элементов рельефа не играет
большой роли и не приводит к огрублению конечной модели.

ГИС ARCINFO (модуль GRID Tools) позволяет строить интерполяционные
поверхности следующими методами (рис. 2):
Ї метод обратных взвешенных расстояний (Inverse Distance Weighted
Interpolation);

кригинг (Kriging Interpolation);

сплайн (Spline Interpolation, Trend Surface Interpolation);

метод топогрид (Topogrid Interpolation);

Рис. 2. Теневой рельеф поверхностей, полученных различными способами
интерполяции. Местоположение источника освещения: азимут 3150, высота 450

Анализ моделей, полученных различными методами, показал, что в нашем случае
наиболее перспективным оказалось применение метода Topogrid (рис. 2).
Наибольшее количество ошибок пришлось на плоские участки, т.е. там, где
плотность точек была невелика. Нам удалось ее предварительно оценить: на
севере количество точек на 1 м2 составляло 1,83.10-4, в центре – 1,58.10-4,
в южной части – 1,70.10-4. Опытным путем было установлено, что нам следует
искать способы насыщения данными областей с плотностью точек исходных
данных порядка 2,0.10-4.

С целью обеспечения детальности ЦМР соответственно разрешению исходной
топокарты масштаба 1 : 50 000 (около 10 м), была разработана методика
добавления точек для участков разреженных данных (рис. 3). Ее положительной
стороной являются простота освоения и возможность реализации на базе того
же самого ПО (ГИС ARCINFO, ArcView). При этом делается оговорка, что мы
реально не улучшаем исходные данные, как при использовании наземных
геодезических профилей или стереоснимков поверхности рельефа.

Этот инструмент при интерполяции позволяет строить модель либо по изолиниям
рельефа, либо по точкам данных. Здесь же учитываются отдельные точки-пики,
гидросеть, точки с наименьшими высотными отметками, озера – возможно, не
только озера как таковые, но и любые внутренние области, где всем ячейкам
интерполированной матрицы будет присваиваться самое минимальное значение из
всех ячеек по периметру этой области, и границы области интерполяции. Кроме
этого, могут варьировать размер ячейки матрицы грида, толерантность
интерполяции и количество итераций, можно жестко задавать конечные
минимальные и максимальные значения по X, Y и Z. Учет гидросети позволяет
нам говорить о гидрологической корректности модели, а использование границ
помогает избежать нежелательных краевых эффектов. Особое внимание следует
обратить на то, что все реки должны быть оцифрованы с учетом направления
течения - это условие может быть учтено при векторизации или же
отредактировано в ARCINFO, в режиме ARCEDIT.
Корректность построенной модели на этапах подбора параметров
интерполяции определялась визуально по полученным по интерполированной
поверхности контурным линиям: степенью сглаженности их формы, близостью к
оцифрованным изолиниям и точным совпадением значения идентификатора со
значением отметки ближайшей изолинии по получению добавочных данных в
TOPOGRIDTOOL строится окончательная модель рельефа.

Верификация полученной модели, оценка точности

В общем случае оценка точности может быть качественной, т.е. сравнительной,
и количественной – с получением конкретных цифр, характеризующих параметры
точности полученной модели. Нами были реализованы оба этих подхода к
верификации модели.

Сравнительный анализ проводился в ГИС ARCINFO (модуль GRID Tools). При
таком способе верификации конечная модель рельефа, представленная
регулярной матрицей, сравнивается с моделью, полученной методом
триангуляции, т.к. для сравнительного анализа необходима такая модель
данных, в которой нет никаких преобразований и смещений исходных данных.

Профили строились в ГИС ARCINFO посредством команды STACKPROFILE,
доступной в GRID Tools. Эта команда, в отличие от простого PROFILE,
позволяет задавать профили одновременно по нескольким поверхностям, которые
могут быть представлены как регулярными матрицами, так и триангуляционными
поверхностями.

Сравнительный анализ профилей по моделям показал, что интерполированные
значения величины Z практически не отличаются от исходных, что позднее
подтвердилось статистическими расчетами. Незначительные расхождения (около
4,5 м) имеют место на пиках и в долинах, расхождения по озеру составили 1,2
м, что обусловлено режимом интерполяции в TOPOGRID, но соответствует
критериям точности топографических карт.
Количественный анализ проводился в ГИС ArcView при помощи специально
написанного расширения для статистического анализа. Суть метода сводится к
следующему. Вычисляется среднеквадратичная ошибка (RMSE) отклонений
значений высот в исходных изолиниях рельефа и полученных по рассчитанной
модели, после чего вычисляется коэффициент корреляции между двумя этими
параметрами – величина, в достаточной степени демонстрирующая погрешность
итоговой модели рельефа

среднеквадратичная ошибка отклонений значений высот в исходных изолиниях
рельефа – 221,632;
среднеквадратичная ошибка отклонений значений высот в изолиниях рельефа,
полученных по рассчитанной модели – 225.218;
коэффициент корреляции – 0.982514;
другие статистические параметры:
среднее значение высоты по исходным данным - 873.895;
среднее значение высоты после интерполяции - 867.489.

Как видно из приведенного отчета, в нашем случае коэффициент корреляции
между RMSE по исходным и интерполированным данным составил 0.982514. Такая
корреляция считается нами удовлетворительной, она не превышает общую
допустимую систематическую ошибку, всегда присутствующую при подобном
моделировании.

Морфотектонический анализ модели

При проведении тематического анализа ЦМР наиболее важным является этап
формализации информативных характеристик модели. Для этого необходимо
знать, какая информация информативна при анализе и как наиболее корректно
извлечь ее, чтобы экстрагированная часть модели сохранила все ее
характеристики.

В морфотектоническом анализе исходным является положение о формировании
единой поверхности выравнивания, которая была разрушена в ходе
тектонической стадии развития региона. В течение нескольких этапов
неотектонической активизации остатки (реликты) поверхности выравнивания
были разнесены на разные высоты. Установив их современное высотное
положение, можно выделить элементы неотектонической структуры: блоки (в
пределах которых реликты поверхности выравнивания имеют близкие высотные
отметки) и разломы (тектонические границы между блоками).

Реликты поверхности выравнивания представляют собой пологие поверхности с
углами наклона менее 8°, расположенные в гребнях водоразделов, либо
выраженные в виде ступеней на склонах хребтов. Неотектонические разломы
наиболее ярко выражены уступами, которые при разрушении преобразуются в
склоны крутизной 25-40° и более. В случае развития поперечных речных долин
эти тектоногенные склоны выражены цепочкой треугольных фасет.

Поверхности с углами наклона менее 8° были выделены на ЦМР в виде
полигонов. Полигоны площадью менее 5000 м2 удалены как неинформативные;
окончательно реликты поверхности выравнивания устанавливались при анализе
положения выделенных полигонов в структуре рельефа. При выделении
неотектонических разломов анализировались карты углов наклона склонов,
ориентации склонов (построенные по исходным векторным данным), а также
карты кривизны поверхности. На рис. 6 показан фрагмент района, на котором
представлены реликты поверхности выравнивания (полигоны), разломы (линии)
на фоне исходной топографии.
Предложенная методика построения ЦМР позволяет моделировать поверхность
рельефа сложного строения, типичную для горных районов. Качественная и
количественная оценки точности модели подтверждают ее однородность и
хорошее соответствие исходным данным, в том числе и на участках пологого
рельефа (разреженных исходных данных). Полученное разрешение модели
отвечает точности исходной топографической карты, и модель может быть
признана оптимальной для последующего анализа и использования в ГИС.
Технология моделирования не выходит за рамки стандартного комплекта ГИС
ARCINFO и ArcView.

Тематический анализ морфотектоники района в настоящей работе был связан с
выделением и анализом пологих вершинных поверхностей, разломные границы
между блоками установлены при анализе тематических карт, полученных при
анализе ЦМР. Результаты морфотектонического анализа вполне соответствуют
полученным при помощи классической методики, однако содержат более точные
количественные характеристики тектонических движений.

3. Моделирование рельефа. Выполнение работ
3.1 Построение модели в ArcView

В ArcView создание модели рельефа проходит в несколько этапов-
оцифровка топокарт, построение ТИН, перевод ее в ГРИД, установка настроек
отображения для ГРИД, трехмерная визуализация.
3.1.1 Построение TIN
Модель TIN (Triangulation Irregular Network) - это модель,
разработанная специально для описания рельефа. Средствами 3D Analyst для
построения TIN можно использовать любое количество входных данных любого
типа (точка, линия, полигон). Причем каждую таблицу, добавленную в TIN
можно использовать различными способами - как массив точек, как линии
перегибов, как отсекающий, заполняющий, затирающий, или за-мещающий
полигоны. Модель проста в понимании и наглядна. При правильном исполь-
зовании исходных данных - очень точна. Легко конвертируется в грид.

Рис.3 Преобразование вектор – ТИН – ГРИД
Для облегчения подобного преобразования можно использовать программу DEM
Builder
Необходимые условия для работы программы:
1. Наличие установленных расширений ArcView: 3D Analyst, Spatial
Analyst, Cad Reader (для тех использует формат dgn);
2. Если в качестве файла исходных данных используется shp-файл, то в
таблице его атрибутов имя поля содержащего значения высоты должно
быть "Elevation". Тип самого поля должен быть Number ;
3. Наличие на жестком диске свободного пространства, необходимого для
сохранения промежуточных данных и выходного грида.
4. Если в качестве файла исходных данных используется Microstation dgn-
файл, то в построении рельефа участвуют все его элементы (или только
те, что имеют ненулевую высоту - это регулируется переключателями
диалога).
Кнопка вызова диалога активна всегда, даже если в виде нет ни одной темы.
При открытии файла исходных данных, его тема будет добавлена к виду.

Используя инструменты "добавить точку" и "добавить линию", пользователь
может не изменяя файла исходных данных, добавить в расчет рельефа точки и
линии с заданной высотой. Эти инструменты удобно использовать для
"дотяжки" в углах участка, либо для создания надстроек над уровнем
основного рельефа.

Рис.4 Интерфейс программы DEM builder
Придание карте, подготавливаемой к публикации в печати или Internet,
рельефного вида весьма повышает ее привлекательность. ArcView GIS при
наличии подключаемых модулей Spatial Analyst и 3D Analyst имеет неплохие
возможности для создания подобных карт.
3.1.2 Построение GRID
Для придания изображению видимого объема необходимо наличие слоя,
представляющего непрерывное поле значений высот. Если работа с этим слоем
идет в Arcview\ArcInfo то этот слой скорее всего будет представлен
специальным форматом GRID. GRID можно рассматривать как одноканальный
растровый слой, каждому пикселу которого, присвоено определенное значение,
в нашем случае - высота над уровнем моря.
Для создания GRID необходимо иметь shape-файл, отражающий рельеф, в
большинстве случаев это линейный слой горизонталей, в числе атрибутов
которого есть поле высоты. Непосредственно по горизонталям GRID можно
построить средствами ArcInfo или Erdas, в ArcView 3x ситуация несколько
сложнее, так как GRID здесь можно построить только по точечной теме.
Для начала нужно получить базой GRID, на основе которого будут получаться
другие слои, которые придадут нашему рельефу объем. Ниже описывается 2
способа построения основного GRID'a в ArcView.
Линейную тему необходимо превратить в точечную (точки ставятся в узлах
линий). Активизируем тему рельефа в горизонталях и запускаем скрипт. После
запуска будет предложено выбрать место сохранения и имя создаваемой
точечной темы, а также какое из полей атрибутивной таблицы будет выведено
- естественно, выбираете поле в котором записано значение высоты
соответствующей изолинии. Итогом действия этого скрипта будет точечная
тема с массой атрибутивных полей в таблице, из которых нам нужно только
одно, а именно поле высоты, которое сохранило имя, бывшее в атрибутивной
таблице исходной темы. Остальные поля можно смело удалить из таблицы.

Рис.5. Преобразование линейных объектов в точеченые
Небольшое примечание. Для повышения точности построения можно также
конвертировать в точечный слой гидрографические темы, имеющие параметр
высоты уреза над ур.моря, а затем сшиваю с помощью Geoprocessing Wizard
точечные слои, построенные на основе горизонталей и гидрографии с точечным
слоем отметок высот (пунктов триангуляции и т д.) и другими слоями объекты
которых имеют такую характеристику как высота над уровнем моря - то есть
все эти темы сливаются в один слой, по которому расчитывается GRID.
Подгружаем модуль Spatial Analyst (File\Extensions). В строке меню
появится 2 новых пункта - "Analisys" и "Surface" Делаем активной созданную
только что точечную тему и выбираем Surface\Interpolate Grid. В
появившемся диалоговом окне (рис.2) нужно выбрать область построения GRID
и задать размер ячейки GRID в единицах вида (чаще всего - в метрах).

Рис. 6а Настройки конвертирования ГРИД
Поля Rows и Columns установятся сами после установки размера ячейки. Жмем
ОК, появляется второе диалоговое окно.

Рис. 6б Настройки конвертирования ГРИД
Здесь нужно обратить особое внимание на поле Z value - проверьте, что это
действительно поле, соответствующее высоте (если вы, конечно, не удалили
все прочие поля). Методы интерполяции вам вполне подойдут те, что стоят по
умолчанию (обычно используется метод IDW). Что же касается поля Barriers,
то в принципе оно предназначено, чтобы при построении GRID учитывалась и
линейная тема горизонталей как границ между классами значений высот, но
использование этой возможности сильно добавляет вычислений
процессору.Примечание. ArcView не спрашивает, куда сохранять полученный
GRID - тему, а отправляет ее в системный директорию определенную
переменной TEMP. Имеет смысл ее скопировать его потом в нужное место
(обратите внимание - GRID это не файл, а каталог) или выполнить
Theme\Convert to grid, где и указать для созданной темы адрес
.
Рис.7 ГРИД по точкам

Более простой способ. Подгружаем модули Spatial Analyst и 3D Analyst
(File\Extensions). Активизируем слой горизонталей и выбираем
Surface\Create TIN from Features. Появится диалоговое окно, где нужно
обратить внимание на поле Height Source - должно быть задано поле,
содержащее значение высот. Жмем ОК, получаем модель рельефа TIN (рис. 6)
(о сущности этой модели - в другой заметке, здесь она нам требуется только
как промежуточный этап). Активизируем TIN, выбираем Theme\Convert to grid.
Будет предложено задать имя и место сохранения GRID, а потом выбрать
размер ячейки и область построения. Результат - тот же, что и при первом
способе.

Рис. 8 Настройка теневого рельефа
3.1.3 Настройка теневого рельефа
Исходные данные мы подготовили, начинается художественное творчество. Для
начала "перекрашиваем" GRID в цвета, соответствующие общепринятым нормам
отмывки рельефа. Дважды щелкаем мышью по GRID в содержании вида, вызываем
редактор легенды. В списке "Color ramps" выбираем "Terrain Elevation" (3
варианта) - если у вас есть в GRID морские глубины (отрицательные высоты),
или "Land Cover" (2 варианта) - если их нет. Можно также поменять
классификацию (по умолчанию выставляется 9 классов), ввести вручную
значения высот, чтобы они шли не абы как, а с правильным интервалом (0-50,
50-100 и т.д. ). Лучше всего один раз поработать и создать наиболее
приемлемую для ваших целей шкалу и сохранить ее как файл .avl, а далее
применять ее всегда. Уже красивее...

Теперь нам нужно оттенить рельеф, добавить ему теней. Делаем тему базового
рельефа активной и выбираем Surface\Compute Hilshade. В диалоговом окне
предлагают указать азимут на источник освещения, от которого будут
зависеть направления теней (azimuth) и высоту солнца (altitude) над
горизонтом.

Результат c настройками по умолчанию, тема с названием Hilshade of GRID...
Легенда ее - градиентный цветовой переход от черного к белому, можно ее не
трогать. Тема сама по себе довольно информативна, но мы ее будем
использовать как дополнительную к базовому слою, для получения не просто
теневого рельефа, а еще и раскрашенного по цветам.
3.1.4 Настройка отображения GRID
Возвращаемся к теме базового рельефа. Вызываем редактор легенды, нажимаем
"Advanced". В качестве Brightness Theme указываем только что созданную тему
теневого рельефа. Минимальное значение яркости делаем меньше (10-20-30 -
экспериментируйте !!!), максимальное указываем 100, для большего контраста.
Нажимаем ОК, затем Apply. Результат - карта с оттененным рельефом
раскрашенным по высотной зональности. Подбор нижнего значения яркости нужно
осуществлять с учетом соотношение горных и равнинных территорий. Сильное
оттенение гор (низкие значения минимума) приводит к выравниванию цветов на
низменности.
Иногда бывает необходимо наложить на рельеф монотонные полигональные
объекты (на нашем примере - заповедные территории), но в то же время
сохранить рельефность поверхности под ними. Задача решается следующим
образом. Делаем активной полигональную ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.