Автоматизированное создание электронных карт рельефа

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, инженеров/пользователей 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 ARC/INFO (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) ;