"Панорама-Харьков"
Рус
Главная / Статьи

На главную страницу

Технология создания трехмерных навигационных карт

Касьянов О.В., Толчевская А.Е (ООО "ГИСИНФО", г. Харьков)

 

В последние годы автомобильные навигаторы и средства персональной навигации прочно входят в нашу жизнь. Возможно, скоро они станут таким же привычным и неотемлимым атрибутом, каким стал мобильный телефон. Причин тому несколько:

Еще пару лет назад навигационное устройство, отображающее текущее положение пользователя на фоне примитивной карты, казалось уже огромным шагом вперед. Сегодня же на смену таким устройствам пришли мощные портативные компьютеры, позволяющие работать с полноценной цветной картой, решать сложные задачи маршрутизации и снабжать пользователя справочной информацией не только о дорожной сети, но и подробнейшими сведениями об окружающих дорогу объектах. Можно предположить, что следующим шагом в развитии навигационных устройств станет переход к трехмерной картографии и отображении справочной информации в реальном времени, например, путем получения через сеть Интернет сведений о текущей обстановке на данном участке местности и о всех происходящих на данной дороге событиях.


Рисунок 1. Модель дорожной развязки. Окружная дорога г. Харькова

 

Собственно трехмерные карты местности могут найти применение для решения самых разных задач, и задача автомобильной и персональной навигации - это только одна из областей их применения. Стоит отметить несколько из множества причин, почему трехмерные карты могут стать востребоваными в этой сфере:

  1. Автомобильные навигационные карты, как и карты персональной навигации, рассчитаны на широкий круг пользователей, не имеющих в большинстве своем навыков пользования полноценной топографической картой. Трехмерная карта с ее высокой наглядностью может значительно упростить понимание отображаемой ситуации такими пользователями.
  2. Перемещаясь по незнакомой территории или в незнакомом городе, пользователю будет гораздо легче сориентироваться, если он видит не плоскую карту, а отображение местности максимально близкое к реальности.

Уже сегодня для лучшего ориентирования на местности в некоторых устройствах применяется вставка отдельных хорошо различимых на местности объектов в трехмерном виде, близком к реальному. С ростом технических возможностей навигационных устройств трехмерной сможет стать вся карта.

В этой статье мы опустим вопросы решения собственно навигационных задач и сосредоточимся на технологии создания трехмерного вида карты средствами ГИС "Карта 2008".

 

Состав данных трехмерной карты


Рисунок 2. Состав данных трехмерной навигационной карты

Чтобы местность на карте была узнаваемой, трехмерная карта должна максимально детально описывать каждый участок дороги, прилегающую к дороге местность и отдельные объекты на ней. При этом мало создать "картинку", нужно чтобы по каждому объекту можно было получить определенный набор справочной информации.

Конечно, было бы хорошо, если бы карта содержала все возможные объекты местности и их характеристики. Однако приходится учитывать, что транспортная сеть охватывает обширные территории, а создание крупномасштабных карт - мероприятие недешевое. Поэтому мы выделили основные элементы, которые, на наш взгляд, должны присутствовать на трехмерной карте:

1. Характер рельефа местности. Для автомобильной навигационной карты не так важно точно повторить все элементы рельефа и точно передать абсолютные высоты, но характер рельефа должен передаваться. Особенно это важно вне населенных пунктов, при прохождении участка дороги через лесные массивы или по ровным степным, пустынным участкам. В этом случае элементы рельефа могут выступать единственным заметным ориентиром. Также рельеф играет важную роль для правильного понимания сложных участков дороги: многоуровневые развязки, серпантины и т.п.

2. Елементы местности. В населенных пунктах - это практически все элементы вдоль проезжей части улицы. Вне населенного пункта достаточно включить в карту объекты гидрографии, крупную растительность вдоль дорог, все значимые здания и строения в пределах видимости и основные дорожные сооружения: мосты, туннели, стоянки и т.п.

3. Дорожные знаки и дорожная разметка. Эти элементы служат основным ориентиром и указателем для водителя на дороге и потому обязаны присутствовать в навигационной карте.

Если говорить о справочной информации, то минимальными необходимыми сведениями можно считать:

- названия объектов (населенных пунктов, рек и озер, гор, зданий);
- функциональное назначение ряда зданий и строений вдоль дороги;
- характеристики дорожных сооружений: высота проездов под мостами и в туннелях, ширина проездов, допустимый вес транспортных средств для въезда на мосты и т.п.


Создание трехмерной карты

Трехмерный вид местности формируется в ГИС "Карта 2008" автоматически по набору карт и матриц в соответствии с заданными в 3d-библиотеках правилами описания объектов. Поэтому задача формирования трехмерной карты сводится к подготовке набора исходных карт, формированию библиотек 3d-знаков и настройки с помощью Редактора классификатора соответствия 3d-знаков библиотеки объектам карты.

Все данные трехмерной карты мы разделили по двум показателям: по степени изменчивости и по способу получения. Разные элементы изменяются во времени с разной скоростью, соответственно для них можно задать разный период обновления. Например, очень медленно изменяется рельеф местности, конфигурация и характеристики объектов гидрографии и растительности. Значительно быстрее происходят изменения объектов-строений, объектов дорожной инфраструктуры. Очень часто может изменяться дорожная разметка и дорожные знаки. Поэтому будет целесообразно разнести объекты с разной степенью изменяемости на разные карты и выполнять обновления каждой с разной частотой.

Различаются также способы создания разных данных трехмерной карты. Если актуальных карт на данную территорию не существует, то создать описание рельефа можно только используя геодезические методы или путем обработки стереоснимков местности, в перспективе - материалов лазерного сканирования местности. Аналогично для объектов местности.

А вот создание карты дорожных знаков описанными выше способами представляется затруднительным и чрезмерно дорогим мероприятием. Такую карту легче получить путем обычного фотографирования знаков и фиксации их положения навигатором. По фотографиям дороги выделяются также сведения о ряде объектов транспортной инфраструктуры: положение и вид АЗС, стоянок, объектов техобслуживания и т.д.

 

Матрицы высот

Характер рельефа местности описывается матрицами высот, имеющими разную точность для разных участков дороги и уравненных между собой на стыке двух матриц. Для формирования трехмерной карты мы используем два типа матриц высот. Первый - это матрицы, которые передают общий характер рельефа. Их точность довольно низкая, размер ячейки составляет 10-20 метров. Эти матрицы можно получить по космическим снимкам. Второй тип матриц - подробные (рис. 3). Они описывают только участки, где рельеф играет важную роль в формировании правильного вида местности: развязки дорог, участки вблизи объектов гидрографии, серпантины и т.п. Такие матрицы получаются в результате обработки материалов геодезической съемки, имеют размер ячейки 0.5-1 метр, точно отображают относительные превышения.


Рисунок 3. Матрица высот местности

На рисунке цветными линиями отображены элементы рельефа, участвующие в формировании подробной матрицы высот: верхние бровки и подножия насыпей, края выемок и т.п.

 

Карта местности

Карта местности - это традиционная топографическая карта, но без элементов рельефа. Создается она в результате обработки крупномасштабного космического снимка, а также описания атрибутов объектов по результатам полевого обследования.

При создании карты местности приходится учитывать, что для традиционной топографической карты характерно некоторое обобщение информации: т.е. многие объекты одного типа обозначаются одним условным знаком и кодируются одним кодом, хотя на практике их внешний вид отличается достаточно сильно. Это и отдельно стоящие деревья, и лесные массивы, здания, мосты и многое другое. Например, в украинском "Классификаторе топографической информации, которая отображается на топографических планах масштабов 1:5000, 1:2000, 1:1000, 1:500" (утвержден приказом ГУГК №25 от 9.03.2000) для объекта "отдельно стоящее дерево", не имеющего значения ориентира, предусмотрен лишь один числовой код - 71132400. В тоже время различные лиственные диревья по внешнему виду очень сильно отличаются между собой. Еще больше различий у зданий и сооружений.

Можно создать свой классификатор, раскодировав объекты более детально. Но это приведет к тому, что создаваемая карта будет сильно отличаться от типовой топографической. Поэтому мы выбрали другой путь.

1-й способ. Типовой классификатор расширяется за счет создания дополнительных серий объектов. Например, для растительности характеристика "Вид растительности" задается как влияющая на вид и по ней формируется серия.


Рисунок 4. Формирование серии для объекта "Отдельно стоящее дерево, лиственное"

При использовании такого способа мы получаем классификатор, где объект "Отдельно стоящее дерево, лиственное" всегда имеет код, условный знак и перечень семантик, соответствующий утвержденному классификатору. Но, в тоже время, каждому объекту можно сопоставить свой уникальный набор правил 3d-знака (рис. 5).


Рисунок 5. Назначения 3d-знака для объекта "Отдельно стоящее дерево" - тополь.

На рисунке 6 показано как выглядит на трехмерной карте массив деревьев, состоящий из разных видов растительности.


Рисунок 6. Отображение растительности на трехмерной карте.

2-й способ. Для трехмерного описания объектов дополнительно к карте местности формируется дополнительная карта оформления с собственным классификатором и 3d-библиотекой, на которой, например, здания описываются не как один объект, а как набор объектов-составных частей. При этом для объектов базовой карты вводится дополнительная характеристика "3d-вид", определяющая, откуда будет браться 3d описание объекта: из 3d-библиотеки базовой карты (объекты, вид которых можно задать типовым знаком) или из 3d-библиотеки карты оформления.

В результате мы получаем карту местности, которая соответствует установленным правилам для топографических карт, и, в то же время, можем показать на трехмерной карте разные объекты одного типа, используя разные 3d-знаки (рис. 7 и 8).


Рисунок 7. Отображение моста двухуровневой развязки


Рисунок 8. Отображение АЗС

 

Карта дорожной ситуации

Карта дорожной ситуации, содержащая дорожные знаки и описание разметки, создается по фотографиям дороги. Знаки и разметка наносятся на пользовательскую карту, наложенную поверх карты местности (рис. 9).


Рисунок 9. Формирование карты дорожной ситуации

Для описания дорожной ситуации нами был разработан классификатор условных знаков, включающий условные знаки дорожных знаков, табличек к дорожным знакам и элементов дорожной разметки (рис. 10).


Рисунок 10. Классификатор карты дорожной ситуации

Для отображения знаков в трехмерном виде к классификатору разработана собственная библиотека трехмерных знаков (рис. 11). При этом на трехмерный вид знака в модели влияют несколько семантик:


Рисунок 11. 3d-знак для дорожного знака "Движение прямо и вправо"

Так как часть знаков (например, "Указатель расстояния" или "Предварительный указатель направления") могут иметь разный вид, то для таких знаков по фотографиям выделяются и сохраняется в bmp-файлах изображения знаков (рис. 12).


Рисунок 12. Выделение вида знака из фотографии участка дороги

В библиотеке 3d-знаков для этого типа знаков вид зависит также от дополнительных семантик: "Ширина знака", "Высота знака", "Вид знака" (ссылка на bmp-файл с изображением знака). Соответственно, для корректного отображения каждому знаку необходимо определить значения перечисленных семантик (рис. 13).


Рисунок 13. Настройка изображения знака в модели

 

Фон местности

Фон местности задается растровой картой, накладываемой поверх всех карт (в 3d модели он заполняет пустоты между объектами). Накладываемый фон делает модель ближе к реальному виду данного участка местности. Использование разных фонов позволяет отображать 3d карту в разные времена года. В своей работе для формирования фона мы использовали сильно разреженные цветные снимки местности со спутника IKONOS, которые, собственно, и использовались для производства всех карт.

 

Использование трехмерной карты

Отметим, что трехмерное моделирование дорог может найти применение не только в задачах навигации, но и в информационных системах дорожных служб, госавтоинспекции и других организациях. Ведь такая карта позволит:

Рисунок 14. Дорожные знаки на трехмерной навигационной карте

Загрузить видеофрагмент движения по развязке дорог M-03, T-21-03 (72 Мб) >>>

 


Другие материалы по теме на страницах сайта:

Толчевская А.Е. Зачем нужны трехмерные модели

 

На главную страницу

Copyright: Касьянов О.В., 2007-2017
e-mail: info@panorama.kharkov.ua

bigmir)net TOP 100