Рельєф як об’єкт картографування

3.3 Створення цифрової моделі рельєфу Хмельницької області в середовищі Surfer

 

Геоінформаційна система Golden Software Surfer 10 в даний час є галузевим стандартом побудови графічних зображень функцій двох змінних. Мало знайдеться підприємств в геофізичній галузі, які не використали б Surfer у своїй повсякденній практиці при побудові карт. Особливо часто за допомогою Surfer створюються карти в ізолініях (контурні карти). Незаперечною гідністю програми є закладені в неї алгоритми інтерполяції, які дозволяють з високою якістю створювати цифрові моделі поверхні по нерівномірно розподіленим в просторі даним. Найбільш часто використовуваний при цьому метод інтерполяції – кригінг – ідеально підходить для представлення даних у всіх науках про Землю.

Невелика  американська фірма Golden Software, названа  так в честь  міста Голден в  штаті Колорадо, де вона знаходиться, існує з 1983 року і займається розробкою  пакетів наукової графіки. Її перший програмний продукт Golden Graphics System, випущений  в тому ж році, призначався для  обробки і виведення зображень  наборів даних, що описувались двомірною  функцією типу z = f (y, x). Згодом цей пакет отримав назву Surfer. Автором Surfer і засновником компанії був аспірант-гідрогеолог одного з американських університетів.

Незважаючи  на досить гостру конкуренцію, програми фірми Golden Software (в першу чергу Surfer) продовжують залишатися дуже популярними  як в США, так і в інших країнах. Посилання на них є майже в  кожному науковому виданні або  програмному продукті, пов’язаному  з чисельним моделюванням і обробкою експериментальних даних.

Логіку  роботи з пакетом можна представити  у вигляді трьох основних

функціональних  блоків:

1) побудова  цифрової моделі поверхні;

2) допоміжні  операції з цифровими моделями  поверхні;

3) візуалізація  поверхні.

Регулярна цифрова модель поверхні традиційно представляється у вигляді значень  у вузлах прямокутної регулярної сітки, дискретність якої визначається в залежності від конкретної розв’язуваної  задачі. Для зберігання таких значень Surfer використовує власні файли типу GRD (Grid-файли) (двійкового або текстового формату), які вже давно стали  стандартом для пакетів математичного  моделювання.

Програмне забезпечення Golden Software Surfer – засіб для моделювання і аналізу поверхонь, візуалізації ландшафту, розробки тривимірних карт і багато чого іншого. Потужні інтерполяційні функції програми перетворюють розрізнені дані в чудові поверхні високої якості. Surfer відрізняється багатим розмаїттям створюваних карт: карт ізоліній, векторів, вихідних даних, затіненого рельєфу та інших.

Golden Software Surfer - потужна система створення тривимірних карт, моделювання і аналізу поверхонь, відтворення поверхні ландшафту, генерування сітки і багато чого іншого. Продукт дозволяє створювати реалістичні 3D-карти з урахуванням освітленості і тіней, використовувати зображення місцевості в різних форматах, експортувати створені карти в інші редактори графічних зображень у різних форматах і друкувати в кольорі розміром до 50 см. по діагоналі. Потужні інтерполяційні функції дозволяють створювати точні поверхні високої якості [7].

Щоб наочно показати і описати як у Surfer можна побудувати цифрову модель рельєфу, для майбутньої гіпсометричної карти та цифрової моделі я обрала рельєф Хмельницької – області. Топографічна карта Хмельницької області масштабу 1:200 000 – це найкращий варіант для цифрування, адже на карті проведені горизонталі, по яким можна визначити багато додаткових точок, а також масштаб карти дозволив показати велику кількість висотних пунктів, які й будуть основою для знімання висот.

Цифрування  растрової карти полягає у  наступному. Виконавши команду Map/Base Map, завантажуємо растрове зображення на робочий лист. Команда Map/Digitize відкриє невеличке вікно, в якому, при натисканні на певній точці карти, будуть відображатись координати цієї точки. Третю координату (висотне положення точки) записуємо навпроти координат через кому з пробілом. Оскільки масштаб великий, то зображення доведеться збільшити. Цифрувати карту слід уважно і обережно. Слід рівномірно розставляти точки, так для програми потім буде зручніше побудувати сітковий файл. Після завершення цифрування, треба зберегти файл у форматі [*.DAT]. Збережений файл представлятиме собою набір точок, які мають свої просторові та висотні координати, систематизованих у таблиці.

Рис. 3.3.1. Інтерфейс програми та основні елементи

 

 Проте  цього для побудови карти та  моделі недостатньо. Surfer не може побудувати зображення по таблиці даних. Ці дані слід перетворити у регулярну мережу – grid-файл, по якому вже потім можна будувати карти. До них належать: контурні карти (contour maps), образні карти (image maps), карти з тіньовим рельєфом (shaded relief maps), векторні карти (vector maps), каркасні карти (wireframe maps) і карти-поверхні (surface maps). Побудова карт, також як і створення сіткового файлу проводиться в режимі плот-документа. Тому, перш ніж приступати до створення якої-небудь карти, потрібно переключитися в цей режим.

Контурна карта (contour map) - це спосіб, що найбільш часто використовується для відображеня інформації, котра представлена функцією z = f (x, y), в науках про Землю. Прикладом цього можуть бути карти електричних, магнітних і гравітаційних аномалій, побудовані на основі даних відповідних зйомок, проведених по мережі профілів. Інакше контурна карта може називатися «карта ізоліній». Проте найчастіше спосіб ізоліній використовується для відображення рельєфу, а саме для сполучення точок із однаковими висотами, тобто для побудови горизонталей (Рис. 2.3.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3.4 Карта із тіньовим рельєфом (відмивка рельєфу)

 

Ті частини  поверхні, які повернені в сторону  від джерела світла, будуть відображати  менше світла в сторону спостерігача і будуть виглядати більш темними. Джерело світла може розглядатися як сонячне світло над топографічною  поверхнею. Сітки з невеликими розмірами  погано зображуються за допомогою тіньової карти, так як виглядають розмитими. Для карти з тіньовим рельєфом можна використовувати різні колірні схеми (як, наприклад, для образної карти).

Векторна карта (vector map) відображає напрямок і швидкість зменшення значення Z (Рис. 2.3.5). За допомогою стрілок на векторній карті показується напрямок вниз. Причому довжина стрілок відповідає величині (крутизні) нахилу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тривимірна поверхня (surface map) - це об'ємне тіньове подання сіткового файлу (Рис. 2.3.6). Висота поверхні визначається значенням Z відповідного вузла сітки. У вигляді тривимірної поверхні добре виглядають тільки довільно щільні сітки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3.6 Тривимірна цифрова модель рельєфу

 

 

Точкова карта (post map) створюється шляхом нанесення точок на карту і підписування точок. Показ точок даних на карті може бути корисним для визначення областей розподілу цих точок. Крім того, можна поміщати числову або текстову інформацію в певне місце карти. Для побудови точкової карти використовуються файли даних, що містять координати X і Y точок. У цих файлах також можуть міститися мітки (текстові підписи), відповідні кожній точці (Рис. 2.3.7) [7].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.3.7 Карта точок (відображення Z-координати)

 

Вибираємо команду Grid/Data. Вона відкриє вікно, де слід вибрати той файл, що треба перетворити. Команда Data обробляє дані та перетворює їх у регулярну сітку, параметри якої потрібно вибрати у діалоговому вікні Grid Data.

Серед основних параметрів: метод побудови сітки, межі сітки та щільність. Для створення регулярної мережі оберемо метод кригінг. Цей метод інтерполяції, як на мене,  найкраще підходить для побудови grid-файлу рельєфної моделі. Межі сіткового файлу задаються для того, щоб побудоване згодом зображення поверхні співпадало з розмірами реальної карти. Щільність сітки варто задати таку, щоб карта не виглядала обрубаною при бланкуванні. Тільки після збереження сіткового файлу, його можна використовувати для побудови карти.

Межами  гіпсометричної карти буде кордон області. Для створення такого файлу також  спочатку треба завантажити на робочий  лист програми растрове зображення, а  потім вибравши команду Map/Digitize, послідовно збирати точки кордону вже без третьої координати. Роботу слід виконувати уважно, зберігаючи послідовність точок, оскільки потім вони будуть сполучатись між собою за тією ж послідовністю. Після того, як цифрування кордону завершено, файл треба зберегти у форматі [*.BLN]. Перед тим скопіювати координати першої точки та додати їх у кінець ланцюжка, щоб кордон замкнувся. Створеним щойно файлом, який представляє межі карти, потрібно обрізати зображення карти. Команда Grid/Blank поступово відкриває два вікна у яких слід вибрати файл, який треба обрізувати (сітковий файл у форматі [*.DAT]) і файл, яким треба обрізувати (кордон у форматі [*.BLN]). Surfer пропонує зберегти новий файл, назвавши його «out». Це теж grid-файл, тільки уже без зайвих ділянок карти, що знаходяться поза кордоном. Тепер можемо побудувати гіпсометричну карту Хмельницької області. Для цього вибираємо команду Map/Contour Map і обираємо вже бланкований файл. Щоб сполучити карту, яку ми отримали, завантажуємо кордон, виділяємо обидва об’єкти і вибираємо команду Map/Overlay Map.

Вся суть створення цифрових моделей рельєфу  у Surfer полягає у тому, що програма може зображувати представлену місцевість не тільки горизонталями, а й іншими способами, які задовольняють вимоги візуалізації, дають можливість бачити пластику рельєфу. Тривимірні моделі, каркасні карти, відмивка (карта з тіньовим рельєфом) та інші способи – це і є основні методи у Surfer, які дозволяють представляти рельєф поверхні за допомогою моделі, яка виражається цифровим шляхом. Найбільш реалістична модель, що передає усю сутність поверхні – це тривимірне зображення. Щоб отримати тривимірну модель, треба виконати команду Map/3D Surface. Програма одразу відкриє вікно, у якому треба вибрати grid-файл, по якому буде будуватись модель. Для побудови наступних ЦМР ліпше винести панель Map на панельний простір, це значно пришвидшить роботу [Додаток Е, Е.1, Е.2, Е.3, Е.4, Е.5, Е.6, Е.7.].

Створювати цифрові моделі у Surfer насправді дуже просто. Однак, так як і самі моделі, так і процес їх створення у даній програмі мають багато недоліків та неточностей. Хоч як точно користувач не намагався б передати детальність рельєфу місцевості, йому це не вдасться, бо Surfer перетворює набір даних за допомогою математичних формул, які багато в чому спрощують реальний простір. Також на прикладі своєї роботи я зрозуміла, що у програмі абсолютно некоректно створювати рельєфні моделі великих за площею територій. Рельєфна модель території виглядатиме дуже образно, можна буде прослідкувати тільки тренд поверхні. Для того, щоб створити більш-менш детальну модель рельєфу, необхідно задати велику кількість точок, а це займатиме багато часу або при зніманні місцевості, або ще більше часу при цифрувані зображень. Громіздким недоліком є поєднання рельєфу з гідрографією. Передати річку чи озеро на карті чималої за розміром місцевості дуже важко, оскільки Surfer сприймає окремі урізи води як пониження. Якщо точки гідрографічного об’єкту проставляти частіше, місцевість буде зображуватись у вигляді урвища. У програмі не можна змінювати чи задавати вертикальний масштаб тривимірної моделі, що погіршує вимоги наочності. Можливості програмного продукту обмежені і в тому плані, що він не здатен якісно картографувати характерні точки місцевості: яри, балки, окремі підняття, чи окремі структурні форми рельєфу. Усі ці аспекти свідчать загальну неспроможність grid-цифрових моделей рельєфу якісно зображати поверхню та передавати виразність рельєфу.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.3.2 Діалогове вікно Grid Data

Однак слід віддати належне програмі Surfer, адже його простота і легкість дозволяють швидко та без зайвих обчислень будувати цифрові моделі заданих поверхонь. Також варто зауважити, що програма Surfer має можливість моделювати не тільки рельєф, а й інші природні явища.

 

3.3 Створення 3D моделі рельєфу в ArcGIS 3D Analist

 

Лінія програм ArcGIS розроблено компанією ESRI і визнано лідером у створенні  та просуванні провідних Геоінформаційних Систем, з урахуванням передових  тенденцій розвитку інформаційних  технологій та зростаючих вимог численних  користувачів. Платформа ArcGIS 9 є оптимальним рішенням для побудови корпоративної ГІС, фундаменту інформаційної системи ефективного управління великими державними і комерційними організаціями.

ArcGIS 3D Analyst від ESRI є додатковим  модулем в лінійці ArcGIS,  
який включає інструменти для 3D візуалізації, аналізу та побудови  
поверхонь. Модуль забезпечує можливість 3D моделювання та аналізу,  
наприклад, аналізу зон видимості і визначення лінії погляду, інтерполяцію по точкам висот, побудова профілів і ізоліній, обчислення шляху з найбільшим ухилом, одержання карт відмивки рельєфу, ізоліній,. Крім того, користувачі можуть виконати розрахунки площинних і об'ємних характеристик поверхонь, нахилу, експозиції та відмивки рельєфу. 3D Analyst також забезпечує широкий набір засобів інтерактивної візуалізації в перспективі. Користувачі ГІС використовують карти для виявлення просторових взаємозв'язків між різноманітними даними; застосовуючи модуль 3D Analyst, можна побачити, як на ці взаємозв'язки впливають гори, долини, висотні будівлі і інші тривимірні об'єкти реального світу [19].

ArcGIS 3D Analyst підтримує три основних  типи даних для моделювання рельєфу: гріди, TIN і тривимірні векторні дані. Як правило, неможливо або недоцільно з економічних міркувань набирати опорні точки для кожного значення, що зустрічається та вивчається території. Отже, нагальною потребою при виконанні досліджень є побудова безперервної поверхні, яка б інтерполювала ці значення. Модуль ArcGIS 3D Analyst надає набір функцій для виконання просторової інтерполяції. Наприклад, можна використовувати точки, отримані за допомогою системи глобального позиціонування (GPS), для інтерполяції поверхні висот місцевості. Модуль ArcGIS 3D Analyst включає такі методи інтерполяції як:

• Сплайн;
• Метод обернено зважених відстаней (ОВР);
• Метод природної місцевості;
• Метод крігінга.

 

 3D Analyst надає широкі можливості для високоточного моделювання невеликих областей з використання моделей TIN. ЇЇ можна створити з будь-якої комбінації точкових, лінійних і полігональних об'єктів, а також з GRID. Дані, що не включають інформацію про висоту, але, тим не менше, важливі для формування поверхні (наприклад, межа, що вивчається області), можуть також використовуватися при створенні TIN. Моделі TIN зазвичай застосовуються для точного моделювання невеликих областей, наприклад, в інженерних додатках, де вони корисні завдяки можливості обчислень планіметричних площ, площ поверхні [9].