IV.Моделиране на материални тела

Основните начини се свеждат  до три типа подходи при набиране на данните: фотограметрични, геодезически и картографски. При фотограметричните методи (те са основни) директно се получава тримерна информация за теренната повърхнина. Методите се разделят на: аналогови, аналитични, дигитални, комбинирали. Основното при тях е, че посредством стереоскопично наблюдение и мерене в явен или неявен вид се получават векторни данни за дискретните елементи от теренната повърхнина. Най често това са точки (random point) и линии (break, contour и т.н. ). При фотограметричните методи е възможно и вход на разстерни данни (изображения, получени от заснемане с дигитални камери или сканирани на скенер с подходящо разрешение). Те се подлагат на корелационна обработка в подходящи фотограметрични системи с цел да се подобрят техни качества (тоналност, яркост, контраст и т. н.), след което се използват за полуавтоматично генериране на ЦМР. Пълно автоматизиране на този процес е невъзможно, поради голямото количество грешки, които биха се получили в резултат на заснемането и сканирането. Аналоговите технологии използват аналогови картировъчни апарати (АКА) като устройство за дискретизиране на теренната повърхнина, тоест непрекъснатата повърхнина на терена се дискретизира от отчетените дискретни векторни координати на избраните точки и линии, които я представят. Последваща операция е трансформацията на координати (моделни- в геодезически).                              

            При аналитичните се извършват аналитични компараторни измервания (на аналитични фотограметрични апарати) За дискретните елементи от повърхнината се измерват образни координати и паралакси. След аналитична обработка (най –често аналитична пространствена триангулация) се получават векторните данни за дискретните елементи.

            При дигиталните фотограметрични технологии (известни още като Цифров видео- плотер) технологичната схема включва:

• сканиране (с прецизен фотограметричен скенер, най малко 800dpi разрешение ) на входната стереодвойка снимки или използване на цифрова камера с подходящо разрешение;
• аналитично ориентиране на стереодвойката (минава се през етапи вътрешно, относително и абсолютно ориентиране). При него се определят елементите на ориентиране за стереодвойката;
• векторизиране (тримерно дигитализиране). На този етап се извършва кодиране и дискретно представяне на избраните дискретни елементи от повърхнината във векторен вид. Обикновено след това се използва система за графично проектиране (CAD –система) в която се  извършват по-нататъшните дейности по създаване на ЦМР.

            Най-голяма степен на автоматизация при фотограметричните технологии се получава при така наречените Фотограметрични работни станции (ФРС). Те са комбинация от хардуерни и софтуерни компоненти и при тях технологичният цикъл по дисретизация на теренната повърхнина е максимално автоматизиран. Много често събраните данни се обработват с Географски информационни системи (ГИС).

            При геодезическите методи векторните данни за дискретните елементи от теренната повърхнина се получава в резултат на данни от преки геодезически измервания. При това е възможно да се измерват както непосредствените количествени стойности на дискретните елементи (координати на точки и линии), така и други техни количествени стойности (разстояния, посоки, посочни ъгли и др.). Към тези методи спадат различните видове геодезически снимки: ортогонална, полярна и т.н. Съвременно направление е използването на тотални станции (кодови теодолити) и електронни карнети. По този начин до известна степен се автоматизират процесите по набиране на данни за повърхнината на терена.

            Общото при двата подхода (фотограметричен и геодезически) е, че за дискретните елементи от повърхнината се осигуряват непосредствено тримерни векторни количествени данни (координати). При геодезическите методи обаче това става обикновено в полски условия, а при фотограметричните в канцеларски. Затова и фотограметричните, като по икономични са предпочитани. При картографските- се извършва дигитализиране на избраните елементи от теренната повърхнина, но при това дигитализиране се получават автоматизирано само част от количествените данни (координатите X,Y). Останалите (Z-координатите) се въвеждат допълнително. Поради факта че измерванията в този случай се извършват върху материал (карти и планове), които вече са получени от другите два метода и освен това е извършена вече определена генерализация, то за да се получат добри резултати, трябва да се разполага с едромащабни картографски материали. Последното обстоятелство затруднява приложението на последните методи.

            Набиране на данни за терена чрез аналогова фотограмeтрия и числена (аналитична) обработка

            Аналоговата фотограметрия намира приложение за набиране на данни за създаване на цифрови модели на релефа. Чрез процеса картиране АКА( аналоговия картировъчен апарат) се използва като терминал за формиране на тримерни векторни данни. При позициониране на апаратната марка върху ситуационен обект се извършва регистриране на кодиран запис, в съдържанието на който се съдържа геометрична информация, необходима за създаване на основните примитиви, необходими за създаване и  построяване на цифровия модел.

            Обикновено за формиране на ЦМР се използват CAD- системи от по-общ характер (AutoCAD или Microstation) или специализирани такива АКСТЪР, LKAD, Telus. Често дейностите по поддържане на кадастъра се съпътстват от създаване и използване на такива модели. Съществуват и специализирани системи само за генериране на ЦМР. Такива са системите SCOP, ListCAD, Inroads, Civil engineering и др. Обикновено изходните данни за модела се осигуряват чрез фотограметрични, геодезически или картографски технологични схеми. Фотограметричните могат да включват следните процеси:

• набиране на необходимата информация за създаване на Цифровите модели от фотограметричен апарат, свързан с компютър. Най-често се регистрират фотограметрични координати от аналогов апарат (Стереометрограф) или образни координати и паралакси от аналитичен апарат (Стекометър-Цайс). Извършва се кодиране на данните, съобразено с възможностите на всяка една от посочените по-горе системи. Градивни елементи за цифровите модели са точки и линии. Точките се вземат на етапа на работа с картировъчния или аналитичен апарат. Те могат да бъдат равномерно разпределени или дискретно описващи характерни особености от релефната повърхнина. Линиите обикновено са линиите на прекъсване, хоризонтали , гранични области и др.
• чрез системата за аналитична обработка на фотограметрични измервания ORIENT или друга подобна може да се стигне до геодезически координати на снетите обекти, формиращи бъдещия цифров модел.
• със системата SCOP се получават регулярни ЦМР. При приемане на гъстотата на мрежата се вземат в предвид геоморфометричните  елементи на релефа, чрез изследване от дребно мащабна карта на същия район. Системата позволява да се провеждат: моделиране на релефната повърхнина (оглаждане и промяна на наклоните); да се извеждат полутонови и перспективни изображения на релефа в приета проекция и положение на центъра на проектиране; да се формират трасета за извеждане на надлъжни и напречни профили, както и възможности за съчетаване на ЦМР със такъв за ситуацията. Тя е създадена в резултат на сътрудничеството на Institut f. Photogrammetrie and Fernerkubdung във Виена и INPHO Gmbh  в Щутгарт. Това е система ориентирана към фотограметричен вход на информацията. Допуска се още използване на данни от тахиметрично заснемане и дигитализиране на топографски карти. Изградена е на модулен принцип и включва следните групи от функционални модули:

1.модули за предварителна обработка и създаване на ЦМР;

2.модули за използване на ЦМР;

3.модули, обслужващи комуникациите на системата с други графични системи.

4.От технологична гледна точка в системата SCOP се извършват следните операции:

5.проверка и структуриране на входната информация и създаване на логически структури. Използват се системите за кодиране на входната информация TOPIAS и системата за проверка ZORA..

6.създава се логически модел на базата на дефинираните структури, като се използва итеративен режим и регулярна мрежа, която може да бъде с различна гъстота, в зависимост от конкретните условия;

7.построяват се разстерен и векторен модел;

8.интерполират се хоризонтали;

• извършват се различни операции върху създадения модел, като:

            определяне на трасета за профили, изчертаване на профили (надлъжни и напречни),формиране на перспективни и ортогонални тримерни полутонови изображения на релефа, създаване на плот-файлове като краен продукт от работата със системата;

• възможности за връзка с други системи и програми (AutoCAD, ORIENT и др.)

            Ефективността на работа със SCOP се повишава, ако се използва в режим на организиране на командни процедури, написани на интерфейсния език за системата DRE. Итеративният режим на работа с модулите позволява да се намери оптимално решение при работа с конкретните модули. Изходните продукти от пакета SCOP могат да се използват за създаване на атласи и сайтове, както и за други проектантски задачи. SCOP съдържа широк набор от различни формати на графични файлове, за да се осигури подходяща връзка с други графични системи. Вътрешният формата за системата е ZIFFI. Той се използва като основен при комуникация между отделни модули. За кодиране на данните в системата се използват два стандарта. Това са структурите WINPUT (TOPIAS) и КА001. На фигура IV.6.1 е показана архитектурата на пакета SCOP.

                       

                                                           фиг.IV.6.1

            Създаването на ЦМР се осъществява на няколко стъпки (минава се през три нива в архитектурата на системата).

            Първото ниво (модул SCOP.DMS) извършва предварителна обработка и логическо представяне на входните данни. Класифицират се дефинираните обекти и се адресират подходящо.

            Второто ниво (модул SCOP.DTM) създава празна база за цифровия модел, съобразена с предварително дефинираните структури и типове обекти (основни обекти са точки и линии). SCOP.INT създава линеен и разстерен модел от дефинираните логически структури, а чрез SCOP.SLP се извършва в итеративен режим оглаждане на повърхнината на терена.

            На трето ниво са разположени модулите, имащи отношение към използването на ЦМР. Функционалните им възможности са следните:

SCOP.ISO се използва за интерполиране на хоризонтали;

SCOP.PER създава перспективни и аксонометрични проекции;

SCOP.PIX  формира пoлутонови изображения;

SCOP.PRO съставя надлъжни и напречни профили;

SCOP.PLO формира плот- файлове в различни формати;

SCOP.GVE графичен видео- редактор. Чрез него се коригират графични данни и се проверява логическата непротиворечивост между данните.

            Всички модули са функционално зависими от начина на създаване на ЦМР и работата с тях е възможна при спазване на описаната йерархична последователност.

            Нерегулярни модели се формират със системите Inroads и АКСТЪР-М, Геодезия и др. Там възможностите за работа с моделите са аналогични, но има разлика в механизма на получаване на модела. Inroads e модул явяващ се надстройка над графичната CAD система Microstation. Чрез него могат да се автоматизират още дейностите по проектиране на пътната мрежа; земно- изкопни работи и др.

            AutoDesk Civil Engineering е надстройка на CAD системата AutoCAD. Тя работи съвместно с AutoCAD Development system на AutoDesk. Накратко нейните възможности се заключават в следното:

• създаване на ЦМР (по нерегулярен метод);
• определяне на водосборни области (намиране на положението на вододели и водосливи, както и линии на прекъсване);
• създаване на проектни повърхнини (grading) на определени области и автоматизиране на процесите при тяхното проектиране;
• генериране на трасета,  профили и др.;
• улеснено използване на библиотеки от съоръжения при различни дейности и етапи от проектирането.

Общият вид на системата е показан на фигурата:

                                                                                    фиг. IV.6.2

            Civil Engineering създава ЦМР в среда на AutoCAD и използва за надстройка интерфейсните езици Visual Lisp и Visual Basic for Application (VBA) . Познаването на тези езици помага за настройка на системата и за разработването на функции, улесняващи и автоматизиращи процесите по създаване на ЦМР. Към него се съдържа модула Terrain Model Explorer  за моделиране на теренни повърхнини (проектни и реални фиг. IV.6.3) .

 

                                                           фиг. IV.6.3

            Лявата част представлява възможност за управление на основните елементи от модела на терена. Възможно е да се въвеждат точки от терена, хоризонтали, линии на прекъсване гранични линии и др. Десният прозорец позволява да се получи информация за съответните елементи. Възможно е да се създават различни по брой повърхнини с Terrain Model Explorer. Които да включват както различни части от една повърхнина (теренната), така и от различни повърхнини (проектни). Управляеми са както дейности по промени с данните, изграждащи модела, така и по неговото визуализиране.

Всеки модел на повърхнината заема отделна папка в прозореца от ляво. С клик върху папката за съответния модел за повърхнина в подгрупата point files се въвеждат данни (точки или линии от графика) .Това са изходните елементи за повърхнината на терена. (фиг. IV.6.4)

 

                                                                             фиг. IV.6.4

            Със Contour Style Manager се извършват настройки по вида за хоризонталите (вида на предикатната функция), както и за разположението и начина на ориентиране на надписите на хоризонталите. (фиг. IV.6.5)

 

                       

                                                           фиг. IV.6.5

            Възможно е да се проектира планквадратна мрежа в района с дефинираната повърхнина и да се интерполират хоризонталите. (фиг. IV.6.6)

                                                                              фиг. IV.6.6

            Въвеждането на трасета за извеждане на профили става с помощта на специален Horizontal Alignment Editor. (фиг. IV.6.7)

 

           

                                                           фиг. IV.6.7

            За разглеждания пример е възможно да се получат по нерегулярния метод мрежа от напокриващи се триъгълници (фиг. IV.6.8)

                                                                    фиг. IV.6.8

            Аналогично се получават и другите моделни повърхнини.

( фиг. IV.6.9)

                                                                          фиг. IV.6.9

            Чрез подходящ избор на таблица на цветови съответствия може да стане оцветяване на фасетките от различните моделни теренни повърхнини, като се получи реалистична представа за повърхнините.( фиг. IV.6.10)

                                               фиг. IV.6.10

            След създаване на ЦМР същият може да се опише във формата VRML и да се разглежда с помощта на браузъри в Internet. (фиг. IV.6.11)

 

           

                                                           фиг. IV.6.11

            Inroads е надстройка на  CAD системата Microstation.. Предназначена е за проектиране на линейни съоръжения (пътища и ж. п. линии), както и за автоматизиране на проектантската дейност при формиране на трасета, изчертаване на надлъжни и напречни профили, изготвяне баланс на земно- изкопните работи и др. Системата притежава език (MDL ) чрез който е възможно да се създават програмни надстройки за решаване на конкретни практически задачи. На (фиг. IV.6.12) е показан общ вид на системата Inroads.

                                                                      фиг. IV.6.12

            За да се създаде ЦМР със модула Inroads се минава през следните технологични етапи:

• дефинира се име на проект
• дефинира се геометрия (хоризонтална, вертикална или друга;
• може да се дефинира и използвана библиотека, както и да се настроят параметрите за визуализиране и работа със системата;
• вкарват се данни (точкови в ASCII –формат, линии на прекъсване и др). Възможно е да се наследява геометрия от графика, при входни файлове от други графични системи (Microstation, AutoCAD и др.);
• създават се проектни повърхнини (surface ) за терена или проектно положение на съоръжение, или за вертикално планиране (grading). Образуването на повърхнината се извършва по нерегулярен метод, като се образуват непокриващи се триъгълници (най-често от точковите входни данни);
• възможни са операции като цветно кодиране по зони, формиране на трасета, извеждане на профили и др.

            Геодезия е програмен пакет, обхващащ автоматизирането и обработката на дейности свързани с геодезическата практика като: изравнения на планови и височинни мрежи; обработка на снимки; проектантски дейности в области на пътното дело, вертикалното планиране и др.; възможности за работа и управление на пространствени данни; трансформация на изображения и използване на цифрови филтри както и създаване на цифрови модели на теренни повърхнини по нерегулярен метод. На фигура (IV.6.13) е показан общ изглед на системата:

            С пакета Геодезия могат да се автоматизират някои дейности свързани с използване на Цифровите модели като:

• проектиране на трасета за пътища и канели;
• генериране на пикетаж;
• формиране на надлъжни и напречни профили;
• проектиране на повърхнини ;
• установяване на видимости и др.

            Като входни данни в пакета Геодезия се използват данни от аналогов картировъчен апарат Стереометрограф- Цайс. Пакетът осигурява възможности за трансформиране между моделни и геодезически координати. Поддържат се CAD функции, съвместими със стратегията “open DWG”, чрез които могат да се правят промени при проверка, редакции и визуализиране на моделите.             Съвместимостта на графичния редактор със стандартните графични системи му осигуряват широко разпространение в практиката.

                                               фиг. IV.6.13