Цифровое моделирование рельефа

Содержание Введение Глава 1. Цифровая модель рельефа, его составляющие Глава 2. Система Credo_ТОПОПЛАН

2.1 Назначение и области применения программного комплекса Credo_ТОПОПЛАН

2.2 Обзор основных функций Глава 3. Способы создания ЦМР

3.1 Создание ЦМР с помощью растровой подложки

3.1.1 Работа в Credo_TRANSFORM

3.1.2 Работа в Credo_ТОПОПЛАН

3.2 Создание ЦМР по тахеометрической съемке местности Заключение Литература Приложение

Введение

В настоящее время моделирование рельефа местности и его последующее исследование по полученным моделям становятся неотъемлемой частью теоретических и экспериментальных изысканий в картографии, 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 немецких ученых-географов. Сегодня результаты, полученные компьютерной обработкой массивов данных по территории и цифровые модели рельефа (ЦМР), в корне изменили подход к двум основным функциям моделирования — топографическому анализу и визуализации. Геоинформационные системы и технологии в настоящее время предоставляют исследователям широкие возможности синтеза результатов моделирования и нетопографических тематических данных .

Представление цифровой модели рельефа в трёхмерном виде в настоящее время решает следующие важные задачи:

— определение любых геометрических параметров рельефа;

— построение горизонталей рельефа, профилей и сечений;

— оценка безопасности строительства технических сооружений;

— оценка изменения рельефа и растительности;

— моделирование радиовидимости.

Таким образом, тематика, касающаяся понятия «цифровая модель рельефа» является достаточно актуальной.

Целью данной курсовой работы является непосредственно рассмотрение понятия «цифровая модель рельефа», и методы моделирование поверхности с помощью программного комплекса Credo_ТОПОПЛАН.

Данная цель предполагает решение следующих теоретических и практических задач:

— рассмотрение общих сведений о цифровой модели рельефа;

— рассмотрение программного копмлекса Credo_ТОПОПЛАН;

— построение ЦМР с помощью растровой подложки;

— построение ЦМР с помощью полученных данных с топосъемки.

Таким образом, объектом исследования является цифровая модель рельефа, а предметом (предметной областью, в которой реализовано исследование) — геодезия.

Глава 1. Цифровая модель рельефа, его составляющие Цифровая модель рельефа (ЦМР) — это множество треугольных граней, построенных на точках (вершинах граней) с координатами X, Y, Z. 4]. Построенное множество треугольных граней названо триангуляцией. 5]. Множество треугольников аппроксимирует участки различных поверхностей (естественные и спланированные — поверхности земли, искусственные покрытия, поверхности отдельных геологических слоев и др.) (рис.1).

Рис. 1. Составляющие триангуляции Участок поверхности, аппроксимируемый множеством треугольных граней, ограничен контуром.

Контур поверхности — это замкнутая не пересекающаяся ломаная линия. В ЦМР реальных объектов, как правило, может быть много контуров. В целях однозначности определения ЦМР каждый выделенный участок поверхности может принадлежать только одному контуру.

На основе ЦМР системами CREDO решаются задачи проектирования инженерныхобъектов, и при этом рельеф поверхности отображается на экране и в твердых копиях так же, как и на топографических картах и планах: горизонталями, условными знаками обрывов и откосов и т. д.

Алгоритм формирования ЦМР использует информацию о Контурах рельефа, Точках, и Структурных линиях.

Точка ЦМР имеет три координаты: X, Y, Z. Точки могут быть рельефными или рельефно-ситуационными.

Структурная линия — линия, соединяющая существующие или вновь построенные точки ЦМР и однозначно определяющая триангулирование участка поверхности.

Каждый отрезок структурной линии при формировании ЦМР является ребром треугольника. Структурные линии позволяют однозначно определить характерные формы рельефа: лощины (тальвеги), хребты (водоразделы) и т. д. Следует создавать структурные линии в тех случаях, когда требуется изменить рельеф так, как видит его специалист. Для этого можно использовать дополнительную полевую информацию об особенностях рельефа, отраженную, например, в абрисах, кодами электронных регистраторов и т. д. (рис.2).

Рис. 2. Построение модели рельефа

* Контур рельефа — участок поверхности, имеющий по мнению Пользователя однородный рельеф. Однородный рельеф следует понимать как совокупность неровностей, сходных по очертаниям, размерам, происхождению, возрасту и истории развития. Для удобства работы Пользователя даже однородный рельеф можно расчленять контурами на самостоятельные участки (рис.3).

Рис. 3. Контуры рельефа Таким образом, всю поверхность участка местности, формируемую как ЦМР, представляют в виде одного или нескольких контуров. Это позволяет выделять формы рельефа, на границах которых горизонтали ломаются, сдвигаются или обрываются:

* Обрывы.

* Ямы.

* Откосы выемок и насыпей.

* Водоемы.

* Карьеры.

* Поверхности с искусственным покрытием и т. д.

Система CREDO_ТОПОПЛАН позволяет отображать рельеф в пределах соответствующего контура различными видами горизонталей:

* Аппроксимационными и линейно-интерполяционными сплайнами: естественные поверхности.

* Прямыми линейно-интерполированными: антропогенные формы рельефа.

В пределах контура можно проводить дополнительные горизонтали и менять шаг горизонталей. В некоторых случаях рельеф можно не отображать горизонталями, например, искусственные покрытия, водоемы и т. п. Обрывы и откосы отображаются в отдельном контуре соответствующим условным знаком. Система контуров рельефа при построении ЦМР образует топологически корректное множество. Однозначность создания ЦМР при построении контуров обеспечивается их различным взаиморасположением:

* Пересекающиеся контуры.

* Смежные контуры.

* Внутренние контуры, касающиеся или не касающиеся внешнего контура.

Построенные в разных контурах поверхности, конечно, могут выглядеть по-разному. Но взаимосвязь контуров проявляется при определении системой параметров точек их пересечения и при использовании операций удаления, изменения и т. д. контуров. Это формат представления поверхности в виде матрицы равномерно распределенных точек, каждая из которых характеризуется своей высотой. В зависимости от способа вычисления высот поверхности в пространстве между точками различают «решеточную» и «ячеистую» модели. В первой из них такие значения интерполируются по значениям высот в нескольких соседних точках, вторая же модель рассматривает эти точки как центры ячеек с постоянным z значением. Использование «решеточной» регулярной сети имеет смысл в случае представления такой сетью рельефа, самой поверхности. В этом случае используемая интерполяция гарантирует непрерывность ее представления. В случае же, если в качестве z значений используются категорийные данные (например, степень озеленения данной местности и т. п.), которые необязательно должны быть непрерывными, разумнее использовать «ячеистую». 1].

Глава 2. Система Credo_ТОПОПЛАН

2.1 Назначение и области применения программного комплекса Credo_ТОПОПЛАН Система Credo_ТОПОПЛАН предназначена для создания цифровой модели местности (ЦММ) инженерного назначения по результатам топогеодезических работ, по имеющейся растровой топографической основе или данным из других систем, выпуска чертежей топографических планов и планшетов, подготовки ЦММ для дальнейшего проектирования, использования ЦММ как пространственной основы в геоинформационных, кадастровых, землеустроительных, градостроительных системах.

Программный комплекс применяется для полосных и площадных инженерных изысканий объектов промышленного, гражданского и транспортного строительства, подготовки информации для геоинформационных систем, ведению дежурных планов, землеустроительных работ, исполнительных съёмок. 8].

2.2 Обзор основных функций

Исходные данные

Чтение данных CREDO_TER, CREDO_PRO, CREDO_MIX, CREDO_DAT 3.0. Импорт точек из текстовых файлов типа CXYZ, данных в формате DXF, Проектов CREDO III в формате PRX. Подгрузка черно-белых и цветных растровых файлов карт, планов, аэрофотоснимков, подготовленных программой TRANSFORM.

Организация данных

Хранение всех данные в корпоративной или локальных базах данных. Формирование полного набора данных на территорию (объект) в иерархической структуре Проектов, позволяющих размещать данные либо по площадным единицам (например, по планшетам), либо по составу (ситуация, рельеф, коммуникации и т. д.), либо в необходимой для пользователя комбинации площадных участков и состава. В свою очередь Проекты формируются из иерархически организованных геометрических слоев с редактируемыми свойствами.

Поддержка тематических слоев (фильтров), организуемых программой автоматически на основе используемого Классификатора.

Возможность работы с большими сложно организованными объектами и осуществление их коллективной обработки.

Геометрические построения

Выполнение геометрических построений с использованием большого набора методов координатной геометрии. Использование в качестве элементов геометрии примитивов вида — точка, дуга, окружность, спираль, сплайн. Создание на основе геометрических примитивов полилиний, графических масок, регионов с различными графическими атрибутами. Ортогональные построения.

Проставление размеров и надписей.

Измерения линий, углов, площадей. Линейная трансформация модели.

Ситуация

Формирование точечных, площадных и линейных топографических объектов (ТО) на основе Классификатора с семантическим наполнением и отображением условными знаками и информационными блоками (типа характеристики древостоя, водотоков, подписи скважин) в соответствии с выбранным масштабом.

Обработка засечек, обмеров, створных измерений.

Моделирование поверхности (рельеф)

Построение цифровой модели рельефа нерегулярной сеткой треугольников с использованием пространственных полилиний (структурных линий). Отображение рельефа горизонталями с возможностью отображения отдельных участков различными видами (дополнительные, вспомогательные) и различной высотой сечения рельефа.

Моделирование вертикальных поверхностей (бордюров, набережных, подпорных стенок и т. п.).

Формирование надписей горизонталей и построение бергштрихов. Создание и редактирование штриховки для откосов.

Чертежи и экспорт

Экспорт координат элементов модели в текстовые форматы CXYZ.

Создание, редактирование и выпуск топографических планов в виде листов чертежа или планшетов с использованием шаблонов.

Экспорт чертежей в формат DXF.

Дополнительные компоненты

Редактор шаблонов чертежей и планшетов, обеспечивающий возможность создания шаблонов и настройки собственных штампов, координатной сетки, таблиц, рамок и зарамочного оформления планшетов.

Редактор Классификатора, обеспечивающий создание собственных типов топографических объектов (ТО), состава семантической информации и условий генерализации.

Редактор символов, обеспечивающий создание символов для условных знаков точечных ТО и конструирования условных знаков линейных и площадных ТО.

Редактор стилей линий и штриховок, обеспечивающий создание и редактирование новых типов линий и штриховок для использования в графических масках, заполнения регионов и и конструирования условных знаков линейных и площадных ТО.

Менеджер баз данных, обеспечивающий создание, удаление, сжатие и активацию используемых баз данных.[7, 8]

Глава 3. Способы создания ЦМР

3.1 Создание ЦМР с помощью растровой подложки Для создания цифровой модели рельефа был взят обычный растровый рисунок под названием Фрагмент 1. Так как Credo_ТОПОПЛАН не поддерживает растровые форматы, предстоит трансформировать рисунок в формат поддерживаемый программным комплексом. Чтобы трансформировать растр и подготовить ее к использованию в Credo_ТОПОПЛАН в ПК Credo имеется комплекс Credo_ TRANSFORM.

Программа Credo_ TRANSFORM предназначена для обработки растровых фрагментов, полученных в результате сканирования схем, чертежей, цветных и черно-белых картографических и геодезических материалов.

В результате работы программы создается электронная растровая подложка, которая может использоваться в системах комплекса CREDO и других проектирующих и геоинформационных системах, а также для выпуска чертежей, топопланов и схем, оформленных в соответствии с действующими нормативными документами. Поддерживает файлы с форматом BMP.

Чтобы обработать растр необходимо его импортировать в Credo_ TRANSFORM.

3.1.1 Работа в Credo_TRANSFORM

При импорте файлов формата BMP, преобразованных в TRANSFORM, автоматически загружается привязка к выбранной системе координат.

После того как растр был импортирован можно его повернуть на нужный угол, обрезать ненужные части, преобразовать цвета. Для этого имеются ряд инструментов в интерфейсе программы. Если растр готов начинаем создавать опорные точки. При этом опорные точки могут быть двух типов:

Абсолютные точки — это точки с известными координатами. Такими точками могут быть кресты координатной сетки, крайние точки рамки, пункты геодезического обоснования, координированные углы зданий, просто характерные точки растра с известными координатами. Точки задаются Пользователем в установленной им системе координат. 9].

Относительные точки — это дополнительные точки без указания координат. Обычно такие точки задаются для устранения «несводок» контуров на каждом из смежных фрагментов в области перекрытия в характерных местах изображения — на колодцах, осветительных мачтах, пересечениях линий, отдельно стоящих деревьях и т. п. Одна и та же относительная точка может присутствовать одновременно на нескольких фрагментах, как общая. В процессе трансформации соответствующие относительные опорные точки соседних фрагментов совмещаются. 9].

Число задаваемых опорных точек зависит от качества отсканированного изображения. Если метрическое качество растра неудовлетворительное, рекомендуется использовать максимально возможное количество точек, например, привязывать все узлы координатной сетки. Число задаваемых опорных точек может достигать 400. Минимальное количество опорных точек для трансформации — две (рис.4).

цифровой программный тахеометрический растровый Рис. 4 Опорные точки После того, как были заданы опорные точки, можно приступать к трансформированию растра. В программе применяется метод кусочно-проективной трансформации, использующий алгоритм триангуляции. Этот метод позволяет получать качественные в метрическом отношении изображения, в определенной степени исправляя такие дефекты, как складки бумаги, участки с неравномерным масштабом и другие. Одновременно обеспечивается привязка обрабатываемых растровых фрагментов к используемой системе координат. Теперь, когда у нас есть трансформированный растр, его нужно экспортировать в Credo_ТОПОПЛАН, для дальнейшей работы. При экспорте фрагмента учитывается контур видимости фрагмента. Участки фрагмента, не попадающие в контур видимости, заливаются белым цветом. Для экспорта в Credo_ТОПОПЛАН нужно сохранить фрагмент в формате TMD. После того как сохранили растр в нужном формате, приступаем непосредственно к работе в Credo_ТОПОПЛАН.

3.1.2 Работа в Credo_ТОПОПЛАН Работа в Credo_ТОПОПЛАН начинается с создания нового набора проектов. После чего открывается окно нового набора проектов, где можно создавать проекты и слои к проекту, а также редактировать их. Создаем новый узел, после чего создаем новый проект. Открывается окно где можно выбрать нужный формат, в данном случае выбираем импорт файла TMD и открываем наш готовый растр (рис.5).

Рис. 5 Готовая растровая подложка Растровая подложка не содержит нужных для построения модели рельефа точек. Поэтому нужно точки поставить в соответствии с рельефными точками на рисунке. Для этого сначала создаем новый узел. Далее нажимаем на меню построение и выбираем точки создать на курсоре. Создаем точку на ростре и задаем данную высоту. Проделываем эту операцию со всеми рельефными точками. Когда все точки готовы к созданию цифровой модели рельефа, нужно отключить растр. Закрываем узел с подгруженным растром, и на экране остаются только точки с заданными высотами, которые были созданы нами. Приступаем непосредственно к созданию цифровой модели рельефа для этого в меню поверхность и нажимаем создать поверхность в контуре. Выбираем контур по крайним точкам, замыкаем его. Задаем нужные нам значение, шага основных горизонталей и жмем создать ЦМР (рис.6) .

Рис. 6. ЦМР Приступаем к оформлению чертежа. Нажимаем чертеж, новый чертеж, выбираем нужный шаблон. Сохраняем чертеж [Приложение 1].

3.2 Создание ЦМР по тахеометрической съемке местности В ходе прохождения практики нами был накоплен материал для курсовой работы. Нам были представлены некоторые данные из топогеодезической съемки. Полученные данные имели вид профилей, разбитых через 25метров, что усложняло работу по созданию цифровой модели рельефа. Поэтому мною был создан текстовый файл в котором точки профилей были редактированы, удалены, чтобы те не находились слишком близком расстоянии друг от друга [Приложение 2].

После того как материал был подготовлен его можно было загрузить в Credo_ТОПОПЛАН.

Нужно отметить, что перед началом работы в Credo_ТОПОПЛАН нужно создать базу данных. Для этого в Credo_ТОПОПЛАН имеется специальное приложение — Менеджер Баз данных. Создаем новую персональную базу данных и настраиваем ее к работе в Credo_ТОПОПЛАН или запускаем уже имеющуюся базу данных. Без запуска базы данных программный комплекс не запустится. После того как настроили базу данных, запускаем Credo_ТОПОПЛАН.

Запускаем Credo_ТОПОПЛАН, выбираем создать новый набор проектов. После этого открывается окно нового набора проектов, где можно создавать проекты (узлы) и слои к проекту, а также редактировать их. В правой верхней колонке выбираем создать новый узел, после чего нажимаем создать новый проект. Открывается окно где мы можем выбрать нужный формат, в данном случае импорт текстового файла и открывает наш готовый документ.

Появляется новая вкладка универсальный импорт пунктов (рис.8), где нам нужно выбрать все точки проекта и импортировать его в Credo_ТОПОПЛАН. После импорта появляется протокол импорта, содержащий возможные ошибки и количество добавленных точек в проект. Закрываем протокол, а универсальный импорт пунктов сохраняем как шаблон.

Рис. 8. Универсальный импорт пунктов Переходим непосредственно к построению ЦМР, для этого выбираем подгруженный узел с данными и устанавливаем слой узла активным, а верхний узел удаляем.

Непосредственная работа по моделированию рельефа является непростым процессом. Для того чтобы построить нужно не только построить изолинии и сеть триангуляции Делоне, но и знать тип рельефа местности (овраги, балки и др.), в проекте они обозначаются структурными линиями, это позволяет понять где рельеф понижается и где поднимается. Так же узнать понижение и повышение рельефа помогают бергштрихи которые можно нанести после операций по созданию ЦМР.

Чтобы создать ЦМР выбираем создать поверхность в слое. В меню создания поверхности выбираем нужный шаг основных горизонталей и нажимаем создать поверхность. Появляется готовая модель рельефа. Если на абрисах, которые должны быть заполнены в пикетажной книжке, нет откосов, оврагов, балок, ЦМР можно оставить в текущем готовом виде (рис.9).

Рис. 9. Готовая ЦМР Переходим к созданию чертежа. Выбираем чертеж, создать новый чертеж. Появляются шаблоны для чертежного проекта, выбираем один из шаблонов и прикрепляем к нему ЦМР. Сохраняем чертеж [Приложение 3].

Заключение

Настоящая дипломная работа посвящена исследованию методов построения цифровой модели рельефа, заданного нерегулярными наборами структурных линий и высотных отметок. В процессе выполнения работы были решены следующие задачи:

— были рассмотрены общие сведения о цифровой модели рельефа: определение ЦМР, триангуляция, контур поверхности, контур рельефа, структурные линии;

— рассмотрен программный копмлекс Credo_ТОПОПЛАН: назначение ПК, его применение, исходные данные;

— построены ЦМР с помощью растровой подложки: работа в Credo_TRANSFORM и Credo_ТОПОПЛАН (создание ЦМР в контуре, структурных линий, откоса);

— построены ЦМР с помощью полученных данных с топосъемки: создание базы данных, импорт тестового файла, создание ЦМР в слое.

1. Демиденко А. Г. Объемное моделирование местности и пространственный анализ. // 3-й Международный семинар пользователей «РАКУРС». 2003 г. Тезисы выступлений. — С.24−26.

2. Кошкарев А. В., Тикунов В. С. Геоинформатика / Под ред. Д. В. Лисицкого. — М.: Картгеоцентр-Геоиздат, 1993. — 213 с.

3. Малофеева. И.А., Малофеев. А. Г. Методические указания к выполнению лабораторной работы «Создание цифровой модели рельефа по дисциплине «САПР автомобильных дорог». Омск: Изд-во СибАДИ, 2007. 30 с.

4. Салищев К. А. Картоведение. 3-е изд. М. Издательство Московского университета. 1990. — 400 с.

5. Скворцов А. В. Триангуляция Делоне и ее применение. — Томск: Изд. Томск, ун-та, 2002.

6. Федотов, Г. А. Инженерная геодезия: Учебник/Г.А. Федотов. — 2-е изд., исправл.- М: Высш. шк., 2004. — 463 с.

7. Рабочая тетрадь. Система CREDO ТОПОПЛАН. — Минск: СП «Кредо-Диалог». — 65с.

8. Учебно-практическое пособие Система CREDO ТОПОПЛАН Создание цифровой модели местности и выпуск топографических планов. — Минск: СП «Кредо-Диалог». 2005. — 152с.

9. Учебно-практическое пособие Система CREDO TRANSFORM — Минск: СП «Кредо-Диалог» .

Приложение 1

ЦМР созданная с помощью растровой подложки

Приложение 2

Импортные данные

Приложение 3

Чертеж ЦМР созданная по данным тахеометрической съемке