DIGITÁLNÍ MODEL TERÉNU - 1.ČÁST - 3D grafika - 3Dscena.cz: 3D grafika jako na dlani

10. srpna 1999, 00.00 | S 3D modely terénu se setkáváme při různých příležitostech. Pojďme se podrobně seznámit s tím, jak se profesionální modely terénu vytvářejí.

1) ÚVOD:

Každý z vás se jistě už někdy setkal se zkratkou 3D nebo pojmem prostorový model. Sami si určitě dovedete představit, že vytvořit takový kvalitní 3D model nebude asi zas tak jednoduché. Jedním z typických příkladů, kde lze běžně spatřit počítačový model, může být např. film nebo reklama. Ten může být vytvořen takovým způsobem, že ho obyčejný člověk ani nepostřehne. Jelikož je tento článek zaměřen především na digitální model terénu (DMT), pokusím se zde v hrubých rysech tuto problematiku popsat.

Modelování a zobrazování přírodních objektů na terénu se v technických disciplínách nebere příliš vážně, až snad na vyjímky v oblasti architektury nebo podobně. Nicméně podceňovat tuto kategorii nelze v žádném případě. Rychlý postup, jak vytvořit prostorový 3D model stromů je použít např. jednoduchá primitiva. Válec se použije jako kmen, na něj umístíme kouli a vznikne dojem stromu. Pro jehličnany použijeme jehlan, pro topol válec, atd. Nutno ale poznamenat, že výsledek bude značně technický.

Problematika zpracování digitálního modelu terénu (DMT) se řadí do dvou skupin - a to mezi systémy CAD (objemové modelování, zobrazování) a mezi GIS systémy (rozsáhlostí dat a shodným předmětem modelování). Jedná se však o samostatnou problematiku, kterou je nutné chápat izolovaně.

Pro inženýrské úlohy je důležité vybrat správnou kategorii software (CAD, GIS, DMT), z nichž každý může být orientován na stejný předmět (krajinu, terén), ovšem s různými rozlišovacími schopnostmi. Při podrobném modelování rodinného domu použijeme určitě CAD systém (především jeho objemový modelář).

Pokud chceme vymodelovat urbanistický celek (vesnici), nezajímají nás konstrukční detaily každého domu, zato počet domů vzroste. Použijeme tedy program pro DMT, který schematicky zobrazí stavby, k nim přidá terén a vytvoří tak celou krajinnou scenérii.

Pokud se budeme zajímat o vyšší územní celky, zajímá nás většinou pouze polohopis (výškopis maximálně schematicky - přes nakreslené vrstevnice) a dále vedení inženýrských sítí, silnice, řeky, hranice, pozemky, atd. Použijeme tedy GIS. Vše je otázkou rozlišovací úrovně či stupně generalizace.

Pozoruhodným nástrojem pro modelování objektů za pomoci fraktálové geometrie je program Bryce 3D. Bryce je především program na vytváření přírodních scén a jejich následnou vizualizaci. Vězte však, že veškerá kouzla používaná při modelování samotného terénu můžete využít i při vytváření složitých animací. Program disponuje velice přehlednými ovládacími prvky, které umožňují vytvořit jednoduchou krajinnou scenérii řádově do několika minut.

2) CHARAKTERISTICKÉ PRVKY DMT:

DMT se většinou rozumí prostorový geometrický popis reliéfu terénu. Na tomto reliéfu lze dále modelovat a popisovat nejrůznější informace, jak je tomu např. u topografických map. Tedy umístění přírodních i umělých objektů, hranice správních celků, hranice povodí, apod. Tyto informace jsou však z pohledu klasického pojetí digitálního modelu terénu méně důležité a hlavně svým charakterem velmi komplikují orientaci používaných systémů na čistou prostorovou geometrii reliéfu terénu. Ta má totiž velmi charakteristické prvky, které předurčují většinu současných programových systémů k tomu , aby zpracovávaly pouze geometrii reliéfu. Charkteristické prvky jsou především tyto:

• terénní plocha je velmi nepravidelná. Vykazuje místa, kde je průběh velmi hladký, jinde jsou linie, na kterých je hladkost narušena. Dokonce se lze setkat s terénními stupni, které jsou sice většinou umělé, nicméně k terénu patří. Zvláštní charakter mají také vrcholy, sedla, údolnice a hřbetnice, které mají často podélně často hladký průběh, ovšem v kolmém směru se na nich terénní plocha může ostře lámat. Tyto zjevy se v terminologii DMT nazývají singularity, jejich matematickou charakteristikou je nespojitost funkce či nespojitost její derivace.
• Modelovaná plocha může být velmi rozsáhlá, popisovaná značným počtem dat. Na druhé straně vzhledem k rozsáhlosti většinou dosahuje malých převýšení, rozměry ve směru os x a y jsou větší než ve směru z.
• Valnou většinu terénní plochy lze charakterizovat jako funkci polohopisných souřadnic x,y. Těm lze totiž vždy přiřadit pouze jednu výškovou složku z. Proto se často prostředky pro DMT používají i pro modelování a zobrazování exaktních matematických funkcí dvou proměnných (někdy se uvádí správněji termín funkce tří proměnných, tedy dvou nezávislých a jedné závislé proměnné). Vyjímkou mohou být terénní stupně (zlomy nebo též schody), ve kterých je terénní plocha svislá, někdy až dosahuje charakteru převisu. Tzv. převisy jsou místa, kterými lze vést svislici, protínající povrch ve dvou nebo více bodech. Taková místa se vyskytují velmi zřídka a pro potřeby modelování nemají velký význam. Ovšem v případě jejich zpracování vyvstává velký problém, jakým komerčním produktem převisy řešit, neboť systémů, vhodných pro zpracování rozsáhlých DMT a schopných zohlednit takové detaily, je pomálu.

Pro snadný popis terénu se většinou používá princip rozdělení celé plochy na menší části, které se dají snadněji geometricky popsat. Podle charakteristik těchto plošek se rozlišují následující typy modelů.

POLYEDRICKÝ:

Zde jsou elementárními ploškami trojúhelníky, které k sobě přiléhají a tvoří tak mnohostěn, přimykající se k terénu. Vrcholy mnohostěnu jsou body na terénní ploše , souřadnicově určené příslušnými geodetickými metodami. Interpolace plochy se obvykle provádí lineárně po trojúhelnících. Tento přístup je v současné době u komerčních systémů nejrozšířenější. Vrcholy trojúhelníků je vhodné zvolit tak, aby vystihovaly nejen obecně průběh terénu, ale i jeho singularity.

PLÁTOVÝ:

Tento typ modelu předpokládá, že se povrch rozdělí na nepravidelé, obecně křivé plošky trojúhelníkového nebo čtyřúhelníkového tvaru, přičemž hranice se vedou po singularitách. Zřídka se používají rovněž obecné n-úhelníky. Rozdělení modelu na pláty je velmi výhodné a snadné je rozdělení vést po singularitách a charakteristických bodech terénu.

RASTROVÝ:

Jak název napovídá, model je dán množinou elementárních plošek nad prvky pravidelného rastru. Jsou to vlastně zborcené čtyřúhelníky, které je možno rozdělit na trojúhelníky, případně je možné uvažovat i jiné, složitější plochy. Rastrový model je výhodný v tom, že pracuje s pravidelnou maticí izlových bodů, jenž se dají snadno vypočítat a není nutné o nich udžovat všechna data. Ovšem vypovídající schopnost modelu silně závisí na jeho rozlišovací úrovni, na kolik jsou jednotlivé prvky rastru přimknuty ke skutečnému reliéfu terénu. Velmi špatně se taková hustota volí pro krajinu s velkou nepravidelností, kde jsou vysoké hory i rozsáhlé rovné pláně nebo jezera. Takový reliéf je nutné řešit rozdělením na několik modelů a každý zpracovávat v různém rozlišení. Rastrový model je v principu definován hodnotami [x, y, z] - tedy prostorovými souřadnicemi každého bodu rastru. Při praktickém použití stačí určit vzdálenost bodů rastru a umístit jeden bod do souřadného systému, všechny ostatní prvky se snadno dopočítají. Proto může obsahovat prakticky použitelný rastrový formát pouze:

• souřadnice jednoho rohu rastru
• úhel natočení rastrové sítě
• rozměr jednoho prvku (oka) rastru
• matici výškových hodnot každého bodu rastru

Mezi jeden z nejznámějších a nejpopulárnějších GIS systémů na světě je Arc/Info. Arc/Info, produkt kalifornské firmy ESRI (Environmental Systems Research Institut), je kompletní balík pro zadávání vektorových dat a jejich editaci, pro analýzu a modelování, pro správu databáze s napojením na přední databáze (Oracle,Informix,Sybase,Ingres). Používá se technika nepravidelné trojúhelníkové sítě. Umožňuje výpočet sklonu, orientace terénu ke světovým stranám, výpočet objemu, plochy povrchu a délky svahu, generování vrstevnic a profilů, vymezování říčních sítí, údolnic a hřbetnic. Systém je plně otevřený, má uživatelsky upravitelné grafické rozhraní a makrojazyk AML.

Software je k disposici na UNIXových stanicích; jeho verze nazvaná PC Arc/Info je k disposici pro osobní počítače. K systému dnes existuje řada rozšiřujících modulů pro specifické oblasti:

• FieldWorks
  Protože základem každé tvorby projeku inženýrských staveb je sběr dat z geodetických prací, Intergraph dává k disposici tento program pro zpracování kódových měření z totálních geodetických stanic a automatické generování kresby, vztvoření polohopisu a vyrovnání naměřených dat. Výstupem z programu jsou pak připravená data pro všechny ostatní aplikace.
• COGO (coordinate geometry)
  Umožňuje tvorbu projektů tzv. souřadnicové geometrie. To znamená např. trasování liniových staveb a sítí, dále návrh hran liniových staveb nebo křížení komunikací. Jsou zde nástroje pro vytváření bodů či jejich trasování, pro vytváření průsečíků komunikací a pro vytváření mimoúrovňových kruhových komunikací. Body a trrasování lze spojovat a automaticky vytvářet přechodové prvky.
• Network (síťová analýza, routing)
• TIN (modelování terénu)
• GRID (práce s rastrem)
• ArcScan (nástroje pro scanování)
• ArcStorm (řídící nástroje)
• ArcExpress (rozšíření pro zvýšení výkonnosti)