Методы построения и визуализации виртуальных глобусов 1.1. Прошлое и настоящее виртуальных глобусов 1.1.1. Географическая визуализация до виртуальных глобусов
Одно из самых важных применений виртуальных глобусов — это географическая визуализация. В статье [13] приводится определение географической визуализации: это применение графического представления данных для облегчения пространственного понимания вещей, понятий, условий, процессов и событий в человеческом мире.
Считается, что одним из первых случаев применения географической визуализации является «холерная карта» Джона Сноу (рис. 1 .1). В 1854 Сноу обозначил на карте Лондона случаи заражения холерой и отметил все водяные насосы для подачи питьевой воды. Большинство случаев заражения концентрировались вокруг одного насоса. Сноу использовал карту для подтверждения свой теории, что источником заражения является этот насос [14].
В результате роста научного знания к середине 20го века появилось множество теорий, описывающих геопространственные процессы (геологические, климатические, экономические и антропологические теории), результаты которых необходимо было отображать на географических картах.
В начале 1960-х годов развитие компьютеров привело к появлению первых геоинформационных систем (ГИС) [15].
ГИС — это система для сбора, хранения, анализа и визуализации геопространственных данных и связанных с ними атрибутов. ГИС развивают идею Джона Сноу по наложению на географические карты дополнительных слоев данных с целью их учета и анализа. Первые ГИС развивались с государственной поддержкой (ГИС Канады) и использовались для городского планирования, переписи населения [16].
|
Рис. 1.1. Холерная карта Джона Сноу
|
|
В начале 1980-х годов начали появляться коммерческие ГИС. Одна из самых известных компаний-разработчиков ГИС ESRI выпустила свой продукт ARC/INFO в 1982 г. ГИС стали доступны широкому кругу пользователей и превратились в мощный инструмент для работы с картографическими данными и тематическими геоданными [17].
Постепенно стал доступен сетевой доступ к данным, а с развитием высокоскоростного интернета стал распространяться способ работы с ГИС через тонкие клиенты (браузеры). В настоящее время карты уже не являются статическими, а генерируются в процессе работы на основе информации из базы данных по запросу пользователя. Возможно динамические объединение информации из разных источников, разных сайтов, встраивание картографических сервисов на любой сайт.
Параллельно с развитием классических 2D ГИС в 1990-х годах возникает концепция 3D ГИС [18]. 3D ГИС позволяет изучать трехмерный рельеф с любых точек зрения, городские сооружения и инфраструктуру, визуализировать проектируемые здания, планировать развитие территорий, производить оценку высотных характеристик, области видимости, проводить визуальный анализ.
Однако внедрение 3D ГИС идет медленно. В работе [19] перечисляются основные причины этого:
организация 3D-данных. Существуют разные методы представления 3D-моделей. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Не ясно, в каком виде хранить модели в базах данных предпочтительнее и как конвертировать между разными представлениями;
реконструкция 3D-объектов. 3D ГИС должны иметь возможность просмотра моделей реальных объектов. Для этого необходимо выполнить их 3D-реконструкцию. Быстрые методы реконструкции выдают грубые и не точные модели. Более детальные модели выполняются вручную или полуавтоматически и требуют много времени. Реконструкция большого числа объектов (3D-городов) — крайне затратная операция;
3D-визуализация. Для реалистичной визуализации 3D-объектов необходимо решить ряд задач: разработать алгоритмы освещения, затенения, анимации объектов, поддержать уровни детализации, туман, навигацию по трехмерной сцене, взаимодействие с 3D-объектами. При этом технологии постоянно развиваются и усложняются, растут требования к реалистичности.
В нескольких регионах России в 2010-2012 гг. начались пилотные проекты по внедрению 3D ГИС [20-22]. Виртуальные глобусы — это дальнейшее логическое развитие идеи 3D ГИС.
1.1.2. Первые виртуальные глобусы
В работе с 2D- и 3D-представлением геоданных существует большая разница. Для 2D-данных (как растровых, так и векторных) давно разработаны алгоритмы визуализации, анализа, хранения, используются стандартные форматы и множество программных продуктов для разных задач.
|
Рис. 1.2. Виртуальный глобус в игре X-COM: UFO Defense (1994 г.)
|
|
Но для визуализации виртуального глобуса необходимы трехмерная графика и большие объемы данных, а главным требованием является интерактивная частота кадров (не менее 30 кадров в секунду). При этом не существует общепринятых стандартов к работе с данными на виртуальном глобусе, к навигации в пространстве виртуального глобуса. Всё это замедляет внедрение виртуальных глобусов для решения практических задач.
В 80-е годы и начале 90-х годов основным ограничителем являлась мощность видеокарт. Глобусы использовались для показа простейших векторных данных, таких как границы континентов и государств, орбиты космических аппаратов (рис. 1 .2).
В 90-е годы мощность персональных компьютеров позволила использовать более детализированные текстуры земной поверхности. В конце 90-х годов появились такие продукты как Encarta Virtual Globe компании Microsoft (1998 г.) и 3D World Atlas компании Cosmi Corporation (1999 г.) (рис. 1 .3). Это были мультимедийные приложения, где глобус сочетался с разнообразной энциклопедической информации о странах мира. Разрешение текстур было невысоким, поэтому они помещались на обычные CD-диски [23, 24].
|
Рис. 1.3. 3D World Atlas (1999 г.)
|
|
Параллельно с этим в 90-е годы была заложена идеологическая основа виртуальных глобусов. Так в 1992 году вышел роман Нила Стивенсона «Лавина» в жанре киберпанк, в котором было описано приложение «Земля» для доступа к разнообразным данным. Впоследствии роман оказал влияние на создателей виртуального глобуса Google Earth [25].
31 января 1998 г. вице-президент США Альберт Гор произнес речь «Цифровая Земля: понимание нашей планеты в XXI веке», в которой он предложил создать «Цифровую Землю» — приложение, которое должно включать все увеличивающее количество геоданных, быть подсоединено к базам данных и знаний всего мира и обеспечить лучшее описание и понимание окружающего мира и человеческой деятельности [26].
В конце 90-х — начале 2000-х гг. произошел перелом в развитии виртуальных глобусов. Это связано со следующими факторами.
Частные компании, такие как GeoEye и Digital Globe, начали запускать спутники дистанционного зондирования для получения снимков высокого разрешения (до 0,5 метра) [27, 28]. NASA запустило миссию SRTM по созданию общедоступной цифровой модели рельефа для всей Земли [29].
Полученные со спутников данные имеют огромные размеры. Можно грубо сделать следующую оценку: для хранения текстуры всей Земли с разрешением 0.5м/пк нужно 11 петабайт. Даже если выкинуть все моря, океаны, пустыни и полюса, всё равно остаётся внушительное число. На CD-диск эти текстуры уже не поместятся.
В это же самое время появился высокоскоростной доступ к интернету. Возникла идея размещать геоданные на серверах в интернете, а на компьютеры пользователей устанавливать клиентское программное обеспечение (ПО), которое должно скачивать изображения только той части поверхности Земли, которая нужна пользователю.
Также в это время рост рынка компьютерных игр привел к жесткой конкуренции между производителями видеокарт. Слабые игроки были либо вытеснены с рынка, либо куплены более сильными игроками. В начале 2000-х годов остались две основные компании: NVIDIA и ATI (позже перешла под контроль AMD). Конкуренция привела к быстрому развитию видеокарт и переносу графических вычислений на графический процессор [30]. Это развитие позволило интерактивно визуализировать на экране компьютера модель глобуса с текстурами и рельефом высокого разрешения и различными эффектами.
Таким образом, указанные 3 фактора (появление данных ДЗЗ высокого разрешения, развитие интернета и видеокарт) стали толчком для появления виртуальных глобусов нового поколения и роста интереса к глобусам в мире.
Компания Keyhole одной из первых начала развивать свой продукт в 2001 году на базе этой идеи. Впоследствии она была куплена компанией Google. Переименованный в Google Earth продукт вышел в 2005 году для свободного использования [31]. Параллельно NASA выпустила свой продукт World Wind в 2004 году и Microsoft выпустила Virtual Earth (ныне Bing Maps 3D) в 2006 году.
Google Earth стал по-настоящему массовым продуктом и популяризовал идею виртуальных глобусов [32]. Разработчики ГИС также стали внедрять у себя возможность просмотра геопространственных данных на глобусе (ArcGIS, gvSIG). Учёные начали публиковать свои данные в открытом формате KML для просмотра результатов на глобусе.
Далее рассмотрим более подробно глобусы Google Earth и NASA World Wind.
1.1.3. Google Earth
Google Earth — виртуальный глобус компании Google, который был куплен у компании Keyhole (рис. 1 .4). GE — бесплатен для некоммерческого использования, но имеет закрытый исходный код. Также имеются платная версия с расширенным функционалом. GE поддерживает операционные системы Windows, Linux, Mac OS X, iOS и Android [33].
В GE используются коммерческие спутниковые и аэрофотоснимки высокого разрешения до 0.15м/пк. Также возможен просмотр исторических снимков.
|
Рис. 1.4. Виртуальный глобус Google Earth
|
|
GE позволяет просматривать также карту звездного неба и снимки Луны и Марса. Имеется встроенный авиасимулятор. GE позволяет просмотр пользовательских геоданных в формате KML: векторные данные, растровые данные и 3D-модели. Также GE позволяет добавление и редактирование собственных данных и сохранение их в формате KML. Имеется множество встроенных слоев данных: 3D-здания, границы государств, названия географических объектов, дороги, фотографии разных мест.
1.1.4. NASA World Wind
NASA World Wind — это виртуальный глобус, разрабатываемый NASA и сообществом открытого программного обеспечения (рис. 1 .5). Он позволяет просматривать спутниковые снимки Земли, Луны, Марса, Юпитера, некоторых его спутников и карту звёздного неба [34].
|
Рис. 1.5. Виртуальный глобус NASA World Wind 1.4.0 (14.02.2007)
|
|
Основные отличия от Google Earth: полностью бесплатен, в том числе для коммерческого использования; имеет открытый исходный код, который можно использовать для создания своих приложений на базе WW; использует бесплатные снимки Земли: на мелких масштабах — Blue Marble NG, на крупных масштабах — Landsat 7, но при этом позволяет брать данные и из других источников.
Первая версия WW вышла в 2004 году, была написана на C# и работала только под Windows. Разработка этой версии прекращена в 2007 году, и поэтому имеются проблемы совместимости с Windows Vista/Windows 7. Некоторый функционал недоступен, в частности модуль Scientific Visualization Studio, который позволяет просматривать анимацию многих природных явлений (пожаров, ураганов).
1.1.5. Неогеография
Рывок технического прогресса в области виртуальных глобусов и появление Google Earth привели к широкому распространению термина «неогеография». Хотя этот термин и использовался раньше, в современном смысле он был рассмотрен в 2006 году в книге Эндрю Тернера «Введение в неогеографию» [35].
Термин «неогеография» означает совокупность новых методов и средств для работы с геоданными [36]. Можно выделить три основных отличия от традиционного подхода:
использование географических систем координат (долгота, широта и высота), а не картографических;
использование растрового представления информации как основного;
использование открытых форматов данных.
В традиционных ГИС используются картографические проекции, а данные хранятся в основном в векторной форме. Это было необходимо, т.к. во времена первых ГИС компьютеры были менее производительны, чем сейчас, а векторные данные занимают меньше места и требуют меньше вычислительных ресурсов.
Однако картографические проекции приводят к геометрическим искажениям: искажениями длин, площадей и углов. А векторные данные не полно и не точно отражают окружающую действительность.
Современные компьютеры могут легко работать, как с векторными, так и с растровыми данными ДДЗ, наложенными на виртуальный глобус. Также есть возможность отображения любых 3D-моделей на глобусе. Это позволяет отказаться от условных обозначений и заменить их приближенными к реальности 3D-моделями.
Неогеография предполагает обмен геопространственными данными между различными приложениями и для этого использование открытых стандартизованных форматов данных. Одним из таких форматов является KML (Keyhole Markup Language), который был изначально разработан для Google Earth и впоследствии был стандартизован. Сейчас этот формат поддерживают большинство ГИС и виртуальных глобусов.
Однако в среде профессиональных географов термин был встречен неоднозначно. Доктор географических наук А.М. Берлянт подверг критике термин «неогеография» в нескольких свои работах [37]. Основные положения: этот термин используется для влияния на «администраторов, распоряжающихся денежными суммами», неогеография подразумевает отказ от условного, знакового обозначения объектов [38].
1.1.6. Современные тенденции в развитии виртуальных глобусов
Google Earth хорошо подходит для просмотра спутниковых снимков и готовых геопространственных данных. Но полноценная работа и анализ данных невозможны. GE нельзя расширять, усовершенствовать, добавлять свои типы данных и интегрировать с другими приложениями. У GE закрытые исходники и нет программного интерфейса (API), кроме браузерной версии.
Сейчас мы находимся на этапе, когда происходит применение виртуальных глобусов для реальных практических задач, проводятся исследования, разрабатываются новые виртуальные глобусы и идеи их применения. Можно привести несколько работ в этой области.
В Институте геодезии и геоинформатики Университета прикладных наук Северо-Западной Швейцарии с середины 2000-х годов разрабатывается виртуальный глобус i3D для научно-исследовательских целей [39].
В работе Schafhitzel T., Falk M., Ertl T. 2007 года [40] описывается реалистичный рендеринг планет с атмосферой в реальном времени.
В работе Schoning J., Hecht B., Raubal M. 2008 года [41] предлагается улучшение взаимодействия с виртуальным глобусом с помощью сенсорного экрана с множественным касанием (multitouch). Там же указывается на важность ответов на вопрос «Почему здесь это находится?», а не только «Что здесь находится?» при работе с виртуальным глобусом.
В работе Christen M. 2008 года [42] рассматривается идея применения трассировки лучей для рендеринга виртуальных глобусов, а также приводится набор необходимых улучшений для повышения реализма: процедурная генерация текстур на основе спутниковых данных, реалистичные облака, вода и растительность.
В 2009 году был разработан виртуальный глобус Crusta [43] специально для задач геологии. Упор был сделан на точную и интерактивную визуализацию высокодетализированных данных (меньше 1м/пиксель). Глобус использует многогранник из 30 граней, что позволяет уменьшить искажения и устанить сингулярность на полюсах. Далее каждая грань рекурсивно делится на четырехугольники.
В 2010 группа немецких исследователей в рамках проекта EuroSDR (European Spatial Data Research) провела опрос участников геоиндустрии об использовании виртуальных глобусов и затем опубликовала отчет [44]. Основные выводы: виртуальные глобусы оказывают положительное влияние на индустрию и это направление будет развиваться и дальше. Основные проблемы: отсутствие стандартизации этой области и необходимость в больших вычислительных мощностях и новых геоинструментах.
Технология лидарной съемки позволяет восстанавливать трехмерный рельеф по облаку точек. В статье Christen M., Nebiker S. 2011 года описывается модификация алгоритма триангуляции Делоне для быстрого построения трехмерного рельефа виртуального глобуса с уровнями детализации [45].
В статье Nebiker S., Bleisch S., Christen M. авторы предлагают новый подход к построению 3D-моделей городов, основанный на использовании облаков точек лазерного сканирования на виртуальном глобусе [46].
В 2011 была Bleisch S. защищена диссертация по оценке пригодности визуального комбинирования количественных данных при визуализации на виртуальном глобусе [47].
В 2011 году вышла монография «3D Engine Design for Virtual Globes» [48], полностью посвященной вопросам разработки приложений с использованием виртуальных глобусов. В книге рассматриваются основные вопросы и задачи, которые возникают при разработке глобусов: системы координат, математика эллипсоида, проблема точности и дрожания (jittering), рендеринг векторных данных на глобусе, рендеринг рельефа.
Усилия разработчиков тратятся сейчас на поддержку визуализации различных типов векторных данных на глобусе, 3D-моделей, поддержку очень больших массивов данных: задачи динамической подгрузки и выгрузки.
Другое направление развития — увеличение реализма визуализации. Сейчас уже поддержаны визуализация атмосферы для любых высот над Землей, визуализации 3D-моделей зданий больших городов. Интересно отметить проект Outerra, разработчики которого добавляют фрактальную детализацию к данным ДЗЗ, генерируют процедурные дороги, леса и различные природные эффекты (рис. 1 .6). Детали реализации разработчики раскрывают в блоге проекта [49]. Существуют такие задачи, как реалистичная вода, динамические тени, смена времен года.
|
Рис. 1.6. Виртуальный глобус Outerra
|
|
Визуализация данных на виртуальном глобусе также входит и в повседневную жизнь. Многие имеют телефоны со встроенными GPS или ГЛОНАСС датчиками. Это позволяет отображать на глобусе маршруты своих передвижений, добавлять географическую привязку к фотографиям и сообщениям в переписке с другими людьми.
Возникают проекты, в том числе с открытым исходным кодом, которые позволяют формировать виртуальный глобус на основе современных спутниковых снимков и цифровых моделей рельефа. Один из примеров — NASA World Wind Java SDK, выпущенный в 2007 году. Другой — библиотека osgEarth, разработка которой началась в 2008 году на языке С++.
Эти проекты позволяют внедрять возможности виртуального глобуса в другие приложения. Они берут на себя генерацию глобуса из данных ДЗЗ, позволяя пользователям подключать любые типы и источники данных, разрабатывать приложения для анализа данных на основе глобуса. Подробнее они рассмотрены в следующем параграфе.
|
