3D grafika u geografskim informacijskim sustavima

Živimo u 3D svijetu. Tradicionalno crtane karte (ortogonalne projekcije zemlje) umanjuju prostorni opis 3D objekata na 2D. Prema Van Drielu prednost 3D-a je u nacinu na koji vidimo informacije. Pretpostavlja se da je 50 posto neurona covjeka ukljuceno u vid. Vjeruje se da 3D prikazi stimuliraju više neurona, što znaci da se veci dio mozga ukljucuje u rješavanje problema. Sa 2D kartama, um mora najprije sagraditi konceptualni model reljefa, što može biti iznimno težak zadatak za neke složene reljefe. 3D prikaz pak daje simulaciju prostorne stvarnosti, cime promatrac može puno brže i lakše shvatiti karakteristike prostora.

3D GIS vizualizacija predstavlja vizualne i prostorne podatke za projektante i kreira interaktivno okruženje koje je pogodno za razumijevanje široj publici. Predstavlja zajednicki jezik kako za tehnicke, tako i za ne tehnicke sudionike. Daje mogucnost gotovo doživljavanja predloženog objekta prije nego što je izgraden. Primjeri uporabe 3D GIS-a: razvoj susjedstva, studija izljeva voda i poplava, studija urbanog gradenja, itd.

Potreba za 3D informacijama neprestano raste. Današnje ljudske aktivnosti se cesto ticu 3D urabnog planiranja, pracenja okoliša, telekomunikacija, operacija javnog spašavanja, planiranja okoliša, geoloških aktivnosti, pracenja transporta, tržišta nekretnina, itd. Uloga informacija vezanih uz zemlju u svim podrucjima poslovanja postaje sve veca. Prostorno definirane informacije i prostorno definirane usluge postaju dio svakodnevnog poslovanja.

Reprezentacija 2D i 3D prostornih informacija

Postoje tri osnovna Euklidska konteksta prikaza prostornih informacija: 2D definira lokacije prema velicinama na x i y osima. 2.5D definira prostor u 2D prostoru uz atribut z koji daje informaciju o visini. 3D definira lokacije kroz 3D prostor definiran x, y i z osima. Ove lokacije pozicioniraju objekte iz stvarnog svijeta (nepravilni i pravilni objekti). Pravilni su objekti koje je izradio covjek kao npr. zgrade, ili prirodni objekti kao što su šume, površine zemlje, površina mora i sl. Postavlja se pitanje kako prikazati objekte iz stvarnog svijeta u sustavu u kojem je potrebno dati informaciju o stanju, ponašanju i topologiji svakog objekta. U GIS se prostorni objekti prikazuju pomocu tocaka, linija i poligona. Ovi elementarne znacajke su dobre za 2D sustave, no nije uzeto u obzir njihovo korištenje za 3D sustave.

Klase reprezentacije objekata

Inicijalna klasifikacija se može napraviti na reprezentaciju temeljenu na površini i reprezentaciji temeljenoj na volumenu. Reprezentacije temeljene na površini su: mreže (engl. grid), engl. shape model, engl. facet model, engl. boundari representation (b-rep). Reprezentacije temeljena na volumenu su: 3D niz, engl. octree, engl. constructive solid geometry (CSG), engl. 3D TIN (TEN).

Grid

Cesto korištena metoda za reprezentaciju površine u GIS-u, digitalno mapiranje i digitalno modeliranje terena (engl. DTM – digital terrain modelling). To je struktura kojom se definira vrijednost visine na lokacijama. Prednosti ove strukture su: jednostavno generiranje, topološka informacija vezana uz lokaciju je implicitno zadana. Struktura se može promatrati kao niz u racunalnom programiranju, svaki element niza predstavlja jednu xy lokaciju na mreži. Topologija (relativna pozicija) se jednostavno definira, jer su pozicije na mreži zadane relativno. No ovakva struktura nije pogodna za površine sa višestrukim visinama. Unatoc tome što je ova struktura povoljna za modeliranje površine, interpolacija s ostalim objektima zahtjeva previše racunalne snage za interpolaciju.

Model objekta (engl. shape model)

Ova reprezentacija koristi tocke nagiba površine. U ovom modelu svaka tocka ima vrijednost nagiba, umjesto vrijednosti visine (Z). S poznatim nagibima može se definirati vektor normale koji odgovara obliku površine. Ova struktura je povoljna za reprezentiranje površine dna. Podaci se prikupljaju preko digitalne obrade slike.

[Model ploha] (engl. facet model)

Objekt se prikazuje pomocu planarnih površinskih celija koje mogu biti razlicitih oblika i velicina. Najpoznatiji model faceta jesu trokutaste (engl. triangular facets), ponekat se naziva i triangular irregular network (TIN). Struktura trokuta se cesto koristi za DTM, jer je prilagodljiva znacajkama terena, jednostavnosti interpolacije podataka i pogodnosti za vizualizaciju objekata. Vecina tehnika triangulacije se temelji na Delaunayevim trinagulacijama. Moguci nacin generiranja trokuta je da se najprije rasteriziraju tocke površine (pomocu engl. distance transformation - DT). Sa DT se izracunaju udaljenosti svake tocke od susjednih tocaka. Tako se dobivaju Voronoi poligoni iz kojih se može dobiti Delaunyjeva triangulacija.

B-rep

Objekti se reprezentiraju kombinacijom predefiniranih primitiva (vrhova, rubova, ploha i volumena). Da bi se reprezentirao objekt svaki element mora imati identifikacijski kod i vezu s ostalim elementima. Primjerice poligon je kombinacija vrhova povezanih bridovima. Ova reprezentacija se koristi za CAD/CAM, zbog velikih zahtjeva za racunalnom snagom korisna je samo za pravilne objekte u GIS-u.

3D niz

Najjednostavnija struktura u 3D domeni, jednostavna za shvatiti i implementirati, medutim neefikasna u nekim slucajevima. Kod 3d nizova velicina svakog elementa polja je jednaka, ovakva struktura zahtjeva ogromnu kolicinu racunalne snage pa se rijetko koristi u praksi.

Octree

Rijec je o hijerarhijskoj strukturi koja definira zauzetost kubicnih površina prostora. Ovi kubicni dijelovi se zovu engl. voxels. Reprezentacija se koristi kod obrade slike i racunalne grafike. Ova struktura podataka opisuje kako su objekti u sceni distribuirani u trodimenzionalnom prostoru. To je trodimenzionalno generiranje engl. quadtree. Stablom se svijet dijeli na kocke koje su unutar ili izvan objekta. Pocetna korijenska kocka predstavlja svijet. Ona se dijeli na osam novih kocki (oktava). Ako je oktava djelomicno sadrži objekt, to je siva kocka i ona se dijeli na osam novih oktava. Ovaj postupak se rekurzivno ponavlja, sve dok sve oktave nisu dobivene oktave koje u potpunosti sadrže objekt (crne kocke) ili su u potpunosti prazne (bijele kocke). Minimalna velicina oktave je velicina odstupanja, kojom se definira dozvoljen broj dijeljenja oktava. Prednosti ove strukture su jednostavnost booleovih operacija i algoritama za vizualizaciju, dok je glavni nedostatak potrebna kolicina memorijskog prostora.

CSG

Konstruktivna „solid“ geometrija opisuje objekt kombinacijom predefiniranih geometrijskih primitiva. Primjeri primitiva su: kugla, kocka, cilindar, stožac, itd. i kombiniraju se pomocu Boolovof skupa operatora i linearnih transformacija. CSG se cesto koristi kod CAD/CAM-a, inženjerstva i arhitekturalnog dizajna.Korištene transformacije su: translacija, rotacija i skaliranje, a Booleovi operatori: unija, presjek i razlika. Za GIS se CSG koristi uglavnom samo za pravilne objekte.

3D TIN

3D TIN je proširenje 2D TIN-a, ponekad se naziva i TEN (engl. Tetrahedral Network). TEN je sagraden od tetraedra od cetiri vrha, šest bridova i cetiri plohe. Ova struktura se smatra vrlo korisnom za znanosti vezane uz Zemlju. Može se generirati istom tehnikom kao i 2D TIN. Ako sagradimo 2D TIN iz 2D Voronoi obrade, ona se može proširiti na 3D. 3D TIN se može dobiti iz 3D Voronoi poliedara. TEN struktura ima mnoge prednosti u odnosu na druge strukture. Rijec je o najjednostavnijoj strukturi koja se može svesti na tocku, liniju, površinu i volumen, podržava brzu topološku obradu i pogodna je za brzu vizualizaciju.

3D GIS na tržištu

Postoji nekoliko sustava na tržištu koji se mogu kategorizirati kao sustavi za 3D reprezentaciju i analizu prostornih podataka. Odabrana su cetiri sustava drže velik dio tržišta. To su ArcView 3D Analyst proizvodaca ESRI, Imagine VirtualGIS od Erdasa, GeoMedia Terrain proizvodaca Intergraph Inc, te PAMAP GIS Topograph od kompanije PCIGeomatic.

ArcView 3D Analyst

ArcView 3D Analyst, ESRI: je modul dostupan za ArcView GIS. ArcView je cjelovit sustav koji integrira prostorne podatke. Sa 3DA (engl. 3D Analyst) mogu se koristiti 2.5D podaci za generiranje površine, izracun volumena i sl. Dio 3DA-a je i ArcScene aplikacija koja služi 3D vizualizaciji, definiranje pregleda scene (engl. flyby), mapiranje tekstura, animacije i analizu površine. Iako postoji napredak u 3D vizualizaciji i animacijama, nedostaje potpuno 3D prikazivanje, topologija i analiza.

Imagine VirtualGIS

Prvotna namjena ovog sustava bilo je remote sensing i obrada slika, a kasnije je razvijen modul za GIS. Modul se zove VirtualGIS i nudi neke mogucnosti 3D analize. Omogucena je vizualizacija i pregledavanje scene, no prave mogucnosti GIS alata, kao i u slucaja ArcView-a nedostaju.

GeoMedia Terrain

GeoMedia Terrain je jedan od podsustava koji radi pod GeoMediaGIS-om. Nude se tri osnovne mogucnosti, to su: generiranje terena, pregledavanje scene i analiza terena. Prava uporaba je kao DTM modula bez pravih GIS funkcionalnosti. Noviproizvod od Intergrapha – SmartPlant 3D, za planiranje tvornice.

PAMP GIS Topograph

Modul Topographer ima mogucnosti rada s 2.5D podacima. Osnovne 3D funkcionalnosti realizirane su kao za svaki DTM paket, to su generiranje površine terena, analiza površine terena (izracun volumena, površine) te 3D vizualizacija.

Literatura

1. Alias Abdul-Rahman and Morakot Pilouk, “Spatial Data Modelling for 3D GIS”, Springer-Verlag Berlin-Heidelber, 2008
2. Gary smith, Joshua Friedman “3D GIS: A Technology Whose Time Has COme”
3. James Swanson “The Three Dimensional Visualization & Analysis of Geographic Dana”
4. Mahbur Meenar, “Visioning communities: The 3D GIS Approach”
5. Sikya Zlatanova, Alias Abdul Rahman, Markot Pilouk, “3D GIS: Current Status and Perspectives”
6. Spyros Tsipidis, Alexandra Koussoulakon, Kostas Kotsakis, “3D GIS Visualization of Archeological Excavation Data”