Программа гис панорама2005
 Скачать 74.5 Kb.
|
|
Лабораторная работа N4. Работа с матрицей высот 1. Цель работы: получить основные навыки построения и использования матрицы высот. 2.Теоретическая часть 2.1. Введение Программа «ГИС Панорама2005» использует матричные данные о местности, представленные в формате MTW (матрицы высот), в формате MTQ (матрицы качеств) и в формате TIN (нерегулярные модели высот). Матрица высот содержит информацию о рельефе местности в растровой форме со значениями высоты в ячейках. В матрице качеств заполняются соответствующими весовыми коэффициентами ячейки, координаты которых относятся к заданному виду объектов карты. Матрицы высот (MTW) могут быть поcтроены по данным векторной карты. Они могут содержать абсолютные высоты рельефа местности или сумму абсолютных и относительных высот объектов. TIN-модель представляет собой многогранную поверхность - нерегулярную сеть треугольников, вершинами которых являются исходные опорные точки. Матрицы качеств (MTQ) могут быть получены путем поиска заданных видов объектов карты, имеющих требуемые характеристики. В матрице заполняются соответствующими весовыми коэффициентами те ячейки, координаты которых относятся к объекту. Матрицы качеств и матрицы высот имеют единую структуру. 2.2. Обработка матрицы высот 2.2.1. Общие сведения Матрица высот – трёхмерная растровая модель местности. Матрица высот имеет регулярную структуру и содержит элементы, значениями которых являются высоты рельефа местности. Каждый элемент матрицы содержит одно значение высоты. Структура матрицы высот аналогична структуре цифровой модели рельефа DEM (Digital Elevation Model). Элемент матрицы соответствует квадратному участку местности, размер стороны которого называется точностью матрицы. Матрица высот может содержать абсолютный рельеф местности или суммарный рельеф - сумму абсолютного рельефа и относительных высот объектов. Основными параметрами матрицы высот являются:
Масштаб матрицы предназначен для согласованного совместного отображения матрицы и векторной карты. Размер матрицы – ширина и высота матрицы в метрах. Плановая привязка матрицы - координаты левого-нижнего (юго-западного) угла матрицы в метрах в прямоугольной системе. Точность матрицы - размер в метрах стороны квадратного участка местности, соответствующего элементу матрицы. Тип результирующего рельефа определяет, что содержит матрица - абсолютный рельеф местности или сумму абсолютного рельефа и относительных высот объектов. 2.2.2. Построение матрицы высот по векторной картеПри построении матрицы по векторной карте используется информация объектов главной карты и всех добавленных к ней пользовательских карт. Матрица высот может быть построена на район, на заданный в районе участок местности или на заданные листы района. В качестве результирующего рельефа матрица высот может содержать абсолютный или суммарный рельеф. В случае абсолютного рельефа матрица строится с использованием объектов карты, имеющих характеристику “абсолютная высота”, объектов, метрика которых содержит высоты, а также объектов гидрографии, указанных в разделах “Водные поверхности” и “Линии водотока” служебного текстового файла. В случае суммарного рельефа - к абсолютному рельефу добавляются высоты объектов, имеющих характеристику “относительная высота” или характеристику, указанную в разделе “Дополнительные характеристики” служебного текстового файла. При занесении в матрицу абсолютных высот объектов может происходить наложение высот, то есть попадание в один и тот же элемент двух или более объектов с абсолютной высотой. Матрица может быть построена с занесением в элементы максимальной, минимальной или средней высоты. Под средней высотой понимается среднее арифметическое имеющегося значения данного элемента и абсолютной высоты объекта, попавшего в данный элемент. При обработке точечных объектов их абсолютные высоты заносятся в элемент независимо от содержимого элемента, так как информация о высотах объектов планово-высотной основы является наиболее приоритетной. При наложении относительных высот в элемент матрицы заносится максимальное значение относительной высоты. 2.2.3. Алгоритм построения матрицы высотПостроение матрицы высот выполняется в два этапа:
2.2.4. Формирование матрицы абсолютного рельефаВсе элементы матрицы абсолютного рельефа можно условно разделить на две группы. К первой группе относятся элементы, значения которых определяются на начальном этапе построения по информации объектов карты. Ко второй группе относятся элементы, значения которых определяются методом средневзвешенной интерполяции с использованием ближайших элементов первой группы. Для заполнения элементов матрицы абсолютными высотами используются следующие объекты карты:
При наличии у объекта 3D-метрики и характеристики “абсолютная высота” используются высоты 3D-метрики. Для заполнения элементов матрицы абсолютными высотами используются объекты карты с характером локализации: линейный, площадной, точечный, векторный. При обработке линейного объекта заполняются элементы, которые пересекаются ломаной линией, соединяющей точки метрики объекта. При обработке площадного объекта заполняются элементы, которые накрываются многоугольником, соответствующим данному площадному объекту. При обработке точечного объекта заполняется элемент, в который попадает данный точечный объект. При обработке векторого объекта заполняется элемент, в который попадает центральная точка отрезка, соединяющего первую и вторую точки метрики данного векторого объекта. При обработке линейного объекта с характеристикой “абсолютная высота” элементы матрицы заполняются одним значением, равным абсолютной высоте объекта. Если внутри области, ограниченной замкнутой горизонталью, отсутствуют объекты с абсолютной высотой, то выполняется формирование экстремумов - в данной области строится поверхность, соответствующая локальному экстремуму рельефа (ямка, горка). При построении поверхности используется высота сечения рельефа. Если высота сечения рельефа не задана в паспорте карты, то используется умалчиваемое значение, зависящее от масштаба карты. Если локальный экстремум представлен точечным объектом планово-высотной основы (отметкой высоты, пунктом ГГС и т.п.), то поверхность строится с учётом этого точечного объекта. При обработке линейного объекта, имеющего 3D-метрику, элементы заполняются разными значениями, соответствующими высотам точек 3D-метрики. Если площадной объект имеет 3D-метрику и задан режим Строить поверхность внутри площадных объектов с трехмерной метрикой, то высоты элементов, расположенных внутри данного площадного объекта, вычисляются по его 3D-метрике. Для водных поверхностей - площадных объектов гидрографии с постоянной высотой, не имеющих характеристики “абсолютная высота” (озёра, водохранилища и т.п.), элементы заполняются одним значением, которое вычисляется на основании высот ближайших окружающих объектов карты. Для линий водотока с переменной высотой - линейных объектов гидрографии (реки, ручьи и т.п.) и линейных микроформ рельефа (овраги, промоины и т.п.) элементы заполняются разными значениями, соответствующими высотам объектов карты, с которыми пересекается данный объект. Считается, что линейный объект гидрографии пересекается с точечным объектом гидрографии “урез”, если прямоугольные координаты на плоскости в метрах одной из точек метрики линейного объекта совпадают с соответствующими координатами объекта “урез” до 0.01 метра на местности. Если данный объект гидрографии не пересекает объектов с высотными характеристиками, то он не обрабатывается. Площадные объекты гидрографии, не имеющие характеристики “абсолютная высота”, а также линии водотока с переменной высотой могут быть включены в обработку только при использовании служебного текстового файла, в котором перечисляются коды этих объектов. Режим Строить сетку высотных точек позволяет улучшить вид создаваемой поверхности в местах, где между горизонталями имеются группы точечных объектов с абсолютной высотой. Режим может быть задан, если метод построения поверхности - средневзвешенная интерполяция. Если режим задан, то при построении матрицы выполняются следующие дополнительные действия:
При заполнении элементов матрицы абсолютными высотами объекты карты обрабатываются в следующем порядке:
Таким образом, на начальном этапе построения элементы матрицы заполняются с использованием объектов векторной карты, при этом в результате обработки объекта один или несколько элементов матрицы получают значение абсолютной высоты. После завершения обработки объектов векторной карты матрица содержит как элементы, имеющие значение абсолютной высоты, так и незаполненные элементы. Далее значения незаполненных элементов матрицы вычисляются методом интерполяции с использованием значений ближайших заполненных элементов. Если при построении матрицы задан метод построения поверхности Средневзвешенная интерполяция (поиск по 8 направлениям), то поиск ближайших заполненных элементов выполняется по следующим восьми направлениям:
Если задан метод построения поверхности Средневзвешенная интерполяция (поиск по 16 направлениям), то поиск ближайших заполненных элементов выполняется по шестнадцати направлениям, включающим восемь направлений предыдущего метода, а также восемь направлений, промежуточных по отношению к направлениям предыдущего метода. Если задан метод построения поверхности Средневзвешенная интерполяция (сглаживание поверхности), то выполняется поиск ближайших заполненных элементов по шестнадцати направлениям, а также дополнительные операции для повышения качества формируемой поверхности. Если задан метод построения поверхности Линейная интерполяция по сетке высотных точек, то для построения поверхности используются только точечные объекты карты, имеющие характеристику “абсолютная высота” или значение высоты в метрике. Сначала строится сеть треугольников, вершинами которых являются точечные объекты с абсолютной высотой, а затем по этой сети треугольников вычисляются высоты элементов матрицы. Количество высотных точек должно быть не менее трех. 2.2.5. Формирование матрицы суммарного рельефаФормирование матрицы суммарного рельефа выполняется с использованием объектов карты, имеющих характеристику “относительная высота” или имеющих характеристику, указанную в разделе “Дополнительные характеристики” служебного текстового файла. Дополнительные характеристики объекта карты будут использоваться, если объект отсутствует в списке раздела “Относительные высоты” служебного текстового файла. Если объект карты имеет несколько семантических характеристик, указанных в разделе “Дополнительные характеристики”, то будет использоваться характеристика, ближайшая к началу раздела. При обработке объекта карты значение характеристики с учётом знака прибавляется к значениям элементов матрицы, содержащих абсолютный рельеф. В случае наложения объектов в элемент заносится максимальная суммарная высота. Если в диалоге создания задан тип матрицы Относительные высоты, то методом построения поверхности является Плоская поверхность с нулевой высотой. 2.2.6. Отображение матрицы высотПлоское отображениеПлоское отображение выполняется автоматически после выполнения построения матрицы высот по векторной карте. При необходимости можно добавить существующую матрицу в окно документа с помощью элемента главной панели Список данных электронной карты, в котором нужно выбрать закладку Матрица, указать элемент Матрица высот и нажать кнопку Добавить. Если отображаемый в окне документа участок местности обеспечен несколькими перекрывающимися матрицами, то отображается матрица, которая была открыта последней. Для отображения матрицы высот используется палитра, по умолчанию состоящая из 32 цветов. Максимальное число цветов – 256, минимальное число цветов – 2. Палитра может быть цветной или полутоновой. Набор цветов цветной палитры соответствует традиционному изображению рельефа местности в картографии: низменности изображаются тёмно-зелёным цветом, горы - коричневым. Цвета полутоновой палитры представляют собой градации серого цвета. Матрица высот отображается поэлементно. Пусть число цветов палитры матрицы равно N. Тогда значениям высот матрицы ставятся в соответствие N диапазонов высот, каждый из которых соответствует цвету палитры. Значение высоты отображаемого элемента входит в тот или иной диапазон, по номеру которого выбирается цвет палитры. При совместном отображении нескольких матриц те же N диапазонов соответствуют значениям высот всех отображаемых матриц, поэтому при добавлении матрицы в окно документа, а также при закрытии матрицы изображение может измениться. Цветная палитра отображения матрицы высот может быть изменена с помощью элемента главной панели Настройка цветов, в котором нужно выбрать закладку Матрица. Палитра отображения матрицы высот может быть также изменена с помощью пункта Легенда карты меню Задачи, в котором нужно выбрать закладку Матрица. В окне, отображающем диапазоны высот и соответствующие им цвета, нужно выбрать диапазон нажатием левой клавиши мыши. Затем после нажатия правой клавиши мыши выбрать пункт Изменить цвет диапазона матрицы высот всплывающего меню. Объёмное отображениеОбъёмное отображение матрицы высот используется для получения представления о форме рельефа местности. Объёмное отображение является результатом математического преобразования 3D-модели местности к двумерным координатам экрана. Для вызова объёмного отображения матрицы высот необходимо в панели Расчеты по карте раскрыть вложенную панель Работа с матрицей высот и нажать кнопку Трёхмерная матрица высот. Если отображаемый в окне документа участок местности обеспечен несколькими перекрывающимися матрицами, то значения высот выбираются из матрицы, которая была открыта первой. При формировании объёмного изображения значения высот усредняются методом треугольников. Для совместного объёмного отображения матрицы высот и векторной карты нужно в группе Отображаемые данные диалога объёмного отображения включить режим Векторные карты. При объёмном отображении матрицы высот используется та же палитра, что и при плоском отображении. Объёмное отображение матрицы высот используется также при формировании трёхмерной карты местности. Для вызова программы формирования трёхмерной карты необходимо в меню Задачи выбрать пункт Запуск приложений, далее в списке приложений открыть тему Тематические карты и диаграммы и выбрать приложение Формирование трехмерной карты местности. 2. Работа с матрицей высот2.1. Определение абсолютной высоты и уклона поверхности в заданной точкеЕсли точка местности, определяемая положением курсора мыши, обеспечена матричными данными, то значение высоты выводится в строку состояния совместно с плановыми координатами точки. Если точка местности, определяемая положением курсора мыши, обеспечена несколькими матрицами, то значение высоты выбирается из матрицы, которая была открыта первой. Для выбора значения высоты в заданной точке из наиболее точной матрицы необходимо в панели Расчеты по карте раскрыть вложенную панель Работа с матрицей высот и нажать кнопку Абсолютная высота. При этом в строку состояния выводится максимальный уклон в точке поверхности, а также направление (азимут) максимального уклона. 2.2. Построение профиля поверхностиПрофилем называется изображение разреза местности вертикальной плоскостью. Построение профиля может быть выполнено:
2.3. Построение зоны видимостиЧасто при решении задач с использованием карты, возникает необходимость определения взаимной видимости точек местности. При определении взаимной видимости точки наблюдения и точек рассматриваемого участка местности формируется так называемая зона видимости. Зона видимости представляет собой растровое изображение сектора обзора с вершиной в точке наблюдения. Невидимые области внутри сектора обзора изображаются цветом, задаваемым в диалоге построения. Рассматриваемый участок местности может быть накрыт несколькими пересекающимися секторами обзора. Зона видимости в области пересечения секторов может быть построена с соблюдением условий:
При построении зоны видимости можно поднять точку наблюдения, задав приращение высоты в окне Высота наблюдения диалога построения. Зона видимости может быть построена с изменением высот всех наблюдаемых точек на величину, задаваемую в окне Приращение наблюдаемой точки диалога построения. Построение зоны видимости выполняется с использованием наиболее точной матрицы высот, обеспечивающей рассматриваемый участок местности. Результаты построения записываются в файл растра, имя которого задаётся в диалоге построения. 2.4. Определение длины и площади объекта с учётом рельефаОпределение длины объекта с учётом рельефа выполняется с использованием наиболее точной матрицы высот, обеспечивающей рассматриваемый участок местности. Для определения длины объекта с учётом рельефа необходимо в панели Расчеты по карте раскрыть вложенную панель Работа с матрицей высот и нажать кнопку Длина по рельефу. При определении длины контур объекта разбивается на равные отрезки, размер которых задаётся в окне Шаг интерполяции. Лучший по точности результат может быть получен при задании шага интерполяции, не большего точности используемой матрицы. При определении площади объекта с учётом рельефа необходимо выбрать используемую матрицу высот из списка открытых матриц, обеспечивающих рассматриваемый участок местности. Для определения площади объекта с учётом рельефа необходимо в панели Расчеты по карте раскрыть вложенную панель Работа с матрицей высот и нажать кнопку Площадь с учётом рельефа. При определении площади объект разбивается на квадратные элементарные участки, размер которых задаётся в окне Шаг интерполяции. Лучший по точности результат может быть получен при задании шага интерполяции, не большего точности используемой матрицы. 2.5. Построение зоны затопленияПостроение зоны затопления выполняется в пределах заданного участка линейного или площадного объекта гидрографии. Пользователь выбирает на карте участок объекта гидрографии, вокруг которого предполагается построение зоны затопления. Для линейного объекта участок задаётся двумя точками, для площадного - тремя. Если необходимо проанализировать реку, представленную несколькими объектами карты, или несколько взаимосвязанных объектов, то необходимо предварительно создать объединённый объект. Для построения зоны видимости необходимо в панели Расчеты по картераскрыть вложенную панель Работа с матрицей высоти нажать кнопку Построение зоны затопления. В диалоге построения необходимо выбрать используемую матрицу высот из списка открытых матриц, обеспечивающих рассматриваемый участок местности. Далее необходимо задать относительные значения повышения уровня воды в точках, ограничивающих анализируемый участок. Результаты построения зоны затопления сохраняются в матрице качеств, точность которой равна точности используемой матрицы высот. Имя файла матрицы качеств задаётся в диалоге построения. Программа исследует уклон участка местности (значения высот выбираются из матрицы), формирует створы по руслу реки, определяет значение уровня подъема воды для каждого створа и затем производит радиально-секторную развёртку по участкам земной поверхности между соседними створами, построение профилей рельефа по направлениям развёртки и определение пространственных координат граничных точек распространения волны пропуска по линиям развертки. В результате решаются две задачи: вычисляются координаты граничных точек зоны затопления и вычисляется уровень подъёма воды в каждой точке зоны затопления. Результаты построения зоны затопления в виде значений высот уровня подъёма воды заносятся в матрицу качеств. Цвет отображения зоны затопления может быть изменён с помощью пункта Легенда карты меню Задачи, в котором нужно выбрать закладку Матрица. В окне, отображающем диапазон высот уровня воды и соответствующий ему цвет, нужно выбрать диапазон нажатием левой клавиши мыши. Затем после нажатия правой клавиши мыши выбрать пункт Изменить цвет диапазона матрицы качеств всплывающего меню. 2.6. Построение поверхности уклоновПри решении задач, связанных с использованием моделей рельефа, возникает необходимость оценить величину уклона различных участков местности. С этой целью выполняется построение поверхности уклонов. Для построения поверхности уклонов необходимо в панели Расчеты по картераскрыть вложенную панель Операции с поверхностямии нажать кнопку П оверхность уклонов. Результатом построения поверхности уклонов является матрица качеств, в элементы которой помещается среднее или максимальное значение уклона в градусах между соседними ячейками матрицы высот. При создании результирующей матрицы качеств имеется возможность настройки её точности и параметров отображения. 2.7. Статистика поверхностиДля получения статистики поверхности рельефа необходимо в панели Расчеты по картераскрыть вложенную панель Операции с поверхностямии нажать кнопку Статистика поверхности. В окно диалога выводятся результаты расчёта абсолютной суммы значений высот, суммы положительных и отрицательных значений, среднее, минимальное и максимальное значения высоты, а также строится гистограмма поверхности. 2. 8. Построение горизонталей по матрице высотПостроение горизонталей по матрице высот выполняется для получения информации о рельефе местности в линейном виде. Формирование горизонталей выполняется в границах одной или нескольких матриц высот, по параметрам, установленным пользователем. Нужно учитывать, что горизонтали строятся только в районах карты, покрываемых матрицами. На участках, не обеспеченных матричными данными, горизонтали не формируются. В случае, если матрицы высот не имеют перекрытия, горизонтали могут быть сформированы с разрывами. Для вызова программы построения горизонталей необходимо в меню Задачи выбрать пункт Запуск приложений, далее в списке приложений открыть тему Автоматическое создание объектов и выбрать приложение Построение горизонталей по матрице высот. В результате работы программы создается пользовательская карта, в которую помещаются сформированные горизонтали. Если пользовательская карта на момент формирования уже существует, то горизонтали будут в неё добавлены и в этом случае возможно появление двойных горизонталей, если в пользовательской карте они уже имелись. 2.9. Формирование отмывки рельефа в виде растраДля повышения наглядности изображения рельефа применяется так называемая отмывка (оттенение) скатов. Процедура формирования отмывки рельефа предназначена для придания большей наглядности электронной карте путем создания фонового изображения отмывки рельефа (гипсометрической раскраски поверхности). Фоновое изображение создается в виде файла типа RSW, который по завершении выполнения процедуры автоматически добавляется к изображению электронной карты. Для вызова программы формирования отмывки рельефа необходимо в меню Задачи выбрать пункт Запуск приложений, далее в списке приложений открыть тему Тематические карты и диаграммы и выбрать приложение Формирование отмывки рельефа в виде растра. 2.10. Формирование трёхмерной карты местностиПроцедура формирования трехмерной карты предназначена для визуальной оценки рельефа выбранного участка местности и расположенных на нем объектов. Для вызова программы формирования трехмерной карты необходимо в меню Задачи выбрать пункт Запуск приложений, далее в списке приложений открыть тему Тематические карты и диаграммы и выбрать приложение Формирование трехмерной карты местности. Если область трёхмерного отображения обеспечена матричными данными, то пространственное положение объектов карты определяется матрицей высот. 2.11. Уравнивание матриц высотПроцедура уравнивания матриц высот предназначена для выполнения сводки матриц в районе работ. Для запуска программы необходимо не менее двух матриц. Программа может работать в режиме контроля и в режиме редактирования. В режиме контроля в протокол выдаются сообщения о несовпадении высот в точках с одинаковыми координатами. В режиме редактирования происходит сглаживание высот матриц в области перекрытия. Для вызова программы уравнивания матриц необходимо в меню Задачи выбрать пункт Запуск приложений, далее в списке приложений открыть тему Обработка матриц высот и выбрать приложение Уравнивание матриц высот. 2.12. Сравнение матриц высотПроцедура предназначена для сопоставления информации двух однотипных матриц высот. Результатом работы программы является матрица относительных высот, в которую заносятся разности высот соответствующих элементов второй и первой матрицы. Если в проверяемом элементе одной из матриц отсутствует высота, то в выходную матрицу информация не заносится. Для вызова программы сравнения матриц необходимо в меню Задачи выбрать пункт Запуск приложений, далее в списке приложений открыть тему Обработка матриц высот и выбрать приложение Сравнение матриц высот. 2.13. Объединение матриц высотПроцедура предназначена для формирования обобщенной матрицы высот, то есть для перенесения данных о рельефе из нескольких матриц в одну - результирующую. Исходными данными являются одна или несколько открытых матриц высот. Матрицы высот должны быть одного и того же типа. В противном случае построение не выполняется. В каждый элемент выходной матрицы заносится высота из исходной матрицы, содержащей высоту в этой точке. Если точка обеспечена данными нескольких матриц, то в выходную матрицу заносится высота из матрицы с наименьшим размером элемента (более точной). Для вызова программы объединения матриц необходимо в меню Задачи выбрать пункт Запуск приложений, далее в списке приложений открыть тему Обработка матриц высот и выбрать приложение Объединение матриц высот. Практическая часть. 1. Составьте матрицу высот для карты, которая была подготовлена в предыдущей лабораторной работе. Охарактеризуйте получившуюся матрицу. Контрольные вопросы.
|