Застосування геоінформаційних систем і засобів тривимірного моделювання для створення 3D-моделей району розгортання елементів системи зв'язку в ході бойових дій

Василь Іванов
Кандидат військових наук, доцент, полковник, Військова академія зв'язку імені Маршала Радянського Союзу С.М. Будьонного МО РФ, доцент кафедри організації зв'язку. Закінчив Рязанське вище військове командне училище зв'язку в 1996 році; Військову академію зв'язку - в 2007-му. Захистив дисертацію в 2010 році
Роман БАШЛАЙ
Військова академія зв'язку імені Маршала Радянського Союзу С.М. Будьонного МО РФ, оператор наукової роти

Двовимірне зображення не створить такого повного уявлення про об'єкт, як тривимірна модель. Тривимірні програмні модулі в геоінформаційної системи (ГІС) дозволяють створювати в середовищі тривимірної місцевості об'єкти будь-якої складності: архітектурні споруди, дорожні конструкції, групи дерев, вертольоти, автомобілі, апаратні зв'язку і т.д. Тривимірне моделювання дає можливість найкращим чином описувати реальну місцевість, об'єкти навколишнього світу і їх взаємне розташування.

Відмінність тривимірних ГІС від тривимірних інтерактивних тренажерів або симуляторів в тому, що в ГІС будь тривимірний об'єкт має географічні координати, тобто здійснюється безпосередня прив'язка до місцевості. При цьому об'єкт можна виділити мишею, просторово порівняти з іншими об'єктами, зв'язати з ним базу даних будь-якої складності, і таких об'єктів можна створити скільки завгодно. З позицій візуальних ефектів тривимірна ГІС і тривимірна гра можуть мало відрізнятися один від одного, але змістовне відміну значно.

Тривимірне моделювання можна використовувати для більш ефектного представлення району бойових дій і розгортання вузлів зв'язку з урахуванням рельєфу реальної місцевості. 3Dмоделірованіе також успішно застосовують в конструкторських проектах при створенні різних моделей (елементів). Крім того, воно легко замінить натуральне макетування, наприклад дозволить створити модель розміщення вузла зв'язку або елемента системи зв'язку на місцевості [1, 2]
безпосередньо на основі цифрових карт місцевості.

Тривимірне зображення на площині, на відміну від двовимірного, включає побудову геометричної проекції об'ємної моделі на площину за допомогою спеціалізованих програм (рис. 1).

Мал. 1. Основні функції і можливості 3D-програм

На даний момент ключову роль на полі бою грає час прийняття рішення. При прийнятті рішення важливе значення має оцінка оперативної обстановки, для чого традиційно використовують як класичні паперові карти, так і різноманітні макети місцевості. Об'єднання технологій тривимірної графіки і геоінформаційних систем реалізовано на базі додатків, що входять до складу ГІС «Оператор».

В якості базового програмного продукту в Збройних силах РФ використовується ГІС «Оператор», прийнята на озброєння наказом МО РФ № 598 від 15 серпня 2013 года [9] - рис. 2.

Мал. 2. Інтерфейс ГІС «Оператор»

Основні напрямки використання ГІС «Оператор» [7]:

топогеодезичне забезпечення військ, автоматизація обліку і зберігання даних, розрахунок запасів карт;
ведення чергових і оперативних карт і схем, автоматизація формування графічних документів;
інструментальне і інформаційне забезпечення навчань і командноштабних тренувань;
автоматизація процесів управління військами, забезпечення розвитку;
об'ємне моделювання місцевості і оперативної обстановки, створення віртуальних макетів місцевості;
інформаційне забезпечення бойового застосування високоточної зброї;
оперативний пошук і забезпечення картографічними матеріалами на необхідний район;
аналіз і прогнозування оперативної обстановки;
інформаційне забезпечення прийняття оперативних рішень;
обробка, візуальний аналіз тематичних довідкових даних, формування наочних графічних документів з використанням цифрової картографічної основи, автоматизована обробка і відображення даних, результатів розрахунків і прогнозів;
бортова навігація і диспетчерське супровід транспортних засобів.

ГІС «Оператор» містить засоби редагування оперативної обстановки, різноманітні класифікатори та бібліотеки умовних знаків оперативної обстановки, прийняті в РФ і НАТО, в тому числі і тривимірні (рис. 3).

Мал. 3. Тривимірний вид об'єкта в класифікаторі ГІС «Оператор»

Мал. 4. Види даних, що обробляються в ГІС «Оператор»

ГІС «Оператор» забезпечує автоматизовану обробку різних видів просторових даних (рис. 4):

векторні карти і плани в різних проекціях і системах координат, включаючи морські карти, радіонавігаційні (повітряні), навігаційні та ін .;
дані ДЗЗ, включаючи космічні знімки в оптичному діапазоні;
мультиспектральні знімки, дані лазерного сканування, дані ехолокації і ін .;
регулярні матриці висот, матриці якісних характеристик (покриття), TINмоделі;
3Dмоделі.

Серед функціоналу ГІС «Оператор» існує функція, що дозволяє створювати тривимірне відображення наявної цифрової карти місцевості. Завдяки даній функції можливо наочно продемонструвати тактичну і оперативну обстановку театру військових дій. А також, в разі необхідності, оновлювати інформацію в режимі реального часу, чого дуже складно домогтися, працюючи з класичними паперовими картами або гіпсовим макетом. Робота з тривимірною графікою здійснюється за допомогою вбудованого програмного модуля.

Переваги використання тривимірної графіки в геоінформаційної системи «Оператор»:

наочність відображення рельєфу місцевості і можливість його всебічного вивчення;
можливість вивчення карти з будь-якої точки і під будь-яким кутом;
можливість встановлювати «зоною видимості» для техніки, що дозволяє більш ефективно її використовувати;
завантаження реалістичних тривимірних моделей озброєнь і техніки дозволяють максимально докладно вивчити обстановку;
розрахунок траєкторій і наочна їх демонстрація для підготовки льотних завдань;
існує також ряд складнощів і недоліків при роботі з тривимірними картами і обстановками;
необхідність у створенні бази тривимірних моделей;
вимоги до ресурсів комп'ютера - для роботи з тривимірною графікою робочий комп'ютер повинен мати високу обчислювальну потужність;
слабка розвиненість напрямки тривимірної візуалізації в ГІС «Оператор».

Засобом роботи з 3Dмоделямі реальної місцевості, створюваними в ГІС «Оператор», є модуль «Навігатор 3D (відображення тривимірної моделі місцевості)» в меню «Завдання» ГІС «Оператор» (рис. 5).

Мал. 5. Діалогове вікно модуля «Навігатор 3D»

Для створення тривимірної карти оперативної і тактичної обстановки потрібно зробити прив'язку тривимірного об'єкту до його топографічному знаку. Але спочатку необхідно створити сам тривимірний об'єкт. Наявність добре зробленої моделі об'єкта дозволяє швидко, без «зависання», створювати тривимірну модель будь-якого району і обстановки.

Створення моделей для класифікатора ГІС здійснюється із застосуванням програм тривимірної графіки. 3Dграфіка - вид комп'ютерної графіки, візуальне відображення тривимірної сцени або об'єкта на екрані монітора або якого-небудь іншого пристрою. Для створення тривимірного об'єкту для ГІС можливо використовувати такі програмні продукти:

Autodesk - 3ds Max;
Blender Foundation - Blender;
Trimble Navigation - SketchUp.

SketchUp - програмний продукт компанії Trimble Navigation, що випускається в двох версіях: SketchUp Pro - платна версія програми і SketchUp Make - безкоштовна версія. Спочатку даний програмний продукт розроблявся для швидкого створення інтер'єрів, меблів, будівель, але з часом в програмі з'явився розширений функціонал, що дозволяє більш поглиблено працювати з тривимірною графікою. SketchUp працює з текстуруванням на базовому рівні, що в поєднанні з простим і інтуїтивно зрозумілим інтерфейсом дозволяє легко включитися в роботу початківцям користувачам (рис. 6). З мінусів програми можна відзначити обмеженість функціоналу, початкову орієнтацію на роботу з будовами, інтер'єрами і меблями.

Мал. 6. Інтерфейс програми SketchUp

Blender - безкоштовний професійний пакет для роботи з тривимірною графікою від розробника Blender Foundation. Пакет включає в себе засоби моделювання, текстурування, анімації, рендеринга і постобробки. При створенні тривимірних моделей для геоінформаційних систем використовуються тільки кошти моделювання та текстурування, і в даному програмному продукті вони дозволяють працювати із технічною характеристикою об'єктом в повному обсязі (рис. 7). Збільшення функціоналу веде до ускладнення інтерфейсу програми, що, в свою чергу, впливає на термін навчання навичкам використання програмного комплексу.

Збільшення функціоналу веде до ускладнення інтерфейсу програми, що, в свою чергу, впливає на термін навчання навичкам використання програмного комплексу

Мал. 7. Інтерфейс програми Blender

3ds Max - розробка компанії Autodesk, професійна програма для створення і редагування тривимірної графіки і анімації. Має повний набір професійних інструментів, що створює для новачків певні проблеми з вивченням даної програми (рис. 8). Працює з різними полігональними сітками, завдяки чому є можливість якісно провести текстурирование моделі вбудованими обработчиками. Дозволяє без застосування додаткових плагінів експортувати створені 3Dмоделі в багато формати, в тому числі WRL, який необхідний для імпорту тривимірних моделей в ГІС «Оператор». Програмний продукт платний, призначений для комерційного використання, але передбачена можливість отримати безкоштовну «студентську» ліцензію - за умови, що програма не застосовуватиметься в комерційних проектах.

Мал. 8. Інтерфейс програми 3ds Max

Для створення тривимірних знаків пропонується використовувати 3ds Max від компанії Autodesk, так як дана програма відповідає таким вимогам:

популярність програмного забезпечення, і, як наслідок, наявність великого обсягу навчальної літератури, спеціалізованих форумів;
рішення «з коробки» без необхідності в установці додаткових плагінів;
наявність необхідних функцій програми для роботи з тривимірною графікою і текстуруванням;
можливість отримання безкоштовної ліцензії повної версії програми;
розширені можливості при роботі з полігонами тривимірної моделі;
можливість налаштування експорту моделі в формат WRL.

Для тривимірного моделювання в 3ds Max існує кілька алгоритмів (методів). Назвемо основні з них:

- Полігональне моделювання - основний спосіб моделювання, до якого найчастіше зводяться всі інші. Базується на роботі з редагованими поверхнями (editable mesh) і з редагованими полігонами (editable poly). Завдяки своїй універсальності даний метод дозволяє однаково добре працювати як з високополігональні, так і з нізкополігональних моделями. А велика кількість модифікаторів дозволяє збільшувати ефективність розробки і скорочувати витрати часу;

- NURBSмоделірованіе - моделювання на основі неоднорідних раціональних сплайнів. Даний вид моделювання слабко розвинений в продукті 3ds Max;

- Моделювання на основі поверхонь Безьє - в основному використовується для створення тіл обертання;

- Моделювання з використанням примітивів і модифікаторів - даний вид моделювання найчастіше зводиться до полігонального моделювання;

- Моделювання на основі сплайнів - метод, що включає в себе застосування спеціального модифікатора surface. Аналог NURBS, зручний при роботі зі складними об'єктами.

Для кожної конкретної задачі підходять свої методи моделювання. При створенні тривимірних об'єктів для геоінформаційних систем буде використовуватися метод моделювання на основі сплайнів, що переходить в полігональне моделювання з редагованими полігонами і подальшою конвертацією до об'єкта з редагованими поверхнями.

Для перегляду готових 3Dмоделей місцевості, створених в ГІС «Оператор», і роботи з ними необхідно використовувати ГІС «Навігатор 2011». Даний програмний модуль ГІС призначений для перегляду готових тривимірних моделей, двовимірних векторних карт, растрів, матриць, переміщення по 2D і 3Dкартам з підключенням GPSпріемніка і друку карт. Програма може працювати в якості клієнта ГІС Сервера.

Для зручності роботи з тривимірною моделлю можна змінювати:

вид поверхні моделі (зображення карти, знімка, матриці, каркасний або прозорий вигляд);
вид об'єктів (повний, каркасний, без об'єктів);
подробиця відображення рельєфу;
освітленість моделі (природне за часом доби, типу «прожектор», спрямоване від користувача);
швидкість руху по моделі і т.д.

Тривимірну модель можна побудувати як для всього відображуваного на площині з двома осями району, так і для будь-якого його фрагмента. Доступний перегляд і зміна семантики і метрики для обраного об'єкта. При зміні списку даних електронної карти, складу об'єктів змінюється вид тривимірної моделі. Є три види переміщення по тривимірній моделі: вручну, по вибраному об'єкту і в вільному польоті по заданій траєкторії. У тривимірної моделі є можливість збереження поточного зображення в BMPфайл. Також можна записати AVIфайл з переміщенням по тривимірній моделі і зі зміною її характеристик. Переміщення по тривимірній моделі і по площині з двома осями може бути синхронізовано. Тому наявна в ГІС задача підключення GPSпріемніка уможливлює визначення місцеположення рухомого об'єкту як на площині з двома осями, так і на тривимірній моделі. Вхідними даними для цієї задачі є дані в форматі NMEA0183 (в текстовому ASCIIвіде), прийняті з паралельного порту комп'ютера, до якого підключено пристрій типу GPSпріемніка, або з віддаленого GPSустройства через протокол GPRS. Є можливість завантаження векторних, растрових і матричних карт з різних форматів, друку завантажених даних.

В ході роботи посадових осіб органів управління зв'язку вирішуються різні завдання. При цьому з використанням тривимірного моделювання можуть виконуватися такі завдання по зв'язку:

побудова тривимірної моделі району операції на основі електронних робочих карт посадових осіб;
нанесення даних обстановки по зв'язку з використанням 3Dклассіфікатора оперативних знаків;
створення бази для користувача карт в органі управління зв'язку з тривимірними знаками оперативної обстановки і обстановки по зв'язку;
використання комплексу 3Dаналіза для виконання інформаційних розрахункових завдань;
визначення місця розташування об'єктів (елементів) системи зв'язку на місці з урахуванням рельєфу місцевості;
вдосконалення баз даних класифікаторів ГІС;
визначення придатності місць розгортання УС ПУ ОУС та інших елементів СС з урахуванням обробки даних з можливістю розвитку різних природних і техногенних катастроф;
оцінка оперативної обстановки і обстановки по зв'язку з урахуванням реального рельєфу місцевості;
відображення поточної інформації про місцезнаходження об'єктів зв'язку на ЦКМ у ОД ПУС об'єднання (чергового по елементу СС);
створення візуальної моделі розгортання УС ПУ, його винесених елементів, маршрутів прокладки ліній зв'язку;
якісна (візуальна) оцінка обраних місць розгортання елементів СС, маршрутів прокладки ліній зв'язку, місць подолання різних перешкод (водних перешкод і т.д.);
комплексна оцінка (кількісна та якісна), оцінка обраних місць розгортання елементів СС, маршрутів прокладки ліній зв'язку та руху рухомих засобів зв'язку, місць подолання різних перешкод (водних перешкод, перевалів в гірських районах і т.д.);
розрахунок перспективної моделі для будь-якої задається точки огляду;
створення динамічної моделі «польоту» над територією.

Однією з складних завдань зі створення 3Dмоделі обстановки є розробка бібліотеки тривимірних знаків, які будуть відповідати вимогам, що пред'являються до розробки картографічних документів, наприклад робочим картам посадових осіб, планам, схемами і т.д. В даний час 3Dклассіфікатора умовних знаків елементів системи зв'язку немає.

Його створення є важливим завданням для розробників ГІС «Оператор» і посадових осіб органів управління зв'язку. При наявності добре підготовленого 3Dклассіфікатора з'явиться можливість використання 3Dмоделірованія в ГІС в повному функціональному обсязі.

Незважаючи на те що ефективність використання ГІС доведена багаторічним застосуванням, є і недоліки, до яких відносяться:

Високі вимоги до продуктівності автоматизованого робочих Місць (ПЕОМ);
складність підготовки посадових осіб для експлуатації ГІС з елементами тривимірного моделювання;
відсутність єдиного класифікатора оперативних 3Dзнаков для ГІС «Оператор»;
складність додавання нових 3Dмоделей в класифікатор в зв'язку з імпортуванням 3D моделей в форматі VMRL, який застарів;
складність масштабування об'єктів на 3Dмоделях;
великий обсяг призначеного для користувача шару, що перевищує 250 Мбайт (враховується обсяг 3Dклассіфікатора оперативних і топографічних знаків).

Розглянуті в статті пропозиції по використанню програм тривимірного моделювання та геоінформаційних систем дозволять кардинально переглянути порядок застосування ГІС при організації зв'язку.

Геоінформаційна система «Карта 2011». Технологія побудови тривимірної моделі. Панорама 19912010. Ногінськ. 2010 року.
Геоінформаційна система «Карта 2011». Технологія створення бібліотеки тривимірних знаків тактичної, оператівнотактіческой обстановки. Панорама 19912013. Ногінськ. 2013.
Сайт «Програміст», http://olocoder.ru .
Іванов В.Г., Бородін Н.Д. Основи формування єдиного геоінформаційного простору спеціального призначення з використанням Webтехнологій // САПР і графіка. № 3. 2016. С. 1820.
Горбунов А.А., Пономорчук А.Ю., Іванов В.Г. Використання геоінформаційних систем при прийнятті управлінських рішень в єдину державну систему запобігання і ліквідації надзвичайних ситуацій // Научноаналітіческій журнал «Вісник СанктПетербургского університету Державної протипожежної служби МНС Росії». 2015. № 2. С. 7176.
Сайт «КБ Панорама», http://www.gisinfo.ru .
Сайт «ГІС Технік», http://gistechnik.ru .