Применение геоинформационных систем и средств трехмерного моделирования для создания 3D-моделей района развертывания элементов системы связи в ходе боевых действий

Василий Иванов
Кандидат военных наук, доцент, полковник, Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Будённого МО РФ, доцент кафедры организации связи. Окончил Рязанское высшее военное командное училище связи в 1996 году; Военную академию связи — в 2007-м. Защитил диссертацию в 2010 году
Роман Башлаев
Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Будённого МО РФ, оператор научной роты

Двумерное изображение не создаст такого полного представления об объекте, как трехмерная модель. Трехмерные программные модули в геоинформационной системе (ГИС) позволяют создавать в среде трехмерной местности объекты любой сложности: архитектурные постройки, дорожные конструкции, группы деревьев, вертолеты, автомобили, аппаратные связи и т.д. Трехмерное моделирование дает возможность наилучшим образом описывать реальную местность, объекты окружающего мира и их взаимное расположение.

Отличие трехмерных ГИС от трехмерных интерактивных тренажеров или симуляторов в том, что в ГИС любой трехмерный объект имеет географические координаты, то есть осуществляется непосредственная привязка к местности. При этом объект можно выделить мышью, пространственно сравнить с другими объектами, связать с ним базу данных любой сложности, и таких объектов можно создать сколько угодно. С позиций визуальных эффектов трехмерная ГИС и трехмерная игра могут мало отличаться друг от друга, но содержательное отличие значительно.

Трехмерное моделирование можно использовать для более эффектного представления района боевых действий и развертывания узлов связи с учетом рельефа реальной местности. 3D­моделирование также успешно применяют в конструкторских проектах при создании различных моделей (элементов). Кроме того, оно легко заменит натуральное макетирование, например позволит создать модель размещения узла связи или элемента системы связи на местности [1, 2]
непосредственно на основе цифровых карт местности.

Трехмерное изображение на плоскости, в отличие от двумерного, включает построение геометрической проекции объемной модели на плоскость с помощью специализированных программ (рис. 1).

Рис. 1. Основные функции и возможности 3D-программ

В настоящий момент ключевую роль на поле боя играет время принятия решения. При принятии решения немаловажное значение имеет оценка оперативной обстановки, для чего традиционно используют как классические бумажные карты, так и разнообразные макеты местности. Объединение технологий трехмерной графики и геоинформационных систем реализовано на базе приложений, входящих в состав ГИС «Оператор».

В качестве базового программного продукта в Вооруженных силах РФ используется ГИС «Оператор», принятая на вооружение приказом МО РФ № 598 от 15 августа 2013 года [9] — рис. 2.

Рис. 2. Интерфейс ГИС «Оператор»

Основные направления использования ГИС «Оператор» [7]:

• топогеодезическое обеспечение войск, автоматизация учета и хранения данных, расчет запасов карт;
• ведение дежурных и оперативных карт и схем, автоматизация формирования графических документов;
• инструментальное и информационное обеспечение учений и командно­штабных тренировок;
• автоматизация процессов управления войсками, обеспечение развития;
• объемное моделирование местности и оперативной обстановки, создание виртуальных макетов местности;
• информационное обеспечение боевого применения высокоточного оружия;
• оперативный поиск и обеспечение картографическими материалами на требуемый район;
• анализ и прогнозирование оперативной обстановки;
• информационное обеспечение принятия оперативных решений;
• обработка, визуальный анализ тематических справочных данных, формирование наглядных графических документов с использованием цифровой картографической основы, автоматизированная обработка и отображение данных, результатов расчетов и прогнозов;
• бортовая навигация и диспетчерское сопровождение транспортных средств.

ГИС «Оператор» содержит средства редактирования оперативной обстановки, разнообразные классификаторы и библиотеки условных знаков оперативной обстановки, принятые в РФ и НАТО, в том числе и трехмерные (рис. 3).

Рис. 3. Трехмерный вид объекта в классификаторе ГИС «Оператор»

Рис. 4. Виды данных, обрабатываемых в ГИС «Оператор»

ГИС «Оператор» обеспечивает автоматизированную обработку различных видов пространственных данных (рис. 4):

• векторные карты и планы в различных проекциях и системах координат, включая морские карты, радионавигационные (воздушные), навигационные и др.;
• данные ДЗЗ, включая космические снимки в оптическом диапазоне;
• мультиспектральные снимки, данные лазерного сканирования, данные эхолокации и др.;
• регулярные матрицы высот, матрицы качественных характеристик (покрытия), TIN­модели;
• 3D­модели.

Среди функционала ГИС «Оператор» существует функция, позволяющая создавать трехмерное отображение имеющейся цифровой карты местности. Благодаря данной функции возможно наглядно продемонстрировать тактическую и оперативную обстановку театра военных действий. А также, в случае необходимости, обновлять информацию в режиме реального времени, чего очень сложно добиться, работая с классическими бумажными картами или гипсовым макетом. Работа с трехмерной графикой осуществляется посредством встроенного программного модуля.

Преимущества использования трехмерной графики в геоинформационной системе «Оператор»:

• наглядность отображения рельефа местности и возможность его всестороннего изучения;
• возможность изучения карты из любой точки и под любым углом;
• возможность устанавливать «зоны видимости» для техники, что позволяет более эффективно ее использовать;
• загрузка реалистичных трехмерных моделей вооружений и техники позволяют максимально подробно изучить обстановку;
• расчет траекторий и наглядная их демонстрация для подготовки летных заданий;
• существует также ряд сложностей и недостатков при работе с трехмерными картами и обстановками;
• необходимость в создании базы трехмерных моделей;
• требования к ресурсам компьютера — для работы с трехмерной графикой рабочий компьютер должен иметь высокую вычислительную мощность;
• слабая развитость направления трехмерной визуализации в ГИС «Оператор».

Средством работы с 3D­моделями реальной местности, создаваемыми в ГИС «Оператор», является модуль «Навигатор 3D (отображение трехмерной модели местности)» в меню «Задачи» ГИС «Оператор» (рис. 5).

Рис. 5. Диалоговое окно модуля «Навигатор 3D»

Для создания трехмерной карты оперативной и тактической обстановки требуется произвести привязку трехмерного объекта к его топографическому знаку. Но первоначально необходимо создать сам трехмерный объект. Наличие хорошо сделанной модели объекта позволяет быстро, без «зависания», создавать трехмерную модель любого района и обстановки.

Создание моделей для классификатора ГИС осуществляется с применением программ трехмерной графики. 3D­графика — вид компьютерной графики, визуальное отображение трехмерной сцены или объекта на экране монитора или какого­либо другого устройства. Для создания трехмерного объекта для ГИС возможно использовать следующие программные продукты:

• Autodesk — 3ds Max;
• Blender Foundation — Blender;
• Trimble Navigation — SketchUp.

SketchUp — программный продукт компании Trimble Navigation, выпускаемый в двух версиях: SketchUp Pro — платная версия программы и SketchUp Make — бесплатная версия. Изначально данный программный продукт разрабатывался для быстрого создания интерьеров, мебели, строений, но со временем в программе появился расширенный функционал, позволяющий более углубленно работать с трехмерной графикой. SketchUp работает с текстурированием на базовом уровне, что в сочетании с простым и интуитивно понятным интерфейсом позволяет легко включиться в работу начинающим пользователям (рис. 6). Из минусов программы можно отметить ограниченность функционала, изначальную ориентацию на работу со строениями, интерьерами и мебелью.

Рис. 6. Интерфейс программы SketchUp

Blender — бесплатный профессиональный пакет для работы с трехмерной графикой от разработчика Blender Foundation. Пакет включает в себя средства моделирования, текстурирования, анимации, рендеринга и постобработки. При создании трехмерных моделей для геоинформационных систем используются только средства моделирования и текстурирования, и в данном программном продукте они позволяют работать с разрабатываемым объектом в полном объеме (рис. 7). Увеличение функционала ведет к усложнению интерфейса программы, что, в свою очередь, влияет на срок обучения навыкам использования программного комплекса.

Рис. 7. Интерфейс программы Blender

3ds Max — разработка компании Autodesk, профессиональная программа для создания и редактирования трехмерной графики и анимации. Имеет полный набор профессиональных инструментов, что создает для новичков определенные проблемы с изучением данной программы (рис. 8). Работает с различными полигональными сетками, благодаря чему есть возможность качественно произвести текстурирование модели встроенными обработчиками. Позволяет без применения дополнительных плагинов экспортировать созданные 3D­модели во многие форматы, в том числе WRL, который необходим для импорта трехмерных моделей в ГИС «Оператор». Программный продукт платный, предназначен для коммерческого использования, но предусмотрена возможность получить бесплатную «студенческую» лицензию — при условии, что программа не будет применяться в коммерческих проектах.

Рис. 8. Интерфейс программы 3ds Max

Для создания трехмерных знаков предлагается использовать 3ds Max от компании Autodesk, так как данная программа отвечает следующим требованиям:

• популярность программного обеспечения, и, как следствие, наличие большого объема обучающей литературы, специализированных форумов;
• решение «из коробки» без необходимости в установке дополнительных плагинов;
• наличие необходимых функций программы для работы с трехмерной графикой и текстурированием;
• возможность получения бесплатной лицензии полной версии программы;
• расширенные возможности при работе с полигонами трехмерной модели;
• возможность настройки экспорта модели в формат WRL.

Для трехмерного моделирования в 3ds Max существует несколько алгоритмов (методов). Назовем основные из них:

- Полигональное моделирование — основной способ моделирования, к которому чаще всего сводятся все остальные. Базируется на работе с редактируемыми поверхностями (editable mesh) и с редактируемыми полигонами (editable poly). Благодаря своей универсальности данный метод позволяет одинаково хорошо работать как с высокополигональными, так и с низкополигональными моделями. А большое количество модификаторов позволяет увеличивать эффективность разработки и сокращать затраты времени;

- NURBS­моделирование — моделирование на основе неоднородных рациональных сплайнов. Данный вид моделирования слабо развит в продукте 3ds Max;

- Моделирование на основе поверхностей Безье — в основном используется для создания тел вращения;

- Моделирование с использованием примитивов и модификаторов — данный вид моделирования чаще всего сводится к полигональному моделированию;

- Моделирование на основе сплайнов — метод, включающий в себя применение специального модификатора surface. Аналог NURBS, удобен при работе со сложными объектами.

Для каждой конкретной задачи подходят свои методы моделирования. При создании трехмерных объектов для геоинформационных систем будет использоваться метод моделирования на основе сплайнов, переходящий в полигональное моделирование с редактируемыми полигонами и последующей конвертацией к объекту с редактируемыми поверхностями.

Для просмотра готовых 3D­моделей местности, созданных в ГИС «Оператор», и работы с ними необходимо использовать ГИС «Навигатор 2011». Данный программный модуль ГИС предназначен для просмотра готовых трехмерных моделей, двумерных векторных карт, растров, матриц, перемещения по 2D­ и 3D­картам с подключением GPS­приемника и печати карт. Программа может работать в качестве клиента ГИС Сервера.

Для удобства работы с трехмерной моделью можно изменять:

• вид поверхности модели (изображение карты, снимка, матрицы, каркасный или прозрачный вид);
• вид объектов (полный, каркасный, без объектов);
• подробность отображения рельефа;
• освещенность модели (естественное по времени суток, типа «прожектор», направленное от пользователя);
• скорость движения по модели и т.д.

Трехмерную модель можно построить как для всего отображаемого на двумерной карте района, так и для любого его фрагмента. Доступен просмотр и изменение семантики и метрики для выбранного объекта. При изменении списка данных электронной карты, состава объектов изменяется вид трехмерной модели. Имеется три вида перемещения по трехмерной модели: вручную, по выбранному объекту и в свободном полете по заданной траектории. В трехмерной модели есть возможность сохранения текущего изображения в BMP­файл. Также можно записать AVI­файл с перемещением по трехмерной модели и с изменением ее характеристик. Перемещение по трехмерной модели и по двумерной карте может быть синхронизировано. Поэтому имеющаяся в ГИС задача подключения GPS­приемника делает возможным определение местоположения движущегося объекта как на двумерной карте, так и на трехмерной модели. Входными данными для этой задачи являются данные в формате NMEA­0183 (в текстовом ASCII­виде), принимаемые с параллельного порта компьютера, к которому подключено устройство типа GPS­приемника, или с удаленного GPS­устройства через протокол GPRS. Имеется возможность загрузки векторных, растровых и матричных карт из различных форматов, печати загруженных данных.

В ходе работы должностных лиц органов управления связи решаются различные задачи. При этом с использованием трехмерного моделирования могут выполняться следующие задачи по связи:

• построение трехмерной модели района операции на основе электронных рабочих карт должностных лиц;
• нанесение данных обстановки по связи с использованием 3D­классификатора оперативных знаков;
• создание базы пользовательских карт в органе управления связи с трехмерными знаками оперативной обстановки и обстановки по связи;
• использование комплекса 3D­анализа для выполнения информационных расчетных задач;
• определение местоположения объектов (элементов) системы связи на месте с учетом рельефа местности;
• совершенствование баз данных классификаторов ГИС;
• определение пригодности мест развертывания УС ПУ ОУС и других элементов СС с учетом обработки данных с возможностью развития различных природных и техногенных катастроф;
• оценка оперативной обстановки и обстановки по связи с учетом реального рельефа местности;
• отображение текущей информации о местоположении объектов связи на ЦКМ у ОД ПУС объединения (дежурного по элементу СС);
• создание визуальной модели развертывания УС ПУ, его вынесенных элементов, маршрутов прокладки линий связи;
• качественная (визуальная) оценка выбранных мест развертывания элементов СС, маршрутов прокладки линий связи, мест преодоления различных препятствий (водных преград и т.д.);
• комплексная оценка (количественная и качественная), оценка выбранных мест развертывания элементов СС, маршрутов прокладки линий связи и движения подвижных средств связи, мест преодоления различных препятствий (водных преград, перевалов в горных районах и т.д.);
• расчет перспективной модели для любой задаваемой точки обзора;
• создание динамической модели «полета» над территорией.

Одной из сложных задач по созданию 3D­модели обстановки является разработка библиотеки трехмерных знаков, которые будут соответствовать требованиям, предъявляемым к разработке картографических документов, например рабочим картам должностных лиц, планам, схемам и т.д. В настоящее время 3D­классификатора условных знаков элементов системы связи нет.

Его создание является важной задачей для разработчиков ГИС «Оператор» и должностных лиц органов управления связи. При наличии хорошо подготовленного 3D­классификатора появится возможность использования 3D­моделирования в ГИС в полном функциональном объеме.

Несмотря на то что эффективность использования ГИС доказана многолетним применением, имеются и недостатки, к которым относятся:

• высокие требования к производительности автоматизированных рабочих мест (ПЭВМ);
• сложность подготовки должностных лиц для эксплуатации ГИС с элементами трехмерного моделирования;
• отсутствие единого классификатора оперативных 3D­знаков для ГИС «Оператор»;
• сложность добавления новых 3D­моделей в классификатор в связи с импортированием 3D­ моделей в формате VMRL, который устарел;
• сложность масштабирования объектов на 3D­моделях;
• большой объем пользовательского слоя, превышающий 250 Мбайт (учитывается объем 3D­классификатора оперативных и топографических знаков).

Рассмотренные в статье предложения по использованию программ трехмерного моделирования и геоинформационных систем позволят кардинально пересмотреть порядок применения ГИС при организации связи. 

Литература:

1. Геоинформационная система «Карта 2011». Технология построения трехмерной модели. Панорама 1991­2010. Ногинск. 2010.
2. Геоинформационная система «Карта 2011». Технология создания библиотеки трехмерных знаков тактической, оперативно­тактической обстановки. Панорама 1991­2013. Ногинск. 2013.
3. Сайт «Программист», http://olocoder.ru.
4. Иванов В.Г., Бородин Н.Д. Основы формирования единого геоинформационного пространства специального назначения с использованием Web­технологий // САПР и графика. № 3. 2016. С. 18­20.
5. Горбунов А.А., Пономорчук А.Ю., Иванов В.Г. Использование геоинформационных систем при принятии управленческих решений в единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций // Научно­аналитический журнал «Вестник Санкт­Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России». 2015. № 2. С. 71­76.
6. Сайт «КБ Панорама», http://www.gisinfo.ru.
7. Сайт «ГИС Техник», http://gistechnik.ru.