1 1. Úvod V současné době dochází k prudkému rozvoji v oblasti informačních technologií, zejména v oblasti 3D modelování. Ve své ročníkové práci se budu zabývat vytvářením digitálních 3D modelů města. Digitální modely měst lze použít mnoha způsoby, například při plánování urbanistického rozvoje, při tvorbě stavebních projektů nebo pro prezentaci města na internetu nebo CDROMu. Tato forma vizualizace informací se bude zřejmě i nadále velmi rychle rozšiřovat. V první části práce se pokusím v krátkosti nastínit, jak se takový model města vytváří a jaké postupy a možnosti existují. V druhé části práce budu popisovat tvorbu mého modelu. Vybrala jsem si část města Sušice a na něm prakticky vyzkouším uvedený postup. Při vytváření modelu budu využívat program MicroStation V8 firmy Bentley. Součástí práce bude také CD s ukázkami vizualizace.
2 2. Tvorba digitálního modelu města Digitální model města představuje trojrozměrné znázornění části krajiny, vytvořené pomocí počítače. Skládá se z digitálního modelu terénu a z jednotlivých prvků krajiny přírodních a antropogenních uspořádaných v datových vrstvách a integrovaných do modelu terénu. Doplníme li model o vývoj v čase, získáme model čtyřrozměrný. Model je vždy určitým zobecněním a zjednodušením skutečnosti. Při jeho tvorbě je třeba přihlédnout k tomu, za jakým účelem je model vytvářen, a podle toho si stanovit přesnost, jakou model musí mít. Čím přesnější má totiž model být, tím jsou při jeho zpracovávání nároky na celkový výkon počítače vyšší a doba zpracování se prodlužuje. Způsob, jakým je model terénu vytvářen, závisí nejen na účelu použití modelu, ale také na podkladech, ze kterých byl vytvořen, a na formátu modelu. 2.1 Podkladové materiály Prvním krokem při tvorbě digitálního modelu je výběr a získání dat. V úvahu přichází několik různých zdrojů. Jsou to: - digitální model terénu, - digitální katastrální data, vzniklá digitalizací mapových podkladů, - pozemní geodetická měření, - data z fotogrammetrických měření, leteckých či družicových snímků. Jsou li vybrána vhodná data, může se začít s modelováním. 2.2 Model terénu Nejdříve se vytvoří model terénu. Model terénu popisuje reliéf krajiny. Povrch se zobrazí jako plocha, tvořená pomocí sítě propojených bodů. Síť může být uspořádána pravidelně (oka sítě mají stejný tvar a velikost například pravidelná čtvercová síť) nebo nepravidelně (povrch se rozdělí na nepravidelné plošky různé velikosti například nepravidelná trojúhelníková síť TIN). Tato síť vznikne na základě různých bodů skutečného povrchu v závislosti na datech, která do modelu vstupují. U dat ze stereofotogrammetrických měření se používají výškové
3 body a terénní hrany, u digitalizovaných mapových podkladů se používají výškové body a vrstevnice. Po topologických kontrolách je pak generován model terénu. Výsledek je ovlivněn také použitým softwarem, protože každý program má i při zpracování stejných dat jiné metody a přístupy. Je rozdíl mezi tzv. CAD systémy a mezi GIS. Při modelování terénu a prvků v něm s větší podrobností a detailem, což bývají hlavně malá území, se lépe osvědčí CAD systémy, kde lze snadno upravovat jednotlivé objekty. Naopak GIS systémy se uplatní při modelování větších území s velkým počtem objektů a tam, kde není třeba detailní znázornění prvků, ale kde je cílem celková představa o daném území. 2.3 Modelování prvků a objektů na terénu Po vytvoření modelu terénu následuje modelování prvků a objektů v krajině. Konkrétně jde o vodstvo, vegetaci, komunikace, budovy, V závislosti na účelu modelu mohou být jednotlivé objekty znázorněny pomocí základních geometrických tvarů, které zjednodušeně vystihují realitu, nebo pomocí složitějších tvarů, které dostatečně přesně představují vnější vzhled objektu. Komunikace svým tvarem kopírují terén. Jde vlastně jen o to přizpůsobit jejich půdorys povrchu. Obdobné je to u vodstva. Tady je ale ještě nutno zajistit, aby hladina vodních ploch byla vodorovná a vodní toky netekly do kopce. Při modelování budov se vychází z půdorysu objektů. Půdorys se promítne kolmo na digitální model terénu, přiřadí se mu odpovídající výška a vytvoří se daný objekt (objekt vznikne vytažením půdorysu do určité výšky). Model zástavby může být různě složitý podle záměru tvůrce. Součástí modelování budov je také znázornění střech. To může být poměrně obtížné, protože tvary střech jsou velmi různorodé a často komplikované. Modely budov lze podle složitosti detailu a způsobu modelace rozdělit do tří skupin (Sukup, Kotolan 2002): - blokový model, - urbanistický model a - podrobný model budov.
4 Pro jednoduché vizualizační analýzy postačuje blokový model, budovy se zobrazí jako jednoduché 3D objekty (kvádr, krychle, ), které symbolicky nahrazují reálný tvar objektů, blok domů lze nahradit jedním tělesem. Pořizují li se data fotogrammetricky nebo pozemním měřením, stačí zaměřit obvodový polygon a jeden výškový bod na budově. Střechy se v tomto případě nezobrazují nebo se znázorní jen velmi zjednodušeně. Urbanistický model obsahuje více detailů. Jsou vyobrazeny jednotlivé budovy, které mají celkový tvar odpovídající skutečnosti. Zaměřuje se nejen obvod budovy, ale i obvod střechy budovy a členění charakteristických hřebenů a lomů střechy. Reálné tvary střech se nahradí pravidelnými prostorovými geometrickými tvary tak, aby byl model podobný realitě (obvykle se přitom neuvažuje stavební dělení budovy). Podrobný model se snaží kopírovat skutečnost co nejpřesněji. Vyžaduje podrobné zaměření tvaru budov a střešního krytu domů (včetně oken, balkonů, vikýřů, komínů, ). Střechy se pak vytváří jako složité, často nepravidelné útvary. Bodové prvky (například stromy, telefonní budky, lavičky, odpadkové koše, auta, ) se zobrazí pomocí jednoduchých 3D objektů, které daný prvek prezentují, a umístí se do určitého bodu na povrchu. Záleží opět na podrobnosti modelu. Takto vzniklé objekty sice odpovídají realitě jen v hrubých rysech, ale pro většinu modelů jsou plně dostačující. Jinou možností je umístit na místo objektu rastrový obrázek tohoto objektu. Les nebo skupiny stromů se nejčastěji zobrazí jako uzavřené plochy. Tyto plochy se opět promítnou na model terénu a vytáhnou se do určité výšky. 2.4 Vizualizace modelu města Celý model se doplní vhodnými barvami a texturami tak, aby se model co nejlépe blížil skutečnosti. Lze použít i skutečné snímky. To je vhodné zejména u významných objektů, které jsou obecně známé. Při vizualizaci se řeší také viditelnost, osvětlení a stínování modelu.
5 Vizualizace města může nabývat různých forem. Základními prostředky prezentace modelu jsou pohledy z různých míst na zástavbu, animace průjezdů ulicemi i průletů kolem objektů. 3. Postup při tvorbě digitálního modelu města Sušice V této kapitole se budu věnovat tomu, jak jsem postupovala při tvorbě modelu města Sušice. Model představuje jen část města (centrum a jednu čtvrť). Rozsah je ale podle mého názoru pro praktické předvedení postupu tvorby modelu plně dostačující. 3.1 Podkladové materiály pro model Sušice Nejdříve jsem se snažila získat potřebné podklady a data pro model. Data mi zapůjčil Český úřad zeměměřičský a katastrální. Základním podkladovým materiálem byla digitální vektorová mapa ZABAGED (vytvořená digitalizací Základní mapy ČR 1 : 10 000) ve formátu souboru s příponou dgn (formát využívaný programem MicroStation, který uchovává data v trojrozměrné podobě). Dalším použitým podkladem byla rastrová digitální Katastrální mapa 1 : 1 000 ve formátu souboru s příponou cit (formát rastrového obrázku). Tato mapa byla použita jako doplňkový podklad, protože pro toto území ještě nebyla zaktualizovaná a pochází z r. 1978. Z mapy jsem převzala některé půdorysy budov. Informace jsem čerpala také z vlastního pozorování a z fotografií města. 3.2 Model terénu Sušice Model terénu jsem vytvořila na základě vrstevnic s intervalem 2 m. Povrch je tvořen pomocí tzv. NURBS plochy (non uniform rational B spline). Tvar této plochy je určen kontrolní sítí bodů podle stanoveného parametru (řádu order). Výhodou takto definované plochy je, že může být snadno změněn jakýkoliv bod kontrolní sítě a změna ovlivní jen omezenou část povrchu. 3.3 Modelování prvků a objektů na terénu města Sušice Po dokončení modelu terénu jsem začala s modelací prvků krajiny. Model obsahuje tyto prvky a objekty: vodní toky, komunikace, budovy se střechami, mosty, stromy a lesní plochy.
6 Při modelování vodního toku jsem zvolila následující postup. Tvar vodního toku vychází z tvaru břehovky. Podle tohoto obrysu jsem vytvořila průsečík řeky s povrchem a jeho hrany jsem použila na vytvoření plochy představující řeku. Do povrchu jsem pak vyřízla otvor tam, kde se řeka nachází. Komunikace kopírují svým tvarem tvar modelu terénu. Pro jejich tvorbu jsem použila jejich obrys, podle kterého jsem oddělila povrch komunikací od ostatního povrchu. Mosty jsou nad řekou zobrazeny pomocí jednoduchých geometrických tvarů, přizpůsobených povrchu. Při modelování budov jsem použila nejen data ZABAGED, ale i katastrální mapu jako rastrový podklad, protože v ZABAGED nejsou bloky domů rozlišeny na jednotlivé budovy. Katastrální mapu jsem nejprve upravila afinní transformací pomocí identických bodů a bloky domů jsem překreslila na jednotlivé budovy. Půdorys objektů jsem pak přizpůsobila povrchu. Budovy vznikly vytažením půdorysu do odpovídající výšky. Protože se mi nepodařilo získat výškové údaje budov, odhadovala jsem jejich výšku podle počtu pater. Poté, co byly budovy hotovy, jsem pokračovala s modelováním střech. Střechy jsem vyráběla tak, že jsem půdorysy domů umístila na jejich horní části a vytáhla do určité výšky. Postranní části takto vzniklých těles jsem pak sklopila pod určitým úhlem (30 45 ) podle toho, jaký tvar střechy měl vzniknout. Tvary střech jsou zjednodušeny a nemusí přesně odpovídat skutečnosti, protože byly vytvořeny na základě fotografií a vlastního pozorování a protože nebyly zahrnuty detaily. Lesní plochy jsem vytvořila vytažením obrysu do určité výšky (18 m) a vzniklé těleso jsem ještě upravila zakulacením ostrých horních a postranních hran. Celý model jsem se snažila osázet stromy tak, aby se porost svým vzhledem blížil zahradám, sadům, alejím a parkům. Stromy jsem vytvořila z jednoduchých těles: kmen stromu jako válec a koruny stromů jako koule, válce a jehlany se zaoblenými hranami. 3.4 Vizualizace modelu města Sušice V poslední fázi tvorby modelu města jsem prvkům a objektům přiřadila odpovídající barvy a textury, které modelu dodají realističtější vzhled, a přidala jsem také pozadí modelu.
7 Zároveň je vhodné také definovat světlo. Model jsem osvětlila sluncem. MicroStation dovoluje přiřadit modelu zeměpisnou šířku a délku, datum a čas a podle těchto parametrů vypočte výsledné osvětlení. Modelu jsem tedy přiřadila zeměpisné souřadnice Sušice. Většina snímků a animací odpovídá 11 hodině 9. 5. 2003. Model byl při modelování zobrazen jako tzv. drátový model (vypadá jako změť čar). Pro vizualizaci je nutné provést rendering neboli stínování. Program MicroStation nabízí několik druhů s různou složitostí. Ty jednodušší vypadají méně realisticky, jejich výhodou je však rychlost renderování. Patří k nim skryté hrany, vyplněné hrany, konstantní stínování, hladké (Gouraudovo) a Phongovo stínování (Hidden Line, Filled Hidden Line, Smooth, Phong shading). Složitější typy renderování slouží pro fotorealistické vyobrazení modelu a jejich zpracování trvá déle. K nim patří RayTracing, radiosita a sledování částic (RayTracing, Radiosity, Particle Tracing). Ukázky některých z nich jsou uvedeny v Příloze. Pro většinu obrázků jsem použila Phongovo stínování a RayTracing a pro většinu animací Phongovo stínování. U rozsáhlých modelů totiž kvalitnější stínování neúměrně prodlužuje dobu zpracování a zvyšuje nároky na paměť. Součástí této práce je přiložený CDROM se snímky a animacemi. CD obsahuje také soubor susice.dgn s modelem Sušice. Soubory s příponou DGN je možné uložit i v jiných formátech. Program umožňuje konverzi dat do formátů: - DXF a DWG (AutoCAD), - IGES (Initial Graphics Exchange Specification ANSI standard, neutrální formát souboru, sloužící jako mezinárodní standard výměny dat mezi různými CAD/CAM systémy), - XMT (Parasolid), - ACIS SAT, - CGM (Computer Graphics Metafile ANSI standard pro výměnu obrazových dat mezi různými grafickými programy), - STEP AP203/AP214 (Aplication Protocols, mezinárodní standardy), - VRML (Virtual Reality Modeling Language). Program ArcView je schopen přečíst přímo soubor s příponou dgn.
8 V souboru susice.dgn nejsou zahrnuty tabulky barev a materiálů. K tomu je potřeba vytvořit tzv. archiv, což se mi ale nepodařilo.
9 4. Závěr Tato ročníková práce se zabývala tvorbou digitálního modelu města. Během vypracovávání jsem se naučila mnoho nového, zejména jsem poznala, jaké jsou rozdíly mezi klasickými GIS programy a CAD programy. Také jsem si uvědomila, že tvorba podrobného modelu města je poměrně složitá záležitost. Klade vysoké nároky nejen na čas, ale i na technické vybavení počítače. S dalším rozvojem počítačové techniky a softwaru bude možné vytvořit stále dokonalejší a detailnější modely krajiny s menším úsilím. Bylo by velmi zajímavé toto téma dále rozvíjet a propojit model s informační databází, zabývat se automatickou tvorbou modelu nebo dalšími možnostmi vizualizace.
10 Seznam použité literatury: 1) Kolejka, Jaromír: Digitální model krajiny jako integrovaný databázový nástroj, http://gis.vsb.cz/publikace/sborniky/gis_ova/gis_ova_2002/sbornik/referaty/kolejkar. htm, 30. 10. 2002 2) Xu, X. Műller, K. R. Lorber, G.: Von 2D und 2,5D GIS-Daten bis zum 3D Stadtmodell, přeložil Šimek, J., http://www.vugtk.cz/nzk/c3-97/muller.htm, 30. 10. 2002 3) Šindelář, Vladislav: Digitální model terénu 1. a 2. část, http://www.grafika.cz/art/3d/, 19. 11. 2002 4) Tomiga, Jan: 3D model města Přerova, http://www.geoinfo.cz/h/gisajehouziti/ar.asp, 3. 11. 2002 5) Sukup, Karel Kotolan, Jaroslav: Digitální model CyberCity, Computer Design 3/2002, str. 42 44 6) Sýkora, Petr: MicroStation V8: podrobná příručka, Computer Press, Praha, 2001 7) Help programu MicroStation V8
11 Příloha 1: Vektorová data ZABAGED
12 Příloha 2: Pohled na model od západu Pohled na model od východu
13 Příloha 3: Pohled na část náměstí
14 Příloha 4: Pohled na část města srovnání různých způsobů stínování Hidden Line Rendering Filled Hidden Line Rendering Constant Rendering Smooth Rendering Phong Rendering RayTracing
15 Příloha 5: Srovnání modelu se skutečností kaple Anděla Strážce v Sušici
16 Příloha 6: Srovnání modelu se skutečností náměstí, Sušické muzeum