МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. Л О М О Н О С О В А РОССИЙСКАЯ А К А Д Е М И Я ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
А. М. БЕРЛЯНТ
ВИРТУАЛЬНЫЕ ГЕОИЗОБРАЖЕНИЯ
МОСКВА НАУЧНЫЙ МИР 2001
УДК 528.91 ББК 26.17 Б49 Берлянт A.M. Виртуальные геоизображения. 2 цв. вкл.
М.: Научный мир, 2001. 56 е.:
I S B N 5-89176-106-8 Виртуальное моделирование и картографирование - одно из новых направле ний внедрения геоинформационных технологий в науки о Земле и смежные с ними социально-экономические науки. Виртуальные геоизображения воспроизводят ре альные или абстрактные объекты и ситуации в программно-управляемой среде и обес печивают интерактивное взаимодействие с наблюдателем. Они сочетают в себе свой ства карт, космических снимков, блок-диаграмм и компьютерных анимаций. Погру жаясь в виртуальную среду, исследователь получает полную иллюзию полевых наблюдений и непосредственного доступа к объектам разного размера - от неболь ших участков местности д о всей планеты. Рассказано о свойствах виртуальных геоизображений, сферах их применения, о перспективах развития геоинформационного картографирования
У Д К 528.91 ББК 26.17
Публикуется при финансовой поддержке Российского фонда фундамен тальных исследований (проект №99-05-64866), Программы поддержки Ведущих научных школ (грант №00-15-98510) и программы «Универси теты России - Фундаментальные исследования»
Berlyant A.M. Virtual Geoimages. - Moscow: Scientific World, 2001. - 56 p. Virtual modeling and mapping technology is a breakthrough in Geoscience and adjacent social and economical disciplines. Virtual geoimages reflect both real and abstract objects/ situations in a program-controlled environment that support interaction with an explorer. Virtual geoimages integrate the properties of maps, as well as space images, block-diagrams and computer animations. Plunging into the virtual environment the explorer has whole illusion of a field research complemented by a direct access to objects of different size - from small areas to the planet as a whole. The features of virtual geoimages, the scope of their use, and the future trends of the geoinformational mapping are discussed.
I S B N 5-89176-106-8
© Б е р л я н т A . M . , 2001 © Научный мир, 2001
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Что есть карта? В 1996 году в известном международном картографическом жур нале «Cartographica» б ы л о о п у б л и к о в а н о л ю б о п ы т н о е исследование Дж. Эндрюса [19], рассмотревшего с лексико-графических позиций поня тие и определение «карта». Пользуясь словарями, энциклопедиями, глос сариями, учебниками, м о н о г р а ф и я м и и статьями, помещенными в гео графическими картографических периодических изданиях, он собрал и проанализировал 321 определение к а р т ы . Временной охват составил по чти два с п о л о в и н о й столетия - с 1649 по 1996 годы. Оказалось, что чаще всего к л ю ч е в ы м и словами в этих определениях были: • к а р т а - это изображение (205 определений) • к а р т а - э т о чертеж или п л а н - ( 1 5 0 ) • к а р т а - это изображение части или всей земной поверхности (144) Проявились разные трактовки: научная, популярная, картографичес кая и философская. Естественно, что наиболее употребительными оказа лись о п р е д е л е н и я к а р т ы , п р е д л о ж е н н ы е в X X веке, и в о с о б е н н о сти то из них, к о т о р о е было принято и закреплено Международной к а р тографической ассоциацией ( М К А ) . В Многоязычном словаре технических терминов картографии, издан ном в 1973 году Комиссией М К А , по определению, классификации и стан дартизации картографической терминологии зафиксирована такая де финиция: карта - уменьшенное, обобщенное изображение поверхности Земли, других небесных тел или небесной сферы, построенное по матема тическому закону на плоскости и показывающее посредством условных знаков размещение и свойства объектов, связанных с этими поверхностя ми [17, с.7]. Это определение близко к тому, которое долгое время ис пользовалось в отечественных университетских учебниках по картогра-
фии, и это не удивительно, поскольку в те i оды Президентом М К А был советский к а р т о г р а ф К.А. Салищев, к о т о р ы й редактировал русские тол кования терминов и написал предисловие к многоязычному словарю. Отметим, что немецкое, ант лггйское, испанское и французское определе ния имеют иные редакции. Через двадцать с лишним лег 10-я Генеральная ассамблея М К А при няла несколько иное, как тогда подчеркивалось, рабочее определение: карта - таковое изображение географической реальности, отображаю щее отдельные ее особенности или характеристики как результат твор ческого авторского отбора и предназначенное для использования в тех случаях, когда пространственные отношения имеют первостепенное значение [33, с.1]. Это определение -результат многолетних усилий Комиссии М К А , дискуссий в печати и на международных форумах. Это итог обобщения разных мнений и многих концептуальных и лексических компромиссов. В таких случаях результат не всегда бывает оптимален: компромиссы противопоказаны научным дефинициям. Но зато в приведенном опреде лении отражен типичный, обобщенный, если м о ж н о так сказать, «усред ненный» взгляд на карту. Обратим внимание н а некоторые особенности этого взгляда. Они будут полезны в дальнейших рассуждениях о виртуальном картографи ровании. В определении зафиксированы следующие важные моменты: • знаковость (символыюсть) картографического изображения • отображение географической реальности • субъективный творческий характер этого отображения • приоритет пространственных отношений В то же время, в определении отсутствуют упоминания о том, что карта: • построена по особому математическому закону • может о т о б р а ж а т ь не т о л ь к о географическую реальность, но и географические абстракции, мысленные и даже фиктивные объек ты • способна представлять не только пространственные, но и дина мические ситуации, их изменения во времени • может содержать снимковое (фотографическое) изображение или его элементы. Ясно, что определение М К А зафиксировало устоявшийся традици онный взгляд на карту, характерный для докомпьютерного этапа раз вития к а р т о г р а ф и и в середине п р о ш л о г о столетия. В этом есть опре деленный резон: мол, техника и технология меняются, а сущность карты
остается неизменной. Поэтому оправдано поставить вопрос о том, изме нила ли компьютеризация картографическое изображение, а если изме нила, то в чем и насколько существенно? Попробуем в самом общем виде обозначить этапы компьютериза ции картопэафии, учитывая, что всякая периодизация условна, а кроме того, в р а з н ы х странах процессы внедрения компьютерных технологий шли асинхронно и неравномерно. 1- й этап -упростить и ускорить. Интенсивное внедрение автомати зации в к а р т о г р а ф и ю , как и во все другие отрасли науки и техники, отве чало стремлению о б л е г ч и т ь т р у д о е м к и е р а б о т ы , в данном случае картосоставление. Н а первых порах речь шла об автоматическом пост роении к а р т о г р а ф и ч е с к и х сеток, г е о г р а ф и ч е с к и х основ, значков, об интерполяции изолиний, составлении простых картограмм и картодиа грамм. Негласным девизом первого этапа автоматизации в картографии быжГ - упростить и ускорить передачу и н ф о р м а ц и и . К а р т о г р а ф и р о вание выполнялось по сравнительно несложным алгоритмам, с помощью автомагических графопостроителей и а л ф а в и т н о - ц и ф р о в ы х печатаю щих устройств ( А Ц П У ) . П о качеству к а р т ы заметно уступали традици онным. 2-й этап - имитировать традиционные карты. Вскоре на первый план вышло требование - изготовлять к а р т ы , не уступающие по качеству тра диционным. Компьютеризация (этот термин занял место термина авто матизация) была нацелена на полную и м и т а ц и ю ручных процессов, а компьютерные к а р т ы и атласы стали п о д р а ж а т ь бумажным, ни в чем не уступая им. 3- й этап - интеграция опыта. Н а этапе геоинформационного картог рафирования стало очевидным, что прогресс не исчерпывается одной технологией. Необходимо максимально использовать достижения тра диционного картосоставления, включая методы географической локали зации, правила генерализации, приемы взаимного согласования инфор мационных слоев - одним словом, весь о п ы т проектирования и составле ния к а р т , н а к о п л е н н ы й в е к о в ы м р а з в и т и е м к а р т о г р а ф и и . П а р а д о к с состоит в том, что быстрый прогресс технологий и кажущаяся их доступ ность без основательной о п о р ы на содержательные географо-картографические представления не улучшает, а даже ухудшает дело. П о р о й ка жется, что к а р т ы создают некие акселераты, вооруженные мощными тех ническими средствами, но не о б л а д а ю щ и е р а з в и т ы м интеллектом и необходимым знаниями. 4-й этап-сделать лучше. Внедрение специализированных геоинфор мационных технологий, электронного цветоделения и электронных из-
дагельских систем в составление, подготовку к изданию и издание к а р т обеспечили заметное усовершенствование процессов их изготовления. В сочетании с опытом т р а д и ц и о н н о й картографии это позволило изготав ливать произведения более высокого*качества. Они стали точнее в гео метрическом отношении, более разнообразны по цветовому, штрихово му, полутоновому оформлению, по яркому дизайну. 5-и этап - сделать по другому. Одновременно с усвоением традици онного опыта геоинформационное картографирование постепенно выш ло на н о в ы й уровень. Сегодня к а р то графы-гео информатики все чаще задумываются о создании произведений, отличающихся от традицион ных к а р т и атласов. В самом деле, должна ли электронная карта подра жать бумажной? Следует л и копировать традиционные средства изобра жения? Д о л ж н а ли к а р т а всегда оставаться плоской? Должна ли она вос производить лишь статичные временные срезы? Все это риторические вопросы. Известно, что трехмерное цифровое моделирование позволяет строить объемные изображения, а анимации п р и д а ю т к а р т а м так необходимый им динамический аспект. Но есть воп росы, ответы на к о т о р ы е не столь очевидны. Должен ли читатель всегда быть над картой, видеть ее сверху, как план, или есть смысл находиться на карте, рассматривая местность в перспективе и в пределах кругозора? Насколько оправдан п о л н ы й или частичный отказ от символьного изоб ражения и переход к изображению портретному, фотографическому, то есть к фотокарте? И наконец - можно ли показывать на карте местность, игнорируя состояние окружающей среды, например, время года, солнеч ное освещение, погодные условия? И здесь приходится возвратиться к вопросу, с которого были начаты эти рассуждения - «что есть карта?». Можно ли считать к а р т о й трехмер ное, движущееся и портретно схожее с местностью изображение? Ш о т л а н д с к и й к а р т о г р а ф Д . Ф о р р е с т [30] п р е д п р и н я л п о э т о м у п о воду специальное тестирование, в котором опирался на исследование Д ж . Эндрюса. Испытуемым - студентам-географам - было предъявлено 26 слайдов, включавших к а р т ы , планы, перспективные снимки, фотокар ты, космические снимки, диаграммы, блок-диаграммы и п а н о р а м ы . Раз глядывая каждое изображение не более 5 секунд, испытуемые должны были ответить на вопрос, какие из этих изображений являются картами, а какие - нет. О к а з а л о с ь , что б о л ь ш и н с т в о участников эксперимента совсем не ожидали увидеть на картах фотоизображение, они не сочли картами сним к и и даже о р т о ф о т о к а р т ы с нанесенными на них горизонталями. Кроме т о г о , м н о г и е и с п ы т у е м ы е не п р и з н а л и к а р т а м и т р е х м е р н ы е и з о -
бражения, а также рукописные к а р т ы . Но зато все участники экспери мента единодушно назвали картами традиционные физические к а р т ы из атласов и планы городов. Важнейшим «картографическим» признаком для них оказались условные знаки и надписи. По мнению автора иссле дования, у большинства читателей традиционный взгляд на карту явно преобладает н а д научным.
19-я Международная картографическая конференция Представление о том, как развиваются методы и технологии картог рафии и как вслед за ними меняются представления о карте, д а ю т все мирные картографические конференции. Они проводятся Международ ной картографической ассоциацией раз в два года и довольно точно от р а ж а ю т уровень развития картографии в мире, демонстрируют ключевые, «ударные» направления теоретических и технологических р а з р а б о т о к . В самом конце прошлого века, в августе 1999 года в Оттаве состоялась 19-я картографическая конференция М К А , где одной из центральных тем стали технологии виртуального картографирования. Случилось так, что Международная картографическая конференция п р о х о д и л а в О т т а в е во в т о р о й р а з . Впервые это б ы л о в 1972 году, то есть немного более четверти века тому назад. Это была 6-я конферен ция. Н а ней К.А. Салищевым и A . M . Берлянтом был представлен заглав ный доклад, посвященный картографическому методу исследова ния [42]. Тогда это звучало как новое слово в теории и методике к а р т о графии. Н а последующих международных форумах М К А на первый п л а н выступали п р о б л е м ы математико-картографического моделирования, или «аналитической картографии», картографической коммуникации, ЭВМ-картографирования, использования данных дистанционного зон дирования и другие. 17-я конференция, состоявшаяся в 1995 году в Барсе лоне, показала, что основные интересы картографической науки и п р о изводства переместились в область Г И С и геоинформационного картог рафирования. А еще через два года в Стокгольме на 18-й конференции красной нитью п р о ш л а тема внедрения в к а р т о г р а ф и ю средств телеком муникации и соединения ГИС-технологий с Интернетом. Интеграция новейших технологий идет стремительно. За последние два-три года И н т е р н е т - к а р т о г р а ф и р о в а н и е стало п р и в ы ч н ы м делом. На р ы н к е компьютерных технологий появилось новейшее а п п а р а т н о программное обеспечение для картографических Интернет-серверов и
Интернет-ГИС, а средства мультимедиа вошли в повседневную практи ку. Кардинальные изменения произошли в геодезическом обеспечении картографирования: глобальные позициониругощие системы (GPS ГПС) стали основным средством привязки не только наземных наблюдений, но и данных аэрокосмических съемок. А высокоточная цифровая фото грамметрическая обработка радиолокационных снимков оказалась од ной из наиболее эффективных технологий создания топографических, тематических к а р т и цифровых моделей местности. Таким образом, очевидно, что изменения затронули основные ком поненты картографирования: способы сбора данных, методы проекти рования, составления, представления и распространения карт, а также заметно повлияли на требования пользователей к картографической ин формации. Многие новейшие достижения к а р т о г р а ф и и и смежных дисциплин сфокусировались в идее и технологии создания виртуальной реальности. Началось формирование нового направления - виртуального моделирова ния и картографирования. На 19-й международной к а р т о г р а ф и ч е с к о й конференции это направление оказалось представлено чрезвычайно ши р о к о и разнообразно в докладах, стендовых сообщениях, в новых про граммных пакетах, р а з р а б о т а н н ы х крупнейшими фирмами, в демонст рационных версиях, в изобилии представленных на технической выстав ке, в электронных атласах и туристских путеводителях. Слова «отображение виртуальной реальности» звучали к а к девиз очередного этапа развития современной картографии. За исторически к о р о т к и й срок между 6-й и 19-й конференциями в Оттаве, картография существенно преобразилась. В третье тысячелетие она вступила оснащенной передовыми компьютерными технологиями, обновленной и глубоко интегрированной отраслью науки и техники. Она востребована во многих сферах деятельности общества. В ней сформиро вались новые концептуальные представления, связанные с общей теори ей геоизображений, геоинформационным картографированием, языком карты, картографической семиотикой и др. Пожалуй, символично, что последняя в X X веке Международная к а р тографическая конференция состоялась в Канаде - стране, занимающей передовые позиции в к а р т о г р а ф и и и геоинформатике. Д у м а л ли кто-ни будь двадцать семь лет тому назад, что к а р т ы , атласы и даже глобусы будут создаваться в компьютерных сетях? М о г л и л и а в т о р ы доклада о картографическом методе исследования предполагать столь кардиналь ное его изменение и полное сращивание с методами создания к а р т в рам ках геоинформационных технологий? Нет сомнений, что будущее разви-
I пс картографии преподнесет еще много методических неожиданностей, оригинальных технологий, предсказать к о т о р ы е сегодня практически невозможно.
Сущность виртуального изображения Наверняка, не все, кто употребляет этот быстро ставший популяр ным термин, вполне точно его понимают. Многие просто связывают его с компьютерными построениями, считая, что «виртуальная реальность» примерно означает «компьютерную реальность», гак сказать, то, что создано хитроумными электронными технологиями и находится где-то меж ду н а у ч н о й ф а н т а с т и к о й и р е а л ь н о й д е й с т в и т е л ь н о с т ь ю . В о просы, заданные автором этих строк многим отечественным и зарубеж ным специалистам, р а б о т а ю щ и м в области виртуальных технологий, показали, что чаще всего виртуальное изображение понимается как изоб ражение, построенное с помощью Г И С , а иногда виртуальное моделиро вание напрямую связывают с мультимедийными технологиями. По-английски «virtual» означает «фактический», «действительный» в смысле, близком к слову «реальный». А в о т с французского «virtuale» переводится как «возможный», «потенциальный», a «virtualite» означает «скрытую в о з м о ж н о с т ь » . В р у с с к о м я з ы к е п о н я т и е « в и р т у а л ь н ы й » толкуют к а к не существующий, но «возможный», «способный к дей ствию». Научный термин «виртуальный», употребляемый в физике, филосо-. фин, логике и инженерной психологии, компьютерной графике, также имеет несколько смысловых оттенков: 1) возможный, потенциальный; 2) не существующий, но способный возникнуть при определенных услови ях; 3) временный или непродолжительно существующей; 4) не реальный, но такой же, как реальный, неотличимый от реального. В некоторых работах прямо указывается, что виртуальная реальность представляет собой «искусственно созданный мир путем подмены окру жающей действительности информацией, генерируемой компьютером» [Н, с. 193]. При этом непременно в интерактивном режиме имитируется «погружение» человека в этот искусственный «параллельный» м и р . Для обеспечения интерактивного взаимодействия изобретены даже особые шлемы-дисплеи, позволяющие видеть виртуальный мир стереоскопичес ки и с и н х р о н н о ф и к с и р о в а т ь с о с т о я н и е и р е а к ц и и н а б л ю д а т е л я . В технической практике существуют различные тренажеры и манипуля торы (например, специальные перчатки), с п о м о щ ь ю к о т о р ы х м о ж н о
«брать в руки» искусственно созданные объекты и управлять их положе нием, передавая на мониторинговое устройство импульсы от движения рук и пальцев [8]. Видный американский к а р т о г р а ф Гарольд Моельринг одним из пер вых ввел понятие «виртуальная карта» [37-39], противопоставив его «ре альной карте». Различия между ними определяются двумя признаками: во-первых, в о з м о ж н о с т ь ю непосредственно видеть картографическое изображение и, во-вторых, материально осязаемой формой существова ния к а р т ы . В соответствии с этими признаками были выделены четыре типа карт: • Реальная карта (R) любая видимая карта, постоянно существу ющая в материальной форме (при этом не важно, создана она вруч ную, механически или с п о м о щ ь ю компьютерных средств) • Виртуальная к а р т а 1-го типа (V-1) - непосредственно видимое изображение, но временно существующее только в электронной форме на экране компьютера • Виртуальная карта 2-го типа (V-2) постоянно и реально суще ствующая, но невидимая карта, для визуализации к о т о р о й необ ходимы дополнительные преобразования • Виртуальная карта 3-го типа (V-3) - карта, не принадлежащая ни к одному из названных выше типов, но полностью готовая к пре образованию в л ю б о й из типов. Далее Моельринг [39] указал возможные преобразования (переходы) между р а з н ы м и т и п а м и карт. Он назвал их «тоблеровскими преобразо ваниями», по имени Уолдо Тоблера, разработавшего теорию аналити ческих картографических преобразований: R —> R - обычная обрабо пса к а р т R —• V-1 - цифрование пространственных данных и их хранение в цифровой базе данных V-1 —> R - получение копии к а р т ы с экрана компьютера V-3 —• R - вычерчивание к а р т ы на графопостроителе по цифровым данным V-3 —» V-1 - в ы в о д к а р т ы на экран по д а н н ы м , хранящимся на жест ком диске компьютера V-1 —* V-3 - редактирование на экране пространственных данных, хранящихся на жестком диске V-2 —> V-3 - считывание цифровых данных с C D - R O M и хранение их в памяти компьютера V-3 —> V-3 - математические преобразования цифровых простран ственных данных, хранящихся в памяти компьютера.
Таким образом, виртуальность к а р т ы в трактовке Моельринга свя зывается л и ш ь с реальностью ее существования и способом визуализа ции. В настоящее время понимание виртуального изображения претер пело значительные изменения. Средства геоиформационного картогра фирования позволяют визуализировать виртуальное изображение, применяя прежде всего эффекты трехмерности и анимации. Именно они создают иллюзию присутствия в реальном пространстве и интерактив ного взаимодействия с ним [25, 40]. В недавно вышедшем Толковом словаре основных терминов по гео информатике термин «виртуальная реальность (virtual reality, VR)» трак туется к а к «искусственная действительность, во всех отношениях подоб ная п о д л и н н о й и с о в е р ш е н н о о т нее н е о т л и ч и м а я . П р и этом между искусственной действительностью и воспринимающим ее человеком об разуется двусторонняя связь» [9, с. 27]. Таким образом, поучается, что виртуальная реальность - это некое искусственное построение, модель объекта или ситуации, которая позво ляет взаимодействовать с этим объектом или ситуацией, управлять ими, проигрывать какие-то задачи и принимать решения. Из теории и практики картографии хорошо известно, что всякая карта (да и вообще, всякое геоизображение) - это модель. С помощью картог рафических моделей исследуют реальные объекты, процессы и связи, ви зуализируют научные абстракции, п р о ш л ы е (например, палеогеографи ческие) условия и будущие ситуации, на основе моделей планируют сра жения и п р и н и м а ю т управленческие р е ш е н и я . К а р т ы способны моделировать невидимые объекты (например, поверхность М о х о р о в и чича) и явления, не воспринимаемые органами чувств человека (напри мер, магнитное склонение). Наконец, известны к а р т ы вообще не суще ствующих объектов, с к о т о р ы м и можно свободно оперировать. Таковы к а р т а Земли С а н н и к о в а или Таинственного острова, где во всех подроб ностях представлена искусственная (научно-фантастическая) действитель ность, вымысел, небылица, фикция, но с очень правдоподобными дета лями: орографией и гидрографией, растительным покровом и климатом, даже с подробнейшей т о п о н и м и к о й - и все это «совершенно неотличи мо» от реальности. Выходит, к а р т о г р а ф и я давно имеет дело с виртуальными изображе ниями. Ведь способность моделировать объекты и процессы составляет одно из самых сильных эвристических свойств карты. Она опирается на Фундаментальный п р и н ц и п подобия и реализуется в формах геометри ческого, временного подобия и подобия отношений. Тогда что же та|кое виртуальная модель? В чем кроется разница между нею и обычной г
картографической моделью, воссоздающей реальную действительность или вымышленную ситуацию? Где пролегает граница, отличающая при вычную карту от виртуальной? Попробуем назвать четыре свойства, объясняющие эти различия: • компьютерная генерированностъ виртуальной модели, сочеташте в одном геоизображении свойств карты, перспективного снимка, блок-диаграммы и анимации • возможность про1раммного управления этим синтезированным геоизображением • интерактивное взаимодействие с самим геоизображением и окру жающей его виртуальной средой • уменьшение свойств знаковое™ и условности геоизображения, придание ему черт реалистической «портретное™» и «натураль ности» Можно считать, таким образом, виртуальное геоизображение - это особая пространственно-временная модель реальных или абстрактных объектов и ситуаций, формируемая и существующая в программно-управ ляемой среде и создающая возможность для интерактивного взаимодей ствия с наблюдателем. Как любое геоизображение, оно предстает в гра фической образной форме, имеет проекцию, масштаб и обладает свой ством генерализованности. Некоторые исследователи [26] особенно подчеркивают отказ от услов1гых знаков, что, по их мнению, придает виртуальным геоизображе ниям «натуральность», ускоряя и улучшая процесс коммуникации про странственной информации. В самом деле, «реалистичность» виртуаль ной модели и о к р у ж а ю щ е й ее среды бросается в глаза прежде всего. Однако при детальном рассмотрении оказывается, что это вовсе не са м ы й существенный признак. Более того, во многих случаях виртуальная портретность и условно-знаковые свойства к а р т удачно сочетаются и д о п о л н я ю т друг друга. Особая наглядность и выразительность виртуальных геоизображе ний п р о в о ц и р у ю т еще один вопрос - являются ли они лишь средством к о м п ь ю т е р н о й презентации данных или инструментом исследования? Необходимы они для реалистичного представления картографируемого объекта или для углубленного его изучения? На самом деле подобные противопоставления неправомерны. Столь же странно прозвучал б ы вопрос о том, являются ли комплексные атласы способом представления г е о г р а ф и ч е с к о й и н ф о р м а ц и и или средством исследования? М а к с и мально наглядное и возможно более точное отображение объекта или процесса, конечно же, способствует наилучшему пониманию его м о р ф о -
логии и генезиса, а следовательно, значительно п о в ы ш а е т эвристиче ский потенциал исследования. По внешнему виду к виртуальным моделям д о в о л ь н о близки фо т о п а н о р а м ы . Они предельно реалистичны, но, кончено, не создают воз можности интерактивного взаимодействия с ними. Схематично можно представить, что в и р т у а л ь н ы е г е о и з о б р а ж е п и я находятся где-то по средине на оси «условно-знаковые к а р т ы реалистические ф о т о п а норамы»: Карты <=> виртуальные модели <=> фотопанорамы Пример, иллюстрирующий это положение, представлен на рисун ке 1 (вклейка), где показаны карта и фотопанорама территории Москов ского университета на Воробьевых горах. Можно считать, что виртуаль ные модели в определенной степени сочетают достоинства того и друго го изображения.
Сферы применения виртуальных моделей Виртуальные модели и технологии сегодня широко используют в раз ных отраслях науки, практики и бизнеса. Наибольшее применение они получили в следующих сферах: • архитектура, инженерное проектирование, гражданское, д о р о ж ное и гидротехническое строительство • воздушный, водный, наземный, подземный транспорт и навига ция • создание тренажеров • моделирование катастроф и чрезвычайных ситуаций, в том чис ле с применением робототехнических устройств • военные учения • обучение и образование • медицина, в особенности хирургия • кино, телевидение и реклама • художественный дизайн, презентации • компьютерные игры, индустрия развлечений Область приложения виртуальных технологий неуклонно р а с ш и р я ется, новейшие достижения компьютеризации быстро находят в них при менение. По маркетинговым оценкам, доходы в этой сфере ежегодно возрастают примерно на 60%, и это почти в 3 раза больше, чем в других о граслях информатики.
ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ ВИРТУАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Опыт традиционной картографии Все новейшие технологии, используемые в геоинформационном к а р тографировании, имеют глубокие корни. П р о т о т и п о м современных Г И С безусловно являются географичес кие атласы - геоинформационные системы докомпьютерной эпохи, име ю щ и е много общего с современными Г И С . В тех и других и н ф о р м а ц и я представлена в виде картографических слоев, взаимно увязанных и пред назначенных для совместного анализа. Известные принципы создания атласов - ограничение числа используемых проекций и м а с ш т а б о в , со гласование базовых к а р т и географических основ, увязка ш к а л и легенд, единство подходов к генерализации, общность изобразительных средств и дизайна, взаимное согласование к а р т - все они остаются справедливы и для Г И С . Очень важно и целесообразное ограничение количества картслоев р а ц и о н а л ь н ы м их н а б о р о м . П р о е к т и р о в а н и е и и с п о л ь з о в а н и е современных Г И С во многом опираются на опыт комплексного атлас ного к а р т о г р а ф и р о в а н и я [4, 14, 18]. А н и м а ц и о н н ы е к о м п ь ю т е р н ы е технологии также ведут н а ч а л о от т р а д и ц и о н н ы х приемов динамического к а р т о г р а ф и р о в а н и я , к о г д а на одной или на серии к а р т фиксируют состояния объектов в р а з н ы е м о менты или периоды времени. Для показа динамики объектов и процес сов применяют стрелки-векторы, ленты движения, «нарастающие» зна ки и д и а г р а м м ы , расширяющиеся контуры ареалов, изолинии скорос тей изменения явлений и т. п. Н о в ы м и очень популярным средством комплексного к а р т о г р а ф и р о в а н и я в последние годы стали мультимедиа. Они позволяют хранить и совместно воспроизводить не только картографическую, но и иную
i рафическую информацию, трехмерные изображения, аэрокосмические снимки, тексты, звуки. Большие объемы видеоинформации в сочетании с аудио- и текстовым сопровождением (до 650 М б а й т и более) записы вают на компакт-диски (CD-ROM) и с н а б ж а ю т гиперссылками, обеспе чивающими удобный переход от к а р т к текстам, снимкам и обратно или совмещение их на экране. Этим достигается полное и разностороннее представление об объекте. Мультимедиа тоже имеют корни в произведениях традиционной к а р к м р а ф и и , где давно и весьма детально р а з р а б о т а н ы принципы и приемы оптимального сочетания к а р т с текстом, размещения в атласах геогра фических описаний, сведений о каргах, пояснений и методических указа ний по их использованию [13]. Комплексные а т л а с ы - э т о бумажные про образы мультимедиа, они обильно насыщены аэро- и космическими сним ками, ф о т о г р а ф и я м и . В них реализовано тематическое и структурное согласование, карты увязаны с текстами и снимками, размещенными в разных разделах, продуманы организация, поиск и доступность разных документов. В настоящее время эти н а р а б о т к и оказались напрямую во стребованы при создании картографических мультимедийных компактдисков [6]. Не стало неожиданным в к а р т о г р а ф и и и появление в и р т у а л ь н ы х изображений. Стереомодели, к о т о р ы е используют при дешифрировании и цифровой фотограмметрической обработке снимков для построения цифровых моделей рельефа, составляют основу виртуальных геоизоб ражений, хотя они, конечно, не п р о г р а м м н о управляемы. Анаглифические карты и снимки, физиографические к а р т ы , блок-диаграммы и фото б л о к - д и а г р а м м ы - несомненно м о ж н о р а с с м а т р и в а т ь как п р о о б р а з ы виртуальных геоизображений. Они сделались таковыми, как т о л ь к о ста ли программно управляемыми. М о ж н о сказать определеннее: эффект виртуальности возникает тогда, когда трехмерное геоизображение ста новится программно управляемым. Назовем основные положения традиционного к а р т о г р а ф и р о в а н и я , которые сохраняют значение при п р о е к т и р о в а н и и и создании вирту альных геоизображений: • правила подбора, оценки и оптимального сочетания р а з н ы х ис точников информации • разработка п р о г р а м м ы (сценария), макета, алгоритмов создания и редактироваггия виртуальной модели • выбор математической основы, масштаба и способов изображе ния, соответствующих назначению виртуального геоизображения, соблюдение единого оформления и т. п.
• правила генерализации (цензы и н о р м ы отбора, обобщение каче ственных и количественных показателей, исключение, объедине ние, сглаживание контуров) • взаимное согласование (увязка) содержания в пределах одного или нескольких тематических слоев модели, модели и окружающей ее вирутальной среды, а также р а з н ы х моделей • графический, картометрический, морфометрический, математикостатистический анализ и преобразования виртуальных моделей, их оверлей, корреляция, прослеживание динамики и др. Приведенный достаточно схематичный перечень правил и методов показывает, что п р и новых компьютерных технологиях к а р т о г р а ф и р о вания ничего не изменилось, хотя изменилось все. И, если вдуматься, в этом нет ничего удивительного. Н а протяжении многих веков рукопис ная карта, полиграфический оттиск, снимок, экранное изображение ос таются наиболее удобным для человека языком зрительных образов, самой доступной и привычной моделью реальности. Их сущность и на значение неизменны, п о д о б н о тому, к а к неизменно назначение книг, независимо о т т о г о , вырублены они на камне, написаны гусиным пером или напечатаны на лазерном принтере. Это еще раз подтверждает мысль о т о м , что в наступившем третьем тысячелетии перспективы картографической науки и производства бу дут определяться не только грядущими техническими новациями, но и тем, насколько полно будет освоен и востребован опыт традиционной картографии. Но одновременно возникает вопрос, уже затронутый в предыдущей главе: должно ли геоинформационное картографирование подражать традиционному? И л и следует в ы р а б о т а т ь свои правила, свою эстетику, иные критерии оценки качесгва? В чем достоинства компьютерных тех нологий? В т о м , ч т о б ы создать э л е к т р о н н ы е к а р т ы , неотличимые о т традиционных, полностью и м и т и р о в а т ь все т о н к о с т и р у ч н о й р а б о т ы картографа? И л и сделать что-то другое, н а й т и решения, к о т о р ы е до это го не применялись, создать геоизображения нового типа? Д а л е к о п р о д в и н у в ш и с ь в техническом о т н о ш е н и и , к а р т о г р а ф и я остается п о к а на прежних к о н ц е п т у а л ь н ы х и эстетических позициях. В самое ближайшее время предстоит определить, к а к о в ы ее инварианты и переменные. Функции к а р т ы неизменны, но как меняется сегодня ее язык, графика, способы составления и генерализации, требования к точ ности - достаточных ответов на эти в о п р о с ы пока нет. Я с н о лишь одно: картографические произведения нужно создавать не только быстрее, точ нее и лучше, но и по-другому.
Процесс моделирования Анализ программных продуктов, содержащих различные моду™ для создания виртуальных геоизображений, позволяет наметить следующую общую последовательность операций: • Создание цифровой модели рельефа • Совмещегше («натягивание») фотоизображения с рельефной мо делью и получение «реа™стической» фото-блок-диаграммы • Нанесение знаковой нагрузки (тематического содержания) и над писей • Цветовое оформление и редактирование всего изображения • Выбор траектории движения или вращения м о д е ™ • Выбор узловых сцен (кадров) • Расчет промежуточных кадров и запуск анимации • Формирования внешних эффектов окружающей среды и средств интерактивного взаимодействия с ними • Визуа™зация виртуальной м о д е ™ • Добавление мультимедийных эффектов Отдельные операции этого алгоритма, такие, как нанесение допол нительных объектов, в ы б о р состояния о к р у ж а ю щ е й среды, внесение мультимедийных эффектов, могут быть пропущены, другие - добавле ны, например, расчет распределения теней в городе и ™ в горах. При создании виртуальных геоизображений особое значение приобретает в ы б о р х а р а к т е р н ы х узловых сцен, между к о т о р ы м и ин терполируются промежуточные сцены а н и м а ц и о н н о й последовательно сти. С интерполированием сочетается и м о р ф и н г - особая процедура алгоритмического п р е о б р а з о в а н и я ф о р м ы объектов из одного вида в другой. Таким образом, виртуальная модель в к л ю ч а е т изображение самого объекта, изображение окружающей его виртуальной среды, а также сред ства их взаимодействия между собой и с наблюдателем (пользователем), который получает возможность интерактивно управлять и объектом, и средой, причем сама «виртуальность» проявляется л и ш ь в ходе инте рактивного взаимодействия человека и модели. Многие р а з р а б о т ч и к и особо подчеркивают именно возможность по гружения человека в виртуальную реальность и интерактивного кон такта с моделью, включая внесение в нее д о п о т и т е л ь н ы х объектов и свойств. Например, С. Б р а й с о н [25] определяет процесс создания вирту альной реальности к а к использование к о м п ь ю т е р о в и человеко-машин ного интерфейса для создания эффекта трехмерного мира, включающе-
го интерактивные объекты. А сама система виртуального моделирова ния включает, по его мнению, т р и подсистемы: • подсистема ф о р м и р о в а н и я виртуальной среды (модели), которая обеспечивает интерактивное взаимодействие с нею • телеоперационная подсистема, позволяющая управлять средой и изменять ее п а р а м е т р ы • подсистема расширения, с п о м о щ ь ю к о т о р о й в виртуальную мо дель м о ж н о вносить дополнительную информацию из базы дан ных, в том числе абстрактные объекты. Уже сегодня технологические процессы создания виртуальных гео изображений и п р о г р а м м н о е обеспечение хорошо отработаны. Еще в 1994 году в одной из первых таких технологий «Строитель виртуально го мира» (Virtual World Builder) [34] были подробно представлены сред ства автоматизированного преобразования цифровых ортофотоизображений в реалистические трехмерные модели местности. В дальнейшем совершенствование и расширение технологий пошло за счет включения элементов мультимедиа и Г И С . Х о р о ш и м примером может служить технология «Виртуальные гра ницы» (Virtual Frontier™) [45], р а з р а б о т а н н а я фирмой Northwood Geoscience L t d . Вначале по топографической карте строится цифровая мо дель, затем - 3-мерное изображение местности, его можно окрасить в цвета гипсометрической шкалы, совместить с фотоизображением ланд ш а ф т а и далее совершить облет полученного геоизображения. Програм ма содержит 6 модулей: 1. Управление полетом - обеспечивает доступ к диалоговому окну, полет по избранному направлению, п о в о р о т ы и развороты, изменение скорости полета, показ перспективы и обычной карты, на которую по мере движения наносится м а р ш р у т полета. 2. Точность навигации - позволяет выполнять контроль с помощью м ы ш и , клавиатуры и джойстика (манипулятора в форме рукоятки с кноп ками, используемого н а тренажерах), полет на заданной высоте, с за д а н н о й скоростью, н а д т о ч к а м и с заранее избранными координатами (широтой и долготой), точное выдерживание высоты полета относитель но уровня моря или самой местности. 3. Редактирование м а р ш р у т а - обеспечивает интерактивное форми рование и редактирование полета, построение маршрута по цифровым файлам путем задания к о о р д и н а т X, Y , Z , слежение за линией полета и его отображение в отдельном окне 3-мерного изображения. 4. Установка состояния окружающей среды - позволяет выбрать вид земного покрова, степень детальности объектов на местности, устано7
нить преувеличение вертикального масштаба модели относительно го р и з о н т а л ь н о г о , в ы б р а т ь состояние неба (облачность), туман, угол и интенсивность освещения, время дня, эффект снегопада и т.п. 5. Р е д а к т и р о в а т ь объектов - осуществляет размещение 3-мерных объектов, изменение их текстуры на фоне местности, расположение над писей (размер и цвет шрифтов, п о в о р о т надписей), добавление текстов, звука, снимков и других 3-мерных объектов. 6. Тематическое картографирование - запуск п р о г р а м м ы Mapinfo и связь с таблицами и другими данными, выбор линий, точек и их атрибу тов, отображение текущего положения на анимационных слоях, нанесе ние дополнительных объектов, использование п р о г р а м м ы картографи ческого редактирования (Vertical Mapper), цветных сеток, подложек и других элементов дизайна. По описанной методике получают крупномасштабные и довольно подробные виртуальные изображения рельефа и ландшафта. Н а рисун ках 2 и 3 (вклейка) приведены примеры виртуальных геоизображений, полученных с п о м о щ ь ю о п и с а н н о й в ы ш е т е х н о л о г и и . А н а л о г и ч н ы м образом могут быть созданы модели геологического строения, водных объектов, растительного покрова, городов, путей сообщения и т. п. Воз можность интеграции р а з н о й тематической информации в одной моде ли одно из главных достоинств виртуального геоизображения. П р о летая и «зависая» н а д г о р н ы м и склонами, можно, например, детально рассмотреть их террасированность, провести морфометрические изме рения, определить характер эрозионных и оползневых процессов, а дви гаясь н а д городскими территориями - оценить особенности застройки и распределение зеленых массивов, спроектировать размещение новых зданий и т р а н с п о р т н ы х магистралей. Фирма ESRI ( С Ш А ) р а з р а б о т а л а специальный очень удачный Г И С пакет ArcView® 3D Analist™. Это программное обеспечение обладает большой гибкостью и многофункциональностью и в настоящее время широко внедряется для создания вирутальных геоизображений городов, г о р н ы х в ы р а б о т о к , и н ж е н е р н ы х с о о р у ж е н и й и д а ж е для м о д е л и р о вания вполне реалистичных перспективных изображений материков и других о б ш и р н ы х участков нашей планеты. П р о г р а м м н о е обеспечение 3D Analist™ позволяет весьма эффектно представлять их под р а з н ы м и ракурсами, обозревая словно с высоты орбитального полета. П р и этом в специальном окне на экране компьютера приводится к а р т а обозрева емой области земного ш а р а и указывается направление осмотра. Весь ма эффектно выглядит, например, выпуклая поверхность планеты в р а й оне западного побережья Северной Америки, последовательно показы-
ваемая с восьми основных азимутов: со стороны океана, с высоты Ска листых гор, из глубины материка, со стороны Большого Бассейна и т.д. [20, с. 10-11]. Каждый раз при таком наблюдении открываются разные закономерности планетарной орографии положение г о р н ы х цепей, ориентировка сети крупных разломов, контролирующих блоки, спрям ленные речные долины и контуры побережья, лесные массивы, ареалы горного оледенения и многое другое. Подобные изображения о б л а д а ю т не т о л ь к о предельной наглядностью, но и очень высокими эвристиче скими возможностями. На рисунке 4 (вклейка) приведен пример виртуального геоизображе ния г о р о д а С а н - Д и е г о , р а с п о л о ж е н н о г о на юге т и х о о к е а н с к о г о п о бережья С Ш А , также построенного с помощью технологии ArcView® 3D Analist™. Сперва по цифровой модели была изготовлена трехмер ная блок-диаграмма местности и зданий, а затем на нее наложено ортофотоизображение центральной части города. Читатель имеет возмож ность совершить облет города, рассмотреть его планировку и увидеть здания со всех четырех сторон [20, с.8]. В будущем станут возможны не только «полеты» н а д виртуальными моделями, но и «прогулки» в виртуальной среде и телеперемещения (телепортации) от одной виртуальной модели (среды) к другой. Это требу ет значительного расширения и совершенствования интерфейса, в осо бенности средств ориентации и навигации. П р и виртуальном моделировании нередко используется мультиуровенная аппроксимация [26], когда по одной и той же ц и ф р о в о й модели рельефа производят расчет нескольких сплайнов с разным уровнем де тальности. Точно так же, многократно с разным разрешением, модели р у ю т текстуру земных покровов (растительного покрова, застройки и т.п.). Таким образом, работая с виртуальным геоизображением, не ог раничиваются простым увеличением или уменьшением масштаба, а пе реходят п р и необходимости на иные уровни детальности. Так возника ет своеобразная многоуровенная генерализация. Разработчики компьютерных технологий в настоящее время ориен тируются главным образом на решение практических задач, таких, на пример, к а к мониторинг районов природного риска, строительство зда ний и автострад, прокладка трубопроводов, оценка загрязнения среды и распространения шумов от аэропортов и т.п. Вполне возможно созда ние средне- и мелкомасштабных виртуальных геоизображений, показы вающих, скажем, природную зональность Земного шара, ход климати ческих процессов, сезонные изменения растительного покрова и ланд ш а ф т а , м и г р а ц и и населения, движение т р а н с п о р т н ы х п о т о к о в и т.д.
Рис. 1. Карта и ф о т о п а н о р а м а территории Московского университета
Рис. 2. Виртуальное изображение вулкана Сент-Хеленс (Каскадные ю р ы . С Ш А ) . Внизу приведено д и а л о г о в о е окно "Управление полетом", обеспечивающее заданные высоту, скорость и направление полета. Источник [45]
Рис. 3. Изображение горы Куин-Бесс (Береговой хребет, Канада). Внизу показаны два окна: "Редактирование полета" с картой, где отмечен маршрут, и "Состояние окружающей с р е д ь Г . с п о м о щ ь ю к о т о р о г о устанавливаются облачность, туман и состояние земного покрова. Источник [45]
Рис. 4. Виртуальное изображение города Сан-Диего. С Ш А . Источник [20]
Сюжеты виртуальных геошображений столь же разнообразны, как и при 'градационном тематическом картографировании.
V R M L - язык виртуального моделирования Основное программное средство создания виртуальных геоизобра жений - это язык V R M L (Virtual Reality Modeling Language), имеющий несколько версий - V R M L 1.0, 2.0, V R M L 97. Это язык сценариев, пред назначенный для формирования трехмерных а н и м и р о в а н н ы х графичес ких объектов и манипулирования ими в Веб-среде [9]. Считается, что эта среда обрела трехмерность именно благодаря созданию языка V R M L . Он обеспечивает интерактивный интерфейс с трехмерной анимацион ной графикой, а также предусматривает включение звукового сопро вождения и синхронизацию его с графическим изображением. К р о м е того, есть возможность приме1гять различные фототекстуры, добавлять фотографии и даже фрагменты фильмов. Каждая сцена моделируется в V R M L с в ы б р а н н о й узловой т о ч к и при заданном ее положении, направлении и угле обзора. П р и этом сама точка обзора способна перемещаться, следуя движению курсора или по заранее намеченной траектории. Благодаря этому пользователь «про летает» над виртуальной моделью или «проходит» по ней. По существу, виртуальное моделирование - это сумма технологий, включающая построение трехмерной модели, создание фото-блок-ди аграммы, применение анимаций, средств мультимедиа и языка V R M L . Интерактивное взаимодействие достигается за счет следующих проце дур [31]: • изменение ракурса и точки обзора моделируемого объекта • варьирование размеров и текстуры объекта • перемещение в пространстве, окружающем объект • добавление других объектов и тематических сюжетов • изменение положения, интенсивности и цвета источника освеще ния • введение звуковых эффектов. Указанные процедуры можно применять для всей виртуальной мо дели, отдельной сцены и любого объекта в пределах этой сцены. Н о в ы е версии языка V R M L , такие, как V R M L 9 7 , позволяют синхронизировать изображение и звуковое сопровождение. Специально для создания и экспорта в V R M L трехмерных интерак тивных моделей служит и упоминавшийся выше Г И С - п а к е т Arc View® и
Arc View® 3D Analist™, р а з р а б о т а н н ы й в фирме ESRI. Допогаштельные возможности дает соединение языка V R M L с языками Java и JavsScript, которые ориентированы н а р а б о т у в сетевых системах и обеспечивают размещение виртуальных геоизображений в Интернете.
Ортофотоизображения - основа виртуальных моделей Как было показано выше, использование аэро- и космических сним ков - эффективное средство, п р и д а ю щ е е виртуальному изображению реалистичность и сходство с местностью. П о э т о м у технологии созда ния ортофотомоделей и изучение их свойств приобрели новый смысл и привлекли внимание р а з р а б о т ч и к о в . Э т о т о б ш и р н ы й класс геоизобра жений в к л ю ч а е т ц и ф р о в ы е ф о т о к а р т ы , о р т о ф о т о к а р т ы , космические ф о т о к а р т ы и фотопортреты, синтезированные изображения, трансфор мированные аэроснимки и к о с м о с н и м к и с элементами картографичес кого содержания. И х изготавливают посредством совмещения (оверлея) к а р т и с н и м к о в . Д л я этого в н а ч а л е у с т р а н я ю т геометрические иска жения снимков, преобразуя их в картографическую проекцию, прово дят фотограмметрическую обработку и м о н т и р у ю т соответственно раз графке топографических к а р т к р у п н ы х , средних и мелких масштабов (1:10 ООО - 1:1 ООО ООО). Затем наносят к о о р д и н а т н ы е сетки, населенные пункты, объекты местности, надписи, и если требуется - горизонтали. В зарубежной литературе появились даже термины «карто-снимки», « с н и м к о - к а р т ы » , « и к о н о к а р т ы » (image map - а н г л . , carte-image и iconocarte - фр.)- Справедливости р а д и надо сказать, что аналогичные термины предлагал у нас Ю . Ф . Книжников, н о они не вошли в употреб ление. О р т о ф о т о к а р т ы м о ж н о готовить достаточно быстро, что особенно ценно для малоизученных и труднодоступных территорий. Аэроснимки обеспечивают изготовление топографических о р т о ф о т о к а р т в масшта бе 1:1 ООО, а космические снимки С П О Т , MOMS-02, Ресурс-Ф - в масш табах 1:25 ООО и 1:50 ООО и мельче, Л а н д с а т - Т К - 1:100 ООО и т.д. Наряду с топографическими к а р т а м и создают т а к называемые фо т о п о р т р е т ы о б ш и р н ы х т е р р и т о р и й и м е л к о м а с ш т а б н ы е тематические ф о т о к а р т ы (от 1:1 ООО ООО и мельче). Н а них п о к а з ы в а ю т тектоническое строение территории, геологические структуры, почвенный покров, лан дшафты, экологические ситуации, п л а н ы г о р о д о в и т.п. Кроме того, те матические ф о т о к а р т ы у д о б н ы д л я географической интерпретации дан ных, интерполяции и экстраполяции пространственных закономерно-
стей. В этом смысле наиболее и н ф о р м а т и в н ы фотокарты, полученные по многоспектаральным снимкам. Свойства о р т о ф о т о к а р т заслуживают самого пристального анали за с позиций геоиконики. Эти к о м б и н и р о в а н н ы е геоизображения весь ма удобны в качестве базовых основ, особенно для гак называемых гиб ридных Г И С , совмещающих растровые и векторные изображения. Они обладают высокой геометрической точностью и подробностью, поэто му к ним легко привязывать и обновлять любую другую пространствен ную и н ф о р м а ц и ю . П о соотношению к а р т о г р а ф и ч е с к о й и фотографи ческой компоненты современные ф о т о к а р т ы подразделяют на три типа [27, 32 и др.]: • фотокарты, где на первый план выступает фотоизображение вы сокого качества, и именно оно является основным элементом • фотокарты, на к о т о р ы х главной частью является картографиче ское содержание, а фотоизображение образует лишь слабый фон • тематически улучшенные ф о т о к а р т ы , когда обеим составляющим уделено равное внимание р а д и максимального обогащения содер жания. В зависимости от назначения виртуальных геоизображений в каче стве основы могут быть использованы ф о т о к а р т ы разного типа. «На тягивая» их на трехмерную цифровую модель рельефа, получают фото блок-диаграммы, к о т о р ы е в случае надобности дополняют элементами природного или административного р а й о н и р о в а н и я , кадастровой ин формацией, к о н т у р а м и использования земель и т.п. Создание базовой фотокартографической основы первый и очень важный этап модели рования.
Анимации Анимационное к а р т о г р а ф и р о в а н и е сформировалось к а к ветвь опе ративного геоинформационного к а р т о г р а ф и р о в а н и я [5]. Анимации при менялись в н а ч а л е д л я м о н и т о р и н г а , оценки, управления и к о н т р о л я быстро меняющихся процессов и явлений. С а м ы й популярный пример показ перемещений атмосферных фронтов, циклонов, антициклонов и зон осадков в ежедневных телевизионных прогнозах погоды. Это очень понятные, хотя, к с т а т и сказать, д о в о л ь н о п р и м и т и в н ы е а н и м а ц и и , в к о т о р ы х пятна высокого и низкого давления перемещаются по п о л ю карты, не меняя своей ф о р м ы . Позднее появились примеры использования картографических анимаций для медленно протекающих явлений, таких, как меандрирование
рек, а также для палеогеографических реконструкций и шииострации тек тонических процессов, например, моделирования раскола праматерика Гондваны и перемещения плит. Динамическую визуализацию применяют для решения следующих задач: • отображение временных изменений модели или отдельных объек тов на ней • осмотр всей модели в разных перспективах и п о д разными ракур сами • показ движения реальных объектов (облаков, автомобилей, судов), что создает иллюзию реальности • привлечение в н и м а н и я читателя (пользователя) к какому-либо примечательному объекту или к опасному явлению. Возросший интерес к картографическим анимациям вызван стрем лением отобразить не только структуру явлений, но и существо процес сов, происходящих в земной коре, атмосфере, гидросфере и биосфере и, что еще более важно, в зонах их контакта и взаимодействия. С помо щ ь ю а н и м а ц и й р е ш а ю т задачи предупреждения (сигнализации) о не б л а г о п р и я т н ы х или опасных процессах, осуществляют слежение за их развитием, оперативно составляют рекомендации и прогнозы, выбира ю т в а р и а н т ы к о н т р о л я , пути стабилизации и л и вмешательства в ход процесса в самых р а з н ы х сферах - от экологических ситуаций до поли тических событий [35]. Современные компьютерные программы содержат наборы модулей, обеспечивающих разные варианты и к о м б и н а ц и и анимаций: • мультипликационные последовательности карт-кадров или 3-мер н ы х сцен • перемещение всего геоизображения по экрану • перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по геоизображению • изменение скорости демонстрации, покадровый просмотр, возврат к избранному кадру, обратная последовательность • изменение отдельных элементов содержания (объектов, знаков), их р а з м е р о в , ориентации, мигание знаков, топологические пре образования и др. • в а р ь и р о в а н и е окраски (пульсация и дефилирование), изменение интенсивности, создание эффекта вибрации цвета • изменение освещенности или фона, «подсвечивание» и «затене ние» отдельных участков геоизображения • панорамирование, изменение проекции и перспективы (точки об-
зора, ракурса, наклона), вращение 3-мерных изображений • м а с ш т а б и р о в а н и е (зуммирование) и з о б р а ж е н и я или его части, использование эффекта «наплыва» или удаления объекта • создание эффекта движения над объектом («облет» территории), в том числе с р а з н о й скоростью. Для создания эффекта плавного движения виртуальной модели не обходима скорость демонстрации на менее 8 экранов в секунду. Анима ции м о ж н о демонстрировать с нормальной скоростью, ускоренно или замедленно. Отсюда возникают совершенно новые и пока еще не впол не привычные проблемы временной генерализации, в ы б о р а изобрази тельных средств и р а з р а б о т к и принципов восприятия пользователями движущихся моделей. Представляется оправданным и введение понятия м а с ш т а б а времени или, лучше сказать, временного м а с ш т а б а . Т о г д а м о ж н о будет говорить о медленно-, средне- и быстромасштабных ани мациях виртуальных геоизображений [3, 5].
Звуковые эффекты Звук играет важную роль в мультимедийных технологиях. П р и вир т у а л ь н о м м о д е л и р о в а н и и звуковое сопровождение используется для р а з н ы х целей [24]: • Представление (объяснение) объекта, когда при указании на него курсором дается звуковая подсказка, звучат его название или сло весная характеристика • П е р е д а ч а р е а л ь н ы х звуков на местности, н а п р и м е р , ж у р ч а н и я ручья, шелеста леса, что дает более полное представление о ланд шафте • Улучшение восприятия состояния окружающей среды, например, воспроизведение шума дождя, грома, грохота извержения вулка на и т.п. • Характеристика качества геоизображения, когда п р и приближе нии курсора к тем или иным его участкам, слабо обеспеченным д а н н ы м и и л и и м е ю щ и м недостаточную т о ч н о с т ь , усиливается шум, символизирующий наличие помех. Таким образом, к традиционным для картографии графическим пе ременным добавляются аудиопеременные, включая характер звука, его громкость, высоту, продолжительность. Сейчас еще не всегда ясно, ка к о в ы правила использования этих переменных при виртуальном моде л и р о в а н и и . Требуют р а з р а б о т к и вопросы сочетания и взаимодействия
анимационных модулей и звуковых клипов. Я с н о , например, что введе ние эффекта дождя повлечет и вызов эффекта шума дождя. Поэтому ес тественно п р е д п о л о ж и т ь , что в системе в и р т у а л ь н о г о моделирования д о л ж н ы существовать синтетические видео-аудио клипы, содержащие аудиографические переменные для отображения объектов и окружаю щей среды. П о д р о б н е е в о з м о ж н о с т и совместного применения различ ных аудио- и видеопеременных п р и создании виртуальных геоизобра жений будут рассмотрены в следующем разделе.
СВОЙСТВА И ВИДЫ ВИРТУАЛЬНЫХ ГЕОИЗОБРАЖЕНИЙ Модельные свойства Модельные свойства традиционных к а р т сделали их наиболее при тягательным средством представления д о б ы т ы х знаний и инструмен том исследования в науках о Земле. Напомним, что этими свойствами являются пространственно-временное подобие, содержательное соответ ствие, абстрактность, избирательность и синтетичность, наличие мас штаба и метричностъ, наглядность, обзорность, однозначность и непре рывность [1]. Виртуальные геоизображения в полной мере обладают всеми этими свойствами и д о б а в л я ю т к ним р я д других, среди которых наиболее су щественны следующие: • реалистичность, проявляющаяся в трехмерности и перспективно сти изображения, хорошей передаче пластики рельефа местности, естественной структуры ландшафта, натурального цветового оформления и освещения • программная управляемость - изменение параметров и внешнего вида модели в интерактивном режиме с помощью меню и команд, в ы б и р а е м ы х пользователем • анимационность (динамичность) - движение или изменение всего изображения в целом, отдельных его элементов или точек обзора в автоматическом или интерактивном режиме • обновляемость - внесение новых данных, коррекция, модифика ция, осуществляемые в оперативном режиме, в том числе в реаль ном м а с ш т а б е времени • многомасштабность и мультиуровенная генерализация - переход с одного м а с ш т а б н о г о уровня на другой за счет изменения уровня детальности и текстуры изображения
• многотемноеть - изменение тематического содержания модели путем замены или комбинации картографических и фотографи ческих слоев • мультимедийность - сочетание трехмерного изображения с плос к о й к а р т о й или снимком, профилями, разрезами, фотографиями, звуковым сопровождением, что обеспечивает высокую информа тивность виртуальных геоизображений. Некоторое, неизбежно схематическое представление о соотношении свойств т р а д и ц и о н н ы х к а р т и виртуальных геоизображений дает сле дующее сопоставление: Традиционные карты
Виртуальные геоизображения
Статичные
Динамичные (анимационные)
Плоские (двумерные)
Объемные (трехмерные)
Уел овно-зн аковые
«Реалистичные» и условно знаковые
Без возможности управления изображением
Возможность интерфейса в программно управляемой среде
Единый масштаб
Многом асштабность
Один уровень генерализации
Мультигенерализованность
Эпизодическое обновление
Оперативное обновление в режиме реального времени
Фиксированные границы и контуры
Подвижные и нечеткие границы
Без отображения состояния окружающей среды
С показом меняющегося состояния окружающей среды
Говоря о свойствах виртуальных геоизображений, нельзя не сказать и о таком немаловажном сегодня факторе, к а к притягательность их но визны. Они становятся популярны во многом в силу своей п о р а ж а ю щ е й воображение необычности и склонности человека к новым изобретени ям. Каждому хочется взглянуть на виртуальный мир. Возможно, по мере того как виртуальные геоизображения войдут в п р и в ы ч н ы й научный и практический обиход, пользователи более явственно увидят их недостат к и и ограничения и, как обычно, придут к выводу о т о м , что их следует использовать «не вместо, а вместе» с традиционными к а р т а м и . Иногда можно встретить мнение, что появление «вполне реальных» виртуальных изображений и отказ от привычных условных знаков (например от горизонталей) может означать конец (даже смерть) к а р т о г р а ф и и [11]. Увы, подобное навязчивое чувство страха возникает у некоторых картографов как реакция на стремительный прогресс новых
технологий. Прежде казалось, что дни к а р т о г р а ф и и сочтены вследствие бурной математизации, компьютеризации, внедрения дистанционного зондирования, геоинформационных систем, телекоммуникационных се тей. Н о этого не происходит. Обогащаясь г е о и н ф о р м а ц и о н н ы м и техно логиями, картография продолжает свое развитие, не теряя, а приобре тая новые возможности и новые сферы применения. Кажущаяся утрата знаковости виртуальных к а р т на самом деле оз начает открытие новых возможностей и аспектов языка к а р т ы , расши рение сферы его действия.
Видео- и аудиопеременные Виртуальные геоизображения более всего похожи на красочные пей зажи, п а н о р а м ы и цветные ф и л ь м ы . В одних случаях их сознательно делают «почти реальными», специально уменьшая условность и знаковость, но в других напротив, условные обозначения и окраски пред стают даже более яркими и выпуклыми, чем на о б ы ч н ы х к а р т а х . Это происходит именно в силу наглядности и натуральности виртуальных геоизображений. Например, виртуальная картина горного рельефа смот рится почти как реальный ландшафт, словно прокручивается видеоплен ка, снятая с самолета, а виртуальная геологическая карта т о й же терри тории, раскрашенная в яркие цвета традиционной геологической леген д ы , п р е д с т а е т н е о б ы ч н о я р к о о к р а ш е н н ы м о б ъ е м н ы м м а к е т о м , для восприятия к о т о р о г о требуется определенный навык. Н е совсем привыч но выглядит городской ландшафт, где реальная планировка улиц и ар хитектурных ансамблей сочетается с пестрой условной окраской зда ний, расцвеченных соответственно их ф у н к ц и о н а л ь н о м у назначению (скажем, красный цвет - административные здания, оранжевый - жи лые дома, синий - банки, зеленый - торговые центры и т.п.). Д и з а й н виртуальных геоизображений - совершенно не изученная сфера картографии и геоиконики. Здесь требуется хорошее понимание психологии зрительного восприятия. П р и оформлении приходится, к примеру, учитывать, что читателю достаточно легко вообразить пано раму гор и ущелий (такую картину многим случалось видеть), но значи тельно труднее представить себе, к а к выглядит с высоты птичьего поле та «рельеф» городских к р ы ш . Я з ы к в и р т у а л ь н ы х г е о и з о б р а ж е н и й подчиняется о б щ и м законам языка карт, но имеет свои особенности. По аналогии с графическими переменными, представление о к о т о р ы х ввел в 60-х годах французский
КАРТОГРАФИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ Форма Размер Ориентировка Цвет Светлота Внутренняя структура ОБЪЕМНЫЕ ЭФФЕКТЫ Ракурс Перспектива Пластичность Светотень Виртуальное геоизображение ДИНАМИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ Длительность Деформация знаков Масштабирование Панорамирование Изменение ракурса Дефилирование цвета ЗВУКОВЫЕ ЭФФЕКТЫ Речь Музыка Аудиоклипы Шумы
ФОТОГРАФИЧЕСКИЕ ПЕРЕМЕННЫЕ Яркость Текстура Контраст Цвет Тон Светотень
ЭФФЕКТЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ Освещенность/ затененность Атмосферные явления Земные покровы
Рис. 5. Видео- и аудиопеременные виртуальных геоизображений
семиолог и к а р т о г р а ф Ж . Бертэн [23] применительно к т р а д и ц и о н н ы м с т а т и ч н ы м и плоским к а р т а м , п о л е з н о ввести п о н я т и е в и з у а л ь н ы х и
аудиопеременных для виртуальных геоизображении (рис. 5). П р и этом надо иметь в виду, что «виртуальный дизайн» основан на синтезе графи ческих средств, используемых для создания: • плоских к а р т • объемных моделей • фотоизображений • электронных анимаций • внешних эффектов окружающей среды • звуковых эффектов Картографические (графические, по Ж . Бертэну) переменные - это известные элементарные графические средства, используемые для пост роения отдельных знаков и знаковых систем. К ним относятся форма, размер, ориентировка, цвет, насыщенность цвета и внутренняя структу р а знака. К объемным эффектам относятся ракурс, перспектива, пластичность и распределение теней. А использование фотоизображения привносит в виртуальную картину такие графические (оптические) переменные, к а к яркость, текстура (зернистость, полосчатость и т.п.), контраст, цвет, т о н и светотень. Н о , пожалуй, самое эффектное средство ф о р м и р о в а н и я виртуаль ных геоизображений - это динамические графические переменные. Они наиболее разнообразны арсеналом. Среди них исследователи н а з ы в а ю т длительность (продолжительность) и изменение ф о р м ы знаков, масш табирование, панорамирование и изменение ракурса изображения, де филирование цвета, а также «фазу» или «ритмические п о в т о р ы некото рых событий» [29]. Н.Л. Беручашвили [7] удачно назвал это «миганием» знаков. К наиболее эффектным динамическим графическим переменным, с помощью к о т о р ы х реализуется постепенный переход от одного объекта (или состояния) к другому, относятся также перемещение знаков (объек тов, меток), движение стрелок, у к а з ы в а ю щ и х направления этих переме щений, потоки, миграции и т.п. Очень выразительный прием - дефили рование цвета, то есть постепенное его изменение и л и пульсация, виб р и р о в а н и е окраски (например, п р и п о к а з е р а с п р о с т р а н е н и я ареалов опасных явлений), а также мигание знаков, привлекающее внимание к какому-либо важному объекту, например, к источнику п о в ы ш е н н о й на пряженности. Суммируя опыт применения динамических переменных для визуа лизации виртуальных геоизображений, м о ж н о сказать, что они реша ю т следующие задачи:
• отображение временных изменений всей модели или отдельных объектов на ней • показ движения реальных объектов (облаков, автомобилей) для усиления иллюзии реальности • привлечение в н и м а н и я читателя (пользователя) к какому-либо примечательному объекту или к опасному явлению • показ объекта и л и всей вирутальной модели в разных перспекти вах и п о д р а з н ы м и ракурсами. П р и создании в и р т у а л ь н ы х геоизображений применяют специфи ческий н а б о р графических эффектов для моделирования внешней сре ды. К ним относятся освещенность или затененность местности в целом и отдельных ее участков, эффекты тумана, дождя, снегопада и т.п., а так же состояние земных п о к р о в о в (травяной, снежный покров и др.). Со вмещение дизайна объекта и внешней среды представляет собой слож ную задачу. Н е л е г к о , н а п р и м е р , с п р о е к т и р о в а т ь гипсометрическую шкалу, но в и р т у а л ь н ы е м о д е л и п р е д п о л а г а ю т еще и изменение этой ш к а л ы в условиях дымки, тумана, при весеннем солнечном освещении или наличии снежного покрова. Наконец, к аудиопеременным относится звучание речи (чтение тек стовых пояснений, подсказок) и музыкальное сопровождение (например, исполнение мелодии, создающей весеннее настроение, гимна страны и т.п.). Д л я усиления эффекта реалистичности применяют аудиоклипы с записями грохота извергающегося вулкана, движения поездов, рычания диких животных, пения птиц. Впечатление приближающейся опасности (например, н а р а с т а н и е р и с к а схода л а в и н ы ) м о ж е т создать усиление «беспокоящего» ш у м а вместе с появлением красноватых (алармистских) тонов и «тревожным» миганием знаков. Дизайн виртуальных геоизображений - особая область, которая пока не получила в к а р т о г р а ф и и достаточного рассмотрения. Иногда выска зывается мнение, что при электронном моделировании картографиро вания оформление утрачивает свою специфику, становясь лишь одним из направлений к о м п ь ю т е р н о й графики. Кажется, что различия между картографией и г р а ф и к о й к а к бы стираются, а к а р т о г р а ф ы превраща ются в дизайнеров виртуального киберпространства. Н о преобладает все же противоположная точка зрения. Согласно ей, сфера применения законов картографической коммуникации в виртуаль н о й среде существенно расширяется, возрастает взаимодействие создате ля и читателя геоизображения и повышается р о л ь языка условных зна ков. П о мнению Н. Таскера [43], именно к а р т о г р а ф ы гораздо лучше, чем специалисты по компьютерному дизайну, подготовлены к созданию вир-
туальных геоизображений, мультимедийных продуктов и Веб-сайтов остается только официально признать их главными экспертами в этой сфере бизнеса.
Реальные и абстрактные геоизображения Существует возможность представлять в виртуальном формате не только реальные объекты (рельеф местности, растительный покров, го родской л а н д ш а ф т ) , но и абстрактные явления и процессы (среднюю годовую температуру, обеспеченность населения медицинской помощью, движение финансовых потоков и т.п.). Поэтому с позиций геоиконики целесообразно различать геоизображения виртуальной реальности (BP) и виртуальной абстракции (ВА), обладающие определенными сходства ми и различиями. П р и моделировании BP на первый план выступает задача создать геоизображение, м а к с и м а л ь н о похожее на реальную местность, к о т о рую пользователь наблюдал лично, видел на фотографиях, аэро- и кос мических, знает по литературным описаниям. Здесь важно точно соблю сти внешнее подобие, добиться сходства модели с ее прообразом. И н о й р а з требуется моделировать реальные объекты, которые ник то никогда не видел, например, рельеф дна Мирового океана или гло бальную циркуляцию атмосферы. Но все же, здесь можно опереться на аналогии и традиции или, скажем, на принципы актуализма и опыт па леогеографических реконструкций. Картография имеет в этом смысле большой опыт. Х о р о ш о известны, например, физиографические к а р т ы подводного рельефа или марсианских ландшафтов, которые восприни маются к а к вполне правдоподобные реальные картины. П р и создании ВА возникают иные проблемы. Необходимо придать естественность, реалистичность и выразительность абстрактным (рас четным, мысленным, воображаемым) объектам и процессам, а главное м а к с и м а л ь н о наглядно передать пространственные связи и взаимные отношения, точно привязать их к территории. Причем в одних случаях речь идет об абстрактных объектах, размещенных в реальном геогра фическом пространстве и в реальном времени (например, средние ме сячные температуры на данной территории), а в другом - об абстракт н ы х объектах и процессах в а б с т р а к т н о м признаковом пространстве (например, динамика индекса уровня жизни населения в пространстве «доходы - ж и л и щ н ы е условия - медицинское обслуживание»). Возможно, для этого окажутся полезными разнообразные методики построения а н а м о р ф и р о в а н н ы х изображений [10]. Речь идет пока лишь о
принципиальной возможности картографирования столь сложных абст рактных виртуалывых геоизображений, практический опыт их создания отсутствует.
Моделирование в тематическом пространстве Все, что сказано выше, относится к виртуальным геоизображениям, моделирующим динамику явлений и процессов, то есть их движения во времени. Это наиболее ясное и прямое назначение виртуальных анима ций - реализация идеи анализа разновременных к а р т или снимков. Однако вполне правомерно и иное преломление виртуальной техно логии. М о ж н о , например, поставить задачу движения вглубь, допустим, от изображения рельефа дневной поверхности к изображению палеорельефа и далее - к геологической структуре, тектоническому строению, к поверхностям гранитного, базальтового слоя, к границе мантии. Мож но построить трехмерные анимационные последовательности, иллюст рирующие более или менее плавный переход от поверхности океана к глубинным водным массам и придонным зонам или, н а о б о р о т - к верх ним слоям атмосферы. П р и этом станет возможным постепенное про движение к тропосфере и далее - к тропопаузе, мезосфере и ионосфере, моделирование атмосферных сияний и озоновых дыр. М о ж н о предвидеть и создание виртуальных монтажей, совмещаю щ и х н е с к о л ь к о в з а и м о с в я з а н н ы х сюжетов, скажем, п о к а з д и н а м и к и демографических показателей на фоне изменения экологической ситуа ции на д а н н о й территории. Одним словом, виртуальные геоизображения не о г р а н и ч и в а ю т с я визуализацией движения во времени, они способны передать и переме щения в пространстве, точнее - в тематическом признаковом простран стве. Такие модели пока еще кажутся фантастикой, но в самом недале ком будущем они могут стать вполне реализуемыми.
Виртуальные глобусы М е т о д и к а создания виртуальных глобусов [41] позволяет сделать наглядные ш а р о о б р а з н ы е картографические модели планет еще более наглядными и удобными. Эти замечательные изобретения картографии, существующие уже более пяти веков, чрезвычайно просты в использо вании, а главное - не имеют присущих к а р т а м искажений, благодаря чему служат незаменимым учебным пособием. Н о , как известно, глобу-
сы громоздки, нетранспортабельны и поэтому обычно мелкомасштаб н ы . С о в р е м е н н ы е земные г л о б у с ы ч а щ е всего и м е ю т м а с ш т а б ы от 1:30 000 000 до 1:80 000 000. Виртуальные глобусы снимают многие из этих ограничений. Прежде всего, они весьма «транспортабельны» и умещаются на одном тонком компакт-диске. «Не надо перевозить глобусы, - замечает А. Ридал, дос таточно перевозить данные» [41, с.655]. Глобальные цифровые модели и технологии многомасштабной аппроксимации позволяют переходить на разные уровни детальности шарообразного изображения, вводить новые данные и менять тематику глобусов. Использование специальных стереоочков, применяемых в цифровой фотограмметрии, позволяет видеть на экране объемные вращающиеся стереоскопические «гиперглобусы», со вмещающие разные тематические слои. На них можно моделировать ме няющееся солнечное освещение, облачность, показывать атмосферные фронты, зоны осадков, циклоны и антициклоны, сезонные изменения растительного покрова и ландшафта и т.п. Одно время в картографии проводились эксперименты по созданию голографических к а р т и глобусов, но их реализация оказалась доволь но трудоемкой. Современные технологии в и р т у а л ь н о г о к а р т о г р а ф и рования позволяют получать не менее реалистичные модели. Техниче ски возможно проектировать виртуальные глобусы и на ш а р о о б р а з н ы й экран.
Виртуальные геоизображения как учебные пособия Виртуальные геоизображения находят самое широкое применение в обучении - на всех уровнях, от н а ч а л ь н о г о до высшего. Ш к о л ь н и к и прекрасно подготовлены к этому благодаря ш и р о к о распространенным компьютерным играм, которые увлекают их в мир виртуальной реаль ности. П о г о н и по г о л о в о л о м н ы м л а б и р и н т а м , в о й н ы в космическом пространстве, автогонки по пересеченной местности - дети р а з н ы х воз растов легко осваивают эти и многие другие электронные развлечения, на долгие часы приникая к светящимся экранам, хотя это и небезопасно для их здоровья. Индустрия компьютерных игр приносит высокие при были. Виртуальная реальность, в том числе геоизображения (карты и глобусы), нашли применение и в тренажерах, используемых для подго товки летчиков и космонавтов. Специальные психологические исследования [16] п о к а з ы в а ю т , что компьютерные миры активно развивают навыки восприятия простран-
ства, умеште быстро ориентироваться на местности и принимать реше ния в незнакомой обстановке, оценивать р а з м е р ы , расстояния, пони мать отношения объектов. К главным достоинствам виртуальных геоизображений как средств обучения относятся: • полная иллюзия полевого наблюдения и непосредственного дос тупа к объектам • развитие навыков зрительного восприятия и глазомерных оценок пространственных образов от небольших участков местности до всей планеты в целом • возможность картометрирования (определения абсолютных и от носительных высот, расстояний и длин, площадей, углов накло на) • возможность активного обучения и самообучения • высокий уровень интерактивности, наличие о б р а т н о й связи в си стеме «учащийся - геоизображение» и развитие коммуникатив ных навыков. Программно управляемые виртуальные учебные геоизображения на компакт-дисках в самое ближайшее время станут, видимо, одним из наи более доступных и эффективных пособий п р и изучении географии. П о этому необходимо специальное изучение психофизических особенно стей их восприятия ш к о л ь н и к а м и разного возраста. В частности, необ ходимы специальные исследования для выяснения эффективности соче тания разных масштабов (вертикального и горизонтального), примене ния разных цветовых шкал, фонов, равномерности освещения изобра жения по экрану. Нужно оценить минимальную различимость деталей изображения, целесообразность совмещения «реалистичного» виртуаль ного изображения, условных знаков и фотоклипов, установить правила размещения надписей и виды ш р и ф т о в . Важно определить оптималь ную скорость анимации, высоту «полета» н а д местностью, геометри ческие искажения, возникающие п р и р а з н ы х ракурсах. Таким образом, школьных учителей и профессиональных картогра фов ожидают новые проблемы, связанные с проектированием, редакти рованием, генерализацией и графическим оформлением учебных вирту альных геоизображений. Недавно Ю . Ф . К н и ж н и к о в [12] вновь заост рил внимание на недостаточной изученности законов ф о р м и р о в а н и я зрительного (визуального) образа и подчеркнул важность для к а р т о графии и геоиконики понимания механизмов, при включении которых биологическая система зрения получает, хранит, преобразует и представ ляет пространственную в и д е о и н ф о р м а ц и ю . З а д а ч а еще усложняется,
когда речь заходит о пространственно-временной, виртуальной и дина мической видеоинформации. Для исследования потребуются эксперимен ты, применение известных в картографии методик тестирования и разра ботка новых, обращение к науке о зрении, к методам офтальмологии, к психофизическим опытам и теории отражен™.
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ
Развитие геоиконики Современная к а р т о г р а ф и я представляется живым и р а з в и в а ю щ и м ся организмом. Многие ее разделы и с п ы т ы в а ю т а к т и в н ы й рост, развет вляются на самостоятельные направления, в них формируются новые подразделы и области комплексных исследований. К таким направле ниям п р и н а д л е ж а т г е о и н ф о р м а ц и о н н о е к а р т о г р а ф и р о в а н и е и его от расли (рис. 6). Суть этого направления составляет и н ф о р м а ц и о н н о - к а р тографическое моделирование геосистем на основе ГИС-технологий, баз данных и баз знаний [4]. Ответвлением геоинформационного к а р т о г р а ф и р о в а н и я стало опе ративное картографирование, то есть создание и использование к а р т в реальном или близком к реальному масштабах времени с целью быст р о г о (своевременного) и н ф о р м и р о в а н и я пользователей и воздействия на ход процесса. В свою очередь, от него п о ш л о в р о с т анимационное картографирование, расширившее возможности отображения динами к и геосистем. Сегодня м ы являемся свидетелями того, к а к путем интег р а ц и и анимационного, трехмерного и методов изготовления ортофоток а р т формируется виртуальное к а р т о г р а ф и р о в а н и е . Становление и быстрый прогресс этого направления доказывает сво евременность в о з н и к н о в е н и я и перспективность д а л ь н е й ш е г о р а з в и тия геоиконики как единой науки о г е о и з о б р а ж е н и я х . К а к уже было сказано, виртуальная модель - это гипергеоизображение, к о т о р о е ин тегрирует знаковые свойства карт, картинность фотоизображений, ре алистичность блок-диаграмм и динамизм к о м п ь ю т е р н ы х анимаций. В этой модели соединены качества картографической, дистанционной и динамической генерализации, а к р о м е того, реализована особая анали-
Рис. 6. Дерево геоинформационного картснрафирования
тическая многоуровенная генерализация, основанная на последователь ной фильтрации ц и ф р о в ы х моделей рельефа.
Представления о геоиконике были впервые сформулированы нами в 1985 году [2] и обобщены в монографии в 1996 году [3]. Геоиконика мыслилась как новая синтетическая отрасль научного знания, изучаю щая общую теорию геоизображений (карт, электронных карт, снимков, блок-диаграмм, анимаций и др.), методы их создания, преобразования и анализа, способы применения в науке и практике. За прошедшие годы идеи и принципы геоиконики получили распространение, хотя сам тер мин не стал общепринятым. Он явно уступает более популярному меж дународному термину «геоматика». Правда, объемы понятий, обозна чаемых этими т е р м и н а м и , не вполне с о в п а д а ю т . З н а ч и т е л ь н о более повезло термину «геоизображение», который стал применяться доволь но ш и р о к о . Он оказался удобен как о б о б щ а ю щ е е название всех гра фических моделей, используемых в геонауках - от планов и карт до голограмм. Все геоизображения подразделяются по своей размерности на три класса: плоские (двумерные), объемные (трехмерные) и динамические (трех- и четырехмереные). К р о м е того, существуют комбинированные геоизображения, огромное многообразие которых в первом приближе нии укладывается в к о м б и н а ц и о н н у ю матрицу [3], в клетках которой размещаются все возможные виды графических геомоделей. В новом генерализованном варианте эта матрица представлена в таблице 1. Такой подход к систематизации геоизображений оказался верным. За последние полтора десятилетия, прошедших с момента создания этой системы, было изобретено много новых простых и сложных геоизобра жений самых разных видов и типов, и все они укладываются в предло женную матрицу. Таким образом, система не только дала оптимальную группировку геоизображений, но как бы предсказала дальнейшее рас ширение их разнообразия. Н а ш л и в ней «свою нищу» и виртуальные модели (они выделены в таблице), которые имеют четыре измерения координаты, аппликаты и время. Х о р о ш о развитый интерфейс виртуального моделирования позво ляет манипулировать не только самой моделью, но и управлять окру жающей ее виртуальной средой. «Погружаясь» в эту среду, пользова тель активно и как бы непосредственно контактирует с исследуемым объектом, осматривает его под разными ракурсами, выполняет измере ния, з а п р а ш и в а е т д о п о л н и т е л ь н ы е атрибуты и т.п. К о н с т р у и р о в а н и е виртуальных моделей, понимание их свойств и практическое использо вание, по сути, о п и р а ю т с я на п р и н ц и п ы и методы г е о и к о н и к и . И н терактивные свойства виртуальных моделей могут быть ясно представ лены, исходя из триады:
человек (пользователь геоизображение
) виртуальная
среда
П о л ь з о в а т е л ь взаимодействует о д н о в р е м е н н о и самим геоизображе нием и с о к р у ж а ю щ е й его в и р т у а л ь н о й средой, к о т о р ы е тоже находятся во в з а и м о д е й с т в и и . И м е н н о с и н х р о н н а я в и з у а л и з а ц и я и с и н х р о н н о е
Таблица 1. Система геоизображений Геоизображения Картографи ческие |
Дистанци онные
Блоковые
Динами ческие
Карто графические
Дистан ционные
Блоковые
Динами ческие
Карты Планы Электронные карты Анаморфозы
Фотокарты Фотопланы Космокарты Иконокарты
Тематические блок-диаграммы Физио графические карты
Серии разновременных карг Картографи ческие анимации Карты-фильмы
Фото телевизионные сканерные радио локационные гидро локацпонные и д р . снимки Фотопланы Фото-блокдиаграммы "Пейзажные" карты
Блокдиаграммы Рельефные модели Анаглифы Стерео модели Голограммы
Фото- и Динамические телемульти п метахронные пликации блокАнимаци серии диаграммы онные разновременных карты Виртуальные снимков и атласы модели Фильмы
восприятие объекта и среды определяют поведение человека и уровень решаемых задач. Все это означает «шггеллектуализацию» геоизображе ния, его приближение к «Разумному Геоизображению», речь о котором пойдет ниже. А н а л и з свойств виртуальных геоизображений возможен и целесообразен прежде всего в системе геоиконики, поскольку рамки кар тографии, аэрокосмических методов или компьютерной графики оказы ваются для них узки.
Направления дальнейших исследований В самой недалекой перспективе следует ожидать появления методов и средств в и р т у а л ь н о г о к а р т о г р а ф и р о в а н и я , с п о с о б н ы х отразить не только реальные, но и абстрактные объекты, ретроспективно восстано вить п р о ш л ы е состояния и моделировать будущие ситуации. Исследова тель сможет увидеть изучаемую территорию, к а к о й она была сотни или тысячи лет тому назад, либо виртуально прогнозировать ситуацию, ко торая возникнет через несколько десятилетий. С теоретических позиций это потребует оценки гносеологических свойств виртуальных геоизображений, причем не только их достоинств, но и недостатков. К а к уже отмечалось выше, предстоит самым тщатель ным образом исследовать вопрос о т о м , всегда ли целесообразно со здание изображений, полностью имитирующих реальную местность и «погружение» в нее пользователя (читателя). Ведь в результате он может оказаться в п о л о ж е н и и исследователя, о т п р а в и в ш е г о с я «в поле» без к а р т ы . Будет ли ему легко сориентироваться на местности, получить сведения о высоте рельефа, проходимости болот, скорости течения реки и т.п.? Конечно, х о р о ш о иметь наглядное и вполне правдоподобное пред ставление о л а н д ш а ф т е , однако хотелось бы получить сведения о его типе, генезисе, характере почвенно-растительного покрова. Отсутствие к о о р д и н а т н о й сетки, системы условных знаков, иерархически построен ной легенды, морфологической или генетической классификации объек тов всех этих п р и в ы ч н ы х атрибутов картографического изображения, не искупается реалистичностью ситуации, в к о т о р о й вдруг оказался че ловек без к а р т ы . Что более предпочтительно для исследователя видеть на местно сти «натуралъную» возвышенность или иметь ее изображение в гори зонталях?
Получается так, что, находясь на виртуальной местности, человек нуждается в карте не меньше, чем в реальной ситуации. Она нужна ему для прокладки маршрута обследования и облета виртуальной модели, и поэтому она выводится на экран рядом с самой трехмерной моделью ме стности, и по ней точно так же, как в реальных обстоятельствах, намеча ю т трассу маршрута. Это, кстати, еще одно из доказательств того, что человеку у д о б н о и п р и в ы ч н о п о л ь з о в а т ь с я т р а д и ц и о н н ы м к а р т о графическим изображением и он вряд ли когда-нибудь захочет полно стью от него отказаться. Очевидно также, что при конструировании виртуальных геоизобра жений не удастся целиком отказываться от знаковой карты, заменив ее фотопланом, «натянутым» на рельефную модель местности. По мере раз витая виртуальных технологий становится все яснее, что бесконечная погоня за реалистичностью и отказ от знаковости - тупиковый путь. Наряду с виртуальной моделью пользователь всегда хочет видеть абст р а к т н о е знаковое картографическое изображение. И здесь в о з н и к а ю т п р о б л е м ы о п т и м а л ь н о г о сочетания знаков с «реалистическими» м о д е л я м и . В к а р т о г р а ф и и эта п р о б л е м а р е ш е н а посредством изготовления аэро- и космических ортофотоизображений, сочетающих абстрактность к а р г с конкретностью снимков. Поэтому пер спективы совершенствования виртуальных гипергеоизображеггий сле дует связывать с развитием знаковых систем (традиционных и динами ческих) и с р а з р а б о т к о й семиотических п р а в и л виртуального модели рования. А вслед за этим - потребуется развить м е т о д а генерализации виртуальных моделей, исходя из принципов геоиконики и опираясь на достижения картографической, дистанционной, динамической и логи к о - м а т е м а т и ч е с к о й г е н е р а л и з а ц и и . На этом направлении исследован п о к а л и ш ь о д и н аспект м н о г о у р о в е н н а я генерализация ц и ф р о в ы х моделей рельефа и текстур земного (ландшафтного) покрытия. Наконец, актуальной задачей становится разработка методов получения количественных характеристик по виртуальным геоизобра жениям. Измерения на местности, к а к известно, производят с помощью комп лекса топографо-геодезических работ. Но сможет ли пользователь, на ходящийся на виртуальной местности, определять расстояния и направ ления, оценивать площади, не прибегая к специальным измерительньгм процедурам? М о ж е т быть, потребуется изобрести приемы «виртуальной топографической съемки» или, иначе сказать, топографо-геодезических р а б о т в в и р т у а л ь н о м пространстве? Вполне в о з м о ж н о , что р а б о т а с трехмерными в и р т у а л ь н ы м и фото-блок-диаграммами поведет также к
ф о р м и р о в а н и ю особой «виртуальной картометрии», «виртуальной фо тограмметрии» и «виртуального дешифрирования».
Киберкартографирование Два взаимосвязанных обстоятельства особенно ярко свидетельству ю т об уровне технического прогресса в картографии. Это, с одной сторо ны, быстро нарастающее внедрение все более совершенных геоинформа ционных, телекомм>тппсащюнных, мультамедийных, виртуальных и иных к о м п ь ю т е р н ы х технологий, а с другой - постоянное появление геоизоб ражений новых видов и типов [22]. В последнее время п о д влиянием головокружительных достижений г л о б а л ь н о й к о м п ь ю т е р и з а ц и и с т а ™ формироваться представления о киберпространстве, то есть о некой глобальной коммуникационной сре де, искусственном компьютерно генерированном пространстве, в к о т о ром существуют объекты виртуальной реальности, в том числе вирту альные геоизображения. Э т а представления проникли и в к а р т о г р а ф и ю . Базы ц и ф р о в ы х данных и многие другие источники пространственной и н ф о р м а ц и и также размещены в киберпространстве, и исследователи могут перемещаться нем, пользуясь этой информацией. В киберпрост ранстве происходит обмен знаниями и дистанционное обучение, обсуж дение научных идей и проектов, распространение п р о г р а м м н ы х продук тов и картографических материалов. В 1997 году известный канадский к а р т о г р а ф Д. Тейлор п о п р о б о в а л ввести в употребление понятие «киберкартография» (кибернетическая картография) [44]. О н трактовал ее как интерактивную, мультимедий ную к а р т о г р а ф и ю ближайшего будущего, охватывающую ш и р о к и й круг проблем благодаря доступу к новым технологиям и телекоммуникаци онным сетям. В X X I веке киберкартография должна, по идее У. Тоблера, стать ядром механизма, к о т о р ы й сможет организовывать и доводить до пользователей огромные потоки информации. Сегодня развитие картографии во многом определяется возможнос тями электронных микросхем, совершенством языков п р о г р а м м и р о в а ния, технологии спутникового зондирования и пропускной способнос тью волоконно-оптических кабелей. Получив возможность управлять изображением на экране, к а р т о г р а ф ы заставили карту двигаться, на учились сами перемещаться относительно изображения, наносить на него дополнительные объекты, прослеживать траектории развития ситуаций во времени, шггерактивно менять уровни генерализации, манипулиро вать знаками и оформлением.
В 1997 году, оценивая в о з м о ж н о с т и г е о и н ф о р м а ц и о н н о г о к а р т о графирования, мы высказали мнение о том, что «недалеко то время, к о гда картографические голограммы создадут полную иллюзию реальной местности, анимации позволят «пролететь» н а д нею, а пейзажные ком пьютерные модели сведут на нет различия между к а р т о й и живописным полотном» [4, с.56]. Вслед за Л. Джорданом [11] м ы предположили, что К а р т о й Будущего станет Разумное Г е о и з о б р а ж е н и е , синтезирующее свойства карты, снимка, блок-диаграммы и к о м п ь ю т е р н о й анимации. Пользователь сможет передвигаться по нему в реальном масштабе вре мени и в любом направлении. Намечающиеся теперь возможности «погружения» в виртуальную среду и пребывания «внутри» нее позволяют высказать предположение, что на этом пути к а р т о г р а ф и ю ожидают еще многие новые впечатляю щие технологические разработки. По-видимому, в недалеком будущем сле дует ожидать развития и внедрения в картографию виртуальных робототехнических средств. Начальные робкие попытки роботизации картографических процес сов были связаны с созданием специализированных экспертных систем, пытавшихся моделировать некоторые принципы искусственного интел лекта. Эти а в т о м а т и з и р о в а н н ы е системы о п и р а ю т с я на базы знаний, содержащие набор п р а в и л для составления к а р т , построения легенд, в ы б о р а знаковых систем, проведения генерализации в соответствии с заданными параметрами, проектирования к о м п о н о в о к и общего офор мления и т.п. Такие экспертные системы содержат н е к о т о р ы й спектр альтернативных решений, определяемых назначением, м а с ш т а б о м , те матикой проектируемой карты, уровнем изученности и географически ми особенностями самого картографируемого объекта. Получается, что экспертные системы и базы знаний должны брать на себя выполнение отдельных интеллектуальных операций по проектированию и составле нию карт. В случае с виртуальными геоизображениями круг задач расширяет ся. Необходимо не только проектировать и создавать достаточно слож ные пространствегшо-временные модели, но и р а б о т а т ь с ними, выпол нять измерения «внутри» виртуальной среды, изучать ее структуру, оце нивать взаимные связи и динамические изменения виртуальных объектов, извлекать разнообразную качественную и количественную информацию. Виртуальное моделирование не только позволяет, но настоятельно тре бует внедрения искусственного интеллекта и робототехники, к к о т о р о й могут полностью или частично перейти следующие функции: • интерактивное проектирование, составление и обновление вир-
туальных геоизображений, в том числе дополнение их р а з н о о б разным тематическим содержанием • манипулирование с п а р а м е т р а м и и свойствами окружающей вир туальной среды • количественный анализ в и р т у а л ь н ы х геоизображений, включая «натурные» измерения, к а р т о м е т р и р о в а н и е , вычисление м о р ф о метрических и математшсо-статистических показателей и т.п. • поддержка научно-исследовательских и научно-практических ре шений на основе анализа и виртуального моделирования. В настоящее время нет п р и н ц и п и а л ь н ы х трудностей для того, что бы поручить процессы создания, а главное, использования виртуаль ных геоизображений особым «картографическим р о б о т а м » . Они ста нут выполнять эти процессы точнее и быстрее в режиме реального (вир туального?) времени, оставив картографу функции управления и контроля. П р а к т и к а показывает, что технические сложности преодоле ваются в достаточно короткие сроки. Э т о т оптимистический взгляд ста нет понятен, если принять во внимание, насколько к р а т о к в историчес ком масштабе времени оказался путь от гравировального резца древнего к а р т о г р а ф а до курсора, к о т о р ы м пользуется современный к а р т о г р а ф геоинформатик.
ТЕРМИНОЛОГИЯ Новые технологии привнесли с собой в карто1рафию и геоиконику много новых понятой и терминов. А.В. Кошкарев в книге «Понятия и термины геоинформатики и ее окружения» [15] определяет научное по нятие как мысль, в к о т о р о й обобщаются и выделяются предметы (объек ты, явления) н е к о т о р о г о класса по с о в о к у п н о с т и их специфических свойств. А термин - это слово или сочетание слов, обозначающее поня тие, иначе говоря, имя, присваиваемое ему и принятое научным сообще ством. В случае с виртуальным картографированием «научное сообщество» идет по простому пути. Многие понятия о б р а з о в а н ы простым добавле нием термина «виртуальный» к т е р м и н а м «модель», «пространство», «изображение» и т.п. Не все они одинаково употребительны и значимы. Некоторые важны для формирующейся теории и практики, другие пред ставляются неточными, третьи - излишними. Все же, для упорядочения терминологического аппарата и ориентирования в дальнейшем изло жении целесообразно предложить н е к о т о р ы е р а б о ч и е определения (в алфавитном порядке): Анимация [Animation] 1 - динамическая последовательность кадров (сцен, плоских или объемных экранных геоизображешш), создающая при быстрой демонстрации эффект движения; 2 - процесс создания движу щегося и (или) видоизменяющегося компьютерного изображения. Син хронизация поступления и н ф о р м а ц и и и процесса построения компью терной анимации позволяет получать анимацию в реальном [масштабе] времени [real-time animation]. Виртуальная геомодель [Virtual geomodel] - синоним виртуального геоизображения. Виртуальная окружающая среда [Virtual environment] - программноуправляемая модель (или изображение) объектов, явлений и процессов,
внешних по отношению к виртуальному объекту (или геоизображению). Пользователь имеет возможность манипулировать параметрами вирту альной среды в интерактивном режиме. Виртуальная реальность, BP [Virtual reality, VR] - искусственная деи сте ительность, программно-управляемая модель реальных и (или) мыс ленных объектов, их связей и отношений. При этом между искусствен н о й действительностью и в о с п р и н и м а ю щ и м ее человеком образуется двусторонняя связь [9]. Н е к о т о р ы е исследователи особо подчеркивают, что BP - это система, п о з в о л я ю щ а я пользователю погрузиться в нее и м а н и п у л и р о в а т ь к о м п ь ю т е р н о смоделированными объектами так же, к а к объектами реального мира. Виртуальная сцена [Virtual scene] - любое отдельно взятое состояние (временной срез) в и р т у а л ь н о й реальности или модели. Виртуальное (гео)изображение [Virtual (geo)image, virtual (geo)representation] - пространственно-временная модель реальных или абстракт ных (мысленных) объектов и ситуаций, формируемая и существующая в программно-управляемой среде, обеспечивающей интерактивное взаи модействие с наблюдателем. К а к любое геоизображение, оно предстает в графической о б р а з н о й форме, имеет проекцию, масштаб и обладает свойством генерализованное™. С позиций геоиконики - это гипергеоизображение, т о есть сложное изображение, сочетающее в себе свойства к а р т ы , снимка, блок-диаграммы и компьютерной анимации. Виртуальные (информационные) ресурсы [Virtual information resour ces] - и н ф о р м а ц и о н н ы е ресурсы других организаций, предприятий, фирм и т.п., доступные пользователям в режиме теледоступа по каналам гло б а л ь н о й связи, например Интернет [8] Виртуальное картографирование [Virtual mapping]: 1 - процесс созда ния виртуальных геоиображений; 2 - сумма компьютерных технологий, включающая использование Г И С , телекоммушпеащюнных сетей, средств мультимедиа для построения и анализа виртуальных геоизображений. Виртуальное моделирование [Virtual modeling, virtual simulation] - со здание и использование в и р т у а л ь н ы х геоизображений и виртуальной окружающей среды. В наиболее р а з в и т ы х системах предполагается при менение особого интерфейса, обеспечивающего пользователю зритель ное, слуховое и осязательное восприятие моделируемого объекта, в то в р е м я к а к р е ч ь и д в и ж е н и я п о л ь з о в а т е л я передаются в и р т у а л ь н о м у объекту. В ряде случаев этот термин употребляется к а к синоним вирту ального к а р т о г р а ф и р о в а н и я . Виртуальные аудио-видео переменные [Virtual audio and video variab les] - графические (фотографические и картографические), анимацион-
ные переменные, объемные, звуковые эффекты и эффекты внешней сре ды, с п о м о щ ь ю которых формируются виртуальные геоизображения. Геопространственная виртуальная реальность (Гео-ВР) [Geospatial virtual environments, Geo-VR] виртуальная модель земных (планетных) объектов и окружающего пространства. Гео-ВР включает собственно виртуальное i еоизображеште и окружающую его среду. Термин предло жен Мак-Ичерном [36], к о т о р ы й указал четыре свойства Гео-ВР (четы ре «И»): 1) интерактивность система взаимодействия пользователя с Гео-ВР; 2) интродукция, то есть погружение пользователя внутрь сре да; 3) шгтенсификация информации возможность повышения деталь ности объектов Гео-ВР и их характеристик; 4) интеллектуальность, обес п е ч и в а ю щ а я чувственное восприятие и более сознательное поведение пользователей. Киберкартография (кибернетическая картография) [Cybercartography] - собирательное понятие, охватывающее новые компьютерные тех нологии, используемые для интерактивного создания и анализа карт: математическое моделирование, Г И С , мультимедиа, компьютерные сети, виртуальное к а р т о г р а ф и р о в а н и е и др. Понятие впервые использовано Д. Тейлором [44] для обозначения высоких картографических техноло гий будущего. Киберпространство [Cyberspace] - искусственное, программно управл я е м о е п р о с т р а н с т в о для р а з м е щ е н и я в нем о б ъ е к т о в в и р т у а л ь н о й реальности, включая виртуальные геоизображения, и взаимодействия с ними. Многоуровенная (мультиуровеншя) генерализация [Multilevel gene ralization] генерализация, возникающая за счет использования несколь ких ц и ф р о в ы х моделей рельефа р а з н о й детальности и (или) снимков р а з н о г о разрешения для одной и т о й же территории. Применяется при моделировании р а з н о й степени удаления (приближения) к виртуальной сцене. Орто[фото]изображение [Orto[photo]image] - геометрически обра ботанное аэро- или космическое изображение, преобразованное из цен т р а л ь н о й проекции в ортогональную и откорректированное за искаже ния, связанные с рельефом и кривизной земной поверхности. Погружение в BP [Plunge into VR] - полное вхождение в интерактив н ы й к о н т а к т с виртуальной средой и во взаимодействие с виртуальной сценой (объектом). Трехмерная фотореалистическая визуализация [3D photorealistic visu alization] - синоним виртуального моделирования [21].
БИБЛИОГРАФИЯ 1.
Берлянт A . M . О свойствах картографической модели // И з в . Всес. геогр. общ., 1973, 105, вып. 4, 327-33.2. 2. Берлянт A . M . Интеграция картографического и аэрокосмического методов // Геогр. картография. Взгляд в будущее. М.: И з д . Моск. ун та, 1985, 40-52 3. Берлянт A . M . Геоиконика. М.: Астрея, 1996, 208 с. 4. Берлянт A . M . Геоинформационное картографирование. М.: Астрея, 1997,64 с. 5. Берлянт A . M . , У ш а к о в а Л . А . А н и м а ц и о н н о е к а р т о г р а ф и р о в а н и е . М.: Научный мир, 2000, 108 с. 6. Берлянт A . M . , Семин В.Н., Сорокина A . M . Сопоставление методов проектирования традиционных и мультимедийных атласов // Взаи модействие картографии и геоинформатики . М.: Н а у ч н ы й мир, 2000, 104-111. 7. Беручашвили Н.Л. Персональные Э В М в картографии // Вестн. Моск. ун-та. Геогр., 1988, № 4, 91-96. 8. Воройский Ф.С. Систематизированный толковый словарь по и н ф о р матике (Вводный курс по информатике и вычислительной технике в терминах). М.: Либерия, 1998, 376 с. 9. Геоинформатика. Толковый словарь основных терминов. П о д . р е д . А.М.Берлянта и А.В.Кошкарева. М.: ГИС-Ассоциация, 1999, 204 с. 10. Гусейн-Заде С М . , Тикунов B.C. А н а м о р ф о з ы : ч т о это такое? М.: Э д и т о р и а л УРСС, 1999, 168 с. 11. Д ж о р д а н Л . Н а пороге н о в о й эры: интеграция Г И С и дистанцион ного изображения // ARCRewiew. 1997, № 1 , 8. 12. Книжников Ю . Ф . Зрительный образ местности к а к геоизображение // Вестн. Моск. ун-та. Геогр., 1999, № 1 , 31-36. 13. Комплексные региональные атласы. П о д ред. К.А.Салищева. И з д . Моск. ун-та, 1976, 638 с.
14. Котова Т.В., Латышева З.М., Январева Л . Ф. Методические основы согласования к а р т п р и комплексном к а р т о г р а ф и р о в а н и и (на при мере Экологического атласа России) // Вестн. Моск. ун-та. Геогр., 1998, № 3 , 16-21. 15. Кошкарев А.В. Понятия и термины г е о и н ф о р м а т а к и и ее окруже ния. Учебно-справочное пособие / М.: И Г Е М Р А Н , 2000, 76 с. 16. Маслов О.Р., П р о н и н а Е.Е. Психика и реальность: типология вир туальности // Прикладная психология. 1998, № 6 , 41-49. 17. М н о г о я з ы ч н ы й с л о в а р ь т е х н и ч е с к и х т е р м и н о в к а р т о г р а ф и и . Wiesbaden, Germany, 1973, L X X V I I I , 573 p. 18. Январева Л . Ф . Согласование карт в комплексном электронном к а р т о г р а ф и р о в а н и и // Взаимодействие к а р т о г р а ф и и и геоинформати ки. М.: Научный мир, 2000, 96-103. 19. Andrews J. N . What Was a Map? The Lexicography Reply. Cartorgaphica, v.33, №4, 1-11. 20. Application of Geographic Information Systems. ESRI Map Book, 2000, v. 15. 120 p. 21. Bandrova Т., Ivanova K . 3D Cartographic Modelling in City Envirioment // Proc. 19th Internat. Cartogr. Conf., I C A , Ottawa, 1999, v . l , 805-811 22. Bar H.R., Sieber R. Towards High Standard Interactive Atlases «The GIS and Multimedia Cartography Approach)) // 19th Int. Cartogr. Conf. I C A , Ottawa, 1999: Proc, v . l . Ottawa, 1999, 235-241. 23. Berlin J. Semiologiegraphique, diagrammes, reseaux, cartographie. Paris, Gautier Villars, Den Haag Mouton, 1967, 430 p. 24. Bidoshi K . , Ramirez J.P., Caelli T. Multimedia Visualization for Maps of Future// 19th Int. Cartogr. Conf. I C A , Ottawa, 1999: Proc, v . l . Ottawa, 1999, 591-599. 25. Bryson S. Virtual Reality in Scientific Research // Communication of A C M , 1996, v.3, № 5 , 62-71. 26. Buziek G., Dollner J. Concept and Implementation o f an Interactive Cartographic Virtual System// 19th Int. Cartogr. Conf. ICA, Ottawa, 1999: Proc, v . l . Ottawa, 1999, 637-648. 27. Chong A . K . Ortoimage Mapping Bases for Hybrid, Multimedia, and Virtual Environment GIS // Cartography (Austral.), 1999, 28, № 1 , 33-41. 28. Collinson A . Virtual Worlds // Cartogr. J., 1997, v.24, № 2 , 117-124. 29. Dibiase D., Maceachern A . M . , Krigier J.В., Reeves C. Animation and the Role of Map Design i n Scientific Visualization // Cartogr. and Geogr. Inform. Sys, 1992, v. 19, №4, 201-214. 30. Forrest D . What is a Map // 19th Int. Cartogr. Conf. I C A , Ottawa, 1999: Proc.,v.2. Ottawa, 1999, 1807-1810.
31. Fuhrmann S., Kuhn W. Interface Design Issues for Interactive Animated Maps // 19th Int. Cartogr. Conf. ICA, Ottawa, 1999: Proc, v . l . Ottawa, 1999, 875-884. 32. Grenzdorffer G, B i l l R. D i g i t a l O r t o p h o t o o s f o r M a p p i n g and I n t e r p r e t a t i o n i n H y b r i d G I S - E n v i r o n m e n t // I n t e r n a t . A r c h , o f Photogrammetry and Remote Sens. 1994, 30(4), 467-475. 33. I C A News, Summer 1996, 1 34. Jacobson R. Virtual World Capture Spatial Reality // GIS World Inc. 1994, CO, 7 (12), 36-39. 35. MacEachern A . Time as a Cartographic Variable // Heranshaw, Hilary and D.J.Unvin (eds.). Visualization in Geogr. Inform Sys., John Wiley & Sons, Chichester. 36. MacEachern A . M . , Kraak M-J., Verbree E. Cartographic Issues in the Design and Application of Geospatial Virtual Environments // 19th Int. Cartogr. Conf. I C A , Ottawa, 1999: Proc, v . l . Ottawa, 1999, 657-665. 37. Moellring H . Real and Virtual Maps // Pap. Presented to the 73 rd A n n . Meet. Jf the Assoc. Amer. Cartogr. 1977, Salt Lake City, Utah, 1977, 22 p. 38. Moellring H . Strategies o f Real-Time Cartography//Cartogr. J. 1980, 17 39. Moellring H . Real Maps, Virtual Maps and Interactive Cartography // G.L.Galie and C.J.Wilmontt (eds.) Spatial statistics and Models. 1984, Riedel Publ., Dordrecht, 109-131. 40. N a t i o n a l Research Council, 1995. V i r t u a l Reality: Scientific and Technological Challenges. Nat. Acad. Press, 1995. 41. Riedal A . Virtual Globes - a New Era for Globo // 19th Int. Cartogr. Conf. I C A , Ottawa, 1999: Proc, v . l . Ottawa, 1999, 649-656. 42. Salichtchev K . A . , Berliant A . M . Methods d'utilization des cartes dans les recherches sciehtifiques // Rap. 6th Conf. Assoc Cartogr. Inter. Moscou, U G M , 1972, 53 p. 43. Tasker N . Site Design or Internet Crime? // Bull. Soc Cartogr. 1998. v.32, № 1 , 1-4. 44. Taylor D.R.F. Maps and Mapping in the Information Era // Proc 18th Internat. Cartogr. Conf., I C A , Stockholm, 1997, v . l , 1-10 45. Virtual Frontier™. Promo C D // N o r t h W o o d Geosience L t d . , 1999, Klondike Software Inc.
ОГЛАВЛЕНИЕ Основные понятия Что есть карга? 19-я Международная картографическая конференция Сущность вирутального изображения Сферы применения виртуальных моделей
3 3 7 9 13
Особенности технологий виртуального моделирования О п ы т традиционной к а р т о г р а ф и и Процесс моделирования V R M L - язык виртуального моделирования Ортофотоизображения - основа виртуальных моделей Анимации Звуковые эффекты
14 14 17 21 22 23 25
Свойства и виды виртуальных геоизображений Модельные свойства Видео- и аудиопеременные Реальные и абстрактные геоизображения Моделирование в тематическом пространстве Виртуальные глобусы Виртуальные геоизображения к а к учебные пособия
.27 27 29 33 34 34 35
Анализ перспектив Развитие геоиконики Направления дальнейших исследований Киберкартографирование
38 38 42 44
Терминология
47
Библиография
50
CONTENTS Basic Terms What is a Map? : 19th International Cartographic Conference Essence o f Virtual Image Scope o f Virtual Models
3 3 7 9 13
The Peculiarities of Virtual Modeling Technologies Experience o f Traditional Cartography Modeling Process Virtual Reality Modeling Language Ortophotoimage as a Basis o f Virtual Models Animations Audio Effects
14 14 17 21 22 23 25
The Features and Types of Virtual Geoimages Features o f Models Video and Audio Parameters Real and Abstract Geoimages Modeling in the Thematic Space Virtual Globs Virtual Geoimages as the Educational Aids
27 27 29 33 34 34 35
The Outlook Development o f Geoikonics Future Trends Cybermapping
38 38 42 44
Glossary
47
Bibliography
50
Берлянт Александр Михайлович ВИРТУАЛЬНЫЕ ГЕОИЗОБРАЖЕНИЯ
«Научный мир» 119890, Москва, Знаменка, 11/11 Тел./факс (007) (095) 291-2847. E-mail:
[email protected]. Internet: http://195.178.196.201/N_M/n_m.htm ЛР ИД №03221 от 10.11.00. Гигиеническое заключение № 77.99.6.953.П.3619.6.99 от 29.06.99. Подписано к печати 23.12.00. Формат 60x90/16 Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 3,5 Тираж 500 экз. Заказ Издание отпечатано в типографии ООО "Галлея-Принт" Москва, 5-я Кабельная, 26
ВНИМАНИЮ РАБОТНИКОВ БИБЛИОТЕК И РУКОВОДИТЕЛЕЙ НАУЧНЫХ У Б Е Ж Д Е Н И Й Коллектор научных изданий «НАУЧНЫЙ
РОБОНРИ
МИР»
создан по решению исполкома Российского фонда фундаментальных ис следований ( Р Ф Ф И ) о т 17 апреля 1997 г. п р и Б и б л и о т е к е по естест венным наукам Российской А к а д е м и и наук ( Б Е Н Р А Н ) . В задачи коллектора входит распространение по библиотекам научноисследовательских институтов, вузов, и по государственным и област ным публичным научно-техническим библиотекам России и стран С Н Г литературы по фундаментальным отраслям науки, издаваемой при фи нансовой поддержке Р Ф Ф И . В настоящее время в к н и ж н о м коллекторе имеется большое количество новейших научных изданий, п о л н ы й список к о т о р ы х можно получить по электронной почте через INTERNET.
Комплектование
библиотек производится
следующим
образом:
- выполнение р а з о в ы х заказов с последующим выставлением счета; - по долгосрочным д о г о в о р а м с поставкой к н и г по согласованной те матике. Научные издания в России распространяются бесплатно с компенсаци ей лишь п о ч т о в ы х и накладных расходов к о л л е к т о р а . За информацией и с заявками обращаться по адресу: 119890. Москва, ул. Знаменка, 11/11, Б Е Н Р А Н К о л л е к т о р Р О Б О Н Р И «НАУЧНЫЙ МИР»
Тел./факс (007) (095) 291-2847 E-mail:
[email protected] Internet: http://195.178.196.201/N_M/n_m.htm
