Картографические анимации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБ ОУ ВПО Тюменский государственный университет

Институт математики, естественных наук и информационных технологий

Кафедра картографии и ГИС

Реферат на тему:

Картографические анимации

Выполнил: студент

Миргородская В.С.

Проверил: ассистент

Артемова Н.П.

Тюмень 2012

Содержание

Введение

Глава 1. Картографические анимации

1.1 Основные понятия картографической анимации

1.2 Краткая история развития картографической анимации

1.3 Картографические анимации

1.4 Создание виртуальных карт

1.5 Свойства виртуального моделирования

1.6 Легенды к картографическим анимациям

1.7 Сферы применения виртуальных моделей. Виртуальное геоизображение в обучении

Заключение

Список литературы

Введение

Прогресс геоинформационного картографирования, аэрокосмического зондирования и компьютерных технологий ведет к тому, что карты традиционного типа перестают быть единственным и безраздельным средством познания объектов и процессов на нашей планете.

Съёмки в любых масштабах и диапазонах, с различным пространственным охватом ведутся на земле и под землей, на поверхности океанов и под водой, с воздуха и из космоса. Компьютерное моделирование, различные механические и автоматические преобразования снимков и карт обусловили появление десятков и сотен новых пространственных моделей. Постепенно входят в исследовательский обиход картографические анимации и голограммы. Никогда прежде географы, геологи, планетологи, социологи и другие представители наук о Земле и обществе не имели дела с таким изобилием карт, аэро- и космических снимков, экранных изображений, на которых в разных аспектах и всевозможных ракурсах представлена вся планета -- объект их исследований и забот. Известно, что в мышлении людей зрительный образ занимает центральное место. Около 4/5 информации об окружающем мире люди получают с помощью зрения. Ни быстродействующие процессоры, ни многозвучные плееры по эффективности передачи информации не способны конкурировать с изображениями. Всем известно, что "лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать". И именно поэтому, чем совершеннее компьютер, тем больше и красочнее его экран. Все множество карт, снимков и других подобных моделей можно обозначить единым термином "геоизображения", понимая под этим любые пространственно-временные, масштабные, генерализованные модели земных объектов или процессов, представленные в графической образной форме. В этой формулировке названы главные свойства, присущие всем геоизображениям (масштаб, генерализованность, наличие графических образов), и отмечена их специфика -- это изображения Земли. Геоизображения охватывают недра Земли и ее поверхность, океаны и атмосферу, биосферу, социально-экономическую сферу и область их взаимодействия -- природно-социально-экономическую сферу.

Глава 1. Картографические анимации

1.1 Основные понятия геоизображениях, картографические анимации

Геоизображемние -- любая генерализованная, масштабная, пространственно-временнамя, модель земных объектов или процессов, представленная в образной (иконической) форме. Понятиегеоизображение охватывает традиционные полиграфические и электронные карты, фотокарты, блок-диаграммы, рельефные карты и стереомодели, кинокарты, анаморфозы, аэро- и космическиеснимки, картографические анимации, виртуальные изображения и прочие.

Различают три класса геоизображений в зависимости от их метрических свойств, методов получения, статичности -- динамичности и, конечно, в зависимости от назначения:

· плоские, или двухмерные геоизображения;

· объемные, или трехмерные геоизображения;

· динамические трех- и четырехмерные геоизображения.

Плоские геоизображения

К этому классу принадлежат, прежде всего, карты и планы, знаковые, генерализованные модели, построенные в картографических проекциях: топографические, тематические карты самых разных масштабов назначения и содержания, а также всевозможные производные картографические модели. Таковы, например, анаморфированные карты, искажающие реальные пространственные конфигурации, чтобы более наглядно передать особенности размещения картографируемых явлений. Аэро- и космические снимки, фотографии морского дна, телевизионные, радиолокационные, гидролокационные, сканерные изображения также относятся к плоским геоизображениям. Комбинации геометрических и спектральных свойств снимков настолько разнообразны, что их даже затруднительно перечислить. Самое же главное свойство всех снимков -- это копийная (иконическая) передача объектов, их реальной формы и вида с той степенью разрешения (подробности), которую обеспечивает съемочная аппаратура. В этом состоит принципиальное отличие снимков от карт.

Еще одна группа плоских геоизображений компьютерные (электронные) карты, высвечиваемые на экранах в растровом и векторном форматах. Можно "перелистывать" карты прямо на экране, совмещать их друг с другом -- словом, работать с ними в интерактивном режиме.

Объемные геоизображения

Этот класс объединяет трехмерные графические модели, зрительно воспроизводящие объемность реального мира. К ним относятся блок-диаграммы -- трехмерные рисунки местности; стереоскопические модели -- результат разглядывания стереопар снимков сквозь специальные стереофотограмметрические приборы; физиографические панорамы -- модели, сочетающие наглядность и картинность художественных пейзажей с точностью карт и др. Такие панорамы и пейзажи конструируют теперь на экранах компьютеров. Они очень удобны для планирования ландшафта, размещения на нем зданий и архитектурных сооружений.

К объемным геоизображениям принадлежат рельефные карты и глобусы, которые еще недавно изготавливали вручную из папье-маше, а теперь формуют из пластика. И, наконец, объемные голограммы. Сегодня голографические карты и снимки местности существуют в единичных экспериментальных экземплярах, но эта технология столь стремительно прогрессирует, что, возможно, скоро голограммы станут не менее привычными, чем электронные карты.

Динамические геоизображения

Движущиеся геоизображения передают изменения объектов не только в пространстве, но и во времени, т. е. как бы в четвертом измерении. Это плоские, или стереоскопические, картографические анимации. С их появлением картография преодолела извечную свою статичность. Начали даже говорить об особой анимационной картографии, в которой традиционная статичная картография рассматривается как частный случай.

Анимационные геоизображения помогают, например, фиксировать разрастающиеся пятна нефтяногозагрязнения на поверхности океана, распространения очагов эпидемий, изменения температурных полей на суше и в океане, движения ледников и т. п.

Мало-помалу анимации входят в повседневный быт, и мы легко воспринимаем на телеэкране анимационную карту прогноза погоды, когда на ней перемещаются атмосферные фронты, облачный покров и зоны осадков.

Картографические анимации - это последовательная форма представления изменяющихся изображений в определенный интервал времени. Перспективным направлением их использования может стать создание серий исторических карт-анимаций различной тематики.

1.2 Краткая история развития картографической анимации

Все новейшие технологии, используемые в геоинформационном картографировании, имеют глубокие корни.

Прототипом современных ГИС безусловно являются географические атласы - геоинформационные системы докомпьютерной эпохи, имеющие много общего с современными ГИС. В тех и других информация представлена в виде картографических слоев, взаимно увязанных и предназначенных для совместного анализа. Известные принципы создания атласов - ограничение числа используемых проекций и масштабов, согласование базовых карт и географических основ, увязка шкал и легенд, единство подходов к генерализации, общность изобразительных средств и дизайна, взаимное согласование карт - все они остаются справедливы и для ГИС. Очень важно и целесообразное ограничение количества карт-слоев рациональным их набором. Проектирование и использование современных ГИС во многом опираются на опыт комплексного атласного картографирования.

Анимационные компьютерные технологии также ведут начало от традиционных приемов динамического картографирования, когда на одной или на серии карт фиксируют состояния объектов в разные моменты или периоды времени. Для показа динамики объектов и процессов применяют стрелки-векторы, ленты движения, "нарастающие" знаки и диаграммы, расширяющиеся контуры ареалов, изолинии скоростей изменения явлений и т. п. Новым и очень популярным средством комплексного картографирования в последние годы стали мультимедиа. Они позволяют хранить и совместно воспроизводить не только картографическую, но и иную графическую информацию, трехмерные изображения, аэрокосмические снимки, тексты, звуки. Большие объемы видеоинформации в сочетании с аудио- и текстовым сопровождением (до 650 Мбайт и более) записывают на компакт-диски (CD-ROM) и снабжают гиперссылками, обеспечивающими удобный переход от карт 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 картографии, где давно и весьма детально разработаны принципы и приемы оптимального сочетания карт с текстом, размещения в атласах географических описаний, сведений о картах, пояснений и методических указаний по их использованию. Комплексные атласы - это бумажные прообразы мультимедиа, они обильно насыщены аэро- и космическими снимками, фотографиями. 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 наработки оказались напрямую востребованы при создании картографических мультимедийных компакт-дисков.

1.3 Анимации

Анимационное картографирование сформировалось как ветвь оперативного геоинформационного картографирования. Анимации применялись вначале для мониторинга, оценки, управления и контроля быстро меняющихся процессов и явлений. Самый популярный пример - показ перемещений атмосферных фронтов, циклонов, антициклонов и зон осадков в ежедневных телевизионных прогнозах погоды. Это очень понятные, хотя, кстати сказать, довольно примитивные анимации, в которых пятна высокого и низкого давления перемещаются по полю карты, не меняя своей формы. Позднее появились примеры использования картографических анимаций для медленно протекающих явлений, таких, как меандрирование рек, а также для палеогеографических реконструкций и шииострации тектонических процессов, например, моделирования раскола праматерика Гондваны и перемещения плит.

Серия компьютерных карт распределения снежного покрова на территории Европейской равнины (с октября по май), представленная в виде анимации[2]

Так, на серии анимационных карт-кадров были прослежены становление и сход снежного покрова на Европейской равнине [2]. В северо-восточных районах снег ложится уже в конце октября, максимальная его толщина наблюдается на Северном Урале, оставаясь такой в течение всего зимнего периода. В ноябре появляются локальные максимумы в верховьях Дона и к востоку от Онежского озера. В декабре устойчивый покров формируется на всей территории, за исключением Северного Кавказа. В январе картина распределения снежного покрова складывается окончательно. Таяние начинается в феврале-марте, а к апрелю граница снежного покрова смещается к 60°с.ш. В конце мая снег остается только на Полярном Урале.

Анимационная последовательность среднемесячных температур у поверхности воды, составленная с помощью географической информационной системы "Черное море" [3].

Еще один пример - моделирование быстро меняющихся гидрофизических параметров морей и океанов. C помощью географической информационной системы "Черное море" [3] была представлена динамическая последовательность карт изменения температуры воздуха в пределах акватории Черного моря. Анимационный модуль этой системы способен создавать аналогичные последовательности не только для температур, но для осадков и ветров. Анимации можно запускать в прямом и обратном порядке, меняя при этом скорость демонстрации, а кроме того интерполировать значения избранного показателя и строить карту-кадр на любую заданную дату.

Современные компьютерные программы содержат наборы модулей, обеспечивающих самые разные варианты и комбинации анимаций:

- перемещение всего картографического изображения по экрану;

- мультипликационный показ последовательности карт-кадров или блок-диаграмм;

- изменение скорости демонстрации, покадровый просмотр, возврат к избранному кадру, обратная последовательность;

- перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по карте;

- изменение отдельных элементов карты, их размеров, формы, ориентации и др.;

- мигание знаков, варьирование окраски, изменение ее интенсивности, создание эффекта вибрации цвета;

- изменение освещенности или фона, "подсвечивание" и затенение отдельных участков карты;

- панорамирование, изменение проекции и перспективы (точки обзора, ракурса, наклона), вращение блок-диаграмм;

- варьирование масштабом изображения или его части, использование эффекта наплыва или удаления объекта;

- создание эффекта движения над картой (облет территории), в том числе с разной скоростью.

Многие из этих эффектов можно ежедневно видеть на экране телевизора, когда рельефная карта России наплывает на зрителя и медленно поворачивается перед ним, по ней движутся циклоны и антициклоны, "ползут" линии атмосферных фронтов, а из значка облачности идет дождь или выглядывает солнце. Сложные компьютерные анимации понятны каждому зрителю, можно сказать, что эти технологии уже вошли в повседневный быт. Вот только прогнозы не всегда оправдываются.

На одном из рисунков показаны восемь кадров 16-секундной анимации, воспроизводящей "облет" вулканической горы Худ в штате Орегон (США). Во время этого краткого полета гора видна под разными ракурсами и с разной удаленностью от наблюдателя .

Тот факт, что анимации можно демонстрировать с нормальной, ускоренной или замедленной скоростью, ставит новые и пока еще непривычные проблемы. Одна из них - введение временного масштаба. Можно, например, говорить о медленно-, средне- и быстромасштабных изображениях, приняв, например, следующие соотношения: 1:86 000 (одна секунда демонстрации анимационной карты соответствует округленно одним суткам); 1:600 000 (в одной секунде - одна неделя); 1:2 500 000 (в одной секунде - один месяц); 1:31 500 000 (в одной секунде - один год).

1.4 Создание виртуальных карт

Как создают такие карты? Вначале по топографическим картам, аэро- или космическим снимкам создают цифровую модель рельефа, т.е. изображение рельефа, построенное по значениям высот, обычно расположенным в узлах регулярной сетки. Затем на эту рельефную блок-диаграмму накладывают предварительно откорректированное фотоизображение местности, полученное в результате дистанционной съемки [1].

Далее на построенную фото-блок-диаграмму наносят тематическое содержание (знаковую нагрузку), надписи, выполняют цветовое оформление и редактируют все изображение.

Следующий этап - определение узловых сцен (кадров) и выбор траектории движения или вращения модели. При этом компьютерная программа рассчитывает промежуточные кадры и запускает анимацию. После этого можно сформировать внешние эффекты окружающей среды (солнечное освещение, туман, дождь и т.п.) и создать средства интерактивного взаимодействия с ними, добавить звуковое сопровождение, например шум дождя, плеск прибоя и др. Отдельные операции этого алгоритма, такие как нанесение дополнительных объектов, выбор состояния окружающей среды, внесение мультимедийных эффектов могут быть пропущены, другие добавлены, например расчет распределения теней в городе или в горах.

Таким образом, виртуальное геоизображение включает изображение самого объекта, окружающей его виртуальной среды, а также средства взаимодействия их между собой и с наблюдателем (пользователем), который получает возможность интерактивно управлять и объектом, и средой. Соответственно система виртуального моделирования содержит три подсистемы: формирования виртуальной модели; управления средой и изменения ее параметров; внесения из базы данных дополнительной информации, новых, в том числе абстрактных объектов.

Построение фото-блок-диаграммы [1]. Вверху - космический снимок одного из районов Франции (окрестности Альбервиля), в середине - цифровая блок-диаграмма рельефа того же района, внизу - блок-диаграмма с "натянутым" на нее фотоизображением.

1.5 Свойства виртуального моделирования

Модельные свойства традиционных карт сделали их наиболее притягательным средством представления добытых знаний и инструментом исследования в науках о Земле. Напомним, что этими свойствами являются пространственно-временное подобие, содержательное соответствие, абстрактность, избирательность и синтетичность, наличие масштаба и метричностъ, наглядность, обзорность, однозначность и непрерывность.

Виртуальные геоизображения в полной мере обладают всеми этими свойствами и добавляют к ним ряд других, среди которых наиболее существенны следующие:

* реалистичность, проявляющаяся в трехмерности и перспективности 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, выбираемых 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, модификация, осуществляемые в оперативном режиме, в том числе в реальном масштабе времени

* многомасштабность и мультиуровенная генерализация - переход с одного масштабного уровня на другой за счет изменения уровня детальности и текстуры изображения многотемноеть - изменение тематического содержания модели путем замены или комбинации картографических и фотографических слоев

* мультимедийность - сочетание трехмерного изображения с плоской картой или снимком, профилями, разрезами, фотографиями, звуковым сопровождением, что обеспечивает высокую информативность виртуальных геоизображений.

Некоторое, неизбежно схематическое представление о соотношении свойств традиционных карт и виртуальных геоизображений дает следующее сопоставление:

1.6 Легенды к картографическим анимациям

Легенды для анимаций должны удовлетворять двум взаимно противоположным условиям: быть максимально полными, показывая все виды условных знаков на карте и все варианты их анимации для обеспечения максимальной наглядности карт, и небольшими по размеру, так как размер матрицы экрана относительно невелик.

Легенды анимационных карт часто содержат как привычные условные обозначения, принятые в классической картографии, так и достаточно специфические элементы, редкие или никогда не встречающиеся на обычных картах. Приведем несколько примеров:

-- счетчики времени. Применяются для точного определения момента времени, на который создавалась карта;

-- цветовые многоступенчатые или непрерывные градиентные шкалы (число ступеней цветов может достигать 800-1000 и более). Используются для анимирования цветовой окраски и достижения эффекта плавного перехода цветов;

-- анимированные условные знаки (точечные, линейные, площадные). Сами изображения знаков могут быть как двух-, так и трехмерными;

-- пульсирующие условные знаки (знаки с циклически меняющейся формой, цветом, светлотой, внутренней структурой, ориентацией);

-- индикаторы достоверности данных или типов данных для каждого кадра.

1.7 Сферы применения виртуальных моделей. Виртуальное геоизображение в обучении

Виртуальные модели и технологии сегодня широко используют в разных отраслях науки, практики и бизнеса. Наибольшее применение они получили в следующих сферах:

* архитектура, инженерное проектирование, гражданское, дорожное и гидротехническое строительство

* воздушный, водный, наземный, подземный транспорт и навигация

* создание тренажеров

* моделирование катастроф и чрезвычайных ситуаций, в том числе 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 расширяется, новейшие достижения компьютеризации быстро находят в них применение.

По маркетинговым оценкам, доходы в этой сфере ежегодно возрастают примерно на 60%, и это почти в 3 раза больше, чем в других отраслях информатики.

картографический анимация виртуальный геоизображение

Заключение

Внедрение вычислительной техники и информационных технологий во все сферы научной деятельности и отрасли народного хозяйства является отличительной чертой нашего времени. Необходимость оперативного решения многочисленных народнохозяйственных задач с использованием картографических материалов требует внедрения в картографическое производство новой техники и технологий.

Традиционные методы создания картографических произведений, основанные на ручном труде и производственном опыте картографа, во многом перестали отвечать современным требованиям и не в полной мере стали обеспечивать решение поставленных перед картографией задач, а именно: современный дизайн, качественное красочное издание, оперативность изготовления картографического произведения, компактное хранение картографической информации, ее постоянное оперативное обновление и многократное использование и т. д. К тому же традиционная технология обладает громоздким технологическим процессом и большими трудозатратами, что значительно увеличивает сроки и стоимость выполнения работ по созданию картографических произведений.

Все более широкое внедрение новых технологий в картографическое производство на всех этапах создания карт позволяет значительно сократить производственный цикл, повысить эффективность производства и качество создаваемой картографической продукции. В связи с этим в теории и практике картографии возникла необходимость переосмысления, пересмотра и уточнения старых и разработки новых теоретических положений, технологий и совершенствования терминологии.

В силу таких тенденций и под влиянием компьютерных технологий родилась новая область картографической науки и производства - компьютерная картография, базирующаяся на современных быстродействующих компьютерах и других технических средствах обработки графической информации, а также на использовании соответствующего программного обеспечения.

Список литературы

1. Берлянт А.М. Виртуальное геоизображения.-М.: научный мир, 2001. - 56 с.: 2 цв. Вкл.

2. А.В. Востокова, С.М. Кошель, Л.А. Ушакова. Под редакцией канд. Географ. Наук А.В. Востоковой. Оформление карт компьютерный дизайн. - М.: - 2002

3. Берлянт А.М. Картография. М.: КДУ, 2010. - 328 с

4. Курошев Г.Д. Геодезия и география. СПб.: Изд-во С.-Петербург.ун-та, 1999. С. 372.

5. Кошкарев А.В., Тикунов В.С. Геоинформатика : Под ред. Д. В. Лисицкого. М.: Картгеоцентр - Геодезиздат. 1993. 213 стр. Интернет ресурс: http://edu-knigi.ru Онлайн - библиотека образовательной и научной литературы.

Размещено на Allbest.ru