Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

МНОГОМЕРНЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ЗЕМЛИ, АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ

Косиков А.Г. 1 Ушакова Л.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова»
В статье рассматриваются аспекты построения экспериментальных многомерных пространственно-временных (3D растровых, временных) географических моделей Земли, Арктики и Антарктики. Обсуждается представление о многомерных пространственно-временных моделях, модифицируемая структура данных, методы формирования, пространственного анализа и визуального воспроизведения данного типа моделей. Указываются источники исходных пространственных и временных данных, и приводятся их основные типы. Описываются основные стадии проводимых авторами исследований по созданию моделей Земли и её полярных областей, и даются основные характеристики и параметры разрабатываемых моделей. Приводятся варианты визуализации построенных экспериментальных моделей Земли, Арктики и Антарктики в форме их виртуальных геоизображений с заданными свойствами. Обсуждаются перспективы описываемых исследований, и выделяется их значимость для решения научно-практических задач.
многомерные пространственно-временные модели окружающей среды
темати­ческие признаковые пространства
виртуальные геоизображения
виртуальное моделирование
1. Берлянт А.М. Виртуальные геоизображения. – М.: Научный мир, 2001. – 54 с.
2. Берлянт А.М. Теория геоизображений. – М.: ГЕОС, 2006. – 261 с.
3. Косиков А. Идеальные модели реальности для географических исследований // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. – 2014. – № 5. – С. 81–87. http://journal.miigaik.ru/arhiv_zhurnalov/2014/.
4. Ушакова Л., Косиков А. Картографический дизайн многомерных географических моделей // Геодезия и картография. – 2014. – № 12. – С. 29–37. http://journal.cgkipd.ru/archive/2014-december.
5. Косиков А., Ушакова Л. Виртуальное моделирование и многомерные географические мо­дели // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 2. – С. 164–169.
6. Косиков А., Ушакова Л. Виртуальные геоизображения пространственно-временных моде­лей окружающей среды // Геодезия и картография. – 2016. – № 5. – С. 43–51. http://journal.cgkipd.ru/archive/2016-may.

В поисках новых подходов к геоинформационному моделированию в целях исследований географической оболочки Земли, её физических полей, глубинного строения и геодинамики, взаимодействия внутренних и внешних (гидросфера, биосфера, атмосфера, ионосфера) геосфер и их влияния на окружающую среду, в рамках деятельности Центра геоинформационных технологий кафедры Картографии и геоинформатики Географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова проводятся исследования, направленные на разработку и развитие новых методов, алгоритмов и программных инструментов построения, анализа и визуализации многомерных пространственно-временных моделей на примерах построения экспериментальных моделей Земли и её полярных территорий высокого и сверхвысокого разрешения. Эти исследования служат основой для разработки общей концепции создания, функционирования и использования многомерных пространственно-временных моделей окружающей среды. Исследования в целом направлены на решение фундаментальной проблемы наук о Земле – «Разработку новых методологий, технологий, технических средств и аналитических методов исследований поверхности и недр Земли, ее гидросферы и атмосферы» и напрямую затрагивают такие направления фундаментальных исследований, как «Глобальные и региональные модели строения и формирования основных типов структур Земли» и «Геоинформатика, создание геоинформационных систем».

Главной задачей предпринимаемого исследования является разработка новой методологии и комплекса технологий, средств и аналитических методов исследований поверхности, гидросферы, атмосферы и недр Земли на базе развития методов построения, визуализации и анализа глобальной многомерной пространственно-временной модели Земли и региональных моделей её полярных областей. В рамках этой главной задачи решаются следующие основные задачи:

- разработка принципов создания, основ построения, функционирования, анализа и визуализации многомерных пространственно-временных моделей Земли, включая или её полярные регионы (далее – моделей);

- поиск и подбор источников исходных данных для интеграции и моделирования;

- разработка, апробирование и отладка основных методов построения, анализа и визуализации моделей;

- разработка принципов генерализации данных моделей;

- построение моделей, проецирование геоданных в пространство моделей;

- разработка вариантов визуализации и дизайна виртуальных геоизображений;

- разработка методов анализа и использования моделей Земли и её полярных регионов для выполнения научных и научно-практических исследований, решения актуальных глобальных и региональных экологических проблем.

В реализации данного исследования используется представление о многомерных пространственно-временных моделях, как о 4D и 3D-растровых, временных моделях, элементарные ячейки которых описывают состояния каждого заданного элементарного объёма реальной географической среды в различные моменты времени. Разрабатываемые методы построения, анализа и визуализации этих цифровых моделей опираются на модифицируемую структуру данных, позволяющую поддерживать различные категории данных, включая: номинальные, порядковые, интервальные и соотносительные. Среди этих категорий значения номинальных и порядковых данных рассматриваются в модели как категориальные или тематические, в то время как интервальные и соотносительные представляют непрерывные градации и считаются непрерывными. В структуре данных моделей категориальные данные могут также служить ссылками на записи баз данных, отдельные массивы данных и метаданные. Размещённые в моделях, на логическом уровне эти данные формируют объёмные временные поля значений в задаваемых тематических признаковых пространствах [1] с заданными свойствами. Изначально статичные, в развитии, эти модели в признаковых пространствах преобразуются в поддерживаемые непрерывным вычислительным процессом динамичные формы [4]. Возможность обработки больших массивов информации, содержащейся в моделях, обеспечивается использованием методов иерархического структурирования и сжатия данных. Модели формируются посредством проецирования пространственно-координированных географических данных в логически объёмное, трёхмерное пространство модели. Разработка детализированной структуры данных и начального перечня свойств географической среды, описываемых элементарными ячейками экспериментальных моделей Земли и её полярных территорий применительно к различным уровням пространственного разрешения, является одной из ключевых задач выполняемых исследований. Характер представления данных в многомерных ячеистых пространственно-временных моделях создаёт особые условия для виртуального моделирования [5]. Специальной задачей исследования является разработка вариантов графических интерпретаций моделей в виде различных видов электронных геоизображений [2], среди которых ведущая роль отводится наиболее универсальной форме – виртуальным геоизображениям [6] и их дизайну, методика создания которых описана нами в [4].

В качестве исходных географических данных для построения этих моделей используются находящиеся в открытом доступе цифровые модели поверхностей Земли; данные дистанционного зондирования; базы пространственных данных; наборы тематических временных географических данных площадной, линейной и точечной локализации; векторные и растровые тематические карты. Эти наборы данных перерабатываются и проецируются в модели Земли и её полярных областей. В их состав входят данные о строении Земли, тектонике и геологии, рельефе дна мирового океана и рельефе суши, свойствах вод океана и его ледового покрова, ледниках и водах суши, почвенном покрове и растительности и другие. Для каждой из моделей – Земли, Арктики и Антарктики – эти данные проецируются в разработанные начальные, далее индивидуально модифицируемые и расширяемые, структуры данных моделей.

При создании моделей Земли и её полярных регионов развиваются уже ранее сформированные методы и алгоритмы построения, пространственного анализа и визуализации данного типа моделей. Эти методы включают:

- методы проецирования данных, привязанных к цифровым моделям поверхностей, базам временных пространственных и других видов географических пространственно-координированных данных в логическое пространство цифровой записи модели;

- методы выполнения логических и арифметических операций над задаваемыми типами данных одной или многих областей (полостей) многомерных временных данных задаваемой формы;

- методы вычленения областей модели задаваемой формы в производные частные модели, получения параметрических срезов модели;

- методы выполнения пространственного и статистического анализа географических данных применительно к многомерным временным моделям;

- методы объёмной визуализации модели для получения как статических, так и динамических изображений по задаваемым параметрам и другие разработанные методы.

В рамках исследования разрабатываются и апробируются новые методы и инструменты, необходимые для построения моделей, выполнения комплексного анализа моделей и их визуализации. Как структура данных, так и развиваемые методы построения, анализа и визуализации многомерной модели описанного типа, являются новыми и до сих пор в мире не используются.

Выполняемые исследования имеют следующие последовательные основные стадии и частично перекрывающиеся этапы, которые включают следующие:

I. Разработка методов построения, поддержки функционирования, редактирования, анализа и визуализации многомерных моделей Земли, Арктики и Антарктики в базовом 3D-пространственном разрешении – 1 воксел к 500х500х500 м, включая разработку и детализацию структур представления данных.

II. Поиск, подбор и оценка источников геоданных для интеграции в модели, предварительная обработка данных, разработка методов необходимой генерализации, формирование баз данных моделей.

III. Построение моделей Земли, Арктики и Антарктики в базовом пространственном разрешении, проектирование геоданных в пространство моделей.

IV. Апробирование экспериментальных вариантов анализа и визуализации, получение экспериментальных статических и динамических изображений моделей.

V. Разработка методов построения, анализа и визуализации моделей в высоком и сверхвысоком 3D-пространственном разрешении (1 воксел = 10х10х10 м и более высоких).

VI. Построение моделей Земли и её полярных регионов высокого и сверхвысокого пространственно-временного разрешения.

VII. Разработка методов анализа и использования моделей сверхвысокого разрешения для выполнения научных и научно-практических исследований, решения актуальных глобальных и региональных экологических проблем.

В представляемом исследовании создаются цифровые многомерные модели Земли и её полярных регионов. Для общей модели Земли область модели определяется кубом с ребром 12986 км с центром в центре Земли.

На рис. 1 представлены варианты визуализации экспериментальной отладочной модели Земли с фигурным срезом заданной формы, на которых поверхности суши и дна океана отображены оттенками гипсометрической и батиметрической шкал, а условные слои внутреннего строения Земли показаны в заданных цветах:

A – вид со стороны Северного полюса,

Б – вид со стороны Южного полюса.

В качестве полярных регионов принимаются области Земли, расположенные:

A – севернее 60 градуса с. ш. – Арктический регион,

Б – южнее 60 градусов ю. ш. – Антарктический регион.

kos1.tif

Рис. 1. Варианты визуализации экспериментальной модели Земли

Для этих полярных территорий, кодируемые области реального пространства определяются параллелепипедами с размерами 7500х7500х1500 км, и включают части атмосферы, гидросферы и литосферы.

Сформированы начальные методы, базовые алгоритмы и программные инструменты, необходимые для построения, пространственного анализа и визуализации многомерных пространственно-временных моделей Земли, Арктики и Антарктики. Выполнены многочисленные построения экспериментальных вариантов этих моделей в различных пространственных разрешениях.

В приводимых иллюстрациях показываются разработанные в рамках проводимых изысканий различные, с разных ракурсов и различного отобранного содержания варианты визуализации экспериментальных отладочных моделей Земли и её полярных территорий разных уровней 3D-пространственного разрешения, содержащие от 1 728 000 000 до 175 616 000 000 ячеек.

На рис. 2 показаны варианты визуализации экспериментальных моделей Арктики и Антарктики, где поверхности суши и дна океана отображены оттенками гипсометрической и батиметрической шкал и представлены:

А – модель Арктики

(1 – вид с точки над Экватором, 2 – вид с точки над Северным полюсом, 3 и 4 – виды в произвольно заданном ракурсе сцены, 4 – с фигурным срезом заданной формы, с отображением условных слоёв внутреннего строения Земли в заданных цветах);

Б – модель Антарктики

(1 – вид с точки над Экватором, 2 – вид с точки над Южным полюсом, 3 и 4 – виды в произвольно заданном ракурсе сцены, 4 – с фигурным срезом заданной формы, с отображением условных слоёв внутреннего строения Земли в заданных цветах).

kos2.tif

Рис. 2. Варианты визуализации моделей Арктики и Антарктики

Результаты данных исследований должны заложить основы подходов и методов к созданию и использованию моделирующих процессов отражающих происходящие в географической оболочке процессы и явления для решения прикладных и фундаментальных задач науки. На этой основе в дальнейшем могут быть созданы действующие модели Земли и её полярных регионов, которые уже на современном этапе развития технологии могут использоваться для решения многих глобальных и региональных научных и научно-практических задач, в том числе задач освоения и хозяйственного использования Арктического и Антарктического регионов и их природных ресурсов.

Текущие результаты, среди которых – экспериментальные модели Земли, Арктики и Антарктики, а также набор методов, алгоритмов и инструментов, обеспечивающий их построение и функционирование, являются первыми шагами к решению перспективной задачи исследований – построению интеллектуального интерфейса виртуальных многомерных пространственно-временных моделей окружающей среды со сверхвысоким разрешением.


Библиографическая ссылка

Косиков А.Г., Ушакова Л.А. МНОГОМЕРНЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ МОДЕЛИ ЗЕМЛИ, АРКТИКИ И АНТАРКТИКИ // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 1. – С. 52-57;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36341 (дата обращения: 15.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074