ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE Stavebná fakulta Katedra geodézie Róbert Trbušek VYUŽITIE DIGITÁLNEHO MODELU RELIÉFU PRE PROJEKČNÉ ÚČELY ZÁVEREČNÁ PRÁCA Vedúci záverečnej práce : doc. Ing. Jaroslav Šíma, PhD. Žilina Máj 2008
Anotácia Výsledkom tejto práce je vytvorenie digitálneho modelu reliéfu v softvérovom prostredí programu Atlas DMT. Model slúži pre naprojektovanie trasy železničnej trate. Spočiatku som sa venoval teoretickej problematike terénu, vlastnostiam terénu a jeho digitálnej tvorbe. Neskôr som opísal postup tvorby vlastného DMT. Opis začína digitalizáciou analógovej polohopisnej a výškopisnej (účelovej) mapy v programe Kokeš. Generácia modelu reliéfu prebiehala už v programe ATLAS, ktorý používa metódy trojuholníkovej siete. Jedná sa o TIN model. Následne bolo potrebné pristúpiť k úprave, vyhladení a oprave chýb modelu. Napokon som opísal postup projektovania trasy a zhotovenie pozdĺžneho a priečnych profilov. Na konci práce je zhodnotenie vytvoreného DMT a uvedené poznatky, ktoré som pri tvorbe získal. The anotation The creation of the digital model of a relief in the software envirometn of the Atlas DMT programme is the result of this thesis. The model can be used to project railway routes. First I explored the theoretical problems of the terrain, its characterictis and its digital creation. Later I described the process of the DMT creation. The description starts with the digitization of the analogue position and altitude maps in the Kokes programme. The generation of the relief models was made in the ATLAS programme, witch uses the triangular network methods. It is a TIN model. Then it was necessary to adjust, smooth and correct the model faults. Finally I described the process of the route projection and the creation of found at the end of the thesis, as well the knowledge that I acquired when working on the creation.
Čestné prehlásenie Čestne prehlasujem, že záverečnú prácu na tému : Využitie digitálneho modelu reliéfu pre projekčné účely som vypracoval samostatne s použitím odbornej literatúry, pod odborným vedením konzultanta a vedúceho záverečnej práce doc. Ing. Jaroslava Šímu, PhD. V Žiline dňa 25. 5. 2008 Podpis...
Poďakovanie Moje poďakovanie patrí vedúcemu záverečnej práce a zároveň konzultantovi doc. Ing. Jaroslavovi Šímovi, PhD. za podnetné námietky a rady pri vypracovaní tejto práce.
Obsah záverečnej práce Zoznam použitých skratiek... -8-1. Úvod... -9-2. Georeliéf... -11-2.1 Definícia a základné pojmy... -11-2.2 Endogénne a exogénne sily... -11-2.3 Geografická krajinná sféra a geometrické vlastnosti georeliéfu... -12-2.4 Matematický opis georeliéfu... -13-3. Digitálny model terénu... -17-3.1 Definovanie digitálneho modelu terénu... -17-3.2 Získavanie primárnych informácií... -18-3.3 Modely používané pri tvorbe DMT... -20-3.4 Tvorba DMT... -22-4. Program ATLAS... -23-4.1 Generácia siete... -26-4.2 Štatistika modelu... -28-4.3 Editor siete... -29-5. Postup tvorby DMT... -34-5.1 Popis riešeného problému a podklady na tvorbu DMT... -34-5.2 Transformácia... -34-5.3 Vektorizácia... -37-5.4 Generácia siete... -38-5.5 Generalizácia siete... -42-5.6 Editácia siete... -43-5.7 Test siete... -44-6. Návrh trasy... -45-6.1 Pozdĺžny profil...-45-6.2 Priečne profily...-47-6.3 Práca s profilmi...-48-7. Práca s modelom... -52-
7.1 Sklonovitosť...-52-7.2 Hypsometria...-52-7.3 Výpočet objemu...-53-8. Záver... -55- Literatúra... -57- Prílohy... -58-
Zoznam použitých skratiek DMR digitálny model reliéfu DMT digitálny model terénu GIS geografický informačný systém TIN Triangulated Irregular Network (trojuholníková nepravidelná sieť) GRID pravidelná mriežka ML mapový list
1. Úvod Človek sa od svojho počiatku snažil rozvíjať zmysel pre držbu a vlastníctvo. Nutnosťou bolo ochrániť svoje sídla a tak začal s budovaním hraníc. Na zobrazenie vodných tokov, jaskýň, loveckých chodníkov a svojich teritórií používal nástroje ktoré mal k dispozícii. Svedčia o tom kostné rytiny a maľby na stenách a iné artefakty, ktoré sa objavili. S evolúciou sa zdokonaľovali aj nástroje a postupne sa prechádzalo na zobrazenie plánov a máp na zvieraciu kožu, hlinené, drevené, kovové, prípadne voskované doštičky, papyrus a papier. Žijeme v modernom svete, kde na nás z každej strany pôsobí technika a pokrok. Každý vedný obor sa snaží udržať krok s modernizáciou a hľadá riešenie, ktoré by ľuďom uľahčilo prácu a mohli získavať nové, doposiaľ neobjavené poznatky. Tak aj geodézia a jej príbuzné vedy nezaostávajú a s vývojom výpočtovej techniky sa snažia o skvalitnenie a spresnenie svojich výsledkov. Vývoj zaznamenali aj analógové mapy a dnes ich postupne nahrádzajú médiá a výstupy v digitálnej forme, ktorá má množstvo výhod. Preto sa stále viac meraní vykonáva modernými technológiami a novými postupmi. V súčasnej dobe sa väčšina projektov vytvára v digitálnych formách pomocou grafických CAD softvérov, ktoré poskytujú dokonalý obraz o skutočnom priebehu terénu. Jedná sa o takzvané DMR digitálne modely reliéfu. Tvorba a využitie digitálnych modelov reliéfu v praxi sa tak stáva zaujímavou aplikačnou oblasťou pre technicky ako aj prírodovedne orientovaných odborníkov. Použitím vhodných softvérov pomocou získaných súradníc a výšok bodov v teréne odvodených z DMR riešime výškopis a polohopis, profily, ako aj projekt stavby. Keďže sa budeme zaoberať zemským reliéfom, respektíve georeliéfom musíme si najskôr ujasniť čo to je, z čoho sa skladá a aké má vlastnosti. Po získaní základných informácií o georeliéfe načrtneme riešený problém. Povieme si ako sa vykonáva transformácia analógovej mapy do digitálnej podoby, ďalej ako sa robí vektorizácia polohopisu a výškopisu v programe KOKEŠ. Potom už budeme mať dosť vstupných údajov na tvorbu vlastného digitálneho modelu reliéfu a urobíme ho v programe ATLAS DMT. Na záver navrhneme trasu v danom území a vypočítame pozdĺžne a priečne profily navrhnutej trasy.
Všeobecne môžeme povedať, že kvalitný digitálny model terénu sa nedá vytvoriť úplne automatizovaným systémom a vždy je potrebný zásah vyhotoviteľa. Je však snaha túto ručnú prácu obmedziť a čo najväčší diel práce prenechať počítačom.
2. Georeliéf 2.1 Definícia a základné pojmy [1] Georeliéf sa stal dôležitým predmetom záujmu v mnohých sférach ľudskej činnosti. Je predmetom záujmu nielen mnohých geovedných disciplín, ale aj technických disciplín, urbanizmu, architektúry, územného plánovania, projekčnej sféry, stavebnej praxe, v lesnom a vo vodnom hospodárstve, poľnohospodárstve i v doprave. Súčasne je však v celosvetovom meradle predmetom nemalého záujmu aj vojenskej sféry, a to vo všetkých oblastiach jej aktivity: námornej, vzdušnej i pozemnej. Všetky spomínané disciplíny sa ním zaoberajú do určitej hĺbky a rozoberajú ho zo svojho hľadiska. Určité procesy ktoré prebiehajú v geografickej sfére vplývajú na georeliéf a zase georeliéf vplýva na tieto procesy. Z geografického hľadiska sa georeliéf môže chápať ako súčasť geografickej sféry, preto sa skúma komplexne. Georeliéf je vrchná plocha zemskej kôry. Je to vlastne súbor jeho znížených a vyvýšených foriem, bez rastlinnej pokrývky, budov a rôznych technických objektov a zariadení. Samostatný je nehmotný, hmotným nositeľom sú horniny zemskej kôry. Reliéf zemského povrchu však úzko súvisí s vlastnosťami hornín zemskej kôry, ich uložením apod. 2.2 Endogénne a exogénne sily Georeliéf vzniká v dôsledku pôsobenia endogénnych a exogénnych geomorfologických pochodov. Endogénne pochody vytvárajú nerovnosti na povrchu Zeme. Exogénne sily naopak zarovnávajú povrch a zmenšujú výškové rozdiely. Medzi endogénne pochody patria tektonické činnosti (je to určitý štýl deformácie horninových komplexov), vulkanické (sopečné) činnosti a zemetrasenie a medzi exogénne pochody patria svahové procesy, zvetrávanie (je to súbor fyzikálno-chemických, alebo aj biologických procesov, pri ktorých dochádza k rozrušovaniu pevných horninových celkov na malé úlomky), činnosť riek, rozpúšťacie a surfózne procesy, činnosť snehu, ľadovcov, kryogénne procesy, činnosť vetra, oceánov, morí a jazier, živých organizmov a činnosť človeka.
Endogénne pochody vedú k vytvoreniu nerovností povrchu, exogénne pochody smerujú k zarovnávaniu povrchu a zmenšovaniu výškových rozdielov. Reliéf povrchu Zeme je značne zložitý a jeho popis v tejto komplexnosti by bol ťažký. Pri popise je preto delený na geometricky jednoduché plochy, ktoré sú navzájom oddelené hranami. Plochy georeliéfu vznikajú väčšinou činnosťou jedného geomorfologického pochodu, ktorý pôsobí v jednom smere. Preto sú tiež nazývané geneticky rovnorodé plochy. Plochy môžu mať rôzny vzhľad, sklon, orientáciu voči svetovým stranám a expozícii. Výslednicou procesov navzájom proti sebe pôsobiacich endogénnych a exogénnych síl je georeliéf. Vzhľad plôch závisí od vlastností a uloženia hornín, ktoré ho tvoria, procesov, ktoré naň pôsobia. Podľa tvaru spádnic sa rozlišujú plochy na : priamkové, konkávne a konvexné. Podľa sklonu sa rozlišujú plochy na : rovinné (0-2 ), mierne sklonené (2-5 ), značne sklonené (5-15 ), príkro sklonené (15-25 ), veľmi príkro sklonené (25-35 ), zrazy (35-55 ), steny (viac ako 55 ). Podľa orientácie sa plochy delia obvykle len do štyroch hlavných svetových strán : SZ až SV ako orientované k severu SV až JV ako orientované k východu JV až JZ ako orientované k juhu JZ až SZ ako orientované k západu Orientácie rovinných plôch so sklonom do 2 sa nezisťuje a nekategorizuje. Expozícia plochy je funkciou orientácie a sklonu plochy. 2.3 Geografická krajinná sféra a geometrické vlastnosti georeliéfu S georeliéfom úzko súvisí geografická krajinná sféra, ktorú môžeme definovať nasledovne. [2] Geografická krajinná sféra je špecifickým celo-planetárnym, vysoko organizovaným, priestorovo diferencovaným komplexom s veľkým množstvom priestorovo diferencovaných závislostí rôznych úrovní, medzi jeho jednotlivými zložkami. Všetky formy na georeliéfe majú jednak svoju genézu (genetické formy georeliéfu) a jednak majú svoju geometriu (geometrické formy georeliéfu). Medzi týmito
jednotlivými geosféramy sú vzťahy medzi jednotlivými zložkami vnútri geosféry a medzi jednotlivými zložkami medzi rôznymi geosféramy. Pod geometrickými vlastnosťami georeliéfu rozumieme jeho geometrickú štruktúru vyjadrenú množinou morfometrických veličín, medzi ktorými existuje závislosť. Každá morfometrická veličina je samostatným a jednoznačným ukazovateľom georeliéfu a je prepojená s ostatnými morfometrickými veličinami. Geografická krajinná sféra je tvorená piatimi základnými zložkami. Je to atmosféra, hydrosféra, biosféra, litosféra a pedosféra. Keď už vieme aké sú geografické krajinné sféry môžeme georeliéf charakterizovať ako pevné, ale dynamické rozhranie medzi atmosférou a hydrosférou a medzi litosférou a pedosférou a z veľkej časti aj biosférou. Základné sféry sú celo-planetárne ohraničené zhora i zdola. Hranica, ktorá ohraničuje sféru zhora, je vo výške asi 11 kilometrov, čo predstavuje hornú hranicu troposféry. Dolná hranica je veľmi premenlivá. Keď neberieme do úvahy pôsobenie ľudí hovoríme len o prírodnej časti geografickej sféry, ktorú nazývame fyzickogeografická krajinná sféra. Nesmieme však opomenúť, že sféra nie je tvorená len prírodnou časťou, ale aj človekom, ktorý svojou aktivitou mení priestorový georeliéf. Aktivity ľudí rozdeľujeme do sfér : poľnohospodárska sféra, lesno-hospodárska sféra, priemyselná sféra, obytná a sídelná sféra, dopravná sféra, sféra služieb a riadiaca sféra. Tieto sféry vytvárajú takzvanú socioekonomickú sféru. Geografickú sféru teda vytvárajú spolu fyzicko-geografická a sociokonomická sféra. 2.4 Matematický opis georeliéfu Matematický opis georeliéfu je veľmi komplikovaný a teoreticky sa dá vyjadriť pomocou systému diferenciálnych rovníc. Vzťahy medzi geometrickými a genetickými formami georeliéfu môžu byť napríklad: vplyv geometrických foriem georeliéfu na erózno-denundačné, transportné a akumulačné procesy, modelovanie eróznodenundačných, transportných a akumulačných procesov na georeliéfe v 2D a 3D priestore. [1] Pri DTM musí byť zvolená taká aproximačná funkcia vhodných vlastností, ktorá z vhodne zvoleného vstupného súboru zabezpečí taký presný počet parciálnych derivácií, že na ich základe budú s požadovanou presnosťou vypočítané morfometrické veličiny.
V dôsledku už spomínaných erózno-denudančných procesov sa v priebehu času georeliéf ustavične mení. Určenie veľkosti zmeny georeliéfu za určitý časový interval je priamo závislý od zvolenej mierky a rozlišovacej úrovne. Aby bol zabezpečený čo najpresnejší výpočet morfometrických veličín georeliéfu pomocou DMT v odpovedajúcej rozlišovacej úrovni a zvolenej mierke, je potrebné dodržať určité podmienky. [1] Kritériá pre lokalizáciu bodov vstupného súboru, ako aj kritériá pre tvorbu trojuholníkov trojuholníkovej siete musia byť založené na širších vlastnostiach topografickej plochy georeliéfu v diferenciálne malom kvadratickom okolí každého jej ľubovoľného bodu. Rozlišovacia úroveň U i je vlastne úroveň podrobností zobrazenia. Pričom je priamo úmerná mierke 1 : M i, kde M i je mierkové číslo (i = 1, 2,...n) udávajúce veľkosť mierky 1 : M i. Ak je zmena georeliéfu menšia ako rozlišovacia úroveň, môžeme ju zanedbať. V takomto prípade nemusíme georeliéf vyjadrovať pomocou diferenciálnych rovníc, ale vyjadríme ho ako plochu v súradnicovej sústave <0, x, y, z>. Vyjadríme georeliéf ako funkciu dvoch premenných x, y v tvare ( y x) H z = f,, (2.1) alebo premenná z (nadmorská výška) je funkciou polohy (x, y). Aby sme mohli georeliéf považovať za statickú plochu, vyjadrujeme funkciu bez parametru času. To že odstránime parameter času zo vstupných údajov nebude mať závažný vplyv na výsledné hodnoty, lebo georeliéf spravidla modelovaný pomocou DMT v kartézskej súradnicovej sústave <0, x, y, z> sa vytvára bez parametru času T. Od zvolenej mierky 1 : M v ktorej je georeliéf a od rozlišovacej úrovne U i, ktorá odpovedá mierke závisí dĺžka časového intervalu, kedy považujeme terén za statickú plochu. Ak však budeme uvažovať aj s časom T, vstupnými údajmi pre DTM bude súbor polohovo určených bodov A i (x i, y i, z i ) zo získanými súradnicami x i, y i, z i (i = 1, 2,...n),kde n je konečné číslo. Pretože sa georeliéf v dôsledku erózno-denudančných procesov v priebehu času neustále mení, mení sa aj výškové pole, ktoré ho charakterizuje. Potom údaje o nadmorských výškach z i platia iba určitú dobu. Takže množinu vstupných dát tvorí súbor bodov A i (x i, y i, z i ). Pomocou vhodných aproximačných funkcií z = Pi(x, y) tvoriacich súčasť DMT sa vypočítava a graficky zobrazuje podrobné rozloženie nadmorských výšok, izočiar nadmorských výšok
(vrstevníc), pozdĺžnych a priečnych profilov, kubatúr a ďalších veličín, ktoré sú viazané na nadmorskú výšku. [1] Digitálny model reliéfu je vo všeobecnosti definovaný ako súbor vybraných bodov na terénnej ploche, ktorých súradnice (y, x, H) sú v určitom systéme uložené v pamäťovom médiu počítača. Topografickú plochu nie je možné vyjadriť v celom rozsahu univerzálnou funkciou jednotného tvaru, lebo jednotlivé terénne body vplývajú na priebeh terénnej plochy plynule, alebo skokom. Pre presné definovanie topografickej plochy musíme na terénnej ploche rozlišovať regulárne a singulárne terénne body. [3] Regulárne terénne body sú body, v ktorých môžeme definovať dotykovú rovinu k danej ploche (obr. 2.1a). [3] Singulárne terénne body sú body, v ktorých nastáva náhly prechod jedného útvaru do druhého (obr. 2.1b). Takže singulárne body sa označujú typom povinnej spojnice (hrany). obr. 2.1a Regulárne body obr. 2.1b Singulárne body Krivky, ktoré definujú extrémne časti terénu (napr. údolnice, chrbátnice,...) majú zvláštny charakter a priebeh. Vyskytujú sa na nich body zlomu, preto tieto krivky nevieme vyjadriť súvislou matematickou funkciou. Body, v ktorých sa tieto krivky lomia, nazývame singularity. Z matematického hľadiska ide o nespojitosť derivácie, nespojitosť funkcie a lokálny extrém. Preto nasleduje logické rozdelenie plochy na menšie časti, ktoré sú vzájomne oddelené práve v singularitách. Pokiaľ menšie časti terénnej plochy už vieme matematicky definovať, môžeme vytvoriť model terénnej plochy. Na matematický popis zložitých objektov používame nasledujúce geometrické
entity : vrcholy V (Vertex), hrany E (Edge), plochy F (Face). Vzájomné vzťahy medzi týmito entitami študoval matematik Euler a pre konvexné polyédre objavil nasledujúci vzťah : V + F E = 2 (2.2) kde V je počet vrcholov, E je počet hrán, F je počet plôch. F = 6 VV = 8 V=8, E=12, F=6 E V = 8 E = 12 F = 6 V = 8 E = 12 Obr. 2.2 Zobrazenie 3D elementu
3. Digitálny model terénu DMT je v podstate moderná podoba klasickej analógovej alebo rastrovej mapy, ktorá sa dá bez problémov použiť na všetky účely ako spomínané formy máp. Historický vývoj DMT : V roku 1958 v Bostone sa DMT použil na optimálne projektovanie ciest a diaľnic, neskôr pre generovanie vrstevníc. V 70. rokoch začali vznikať samostatné produkty pre tvorbu reliéfu v 2,5D => 3D rozmeroch. Rozlišujeme dva typy modelov. Buď sa jedná o digitálny model reliéfu (georeliéfu), alebo ide o digitálny model povrchu (spracúvava sa čisto povrch Zeme). Existujú špecifické modely : Digitálny výškový model (Digital Elevation Model DEM) Digitálny model terénu v užšom slova zmysle (Digital Terrain Model DTM) Digitálny model krajiny (Digital Landscape Model DLM) 3.1 Definovanie digitálneho modelu terénu DMT (digital terrain models) je priestorová plocha, ktorá kopíruje skutočný, teda zameraný alebo projektovaný terén. Tento model je prenosný na pamäťových médiách a poskytuje všetky výhody digitálneho uchovania informácie. Umožňuje získavanie odvodených údajov napr. prevýšenia, modelové súradnice a iné. Ide o reprezentatívny súbor bodov reliéfu terénu vybraných podľa určitých pravidiel, polohovo lokalizovaných s priradeným vektorom (stĺpcom hodnôt) parametrov reliéfu terénu. Ide teda o body, informácie o nich a pravidlá používania týchto informácií. Digitálny model reliéfu (DMR) predstavuje množinu priestorovo priradených údajov (nadmorská výška reliéfu a morfometrické ukazovatele, napr. sklon, orientácia voči svetovým stranám, krivosti a pod.) vypočítaných na základe vstupných výškových bodov (údajov) a vhodnej interpolačnej metódy. Najmä v technickej praxi sa často používa názov digitálny model terénu (DMT), ktorý je však čiastočne významovo
odlišným pojmom, pretože neobsahuje implicitne aj morfometrické ukazovatele reliéfu a niekedy sú do neho zahŕňané aj technické prvky krajiny (napr. cesty). DMR sa postupne stali aj súčasťou systémov GIS, čo je logický dôsledok silného rozvoja počítačových technológií pri spracovaní veľkých súborov najrôznejších dát z jednotlivých zložiek geografickej sféry. 3. 2 Získavanie primárnych informácií Kvalita vstupných údajov je jedným z dôležitých faktorov tvorby DMR, pretože aj od nej závisí prenos a znásobovanie chýb v ďalších analýzach. Pri tvorbe DMT sa zbierajú tri základné druhy dát : a) nadpovrchové dáta - obsahujú údaje o prírodnom geosystéme a jeho antropogénnej nadstavbe: vlhkostné pomery, vegetácia, aktuálne využitie plôch terénneho reliéfu... b) povrchové dáta - obsahujú údaje o terénnom reliéfe, ktoré dovoľujú morfometrické operácie, rotácie a zmeny pohľadu DMT c) podpovrchové dáta - obsahujú údaje o geologickej štruktúre pod terénnym reliéfom Získavanie primárnych informácií : a)priamym geodetickým meraním v teréne - tvorbu DMR sa uskutočňuje elektronickou tachymetriou (používala sa aj diagramová tachymetria), dnes spravidla dostávame textový výstupný súbor z totálnej stanice. b)fotogrametricky, vyhodnotením leteckých (prípadne aj pozemných fotogrametrických) snímok dnes sa považujú za hlavné metódy pre tvorbu DMR. Používajú sa dve technológie tvorby DMR: 1.) numerické vyhodnotenie na analógových vyhodnocovacích prístrojoch s registráciou súradníc, jednosnímková fotogrametria, ktorá vyhodnocuje terén na základe jedného snímku leteckého alebo družicového. Táto technika nie je pre získanie priestorového modelu až tak vhodná. 2.) analytické vyhodnotenie založené na matematickej projekcii, z údajov diaľkového prieskumu Zeme (DPZ - leteckých meračských snímok, satelitných údajov). Dvojsnímková fotogrametria (stereofotogrametria) kombinuje dve snímky rovnakého
územia, získané z rôznych stanovísk. Táto technológia umožňuje výpočet všetkých troch priestorových súradníc. c) digitalizáciou obsahu existujúcich máp digitalizácia mapy je technika, pri ktorej je najväčším problémom získať z máp výškopisný údaj. Sú tri postupy, ktoré môžeme použiť pri tvorbe DMT. 1.) pri snímaní digitizérom sa polohopisná zložka získa bez problémov a podobne ľahko sa získa tretia súradnica. Mapový podklad digitalizujeme po vrstevniciach s prednastavenou konštantnou výškou pre každú vrstevnicu. Nevýhodou tohto postupu je, že sa terén nesníma po svojich charakteristických bodoch. 2.) terén môžeme snímať podľa charakteristických línií, kedy je nutné každému rovnakému bodu priradiť výšku. Získané dáta sú dokonalé, no snímanie je veľmi náročné a zdĺhavé. 3.) s vývojom výpočtovej techniky a so snahou automatizovať čo najviac práce sa v poslednej dobe dáva prednosť skenovaniu predlohy do rastrovej podoby s následnou vektorizáciou vrstevníc. Vykonáva sa vlastne digitalizácia analógových máp a plánov a následná vektorizácia. Táto metóda je založená na určovaní terénnych bodov z výškopisnej zložky mapy. Pritom máme možnosť voliť body na vrstevniciach alebo na profiloch v pravidelných odstupoch, prípadne body volíme s prihliadnutím na morfológiu terénu. Súradnice terénnych bodov digitalizujeme na rastrovej kópii mapy. Pri tejto metóde si musíme uvedomiť aj fakt, že údajov býva väčšinou značné množstvo a sú v rôznych formátoch. Preto musí každý systém podporovať rôzne konvertory formátov, programy pre ich triedenie, odstránenie redundantných údajov, vektorizačné programy, ktoré prevedú rastrovú predlohu do vektorovej atd. Všetky tieto problémy sa dajú pri malom objeme údajov ľahko vyriešiť, no pri ich náraste sa náročnosť zvyšuje. Počet vstupných bodov pri tvorbe DMR sa môže pohybovať od niekoľko desiatok až po niekoľko miliónov. Hustota a rozloženie bodov sa riadi podľa charakteru a členitosti terénu, preto počet bodov nemôžeme presne stanoviť. Sú vypracované optimálne počty bodov pre rôzne terénne typy, napr. jednoduchý terén a pravidelne členitý terén 20 až 40 bodov/ha, nepravidelný, veľmi členitý terén 100 až 400 bodov/ha. Získané informácie o teréne sa potom vhodnou transformačnou metódou upravujú na štandardné vyjadrenie podľa vzťahu (2.1). d) z vytvoreného projektu projektované súradnice
e) kombinované metódy - digitalizácia mapových podkladov s dodatočným meraním, vyhodnocovanie fotogrametrických snímok s dodatočným meraním,... Pri tvorbe DMR stredných a malých mierok (1:10 000 a menších) sa najčastejšie používa vektorová digitalizácia vrstevníc z máp rôznych mierok. 3.3 Modely používané pri tvorbe DMT Najčastejšie používaná forma priestorovej reprezentácie DMR je pravidelná sieť (raster, grid), alebo nepravidelná trojuholníková sieť (triangulated irregular network, TIN). Rastrový model: (GRID) Tento model je daný množinou pravidelných prvkov elementárnych plôch. Ide najmä o,,zbortené štvoruholníky, ktoré sa rozdelia na trojuholníky, alebo na iné zložitejšie plochy. V rastri sú teda topologické väzby medzi jednotlivými bodmi určené polohou bodu v pravidelnej sieti. To umožňuje veľmi jednoduché spracovanie ako aj jednoduchú prezentáciu v počítači. Nevýhodou je, že rastrový údajový formát vyžaduje pri vyjadrovaní zložitejších tvarov reliéfu podstatne väčší počet bodov ako TIN, a tým aj vyššie nároky na hardwarové vybavenie počítača. Dnes však pri rýchlom zvyšovaní výkonu počítačov už to nie je taký vážny problém. Tento nedostatok sa odstraňuje aj faktom, že model pracuje s pravidelnou maticou uzlových bodov, ktoré sa dajú ľahko vypočítať a nemusia sa udržiavať všetky údaje. Obr. 3.1 Ukážka modelu GRID Tento model v značnej miere závisí na rozlišovacej úrovni. Spôsobuje to, že jednotlivé prvky rastra sú priradené ku skutočnému reliéfu terénu. To potom negatívne pôsobí pri tvorbe modelu pre krajinu, kde sú vysoké hory aj rozsiahle rovné pláne alebo
jazerá. V takom prípade rozdelíme model na niekoľko menších modelov a každý spracujeme v rôznej rozlišovacej úrovni. Príklad mriežkového modelu je na (obr. 3. 1). Rastrový model je definovaný priestorovými súradnicami [x, y, z] pre každý bod rastra. Prakticky stačí určiť vzdialenosť bodov rastra a umiestniť jeden bod do súradnicového systému a všetky ostatné prvky sa jednoducho dopočítajú. Z tohto dôvodu môže použiteľný rastrový formát obsahovať len: - súradnice jedného rohu rastra - uhol natočenia rastrovej siete - maticu výškových hodnôt všetkých bodov rastra Polyedrický model: (TIN Triangulated Irregular Network). Pre výpočet vrstevníc je vhodné použiť vektorový model s nepravidelnou reprezentáciou pomocou trojuholníkov. Tento model je v dnešnej dobe najrozšírenejší pre komerčné systémy. Pre tento model predstavujú elementárne plochy trojuholníky, vytvárajúc mnohosten, ktorý sa dotýka terénu. Body na terénnej ploche predstavujú vrcholy mnohostenu a volia sa tak, aby vystihovali priebeh terénu a aj jeho singularity. Trojuholníky sú podmienené počtom a rozložením vstupného bodového poľa, čo komplikuje možnosti jeho použitia napríklad pri modelovaní procesov na báze spojitých fyzikálnych polí. Obr. 3.2 Ukážka modelu TIN V TIN modeli sa teda topologické väzby medzi bodmi pri nepravidelnej reprezentácii DMR vyjadrujú trojuholníkovou sieťou, ktorá spája susedné body. Výškové hodnoty sú priradené vrcholom trojuholníkov. Podľa Delauneyovho kritéria v poli výškových bodov sú trojuholníky zvolené tak, že vo vnútri kružnice opísaného
trojuholníka nesmie ležať iný bod. Výhodou je, že hustotu vstupných bodov možno zmeniť podľa členitosti zemského povrchu, a tým trojuholníkovú sieť maximálne prispôsobiť povrchu. To sa prejavuje v zložitejšom spracovaní a prezentácii. TIN model reprezentuje povrch ako skupinu trojuholníkov, ktoré môžu mať rôzne veľkosti a tvar. Model uchováva topologické vzťahy medzi trojuholníkmi, lebo obsahuje informácie o susedoch. V technickej praxi sa kladie dôraz na presnosť a nutnosť vyjadriť detaily na reliéfe napr. projektovanie stavieb. DMR sa nie len preto, ale aj na základe určitej tradície častejšie vyjadruje pomocou modelu TIN. Na (obr. 3. 2) je znázornený TIN model. Plátový model: Povrch sa rozdelí na nepravidelné a všeobecne zakrivené plochy trojuholníkového, alebo štvoruholníkového tvaru a vytvoria sa tzv. pláty. Len v málo prípadoch sa používajú všeobecné n-uholníky. Rozdelenie modelu na pláty je veľmi výhodné. Rozdelenie sa vykonáva po singularitách a charakteristických bodoch terénu. Tieto modely a polygónové siete patria medzi sieťové modely. Okrem sieťových modelov však existujú aj vrstevnicové modely, profilové modely a modely kritických čiar (morfologické). 3.4 Tvorba DMT Pri tvorbe DMT, ktorý má byť čo najlepší sú dôležité dva faktory: vhodná voľba použitých bodov a tvorba triangulácie. Pri voľbe bodov nie je až tak dôležitý ich počet, ale ich rozmiestnenie. Pravidelné rozmiestnenie nie je až také vhodné, lebo môže nastať prípad, že v určitom mieste budú niektoré body redundantné a naopak v miestach, kde sa terén prudko mení, môže byť počet bodov nedostatočný. Nie je teda až tak dôležitý počet bodov, ale ich umiestnenie(zachytené majú byť hlavne body ležiace na všetkých dôležitých singularitách). Kvalita DMT je veľmi závislá aj od použitej triangulácie. Pri použití nevhodnej triangulácie sa výsledný model terénu môže líšiť od skutočnosti. DMT, ktorý som používal ja je od firmy Atlas. Umožňuje definovať okrem povinných hrán aj hrany lomové a hrany ostrovné. Viac o použivaných hranách píšem v nasledujúcej kapitole. Jedná sa o software pracujúci s vyhladeným DMT na základe Beziérových plôch, má teda zmysel rozlišovať hrany povinné a lomové.
4. Program ATLAS DMT V tejto kapitole sa budem snažiť stručne vysvetliť dve funkcie softvéru ATLAS DMT, ktoré sú pre DMT veľmi dôležité. Ide o Generaci sítě a Editor sítě. Niektoré fakty a nastavenia potom bude dopĺňať nasledujúca kapitola. Názvy záložiek a funkcií sú písané v originálnom tvare v českom jazyku a sú formátované šikmým písmom. Ak máme spracovať územie do digitálnej podoby, čiže vytvoriť digitálny model terénu je treba najprv pripraviť vstupné údaje. Jedná sa o textový predpis bodového poľa a textový predpis povinných spojníc. Toto spracovávanie vstupných textových súborov je súčasťou programu Generácia siete. Po príprave vstupných textových súborov sa musí urobiť prevod z textového predpisu bodov a povinných spojníc do údajového tvaru. Po skončení generácie trojuholníkovej siete sú vytvorené základné dátové súbory DMT a dá sa pracovať s aplikačnými programami. No dajú sa vytvárať len výstupy v lomenej verzii. Aby bolo možné vytvárať hladké výstupy, musí existovať súbor riadiacich bodov. Takýto súbor môže byť vygenerovaný buď priamo v programe Generácia siete, alebo v samostatnom programe Riadiacie body. Priority hrán, bodov a trojuholníkov Spojnica medzi ľubovoľnými bodmi siete sa nazýva hrana. Pre každú spojnicu dvoch bodov site môžeme definovať tzv. prioritu hrany (môže byť vyjadrená číslom od 0 do 255). Pri generácii trojuholníkovej siete tento údaj zaistí, že pri prípadnom krížení povinných hrán zostanú zachované tie hrany, ktorých priorita má väčšiu hodnotu. Body a trojuholníky môžu tiež niesť číselnú informáciu (od 0 do 255), ktorú možno využiť k rozlíšeniu ich rôzneho významu. Obalové trojuholníky Vzhľadom k podmienke konvexného obalu trojuholníkovej siete nie sú dlhé a úzke trojuholníky vhodné pre ďalšie spracovanie v aplikačných programoch. Takéto trojuholníky označujeme výrazom obalové. Označenie obalových trojuholníkov sa dá robiť automaticky pri generácii modelu, alebo pri interaktivite v editore siete. Obalové trojuholníky zostanú síce súčasťou siete, no nie sú spracovávané v aplikačných úlohách.
Vstupné údaje Základnými vstupnými údajmi pre model terénu sú súradnice zameraných, alebo inak určených bodov. Z týchto bodov je vytvorená nepravidelná trojuholníková sieť. Spojnice bodov volíme tak, aby sieť neobsahovala úzke a dlhé trojuholníky. Pri tvorbe modelu terénu rozlišujeme dve spojité plochy lineárne a hladké. Lineárna plocha Takáto plocha je tvorená rovinnými trojuholníkovými plochami v trojuholníkovej sieti. Lineárna (lomená) plocha je rýchla a poskytuje nám dostačujúce výsledky. Hladká plocha Takáto plocha prechádza všetkými bodmi trojuholníkovej siete, je spojitá a hladká (s výnimkou lomových hrán). Na základe Bezierových plôch je tvorený hladký model. [6] Nad každým trojuholníkom je týmto spôsobom definovaná funkcia určujúca krivú plochu, ktorá hladko nadväzuje na plochy nad susednými trojuholníkmi. Pri vhodnom rozložení vstupných dát dáva toto riešenie veľmi dobré priblíženie ku skutočnému tvaru modelovanej plochy. Parametre pre získanie priebehu hladkej plochy nad trojuholníkovou sieťou modelu sú uložené v súbore tzv. riadiacich bodov. Mimo základnej varianty ich výpočtu je v digitálnom modely terénu Atlas k dispozícii verzia určená pre zvláštne aplikácie, ktorá zaisťuje, že hladká plocha neprekročí vo svojich minimách ani maximách výškové extrémy nevyhladenej trojuholníkovej siete modelu. Spojnice (hrany) Tvar modelovanej plochy sa ovplyvňuje aj zavedením povinných spojníc (povinných hrán) bodov do trojuholníkovej siete, pričom každá povinná spojnica spája dva vybrané body trojuholníkovej siete a pri optimalizácii siete sa táto spojnica nemení. Tým že sa povinné spojnice zachovávajú dá sa zmeniť tvar trojuholníkovej siete, a tým aj tvar plochy v lomenom a hladkom modely. Existuje niekoľko typov spojníc : povinné (sú len povinné), lomové, priame a spojnice ktoré slúžia na vytvorenie ostrovov.
Povinná spojnica Nad týmito hranami dochádza k vyhladeniu plochy modelu vo všetkých smeroch. Povinné spojnice sa používajú najmä na zadanie chrbátnic, alebo údolníc, na vyznačenie polohopisnej kresby (napr. ploty, hranice), na úpravu tvarov trojuholníkov siete. Lomová spojnica Pri týchto hranách nedochádza k vyhladeniu plochy v priečnom smere. Model sa nad nimi láme. Tieto hrany sú výškovo zakrivené tak, aby pozdĺžny rez bol nad skupinou nadväzujúcich lomových hrán hladký. Tieto spojnice sa používajú najmä na vyznačenie terénnych zlomov (hrany svahov, roklín, brehov, ciest, obrubníkov, priekop...). Priama spojnica Tieto hrany sú v priestore skutočne priame, preto sa využívajú pri vytváraní umelých útvarov ako sú budovy, mostné piliere, betónové dosky... Ostrovy Sú pôdorysne ohraničené oblasti, v ktorých nie je model výškovo definovaný. Ako ostrov sa označuje vynechanie kresby vrstevníc v miestach, kde sú v teréne umiestené budovy. Povinné hrany ostrova označujú okrajovú hranu ostrova a sú výškovo zakrivené. Je to oblasť, v ktorej sa nevyhodnocuje výška modelu (napr. vrstevnice). Existuje špeciálny prípad hrán. Sú to spojnice, ktoré majú rovnaký význam ako ostrovné, sú však priestorovo priame. Jedná sa o ostrovné priame hrany. Generácia trojuholníkovej siete Po premene vstupných údajov musíme trojuholníkovú sieť vygenerovať. Priebeh generácie sa deje v troch fázach. I. fáza : Generácia prvotnej siete. Do vznikajúcej trojuholníkovej siete sú postupne pripojované jednotlivé body súboru tak, aby sieť mala stále konvexný obal. Pri tejto fáze sa neberie do úvahy tvar trojuholníkov. II. fáza : Ide o optimalizáciu siete. Do trojuholníkovej siete sa zavedú povinné spojnice. Body uvedené v predpise povinných spojníc sa spájajú s hranami siete. Spolu so zavádzaním povinných spojníc
sa vykonáva aj označenie ostrovných trojuholníkov, ak sú povinné spojnice typu ostrovné. Na vyjadrenie terénu je trojuholníková sieť v tomto momente ešte stále nevhodná, pretože obsahuje najmä trojuholníky tvarovo neprimerané, preto je nasledujúcou fázou optimalizácia trojuholníkovej siete. Pri optimalizácii sa premiestňujú hrany siete tak, aby sa vzniknuté trojuholníky tvarovo čo najviac približovali rovnostrannému trojuholníku. Všetky hrany siete, s výnimkou povinných hrán sa opakovane preverujú, pokiaľ sa dá urobiť minimálne jedna výmena v celej sieti. To znamená, že tvar siete je jednoznačne určený predpisom povinných spojníc a polohou bodov bodového poľa. Z toho je zrejmé, že je tvar siete nezávislý na poradí zápisu bodov vo vstupných súboroch. III. fáza : Úprava okraju siete. Na okraji siete často vznikajú úzke trojuholníky, ktoré sú nevhodné pre ďalšie spracovanie. Na odstránenie takýchto trojuholníkov slúži úprava okraju siete. Tieto úzke trojuholníky vznikajú z podmienky konvexného obalu siete. Po optimalizácii vznikne sieť s tvarovo vhodnými trojuholníkmi. Okrajové oblasti sú postupne preverované a tvarovo nevhodné trojuholníky sú označené ako obalové. 4. 1 Generácia siete Po spustení programu sa zobrazí okno, kde máme možnosť vykonať nastavenia, týkajúce sa generovania modelu. Nastavenie je zobrazené na (obr. 5. 5). Model určuje kde bude vygenerovaný model uložený na harddisku PC a ako sa bude volať Formát převodu nastaví prevodový formát údajov ATLAS A. Volný formát štandardný formát pre vstup údajov do programu B. Pevný formát správne vytvorený vstupný súbor, v ktorom môžu byť definované okrem bodov aj hrany. C. Kombinovaný formát je kombináciou predchádzajúcich formátov. Body načíta podľa pevného formátu a hrany podľa voľného formátu. Kokeš. D. Formát Kokeš umožňuje vloženie bodov a hrán z programu
E. Formát DXF vloží údaje pomocou prenosného formátu DXF z programu AutoCAD. Předpis dat súbor obsahujúci údaje o bodovom poli Předpis spojnic súbor obsahujúci údaje o hranách Předpis formátu súbor pre konverziu bodov a hrán Vymezení oblasti určuje oblasť bodov, pre ktoré platí konverzia Nastavení pro konverzi dat (obr.5. 6) nastavenie spôsobu a vlastností konverzie bodov a hrán A. Převod bodú nastaví sa vlastná konverzia B. Číst názvy bodú zo vstupného súboru program preberá čísla bodov C. Přepsat duplicitní názvy prepisuje čísla bodov, ktoré sa opakujú D. Připojit hrany sa pripájajú k už vygenerovaným bodom E. Kontrola výpisu body sa zobrazia v osobitnom okne F. Přečíslovat body program nečíta názvy bodov, ale generuje svoje čísla G. Kontrola polohy skontrolujú sa minimálne a maximálne, polohové a výškové vzdialenosti bodov. Ak sa prekročí dovolená odchylka, program duplicitný bod vymaže. H. Setřídení bodú nastavuje špirálové, alebo stĺpcové triedenie bodov I. Převod hran textový predpis hrán je konvertovaný do údajovej štruktúry Nastavení pro generaci modelu (obr.5. 7) nastavenie generácie trojuholníkovej siete A. Generace sítě nastavenie vlastnej generácie B. Generace povinných hran spúšťa sa, ak model obsahuje povinné hrany C. Optimalizace sítě zabezpečuje správnu funkciu modelu D. Optimalizace okrajú sítě odstraňuje nevhodné trojuholníky na okrajoch siete E. Definovaný obal definuje platný okraj modelu F. Řídicí body vypočítajú sa parametre vyhladeného modelu G. Doplnení výšek program dopočíta súradnicu Z
H. Grafické zobrazení zobrazuje tvorbu trojuholníkovej siete I. Prúběžná optimalizace optimalizuje sieť po každom pridanom bode. Veľmi spomaľuje generáciu modelu. 4. 2 Štatistika modelu Po skončení každej generácie modelu sa zobrazia informácie o vygenerovanom modely. Údaje o mojom modele ukazuje obrázok (obr.4. 1). Obr. 4. 1 Štatistika modelu V nasledujúcom texte sú v zátvorkách uvedené hodnoty, ktoré obsahoval môj model. Body platné počet bodov, ktoré tvoria model (2903) Body zrušené chybné, alebo duplicitné body, ktoré netvoria model (0) Body bez výšky body, ktoré nemali definovanú výšku (0) Povinné hrany počet predpísaných hrán (N) Hrany počet hrán trojuholníkovej siete (8682) Trojuhelníky počet trojuholníkov v sieti (5780) Počet chyb chyby, ktoré vznikli pri generácii modelu (1)
4. 3 Editor siete Tento grafický editor umožňuje robiť opravy DMT v reálnom čase a generovať súbory pre spracovanie v ďaľších programoch. Obrázok 4. 2 zobrazuje hlavné okno, s ovládacími prvkymi. Obr. 4.2 Okno editoru siete Po označení ponuky Soubory sa rozbalí roletové menu, s možnosťami (obr.4. 3) : Obr.4. 3 Súbory
Model... vyberie sa jeden vygenerovaný model, ktorý chceme editovať Regenerace prekreslí sa obrazovka, aby bol zobrazený len platný stav Systémová nastavení obsahuje rôzne nastavenia systému Přiřazení kláves možnosť nastavenia skratiek Tisk vytlačí sa obsah aktívneho okna Nastavení tisku vyberie sa tlačiareň, alebo ploter a nastavia sa okraje tlače Export exportuje kresbu do ďaľších formátov, ako je BMP, WMF, HPGL, Calcomp, DXF Heslo vytvorí prístupové heslo pre model Editace textového souboru výstup v textovom formáte Verze verzia programu Konec ukončí program a zmeny uloží na hardisk PC Druhá možnosť výberu je Editace, ktorá obsahuje štandardné ovládacie prvky : Zpět, Vvyřízni, Kopíruj, Vlož, Zruž, Vymaž záznamy všechno Voľba Zobraz obsahuje : Zobrazení nastavuje, čo sa má zobraziť v okne na vygenerovanom modele. Z (obr.4. 4) je vidieť, že môžeme zobraziť trojuholníkovú sieť, body, vrstevnice, plochy, hektárovú sieť, atribúty a vyhladenie. Okrem toho sa všetky nastavenia dajú formátovať.
Obr.4. 4 Nastavenia zobrazenia Pri nastavení vrstevníc sa volí (obr.4. 5) : Interval vrstevnic dá sa nastaviť rozpätie 0,001 až 99,99 metra Hlavní vrstevnice definuje hlavné vrstevnice Posun vrstevnic určuje výškový posun vrstevníc Priorita bez vrstevnic nastavuje sa priorita vrstevníc, ktoré sa nebudú vykreslovať Pouze interval definuje výškové rozpätie, v ktorom sa vrstevnice vykresľujú Obr.4. 5 Formát vrstevníc
Barvy všetkým prvkom sa dá priradiť rôzna farba Priority voľba priradí prioritu ľubovolnému prvku Písmo určuje typ a veľkosť písma Polygony volí sa typ čiar a symbolov pre polygóny Plochy určuje farbu trojuholníkov pre hypsometriu, sklonovitosť a šrafovanie Bodové pole sa upravuje v menu Body, ktoré obsahuje : Info vypíšu sa údaje o bode Přidat pridá do siete nový bod Zrušit zruší bod Přemístit mení polohu bodu Změnit výšku mení výšku bodu Měnit Prio zmení prioritu bodu Auto ČB zapína a vypína automatické číslovanie NB řetězec zadáva reťazec Najít dle ČB vyhľadá bod podľa názvu bodu Najít extremní body vyhľadá a edituje body s extrémnymi súradnicami Hrany sa upravujú v menu Hrany, ktoré obsahuje : Info vypíšu sa údaje o hrane Přidat pridá do siete novú hranu a to lomovú, priamu, alebo povinnú Zrušit zruší hranu Upravit obal nastaví, alebo zruší hranu ako obalovú Měnit Prio zmení prioritu hrany Tah určuje spôsob dwfinovania povinných hrán Trojuholníky sa upravujú v menu Troj, ktoré obsahuje : Info vypíšu sa údaje o trojuholníku Ostrov, Objem pomocou funkcie sa vytvorí ostrov, alebo sa vymedzí oblasť pre neskorší výpočet objemu Rušit ostrov zruší ostrov Měnit prio trojuhelníka zmení prioritu trojuholníka
Měnit prio skupiny zmení prioritu ohraničených trojuholníkov Rušit obal zruší hranu ako obalovú Přepočitat obal vyvolá sa Generace sítě Fixovat okraj určia sa povinné hrany Kontrolovat obalovost opraví nesprávne vygenerované obalové hrany Menu Služby obsahuje : Výřez funkcia číta a zapisuje súradnice z výrezu Polygon pomocou funkcie sa vytvorí, upravuje, alebo ruší polygón Čistit priority zruší všetky nastavené priority Kreslit řez vykreslí profil nad polygónom Menu Extanded obsahuje : Oblast funkcia určí oblasť polygónom a následne po zadaní ďaľšej akcie vykoná zmenu v oblasti Návaznost prenáša body z jedného modelu do druhého Dálkové čtení hromadne načítava body a hrany z textových súborov Měřka zobrazuje nám smerník, vertikálny uhol, vodorovnú a šikmú vzdialenosť a prevýšenie polohy od vzťažného bodu V tejto kapitole som sa snažil priblížiť tie najpodstatnejšie nastavenia, ktoré sa týkajú tvorby modelu. Samozrejme program obsahuje množstvo ďaľších nastavení, ktoré však nejdem ďaľej rozvádzať. Všetky nastavenia som sa snažil interpretovať aj pomocou obrázkov, ktoré väčšinov predstavujú postup tvorby môjho modelu.
5. Postup tvorby DMT Keďže som už v predošlých kapitolách objasnil niektoré dôležité fakty a skutočnosti týkajúce sa terénu a tvorby jeho digitálneho modelu môžem pristúpiť k opisu postupu práce pri tvorbe vlastného digitálneho modelu terénu. Všetky súbory, ktoré sa týkajú tvorby DMT sú uložené na CD priloženom k práci. V texte sú uvedené názvy pod akými boli uložené. 5. 1 Popis riešeného problému a podklady na tvorbu DMT Tvorba digitálneho modelu reliéfu sa v dnešnej dobe využíva vo viacerých sférach. Jednou zo sfér ja aj staviteľstvo, v ktorom sa využíva digitálny model reliéfu pre projekčné účely. Dôležitým krokom k vyhotoveniu projektu je vytvorenie kvalitného modelu terénu, ktorý nám čo najpresnejšie zobrazí modelovanú časť zemského povrchu. K dispozícií mám mapový podklad o rozmeroch 144 x 63 cm. Ukážka z mapy je na prílohe č.1. Plocha riešeného územia je o výmere 90,72 ha. Jedná sa o účelovú železničnú mapu v mierke 1:1000. Územie sa nachádza v extraviláne, no bližšie informácie sa nedali zistiť. Je na nej zobrazený výškopis pomocou vrstevníc a výška terénu bola v rozmedzí 352 až 402 m. n. m. Ďalej sa na mape nachádzala cestná komunikácia, ktorá je miestneho významu. Prvým krokom bolo vytvorenie štvorcovej siete. Na jej tvorbu som použil prístroj pravouhlý koordinátograf. Je to prístroj, ktorý slúži na presné vynášanie bodov daných súradnicami do plánov a máp. Na mapu som vyniesol štvorcovú sieť po 10 cm. Následne som celý ML zoskenoval a vytvoril raster. Pri skenovaní sa na mape vytvorili chyby, ktoré som odstránil gumovaním rastra v programe KOKEŠ. Aby sa dalo s rastrom bez problémov pracovať, urobil som jeho inverziu. Tá sa vykonala v kresliacom programe. 5. 2 Transformácia Najskôr som si vytvoril textový súbor s názvom stvorcovasiet.stx, v ktorom som priradil jednotlivým bodom štvorcovej siete súradnice x a y. Tak som vlastne vytvoril miestny súradnicový systém s tým, že pravý horný roh mal súradnice (1000, 1000).
Keď bol raster pripravený na použitie, mohol som začať s transformáciou. Najskôr som vykonal podobnostnú transformáciu na rohové body rastra, aby som dosiahol vzdialenosť medzi štvorčekmi štvorcovej siete 100 metrov. Použil som pravý horný a ľavý dolný bod štvorcovej siete. Na obrázkoch (5.2, 5.3) je názorne ukázané ako sa zmenila vzdialenosť medzi bodmi po aplikovaní transformácie. Súbor s transformačným kľúčom som pomenoval prvatrans.klc. Raster po prvej transformácií je nazvaný ako vyborny. Transformovaný raster je už upravený tak, že na ňom nie sú chyby ( šmuhy) ktoré boli na mapovom podklade, alebo vznikli pri skenovaní mapy. Potom som urobil všetky druhy transformácie, ktoré vykonáva program KOKEŠ na všetky body štvorcovej siete. Konkrétne išlo o podobnostnú (obraz po transformácii je pootočený a zväčšený), zhodnostnú (obraz je len pootočený), afinnú (obraz je pootočený a zväčšenie v smere osi x a y nie je rovnaké) a projektívnu transformáciu. Výpočet transformačného kľúča (obr. 5.1) a vlastnú transformáciu dát zo všetkých vykonaných transformácii som zaznamenal pomocou protokolov a výpočtových protokolov, ktoré si do dočasnej pamäte ukladá sám program. Obr. 5.1 Výpočet transformačného kľúča
Ukážky z transformácií sú uvedené v prílohách č. (2, 3, 4, 5). Niekedy bolo nutné vynechať pár bodov, aby nebola prekročená stredná polohová chyba. Súvisí to s nepresnosťou pri vynášaní štvorcovej siete a chybách pri skenovaní mapy. Aj keď neboli do transformácií zahrnuté úplne všetky body, snažil som sa ich voliť rovnomerne po celom rastri, aby som minimalizoval pôsobenie zrážky mapy. Projekt bol vyhotovený pre 3. triedu presnosti, tj. 0,140 m. Pri transformáciách som dosiahol nasledovné stredné polohové chyby afinná transformácia 0,1295 m, zhodnostná transformácia 0,1384 m, projektívna transformácia 0,1237 m a podobnostná transformácia 0,1322 m. Ja som pre účely projektu použil podobnostnú transformáciu. Obr. 5.2 Pred transformáciou ( vzdialenosť medzi krížikmi je 1185,108 m ) Obr. 5.3 Po transformácii ( vzdialenosť medzi krížikmi je 100,008 m )
5. 3 Vektorizácia Po úspešnej transformácii som mohol vektorizovať potrebný obsah mapy. Najskôr som zvektorizoval vrstevnice. V programe KOKEŠ som si otvoril transformovaný raster a založil nový súradnicový súbor vrstevnice.ss. Nastavil som si voľbu extra dotaz na výšku a zvektorizoval som všetky vrstevnice. Vytvoril som tak súbor, v korom boli údaje v tvare : číslo bodu, súradnica x, súradnica y a výška bodu. Body som nevolil lineárne, no s ohľadom na priebeh terénu, aby som vystihol všetky jeho dôležité prvky. Výšky bodov som zadával podľa výšok vrstevníc. Súbor vrstevnice.ss som uložil ako súbor vrstevnice.stx. Napokon súbor obsahoval 2903 bodov. Mapa obsahovala veľké množstvo chýb, tak som musel veľmi citlivo vykonávať digitalizáciu. Spomeniem najvážnejšie nedostatky, s ktorými som sa musel vyrovnať. Niektoré vrstevnice sa krížili, končili sa v miestach, kde podľa pribehu terénu sa nemali končiť, hlavné vrstevnice boli zobrazené ako doplnkové.(obr.5. 4) Obr.5. 4 Chyby na analógovom podklade
Vektorizácia polohopisu prebehla podobne, len som nemal otvorený súbor vrstevnice.ss, ale založil som si nový súbor polohopis.vyk. Polohopisné prvky som zvektorizoval tak, že sa kreslila línia a polohové údaje sa ukladali do súboru. Vytvorené súbory by som však neskôr nemohol použiť v programe ATLAS, tak som ich musel prekonvertovať pomocou programu Total Commander. Zmenil som im príponu, a tak výškopisné údaje boli uložené v súbore vrstevnice.pbd a polohopis v súbore polohopis.dxf. Súbor vrstevnice.pbd je v textovom súbore. Každý riadok musel obsahovať : Názov bodu (11 znakov), súradnica Y (reálne číslo), súradnica X (reálne číslo), súradnica Z (reálne číslo) 5. 4 Generácia siete Táto funkcia programu ATLAS DMT už bola opísaná v 5. kapitole. Preto len heslovito uvediem možnosti nastavenia programu a postup tvorby DMR. Príkazom Model určíme názov modelu. Formát převodu je volný formát Atlas. Ako voľbu Předpis bodú som použil súbor vrstevnice.pbd, ktorý obsahuje body s vektorizovanými vrstevnicami, násldne som nastavil konverziu a generáciu modelu. Obr.5. 5 Generácia siete
Nastavenia sú zrejmé aj z obrázkov. Súbor neobsahoval hrany, tak som vypol funkciu Převod hran. Aby ma program nezdržoval zapol som špirálové triedenie bodov a kontrolu polohy nebolo potrebné aktivovať. Obr.5. 6 Nastavenie pre konverziu Pre rýchlejšie generovanie modelu som vypol Priebežnú optimalizáciu, rozhodol som sa generovať celé územie, tak som obal nedefinoval. Program vždy nedokáže správne určiť výšku, tak som deaktivoval aj Doplnění výšek. Obr.5. 7 Nastavenie pre generáciu Po správnom nastavení volieb programu sa spustí generácia funkciou Start. Za pár sekúnd sa zobrazí okno so štatistikou modelu. Štatistika obsahuje informácie o bodoch, sieti a chybách. Údaje o mojom modely sú uvedené na obr.5. 8.
Obr.5. 8 Štatistika modelu Chyby môžeme zobraziť pomocou protokolu. V prípade väčšieho počtu chýb je potrebné ich odstrániť. V mojom prípade bol počet chýb tolerovateľný, čo je zrejmé aj z obr.5. 9. Obr.5. 9 Zobrazený protokol chýb Takto som vytvoril hladký model bez hrán (len výškopis). Aby bol model kompletný je potrebné pripojiť hrany (polohopis). Postup je podobný ako v predošlom prípade.
Názov modelu zostáva rovnaký. Ako formát prevodu sa nastaví Formát DXF. Predpis bodov sa nastaví súbor s hranami polohopis.dxf. V nastaveniach na konverziu dát sa zapne voľba připojit. V nastaveniach pre generáciu modelu sa zapne voľba Doplnení výšek. Po nastavení sa spustí generácia tlačidlom Start. Objaví sa okno s hladinami. Ja som použil len hrany lomové, pomocou ktorých som definoval cestnú komunikáciu. Po označení všetkých vrstiev voľbou Vyber vše sa funkciou Výběr typu spojnice nastavia hrany ako lomové, čiže L. Do poľa Neurčená výška sa vpíše nula. Tento postup je zrejmý z (obr. 5. 10 a 5. 11) Obr. 5. 10 Prehľad vrstiev Obr. 5. 11 Výber typu spojnice Napokon sa klikne na tlačidlo Start. O pár sekúnd sa vygeneruje model aj s cestou. Opäť sa zobrazí protokol, pomocou ktorého máme možnosť vyhľadať a opraviť prípadné chyby, ktoré vznikli pri generovaní modelu. Vygenerovaný model je zobrazený na prílohe č. 6.
5. 5 Generalizacia Pri vektorizácii mapy a následne pri generácii modelu nám vznikli nadbytočné body, ktoré sú zbytočné a skôr nám kazia výsledý efekt. Preto som použil generalizáciu modelu. Ako Název DMT som si zvolil môj model a ako Nový model som nastavil ten istý pôvodný model. Tolerence XY som nastavil 20, Tolerance Z 0,9 a Násobek 5. Po vykonaní generalizácie obsahoval model zhruba o tretinu bodov menej, než pôvodný model. Nastavenia sú na (obr. 5. 12 a 5. 13). Obr. 5. 12 Nastavenie generalizácie Obr. 5. 13 Voľby
5. 6 Editácia siete Vygenerovaný model obsahuje množstvo chýb a nepresností, ktoré sa dajú opraviť v Editore siete. Jedným spôsobom ako prispieť k oprave modelu je funkcia Vyhladenie. Dá sa nastaviť od 2 64 dielov vyhladenia. Ja som použil vyhladenie dielu 6. Vyhladenie funguje na princípe, že v základnom trojuholníku vznikne určitý počet vnútorných trojuholníkov. Tak sa zväčší počet vrcholov, v ktorých sú vypočítavané výšky. Rozdiel medzi nevyhladenými a vyhladenými vrstevnicami prestavujú (obr. 5. 14 a 5. 15). Obr. 5. 14 Nevyhladený model Obr. 5. 15 Vyhladený model
Editor siete nám poskytuje širšiu škálu úprav vygenerovaného modelu. Dajú sa pridávať, odstraňovať a meniť všetky druhy hrán ( lomové, povinné, priame ). To isté sa dá robiť s bodmi a obalom siete, ktoré vytvárajú trojuholníkovú sieť. Keďže som pripojil súbor s hranami polohopis.dxf, ktoré mali nulové výšky, tak vygenerované vrstevnice zmenili svoj priebeh. Vytvorili rôzne slučky a mali neprirodzený charakter. Bolo ich potrebné v editore upraviť. Táto časť bola časovo náročná a vyžadovala si trpezlivý a citlivý prístup. 5. 7 Test siete Po vytvorení siete je vhodné vykonať test, aby sme ešte pred aplikáciou modelu na rôzne úlohy zistili, či je v poriadku a mohli prípadné chyby opraviť. Nastavenie je veľmi jednoduché, len sa zvolí názov modelu a spustí sa proces. Po teste sa zobrazí Protokol, ktorý nás informuje o počte bodov, hrán, trojuholníkov...nastavenia a výsledky testu sú na (obr. 5. 16 a 5. 17). Obr. 5. 16 Test siete Obr. 5. 17 Zobrazenie výsledkov testu siete
6. Návrh trasy Keď už je kompletne hotový digitálny model, môžem v ňom navrhnúť trasu. Túto časť úlohy som vykonal v nadstavbe KRES programu Atlas DMT. V spolupráci s katedrou ŽST, bol približne zakreslený polygón, ktorý predstavuje os projektovanej trate. V programe KRES som si vytvoril nový dokument. Pomocou príkazu Objekty, Vlož objekt a voľba polygón som vyvolal funkciu, prostredníctvom ktorej nakreslím do založeného pôdorysu trasu polygónu. Tento krok ukazuje obr.6. 1. Musí byť zaškrtnutá funkcia MODELOVÁ souřadná soustava, aby bol polygón nakreslený do modelu a nie do výkresu. Pravým kliknutím na polygón, môžem do neho vložiť oblúk. Po vytvorení polygónu, môžem urobiť profily. Obr. 6. 1 Vloženie nového objektu Návrh polygónu je zobrazený v prílohe č. 7. 6.1 Pozdĺžny profil Najskôr som si musel správne nastaviť počet a rozmery listov, aby som mal priestor na ukladanie profilov. Vykonal som to pomocou funkcie Soubory, Vlastnosti listu. (obr.6. 2).
Obr. 6. 2 Vlastnosti listu dokumentu Príkaz Řezy, Vložit, Sestavy řezů pomocí průvodce vyvolá okno, v ktorom mám možnosť zvoliť, aký profil chcem vytvoriť (obr. 6. 3). Nastavil som Podélný řez standardní. Teraz máme možnosť voliť rôzne nastavenia profilu, alebo označím funkciu Dokončit a nastavenia vykonám neskôr. Výhodou takto vytvoreného profilu je, že je plne automatizovaný a okamžite sa prekresľuje a menia sa aj výpočty profilu. Do polygónu sa dá pridať, odobrať bod, alebo zmeniť jeho poloha. Keď mám vypočítaný pozdĺžny profil urobím nastavenia profilu. Pravým kliknutím myšky na profil a voľbou Vlastnosti, sa nám objaví dialógové okno (obr.6.4). Označil som voľbu Sestavy řezú. Tu som vykonal nastavenia pre vypočítaný pozdĺžny profil a zvolil som Srovnávací rovinu 280 m, Měřítko délek 3000 a Měřítko výšek 800. Pozdĺžny profil je vyhotovený na prílohe č. 8.
Obr. 6. 3 Voľba profilu Obr. 6. 4 Vlastnosti 6.2 Priečne profily Vytvorenie priečneho profilu je podobné ako tvorba pozdĺžneho profilu, až na pár zmien. Najskôr označíme polygón a klikneme na Objekty, Vložiť objekt a vyberieme Příčný polygon. Objavý sa okno, kde som nastavil Interval umístění na hodnotu 50 m a Šířka od osy 30 m. Nastavenie je zobrazené na (obr.6.5).
Obr. 6. 5 Vloženie priečnych profilov Príkazom Řezy, Vložit, Sestavy řezů pomocí průvodce sa vyvolá okno, v ktorom mám opäť možnosť zvoliť aký profil chcem vytvoriť. Teraz som si nastavil Příčný řez standardní. A zase mám možnosť voliť rôzne nastavenia profilu, alebo označíť funkciu Dokončit a nastavenia vykonť neskôr. Keď mám vypočítaný pozdĺžny profil urobím nastavenia profilu. Pravým kliknutím myšky označím profil a voľbou Vlastnosti, sa objaví dialógové okno (obr.6.4). Označil som voľbu Sestavy řezú. Tu som nastavil Srovnávací rovinu 320 m, Měřítko délek 1000 a Měřítko výšek 1000. Ďalej som si nastavil rozmiestnenie vytvorených profilov na výkres. Urobil som to voľbou Sestavy řezů, Rozmístění a zadal som štyri profily do riadku. Je potrebné mať nastavený príkaz Sestavy podle zadání výpočtu, aby sa zmeny vykonali na všetkých profiloch súčastne. Priečne profily sú vyhotovené na prílohe č. 9. 6.3 Práca s profilmi V kapitolách 6. 1 a 6. 2 som opísal jeden postup tvorby rezov. Teraz vysvetlím ako sa navrhne pozdĺžny a priečny rez, ktorý mi poslúžil na návrh novej trasy. Vzorový pozdĺžny profil je zobrazený na prílohe č. 14. a priečne profily sú v prílohe č. 15. Postup tvorby sa taktiež vzťahuje na nadstavbu programu KRES, kde som si otvoril vytvorený model s navrhnutým polygónom, ktorý predstavuje os trate.
Označil som si polýgón a pravým tlačidlom myšky som vyvolal príkaz Export do textóvého souboru. Nastavenia sú zrejmé aj z (obr. 6. 6). Obr. 6. 6 Export do textového súboru Po odkliknutí OK sa mi uložil súbor v tvare Model1.plg. Následne som zatvoril dokument a založil nový. Mohol som síce pokračovať v otvorenom dokumente, no je lepšie ak sa vytvorené súbory občas rozdelia. Vlastnou skúsenosťou som zistil, že sa tým predíde možnej strate všetkých zatiaľ vytvorených súborov, pri náhodnom výpadku PC, alebo havárii programu. V novom dokumente som si otvoril menu Cesty, Import řezú a objektú a označil voľbu z PLG + DMT. Otvorilo sa dialógové okno, kde som vybral vytvorený súbor Model1.plg.
Obr. 6. 7 Nastavenie profilov V ďaľšom okne (obr. 6. 7), ktoré sa mi vzápätí otvorilo sa vykonali nastavenia pozdĺžneho a priečnych rezov. Pre pozdĺžny rez som nastavil Měřítko délek 1:3000 a Měřítko výšek 1:2000. Pre priečne rezy som nastavil Měřítko délek 1:500 a Měřítko výšek 1:500. Voľbou DMT... som si vybral môj model. Dajú sa tu vykonať aj ďaľšie nastavenia, ktoré nebudem teraz bližšie definovať. Tlačidlom Importovat sa do nastavených výkresov vložia profily. Pozdĺžny profil je uložený ako Pozdlzny.a4d. a priečne profily sú uložené v súbore Priecne.a4d. V pozdĺžnom profile som nakoniec navrhol niveletu trasy. Voľbou Cesty, Objekty do PO som vybral Nový stav. Vložil som počiatočný a koncový bod ako je zrejmé z obr. 6. 8. Následne som podľa priebehu terénu vložil medzi dva hlavné body stredový bod. Keď som mal určené tri body mohol som vytvoriť výškový oblúk. Voľbou Cesty, Objekty do PO som vložil Oblouk. Samozrejme dá sa sem vkladať ľubovolné množstvo bodov. Je možnosť ich nastavovať a formátovať. A nie len body, ale aj napr. sklonové pomery, trativody a priekopy, kóty, merania a výpisy kubatúr. Čiže tento program umožňuje všetko, čo projektant potrebuje pre svoju prácu.
Obr. 6. 8 Vkladanie bodov novej trasy
7. Práca s modelom 7. 1 Sklonovitosť Aby bol výsledný model podobný povrchu Zeme, alebo aby aspoň získal plastický dojem, môže sa použiť funkcia sklonovitosť, alebo hypsometria. V programe sa vyvolá funkcia Vlastnosti modelu, Plošky a Sklony plynulé. Pomocou príkazu Intervaly určíme počet intervalov a ku každému priradíme individuálny sklon a farebný odtieň. Môj postup a nastavenia sú zrejmé z (obr. 7. 1 a 7. 2). Plynulá sklonovitosť je vyhotovená na prílohe č. 11. Ostrá sklonovitosť je vyhotovená na prílohe č. 10. Zapnuté sú vyhladenia 6. stupňa. Obr. 7. 1 Nastavenie plôch Obr. 7. 2 Nastavenie sklonov 7. 2 Hypsometria Ide vlastne o zobrazenie výšok pomocou farebne odstupňovaných vrstiev. V programe sa vyvolá funkcia Vlastnosti modelu, Plošky a Hypsometrie plynulá. Pomocou príkazu Intervaly určíme počet intervalov a ku každému priradíme individuálnu farbu a jej odtieň. Môj postup a nastavenia sú zrejmé z (obr. 7. 3 a 7. 4).
Plynulá hypsometria je vyhotovená na prílohe č. 13. Ostrá hypsometria je vyhotovená na prílohe č. 12. Opäť pre zlepšenie optiského vnemu je zapnuté vyhladenie 6. stupňa. Obr. 7. 3 Nastavenie hypsometrie Obr. 7. 4 Nastavenie interalov 7. 3 Výpočet objemu Zaujímavou funkciou je výpočet objemu. Označí sa model a pomocou príkazov DMT, Úlohy nad DMT, Výpočty a Výpočet objemu sa zobrazí dialógové okno, kde máme možnosť nastaviť (obr. 7. 5) : - s akým modelom chceme počítať, či celý model, alebo len nejakú časť modelu (mňa zaujímal celý model) zrovnávaciu rovinu, alebo iný model (ja som zvolil rovinu, s nulovou hladinou) - kde sa má uložiť a ako sa má volať výstupný súbor s vypočítaným modelom.
Obr. 7. 5 Výpočet objemu Po stlačení tlačidla Start, program za pár sekúnd vyhodnotí model a vytvorí protokol, v ktorom nás informuje o objeme a povrchu našeho modelu. Celý protokol je priložený v prílohách na CD. Pre zaujímavosť obr. 7. 6 zobrazuje aký má objem a povrch mnou vytvorený model. Obr. 7. 6 Výsledný objem a povrch