42. Fejezet - AZ IDŐBELISÉG ÉS A HARMADIK DIMENZIÓ
REPREZENTÁCIÓJA
Szerkesztette: Nigel M. Waters, University of Calgary
Magyar változat: Divényi Pál, Földmérési és Távérzékelési Intézet, Budapest
A. BEVEZETÉS
B. VERTIKÁLIS DIMENZIÓ "3D"
A 3D-s megjelenítések felhasználása
C. A JELENSÉG SAJÁTOSSÁGAI
Eloszlás
Topológiai komplexitás
Geometriai komplexitás
D. A MEGJELENÍTÉS MÓDSZEREI
Két és fél dimenziók
Valós háromdimenziós megjelenítések
Összefoglalás
E. IDŐBELISÉG
Lehetséges modellek
Összefoglalás
IRODALOM
ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK
42. Fejezet - AZ IDŐBELISÉG ÉS A HARMADIK DIMENZIÓ
REPREZENTÁCIÓJA
Szerkesztette: Nigel M. Waters, University of Calgary
Magyar változat: Divényi Pál, Földmérési és Távérzékelési Intézet, Budapest
A. BEVEZETÉS
- bár a jelenlegi térinformatikai rendszerek nagy többsége csak síkban, azaz két dimenzióban működik, az alkalmazások nem kevés példája igényli más dimenziók megjelenítését is, mint pl. az idő, vagy a magasság/mélység ábrázolását, s a velük kapcsolatos elemzések elvégzését
- a geológiai alkalmazások nagy része igényel olyan attribútumot, amely a vertikális dimenzióra vonatkozik
- az időbeliség feltüntetése és az elemzésekbe való bevonása szükséges számos gazdasági és szociális vizsgálatnál
- az óceanográfiai és meteorológiai modellek egyaránt igénylik a vertikális és időbeli dimenziók variációit
- ez a fejezet röviden áttekinti, hogy ezek a plusz dimenziók hogyan vonhatók be a térinformatikai rendszerekbe
B. A VERTIKÁLIS DIMENZIÓ "3D"
- a térinformatikai rendszerekben két nagyon különböző út vezet a függőleges (vagy helyesebben harmadik) dimenzió megjelenítéséhez
- a legjobban elterjedt adatszerkezetként említhető az, ahol az (x,y) adatponthoz attribútumként hozzárendelik a z (magasság) értékét;
- ezt a z értéket lehet felhasználni a perspektív domborzati látképben a harmadik dimenzió megjelenítésére
- ez nem valódi három dimenziós megjelenítés, gyakran nevezik "két és fél" dimenziónak!
42.1. ábra - perspektív rajz az USA, Tiefort hegyvidékről
- ez a két és fél dimenzió a topográfiai és más terepmodellekből vagy háromszögelési hálózatból nyert folytonos felszín megjelenítésének attraktív módja
- a perspektív rajzot számítani lehet bármelyik nézőpontból
- pótlólagos réteggel ellátható színes fedvényként a perspektív rajz
- művészi kompozíció születhet a színek, táj, fák és perspektív nézőpont számítógépes változatainak kompozíciójaként
- nagyteljesítményű számítógéppel animálni lehet a két és fél dimenziós látképet úgy, mintha a domborzati felszín felett repülnénk
- a pasadenai laboratórium előállított Landsat jelenetekből és DEM-adatokból szimulációs képsorozatot, amely a látképet, mint a repülőgépből előtáruló képet jeleníti meg
- a valós háromdimenziós megjelenítések az adatokat olyan struktúrában tárolják, amely a referenciapontokat 3D, tehát (x,y,z) formában rögzítik,
- ebben az esetben a z adat nem attribútum, hanem a referenciapont egyik eleme;
- ez az adatstruktúra lehetővé teszi, hogy ugyanazon (x,y) koordinátához számos pontot adjunk meg, azaz: óceánban mélységeket, az atmoszférában magasságokat, vagy geológiai fúrásmagokat
- a valós háromdimenziós (3D) megjelenítések lehetővé teszik:
- a térfogat vizualizálását
- bár a térfogat megértése nehéz, amikor ortografikus vetületek reprezentálják őket
- a térfogat modellezését
- térbeli analízise ill. annak algoritmusa egyszerű, ha az adat háromdimenziós formátumú
A 3D-s megjelenítések felhasználása
- a térbeli információ 3D-s megjelenítése különböző jelentős alkalmazásokban szerepelhet, pl.
- nagyobb beruházások tervezése, mint bánya, gát, víztározó, stb.
- geológiai feltárások,
- háromdimenziós folyamatok, mint pl. az óceáni áramlások tudományos magyarázatai
- nem szükséges tudni, hogy mit keresünk
- így az ábrázolás korlátozhatja a végrehajtott vizsgálat típusát és az eredményt
C. A JELENSÉG SAJÁTOSSÁGAI
- a jelenség típusa meghatározza a jelenség ábrázolását,
- a háromdimenziós jelenségeknek számos sajátossága van
Eloszlás
1. Folyamatos
- minden helyhez ugyanaz a jelenség tartozik,
- pl. földhasznosítás, kőzettan, stb. esetekben,
- hasonlóan a 2D-s raszteres megjelenítésekhez
2. Diszkrét
- diszkrét objektumok, melyek jól meghatározott elhelyezkedésűek,
- pl. alagút, barlang, litológia,
- hasonlóan a 2D vektoros objektumokhoz.
Topológiai komplexitás
- az objektum hogyan áll össze?
- ez a legnagyobb hatás az adatszerkezetre
- hiszen az objektum lehet összetett, állhat különböző részekből, s azok alrészeiből
42.2. ábra - Topológiai komplexitás
1. Összetett
- kisebb önálló objektumokból épül fel
- érctelérek kisebb érctestekből állnak
2. Kevert
- kisebb, nem hasonló objektumokból épül fel
- bánya tárnákból, lejárókból stb. áll, amelyek hierarchikusan elrendezettek, vagy szomszédosak, vagy egymásba ágyazottak
3. Közbeékelődő (sokszoros jelenség)
- kevert, de az objektumok egymás térfogatának részei lehetnek
- nagy méretarányú geológiai szerkezet
- karszt alakzatok át vannak metszve a vízszinttel és geológiai szerkezetekkel
Geometriai komplexitás
- geometriai komplexitás határozza meg a pontossági és adatminőségi kérdéseket, amelyek lehetnek szabályos és szabálytalan eloszlásúak
- a következő kérdések merülnek fel:
Pontosság
- milyen pontosság szükséges?
- a tervezői alkalmazások /pl. alagúttervezés/ nagy pontosságot igényel
- a kutatásban vagy a tudományos alkalmazásoknál az általános relációk fontosabbak lehetnek
Élesség
- a mérőműszer felbontási pontossága és az analízis részletessége gyakran függ a vizsgálat méretarányától és a jelenség természetétől
- szűrni és generalizálni lehet a tárolási szükséglet és a számítási idő csökkentése érdekében
D. A MEGJELENÍTÉS MÓDSZEREI
- a specifikus megközelítés függ
- a felhasználói igényektől és kapacitásoktól
- a jelenség komplexitásától, eloszlásától, jellegétől
- a hozzáférhető adat jellegétől ill. az adatgyűjtés sajátosságaitól
Két és fél dimenziók
1. Egyszerű értékkel rendelkező felületek
- minden (x,y) koordinátapárhoz egy z (magassági) érték kapcsolódik;
- rendszerint folytonos eloszlású felületek
- a topológiai komplexitás alacsony
- a geometriai komplexitás igen magas lehet
- rendszerint az ilyen felületek megjelenítése izovonalakkal (szintvonalakkal) történik
- geometriailag 3D, de topológiailag 2D
- megfelel megjelenítésre és bizonyos modellezési célokra
- hozzáférhető több térképészeti és statisztikai szoftver-csomagban
2. Többértékkel rendelkező felületek és térfogatok
- minden (x,y) koordinátapárhoz egynél több z érték tartozik
- általában folytonos eloszlású értékekkel
- a topológiai komplexitás alacsony
- a geometriai komplexitás bonyolult lehet
- az ábrázolás izovonalakkal történhet
- nehezen érthetővé válhat
- gyakori témája a geostatisztikai analízis és más tudományos kutatási alkalmazás
- az un."kulcsrakész" rendszerekben nem elterjedt
Valós háromdimenziós megjelenítések
1. Határvonalak megjelenítése pl. útvonal a barlangrendszerekben
42.3. ábra - B-Rep of a Cave Passage
- az objektumok soklapú alakzatok síkokkal határolva
- a nem látható vonalak eltávolításával könnyebben érthetővé tehető
- minden objektum reprezentálható síkokkal, élekkel, pontokkal
- síkok - síklapok, rendszerint háromszögek (téglalapok és hatszögek keveréke a fedvényen)
- élek - a síkok éleiként vannak értelmezve
- pontok - az élek végpontjai (minden élhez 2)
- alkalmas diszkrét objektumok ábrázolására is
- topológiai komplexitás nagy lehet
- geometriai komplexitás is nagy lehet
- jól alkalmazható tudományos vizsgálatok és magyarázatok eredményeinek szemléltetésére
- elterjedt a különböző CAD-alkalmazások területén
- a TIN egy típusa a határvonal megjelenítésnek, egyedi értékekből felépülve (azaz minden x,y-hoz egy z)
- hatékony felhasználói felületet igényel a sokszorosan összetett objektumok létrehozása
- a határvonalak minden egyes részét (él, sík, pont) nagy körültekintéssel és következetesen kell meghatározni minden egyes alkalmazásnál a hitelesség eléréséhez
- a megjelenítés gyorsan degradálja a magasabb geometriai komplexitást
2. Térbeli kiterjedés számszerűsítése
42.4. ábra - SOE bánya
- a térfogat kockára bontva jelenik meg
- lehet be- (tele), kikapcsolt (üres) állapotuk
- vagy attribútum értékük
- a függőleges felbontás gyakran eltérő (nagyobb) a vízszintes felbontástól (pl. atmoszféra modellezésénél)
- az objektumokat lehet pozitív vagy negatív formában tükröztetni
- diszkrét és folytonos eloszlások ábrázolására is alkalmas
- a kombinatorikus komplexitás igen nagy
- a geometriai komplexitás is nagy bizonyos felbontási határokon belül
- igen alkalmas analítikai műveletek megjelenítésére, /bányaábrázolások, orvosi alkalmazások/
- előállítása rendszerint (hasonlóan a 2D-ben a vektor/raszter átalakításhoz) határvonal konvertálással
- tulajdonságok, mint térfogat, tömeg, felület számítása gyors a Boolean műveletekkel
- indexeléséhez a "nyolcfa" igen alkalmas
42.5. ábra - nyolcfa
- a nyolcfa nem más, mint a négyfa kiterjesztése három dimenzióssá
- a cellák számozása a négyfáéhoz hasonló: az első szinten indul s mozog a szinteken felfelé azonos mintázattal, de a számozás 4 - 7 -ig folytatódik
Összefoglalás
- az említett 3D-megjelenítések viszonylag újak, ezért kevés kollektív tapasztalat gyűlt össze a föld- és műszaki tudományok alkalmazásai terén
- könnyebb lehet a más területeken kifejlesztett technológiai adaptálás az igényeknek megfelelően (pl. orvosi és mérnöki alkalmazások)
- az orvosi alkalmazás természetesen merően különbözik a földtudományi alkalmazástól
- az orvosi képfeldolgozás nem igényli bonyolultabb analítikai és interpretációs eszközök használatát, mint pl. absztrakciós interpretálás, amelyeket a földtudomány használ
- az említettel szemben az orvosi alkalmazás inkább függ az időtől, mint a földtudományi (rendszerint szükséges az objektumok mozgásának követése egyik 3D-s képről a másikra)
E. IDŐBELISÉG
- az időtényező adja a térbeli adathoz képest a további dimenzió lehetőségét
- Hagerstrand (1970) vertikális dimenziót használt a humánrendszerekben a mozgások megjelenítésére
- a számítástechnika lehetővé teszi, hogy időtényezőt rendeljünk az adatbázis rekordjaihoz
- a rekordok csak korlátozott ideig érvényesek
- a földrajzi események és jelenségek általában komplexek, az objektumok limitált esetben léteznek, változtatják jellegüket, alakjukat, tulajdonságaikat az időtől függően
- A 3D esetekhez hasonlóan az időtől függő adatbázisok fejlesztése még nem igazán kristályosodott ki
Lehetséges modellek
1. A megfelelő tematikus zónák határai az idő folyamán változnak
- mivel a határokat hol érvényesnek tekintik, hol nem és csak igen ritkán mozgatják, a megoldást az jelenti, hogy minden határt tárolnak, ami valaha is létezett, és utána helyreállítják az objektumokat az adott időpontban élő határoknak megfelelően (gondoljunk a magyarországi községösszevonásokra és szétválasztásokra)
- a Nagy Amerikai Történelmi Projekt keretében a XIX. század elejétől kezdve minden államhatárt tároltak, amelyből elő tudják állítani az akkori határokat bármely népszámláláshoz
2. Az objektum attribútumai változnak az időben
- adott időintervallumra külön attribútum-táblázat létrehozása
- ha az attribútumokat további időfinomítással kérik, akkor azok létrehozása interpolációval történik
3. Az objektum alakja változik az idő során
- definiáljuk az időintervallumot és tároljuk az objektumot minden időintervallumhoz
- gyakran nehéz az objektum adott időre vonatkozó tárolása, mivel az változik, mint pl. a Kaliforniai félsziget melletti kontinentális talapzat
- könnyebb elkerülni az objektum-azonosítást és osztályozott, de nem összefüggő raszterekben tárolni minden időre - egyenrangú a SOE vagy kocka felbontással 3D-ben
- másik megoldás, ha 3D-s teret használunk, vertikális dimenzióként az időt választva, benépesítve 3D-s objektumokkal; pl. vonalak a Hagerstrand diagrammban - megfelel a határvonal reprezentációnak
- rendeljük az attribútumokat ezekhez a 3D-s objektumokhoz
- ha az attribútum változik az idővel, a feladat hasonló lesz ahhoz, mint amikor egy szállítási hálózatban az attribútumok folytonosan változnak
Összefoglalás
- a lényegi kérdés, hogy az adott objektum 2D vagy 3D jellegű
- a megoldások széles skálán mozognak, mint
- nincs objektum (pl. távérzékelt kép esetén)
- van objektum minden időintervallumra, de azok nincsenek egymással összefüggésben (rétegelv),
- van objektumok minden időintervallumra, s azok egymással valamilyen összefüggésben vannak (relációs rétegek pl. migrációs adatok)
- folyamatosan definiált objektumok az idődimenzióban, 3D-objektumok pl. egyéni utazási magatartás a tér-idő dimenzióban
IRODALOM
Bouille, F. 1976 "A Model of Scientific Data Bank and Its Applications to Geological Data". Computer and Geosciences 22:279-291.
de Cambray, B. 1993. "Three-dimensional (3D) objects in geographical databases", EGIS'93 Vol.1. p. 217- 226.
Carter J.R. 1988 "Digital Representations of Topographic Surfaces: An Overview", ACSM/ASPRS Technical
Papers, 5:54-60.
Hagerstrand T. ,1970 "What about people in Regional Science" Discusses the concept of space-time prosm
in human spatial behavior.
Langran, G., Chrisman, N.R. "A review of temporal database research and its use in GIS applications",
International Journal of GIS. 3/3/:215-32.
Langran, G., 1992. "Time in Geographic Information Systems" Taylor and Francis, p. 163.
Kraak, M.-I. "Dinamic digital terrain models: interactiv real-time movement through 3D space using a TIN"
EGIS'93 Vol.2. p. 1316-1324.
Mark, D.M. and Cebrian, J.A. "Octtrees a useful datastructure for the processing of topographic surface data",
ACSM/ASPRS 1:1O4-113.
ELLENŐRZŐ KÉRDÉSEK
1. Ha Ön 3D-megjelenítést kíván az
a/ általános mérnöktől
b/ a geológustól
c/ hidrogeológustól
d/ meteorológustól,
milyen kérdéseket tenne fel foglalkozásukról és szakmájuk megjelenítési igényéről?
2. A fent megnevezett szakembereknek szükséges adatok térbeli eloszlásáról mi a véleménye? Hasonlítsa össze azokat!
3. Milyen előnyöket és hátrányokat tud megemlíteni a 2D- és 3D-megjelenítéseket illetően a különböző szakterületi alkalmazásokban?
4. A térinformatikai rendszerekben a 2D-3D problémája összehasonlítva a 2D és az időfüggő 2D viszonyával sok szakember számára hasonlónak tűnik. Egyetért-e ezzel a megközelítéssel?
|