Картографические анимации

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО КубГУ)

Институт начального и среднего профессионального образования

 

 

 

 

 

 

 

 КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине «Геодезия с основами картографии

и картографического черчения»

 

Картографические анимации

 

 

Работу выполнила _________________________________Е.К. Гойда

 

Специальность  120714    Земельно-имущественные отношения

 

Научный руководитель

канд. геогр. наук,  доцент  ___________________________Е.В. Антошкина

 

Нормоконтролер

канд. геогр. наук,  доцент  ___________________________Е.В. Антошкина

 

 

 

 

Краснодар 2015

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Картографические анимации……………………………………………….....5

1.1 Основные понятия геоизображений………………………………………...5

1.2 Использование картографических анимаций………………………………7

1.3 История развития картографической анимации……………………..…...11

1.4 Виды картографических анимаций………………………………………..12

2. Область применения картографических анимаций………………..………16

2.1 Назначение картографических анимаций…………………………………16

2.2 Оперативное картографирование ………………………………..………..17

2.4 Взаимодействие картографии  и интернета……………………………......21

3. Перспективы развития анимационной картографии……………………….23

Заключение……………………………………………………………………….27

Список использованных источников…………………………………………29

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность выбранной темы обусловлена прогрессом геоинформационного картографирования, аэрокосмического зондирования и компьютерных технологий, 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.

Объектом данного исследования являются картографические анимации. Предметом исследования являются перспективы развития анимационной картографии.

Целью выпускной квалификационной работы является исследование области применения картографических анимаций. Поставленная цель обуславливает решение следующих задач:

а) изучить основные понятия анимационного картографирования;

б) определить виды и способы использования картографических анимаций;

в) исследовать легенды к картографическим анимациям;

г) выявить назначение картографических анимаций.

Цель и задачи исследования определили структуру курсовой работы и использование следующих теоретических положений и методов: метод научного анализа; обобщение и синтез литературного материала.

Теоретическая база исследования представлена учебной литературой (учебные пособия, справочная литература), научными статьями по исследуемой проблематике, ресурсами сети Интернет.

 

1 Картографические анимации

 

1.1 Основные понятия геоизображений

Геоизображение — любая генерализованная, масштабная, пространственно-временная, модель земных объектов или процессов, представленная в образной (иконической) форме. Понятие геоизображение охватывает традиционные полиграфические и электронные карты, фотокарты, блок-диаграммы, рельефные карты и стереомодели, кинокарты, анаморфозы, аэро– и космические снимки, 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 нефтяного загрязнения на поверхности океана, распространения очагов эпидемий, изменения температурных полей на суше и в океане, движения ледников и т. п.

Постепенно 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 Использование  картографических анимаций

В технологиях виртуального моделирования большую роль играет анимационное картографирование, которое представляет собой одну из ветвей оперативного компьютерного картографирования. Речь идет о создании и анализе карт в реальном, или близком к реальному времени. Прообраз анимации - традиционные карты динамики, на которых фиксируются состояния объектов в разные моменты времени. Серии таких карт показывают последовательность смены ситуаций, подобно тому как это происходит в мультфильме. Собственно говоря, анимации - это современный компьютерный этап развития мультипликаций. И если раньше сотни мультипликационных кадров рисовали вручную, то теперь анимации создают при помощи специальных компьютерных программ, которые «оживляют» изображение (отсюда и само слово «анимация»), заставляют его перемещаться, изменять ракурсы, форму, окраску и т.п.

Анимации применяли вначале для слежения за быстро меняющимися событиями и явлениями (например, за наводнениями или лесными пожарами), для мониторинга и оценки сельскохозяйственных посевов, этапов их развития, созревания. Потом их стали использовать для визуализации медленно протекающих процессов, таких как меандрирование рек, и даже для палеогеографических реконструкций, например моделирования раскола праматерика Гондвана и перемещения континентов (рис.1).

 

Рисунок 1 – Серия компьютерных карт распределения снежного покрова на территории Европейской равнины (с октября по май), представленная в виде анимации

Так, на серии анимационных карт-кадров были прослежены становление и сход снежного покрова на Европейской равнине. 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 (рис.2)

Рисунок 2- Анимационная последовательность среднемесячных температур у поверхности воды, составленная с помощью географической информационной системы.

Еще один пример - моделирование быстро меняющихся гидрофизических параметров морей и океанов. C помощью географической информационной системы “Черное море 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.

1.3 История развития картографических анимаций

 

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.

 

 

1.4 Виды картографических анимаций

В настоящее время можно выделить несколько видов картографических анимаций:

1. Анимированные двухмерные карты динамики. 

1.1. Карты динамики площадных  контуров явлений на различные  даты.

1.2. Карты разности состояний  на несколько дат одних и тех же площадных контуров. 

1.3. Карты динамики точечных  объектов (динамика положений или  состояний объектов). 

1.4. Карты динамики линейных  объектов (динамика положений или  состояний объектов). 

1.5. Комплексные динамические  двухмерные карты (карты, на которых  одновременно показана динамика  точечных, линейных и площадных  объектов либо различных их  сочетаний). 

2. Анимированные двухмерные карты движения. 

3. Классические двухмерные карты, использующие в качестве изобразительного средства эффекты анимации. 

4. Анимированные линейные и площадные анаморфозы. 

4.1. Анимированные линейные  анаморфозы. 

4.2. Анимированные анаморфозы, показывающие динамику контуров  на различные даты (две и более). 

4.3. Анимированные анаморфозы  состояний контуров. 

4.4. Комплексные анимированные  анаморфозы (динамика контуров и  состояний контуров в сочетании  с прочими динамическими изобразительными  средствами). 

5. Анимированные динамические трехмерные изображения. 

5.1. Анимированные поверхности (изометрия, динамическая изометрия  со сменой точки и угла обзора). 

5.2. Анимированные трехмерные  блок-диаграммы и условные знаки. 

5.3. Трехмерные анимированные  анаморфозы. 

6. Анимации в виртуально-реальностных изображениях. 

6.1. Облет местности, движение  по поверхности. 

6.2. Движение в среде. 

6.3. Движение в пространстве  виртуальной реальности цифровой  модели местности (ЦММ) одновременно  с анимированием отдельных компонентов самой ЦММ (движение наземных и воздушных объектов, течение рек, метеоявления и пр.).

По конечному результату анимации можно подразделить на следующие типы:

1. Неуправляемая последовательность  двухмерных кадров. В данном типе  анимации просматривающий субъект  не может изменить практически  ничего — ни проекцию, ни угол  обзора, ни масштаб изображения. Типичным примером такой анимации  является анимация в формате AVI (видео для Windows). Несмотря на двухмерность самих кадров, содержание их может быть трехмерным (например, AVI-файл с анимированной трехмерной поверхностью). Исходные кадры-карты могут создаваться автором самыми разнообразными способами и не предназначаются для изменения потребителем. Для просмотра анимации не требуется ни специального программного обеспечения (ПО), ни значительных аппаратных средств, пользователь может обладать лишь начальной компьютерной подготовкой.

2. Последовательность векторных  карт, переводящаяся в растр и  выводимая на экран в реальном  времени. Обычно для анимации  такого типа можно задать пользовательскую  проекцию, сменить масштаб или  компоновку карты, изменить легенду, включить или выключить слои  данных. Обычно создание такой  анимации ведется на базе уже  существующих ГИС-пакетов с помощью  системы внутренних команд или  встроенного языка программирования. Примером может служить анимация, составленная из последовательности  векторных карт в формате SHP (работающая  в среде ArcView) интерактивно управляемая пользователем. Для создания анимации подобного рода требуется наличие производительной техники (обладающей достаточной вычислительной мощностью), наличие ГИС-пакета и умение программировать на одном из внутренних языков ГИС (например, Avenue для ArcView 3.2). Просмотр анимации возможен любым пользователем с начальным уровнем знания ГИС-пакета, в котором создавалась анимация. 

3. Полностью управляемая  пользователем модель данных, визуализируемая  в результате длительного просчета. Здесь пользователь может изменить  почти все параметры (скорость  облета, угол зрения, дальность видимости, наличие атмосферных эффектов, движение  прочих моделей в пространстве  математической модели местности  и т.п.), однако результаты изменений  анимации он может увидеть  лишь после просчета, в результате  которого получается некорректируемая  последовательность двухмерных  кадров. Для создания требуется наличие специализированного ПО, высокопроизводительного аппаратного обеспечения, отличное владения пакетами для создания такой анимации (3D-Studio MAX, Power Animator, Maya, и прочие продукты, предназначенные для создания самой сложной двух- и трехмерной графики для видео- и кинофильмов). Пользователь, обрабатывающий такую модель данных, Должен также иметь мощный компьютер, ПО, в котором создавалась модель данных, и навыки работы с этим ПО. 

4. Полностью управляемая  пользователем виртуальная модель  местности, визуализируемая в режиме  реального времени. Здесь пользователь  может изменить все параметры, причем результаты изменений  становятся видны сразу же  без каких-либо дополнительных  расчетов. Создание модели может быть чрезвычайно сложным требуя не только больших вычислительных мощностей, но и владения сразу несколькими ГИС-пакетами, пакетами 3D-анимации программирования и пр. Квалификация пользователя может быть различной: от минимального ознакомления с программой и простого просмотра до глубокого знания особенностей построения модели и возможности внесения в нее необходимых изменений.

2. Сферы применения и назначение картографических анимаций

2.1 Назначение картографических анимаций

Область применения анимированных картографических изображений практически не ограничена. Как известно, картографировать можно практически любые предметы, которые нас окружают. Неоспоримо, что все картографируемые объекты со временем меняются. Следовательно, для любого предмета картографирования может быть создана картографическая анимация.

В настоящее время основными областями, для которых создаются и в которых используются картографические анимации, являются: 

1) оперативное картографирование (Гидрометеослужбы) и экстренное картографирование при чрезвычайных ситуациях (ЧС). Цели: своевременная поддержка принятия решения, выявление закономерностей развития картографируемого явления, достоверное прогнозирование развития ситуации на основании имеющегося динамического ряда состояний картографируемого процесса.

2) учебный процесс (в школах, вузах, военных учебных заведениях  и др.). Цель: достоверная передача  знаний учащимся, более наглядная  демонстрация ранее выявленных  закономерностей развития картографируемых явлений и процессов. 

3) демонстрационно-рекламная  и пропагандистская деятельность (различного рода презентации  и показы, совмещающие демонстрацию  картографических фильмов с разнообразной  прочей информацией — текстами, графиками, таблицами, фотоматериалами, видеозаписями). Цель: наглядная передача  специализированной информации  лицам, не обладающим картографической  подготовкой (потенциально — демонстрация  гражданам, не имеющим вообще  никакого специального образования), для того что бы подвигнуть их к какому-либо действию.

4) планирование военных  операций или слежение за их  ходом. Цель: максимально наглядная  передача специализированной информации  лицам, имеющим картографическую  подготовку для обеспечения оперативной поддержки принятия решения. 

5) фундаментальные исследования  в области исторических, географических, геологических, общественных наук. Цель: фундаментальные исследования для выявления неизвестных ранее процессов.

 

 

2.2 Оперативное картографирование

Оперативное картографирование подразумевает создание и использование карт в реальном или в близком к реальному масштабе времени с целью быстрого (своевременного) информирования пользователей и воздействия на ход процесса. Реальный масштаб времени понимается характеристика скорости создания - использования карт, т.е. темпа, обеспечивающего немедленную обработку поступающей информации, ее картографическую визуализацию для оценки, мониторинга, управления, контроля каких-либо процессов и явлений, изменяющихся в том же темпе. 

Оперативные карты предназначены для решения широкого спектра задач, прежде всего для инвентаризации объектов, предупреждения (сигнализации) о неблагоприятных или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизация или изменения хода процесса в самых разных сферах - от экологической ситуации до политических событий. При этом следует различать оперативность двух типов: одни рассчитаны на долговременное последующее использование и анализ (например, карты итогов голосования избирателей), а другие - кратковременного использования для незамедлительной оценки какой-либо ситуации (например, карты созревания с/х посевов). 

Исходными данными для оперативного картографирования служат материалы аэрокосмической съемки, непосредственные наблюдения и замеры, статистические данные, результаты опросов, переписей, референдумов, кадастровая информация. Эффективность оперативного картографирования определяется двумя факторами: 

-надежность автоматической  системы, которая зависит от скорости  ввода и обработки данных, организации  баз данных, и системы доступа  к ним, быстродействия вычислительных  и периферийных устройств;

-хорошей читаемостью  и воспринимаемостью самих оперативных карт, простотой их внешнего оформления, обеспечением эффективного зрительного восприятия в условиях оперативного анализа ситуаций.

Карты в ГИС являются прямым компьютерным аналогом бумажных карт, однако компьютеры также позволяют использовать новые изобразительные возможности, не имеющие аналоговые в традиционной картографии.

Динамические карты можно разделить на следующие виды:

1. Оперативные карты, меняющиеся в соответствии с изменением геометрических или атрибутивных характеристик пространственных объектов. Такие изображения обычно предназначены для оперативного мониторинга состояния объектов в реальном режиме времени.  
Типичным применением оперативных карт является отслеживание положения объектов, движущихся на местности. Это могут быть, например, автомобили оперативных служб, перемещающиеся по городу. Ещё одним типичным применением оперативных карт является их использование для отображения различной технологической информации, поступающей сразнообразных датчиков с помощью телеметрии. 

Такие системы, включающие средства для отображения и изменения состояния объектов, часто относят к классу программных продуктов АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологией производства). Эти АСУ ТП, как правило, включают в себя средства для визуального отображения различных параметров объектов на схемах, чертежах, планах. В ряде случаев АСУ ТП могут быть построены на основе ГИС.

2. Карты с анимированными условными знаками. В таких картах используются особые условные знаки, которые постоянно меняют свой внешний вид. В обычной картографии условные знаки характеризуются формой, размером, цветом, яркостью, ориентацией и внутренней структурой. В анимированных условных знакахэти характеристики постоянно меняются по некоторому закону. При этом дополнительной характеристикой условных знаков становится закон изменения знаков, в т.ч. скорость изменения. Рассмотрим некоторые основные способы анимации условных знаков:

Анимация формы. Например, на карте страны города могут быть показаны в виде пульсирующих кружочков. Размер кружочков должен периодически меняться между максимальным размером, пропорциональным населению города, и минимальным (например, составляющим половину от максимального). При этом скорость изменения размера кружочков должна быть пропорциональна среднегодовому приросту населения в процентах. Если прирост населения является отрицательным, то кружочки должны уменьшаться от максимального до минимального размера и затем сразу становится максимальными. Если прирост населения положительный, то кружочки должны увеличиваться.

Анимация цвета. В этом способе цвет условного знака периодически меняется от одного значения до другого, при этом скорость пульсации цвета может быть пропорциональна некоторому заданному параметру.

Анимация положения знака. В этом способе сам условный знак не меняется, но меняется его расположение на карте. Условный знак может перемещаться по некоторым траекториям (например, вдоль преобладающий направлений перемещения воздушных масс), либо выполнять случайные перемещения около одного места. Например, такими условными знаками, размещенные на карте у населенных пунктов, можно описать уровень миграции. При этом частота случайных колебаний условного знака должна быть пропорциональна объему миграции на душу населения, а амплитуда – средней дальности.

3. Анимированные двумерные карты динамики. Такие карты состоят из последовательности карт, содержащий один и тот же набор пространственных объектов (точечных, линейных или площадных), но с разными геометрическими (отражение динамики положения) и атрибутивными (отражение динамики состояния) характеристиками. Таким способом, например, можно показать во времени динамику движения фронтов воздушных масс по поверхности Земли, динамику изменения загрязнений окружающей среды.