3D-модель и информационно-поисковая система культурно-исторического и природного наследия культурного ландшафта Пензенской области
В современной научной среде, в настоящее время, прочно вошел в употребление термин «культурный ландшафт». Имеется значительное количество определений данного термина, в данной статье придерживаются следующих определений:
- «Культурный ландшафт – это совместное творение природы и человека» (ЮНЕСКО);
- «Культурный ландшафт – многоуровневое историческое образование, формирующееся при сложном взаимодействии природных, технических и социальных процессов в результате освоение природных территориальных комплексов и отражающее особенности материальной и духовной культуры местного населения». [10]
Составной частью культурного ландшафта (КЛ) региона является культурно-историческое и природное наследие (КИПН) региона, которое обязательно учитывается при решении геоэкологических задач, в т.ч. ландшафтного планирования и территориального планирования региона. Традиционными технологиями предоставления сведений о КИПН являются полиграфическая (бумажная, со сведениями в виде схем, рисунков и т. п.), фотографическая, видеосъемка.
В последние 15 лет, в связи с развитием информационно-компьютерных технологий, для представления сведений о КИПН стали использоваться такие технологии как 3D-моделирование региона, объектов КИПН и информационно-поисковые системы (Google, Яндекс и тд.). Примером применения данных технологий за рубежом, является разработанная в 2007 году 3D-модель острова Пасхи на основе технологий компании Autodesk. В России, в настоящее время, выполнен ряд проектов с применением технологий 3D-моделирования, а также разработаны информационно-поисковые системы («Культурно-историческое наследие Саратовской области», 3D-модели археологических объектов, 3D-модели городов Новосибирск, Екатеринбург и др.). [2, 3, 4, 6, 8] В Пензенской области реализован ряд проектов в интересах предоставления сведений об объектах КИПН (CD-диск «Археология Пензенской области» автор – профессор Г.Н. Белорыбкин, тематические веб-сайты о объектах КИПН различных ведомств и др.).
Однако, в настоящее время, сведения о КИПН размещены на различных источниках данных, сведения представлены в виде фотографических и текстовых данных, не привязаны к картографической информации, что создает определенные неудобства и не соответствует современной форме предоставления сведений.
В настоящей статье исследуются методика синтеза 3D-модели КИПН Пензенской области и структура информационно-поисковой системы для КИПН, объект исследований – КИПН КЛ Пензенской области, предмет исследований – 3D-модель КИПН КЛ Пензенской области, информационно-поисковая система (ИПС) для пользователя, цель исследований – определение структуры 3D-модели КИПН и структуры информационно-поисковой системы для пользователя, применение модели для геоэкологических исследований.
1. Культурно-историческое и природное наследие Пензенской области и концепция предоставления сведений о нем пользователям
1.1 Состав и типы объектов КИПН КЛ Пензенской области
Состав и типы объектов КИПН КЛ Пензенской области определился на основе данных Министерства культуры Российской федерации и Управления природных ресурсов Пензенской области по состоянию на 2011 год. [5, 7, 9]
В число объектов культурно-исторического наследия входит более 400 объектов, в том числе 48 объектов федерального значения.
В число объектов природного наследия входят Государственных заповедник «Приволжская лесостепь» с пятью удаленными друг от друга участками, и 72 особо охраняемых памятника природы (ООПП) регионального значения.
Таким образом, пользователям могут быть представлены сведения о более 120 объектах федерального и регионального значения.
В число объектов культурно-исторического наследия федерального значения входят:
- Памятники археологии (10 городищ в различных районах Пензенской области, 2 оборонительных вала, 2 могильника, 1 стоянка)
- Памятники истории (4 здания в г. Пензе и 1 могила в г. Пензе)
- Памятники монументального искусства (2 памятника в г. Пензе)
- Памятники архитектуры (музей-заповедник «Тарханы», усадьба Голицыных, усадьба Куракиных, усадьба Аблязовых-Радищевых, усадьба «Опалиха», 16 зданий в г. Пензе)
В число объектов природного наследия федерального значения входят особо охраняемые природные территории (ООПТ) – Государственный заповедник «Приволжская лесостепь» в составе 5 участков (Верховья Суры, Борок, Кунчеровская лесостепь, Островцовская лесостепь, Попереченская лесостепь) площадью от 400 до 1,5 ты. га.
В число объектов природного наследия регионального значения входят ООПП, в том числе:
- водные объекты (озера, озерный комплекс, болота, истоки Хопра, Семь ключей) общим числом 19;
- естественные лесные массивы;
- участки степи;
- урочища;
- искусственные лесные участки (парки, скверы, дендрарии, лесопарки);
- резерваты;
- прочие (пещеры, склоны, шиханы, овраги).
1.2 Концепция предоставления сведений об объектах КИПН КЛ Пензенской области пользователям
Принятая концепция предоставления сведений пользователю о КИПН КЛ Пензенской области заключается в следующем:
- Сведения о КИПН КЛ Пензенской области предоставляются пользователю в виде 3D-моделей. Для этого разрабатывается 3D-модель КИПН КЛ Пензенской области.
- Доступ пользователя к сведениям об объектах КИПН КЛ Пензенской области осуществляется с применением вновь разрабатываемой информационно-поисковой системы (ИПС) именуемой в дальнейшем «ИПС КИПН КЛ».
- Предоставляемые сведения могут быть использованы пользователем в целях решения научных задач геоэкологической направленности.
Концепция предполагает учет:
- ограничений, предусмотренных действующим законодательством в отношении предоставления сведений об объектах, размещенных на территории Российской Федерации;
- ограничений на технические возможности средств пользователя, с помощью которых он получает сведения об объектах КИПН КЛ Пензенской области (быстродействие, требуемый объем памяти, возможности видеокарты и т. п.), отсутствие требований к наличию у пользователя каких-либо аппаратных средств типа 3D-дисплеев, 3D-очков и т. п. и формирование 3D-моделей только программными средствами.
Концепция предусматривает предоставление пользователю необходимого инструментария для обеспечения ему обзора и просмотра всего КИПН КЛ, выбора, по его желанию, и выдачу на визуальный просмотр конкретного объекта КИПН, проведение, необходимых пользователю измерений на 3D-модели объекта, решение научных задач геоэкологической направленности (исследование экологического каркаса территории региона и г. Пензы и т.п.).
1.3 Информационно-поисковая система для предоставления пользователям сведений о КИПН КЛ Пензенской области
1.3.1 Предложения по структуре информационно-поисковой системы
ИПС предназначена для обеспечения удаленным пользователям доступа к сведениям об объектах КИПН КЛ Пензенской области. Структура предлагаемой ИПС приведена на рис. 1. В состав предлагаемой ИПС входят:
- информационный ресурс «КИПН Пензенской области», включающий в себя базу данных «3D-модель КИПН Пензенской области», и такие программные средства как программное обеспечение (ПО) для ведения базы данных, ПО информационного ресурса, ПО пользователя ИПС;
- Геоинформационная система (ГИС) с соответствующим программным обеспечением.
Предлагаемая ИПС для доведения данных использует сеть Интернет, взаимодействие пользователя с ИПС осуществляется с помощью персональных компьютеров пользователей с соответствующим программным обеспечением, в состав которого входит ПО пользователя ИПС.
Структура ИПС предполагает, что пользователь, для получения дополнительных сведений может использовать в качестве источников информации ИПС Яндекс Карты, Google Maps, Google Earth.
1.3.2 Назначение составных частей информационно-поисковой системы
ГИС ИПС предназначена для обработки первичных данных об объекте КИПН (памятник архитектуры, памятник археологии и т.д.) и получения 3D-модели соответствующего объекта в виде цифровых данных. Первичные данные об объекте КИПН могут быть представлены в различном виде – фотоданных, данных космической и аэросъемки, массиве цифровых данных о рельефе местности, схем, чертежей и т. п.
Обработка первичных данных и получение 3D-моделей осуществляется с применением специального программного обеспечения. В качестве аппаратной платформы для ГИС ИПС могут быть использованы персональные компьютеры с достаточно высокими техническими характеристиками либо высокопроизводительные рабочие станции.
Информационный ресурс (ИР) предназначен для хранения базы данных “3D-модель Пензенской области”, обеспечения взаимодействия с пользователем в сети Интернет, приема данных о 3D-моделях с ГИС. Состав программного обеспечения ИР в общем виде представляется следующим:
- ПО для ведения базы данных;
- ПО информационного ресурса, обеспечивающее взаимодействие с ПО пользователя ИПС (обработку запросов пользователя, передачу ему необходимых данных, первоначальную загрузку по запросу пользователя ПО пользователя ИПС);
В качестве аппаратной платформы для ИР, предполагается использование сервера.
ПО пользователя ИПС “КИПН Пензенской области” предназначено для обеспечения пользователю обзора и просмотра данных о КИПН КЛ Пензенской области (предполагается использование 3D-модели территории Пензенской области), выбора интересующего объекта КИПН и его визуализацию, осуществление необходимых измерений и др. действий.
2. Методы и методика исследования и синтеза 3D-модели КИПН КЛ Пензенской области
Реализация предложенной концепции и ИПС для предоставления пользователю сведений о КИПН КЛ Пензенской области связана с решением задачи синтеза 3D-модели КИПН КЛ.
В свою очередь, решение задачи синтеза 3D-модели КИПН КЛ Пензенской области требует решения вопроса о том, что представляет собой 3D-модель КИПН КЛ, какова ее структура. Известно, что модель объекта является «отражением» в интересующем аспекте самого объекта. В данном случае, объектом является «КИПН КЛ», а моделью является его 3D-модель, отражающая в визуальном виде внешние формы, цвет, размеры и т.п. этого объекта. Очевидно, что внешние формы, цвет, размеры и т.п. объекта «КИПН КЛ» определяются его структурой. Из этих рассуждений вытекает, что имеется связь и соответствие между структурой объекта «КИПН КЛ» и структурой его 3D-модели. Это позволяет предложить использовать для синтеза 3D-модели КИПН КЛ следующий метод, именуемый в дальнейшем как «метод синтеза 3D-модели объекта на основе знания структуры самого объекта».
Используя данный метод, решение задачи синтеза 3D-модели КИПН КЛ можно осуществлять по следующей методике.
- На первом этапе определяется структура объекта «КИПН КЛ» Пензенской области;
- На втором этапе осуществляется синтез структуры 3D-модели объекта «КИПН КЛ» Пензенской области.
- На третьем этапе осуществляется синтез цифровых структур 3D-моделей объектов, входящих в цифровую структуру 3D-модели объекта «КИПН КЛ».
Этап 1. Определение структуры КИПН КЛ Пензенской области.
Под КИПН понимается составная часть культурного ландшафта, представляющая собой целостное творение природы и человека, включающее в себя объекты культурно-исторического наследия, являющиеся творением человека и имеющее для него ценность, а также объекты природы, представляющие ценность для людей, при этом, данные объекты имеют между собой связь – единое пространство, называемое «территория Пензенской области». При таком подходе, можно считать очевидным, что КИПН КЛ имеет признаки (целостность, части, объекты/элементы, связи), позволяющие рассматривать его как систему и осуществлять его исследование с применением методов анализа и системного подхода, позволяющих определить структуру (строение) КИПН КЛ Пензенской области. Используя выше приведенные сведения о КИПН КЛ Пензенской области и данные методы, общая структура КИПН КЛ будет включать в себя следующие объекты:
- объекты культурно-исторического наследия;
- объекты природного наследия;
- объект «территория Пензенской области» (является элементом связи объектов)
Однако, данная структура имеет слишком общий характер, для детализации общей структуры КИПН КЛ воспользуемся приемом систематизации объектов по родственным признакам. Изучение различных вариантов систематизации показывает, что наиболее целесообразно выбрать такие признаки как «местоположение объекта на территории Пензенской области», «класс объекта – культурно-исторический или природный», «тип объекта – памятник археологии и т.п.». Систематизация по признаку «местоположение объекта на территории Пензенской области» показывает следующее:
- из 61 объекта культурно-исторического наследия, 21 объект находится на территории г.Пенза, а остальные – в муниципальных районах Пензенской области:
- из 72 ООПП, 6 объектов находятся на территории г. Пенза, остальные – в муниципальных районах Пензенской области;
- все 5 участков Госзаповедника «Приволжская лесостепь» находятся в муниципальных районах Пензенской области.
Систематизация по признаку «класс объекта – культурно-исторический или природный» показывает, что имеют место быть следующие классы объектов:
- объекты культурно-исторического наследия;
- объекты – участки Госзаповедника «Приволжская лесостепь»;
- объекты – особо охраняемые памятники природы.
Систематизация по признаку «тип объекта – памятник археологии и т.п.» показывает, что имеют место быть следующие типы объектов, расположенных в муниципальных районах Пензенской области:
- памятники археологии с подтипами объектов «городище», «вал», «могильник», «стоянка»;
- памятники архитектуры с подтипами объектов «Музей Тарханы», «Усадьба Голицыно», «Усадьба Куракино», «Усадьба Радищево», «Усадьба Опалиха»;
- объекты – участки Госзаповедника «Приволжская лесостепь» с подтипами «Борок», «Верховья Суры», «Кунчеровская лесостепь», «Островцовская лесостепь», «Попереченская степь»;
- объекты – особо охраняемые памятники природы «массивы лесные природные», «участки степи», «водные», «урочища», «дендрарии», «Семиключье», «Истоки Хопра», прочие.
Аналогичная систематизация для территории г.Пензы, показывает, что имеют место быть следующие классы и типы объектов:
- объекты культурно-исторического наследия;
- объекты – особо охраняемые памятники природы;
- памятники архитектуры;
- памятники монументального искусства;
- памятники истории.
Таким образом, структура КИПН КЛ Пензенской области включает в себя выше перечисленный состав объектов, систематизированных по классам, типам и признаку «местоположение объекта на территории Пензенской области», а также 2 объекта – «территория Пензенской области», «территория г. Пензы», обеспечивающих территориальную связь всех остальных объектов.
Этап 2. Синтез структуры 3D-модели КИПН КЛ Пензенской области.
Синтез 3D-модели КИПН КЛ Пензенской области осуществляется в следующей последовательности:
1 шаг. Определение общей структуры 3D-модели КИПН КЛ.
Поскольку раннее установлено, что имеет место наличие связи и соответствия структур объекта и его 3D-модели, то общая структура 3D-модели объекта «КИПН КЛ» очевидно, соответствует определенной на первом этапе структуре объекта «КИПН КЛ» и включает в себя:
- 3D-модель объекта «территория Пензенской области»;
- 3D-модели объектов различных классов и типов, расположенных в муниципальных районах Пензенской области;
- 3D-модель объекта «территория города Пензы» расположенными на ней 3D-моделями объектов культурно-исторического и природного наследия.
2 шаг. Уточнение структур 3D-моделей объектов, входящих в общую структуру 3D-модели КИПН КЛ.
Необходимость в уточнении структур 3D-моделей объектов определяется на основе изучения назначения класса, типа и особенностей конкретного объекта и принятой концепции предоставления сведений, в т.ч. и для решения научных задач геоэкологической направленности. В результате такого изучения, решение о необходимости уточнения структуры 3D-модели было принято в отношении следующих объектов:
- 3D-модели объекта «территория Пензенской области»;
- 3D-модель объекта «территория города Пензы»;
- 3D-модели объектов всех классов и типов, расположенных в муниципальных районах.
В результате, уточненные структуры 3D-моделей данных объектов включают в себя следующие элементы:
- 3D-модели объекта «территория Пензенской области» включает в себя такие элементы как поверхность территории Пензенской области, рельеф территории, служебные элементы, предназначенные для обзора, поиска и выбора конкретного объекта (это графические и буквенно-цифровые символы, обозначающие административные границы территории Пензенской области и города Пенза, границы объектов, метки объектов).
- 3D-модель объекта «территория города Пензы» включает в себя такие элементы как поверхность территории города Пензы, рельеф территории, служебные элементы, предназначенные для обзора, поиска и выбора конкретного объекта (это графические и буквенно-цифровые символы, обозначающие административные границы территории города Пенза, границы объектов, метки объектов).
- 3D-модели объектов всех классов и типов, расположенные в муниципальных районах включают в себя такие элементы как 3D-модель самого объекта (любого класса или типа) и участок территории, на котором расположен сам объект, при этом, размер участка территории зависит от размеров самого объекта.
Предлагаемая концепция предоставления сведений, предполагает их использование для решения научных задач геоэкологической направленности.
Очевидно, что если пользователю предполагается выдача сведений о таких объектах природного наследия как особо охраняемые природные территории, особо охраняемые памятники природы, сведения о поверхности территории Пензенской области и г.Пензы (поверхностных водах, растительности, рельефе, дорожной сети и т.п.), то данные сведения могут быть использованы в научных целях для решения целого класса задач геоэкологической направленности, включая:
- задачи формирования экологического каркаса области на основе сведений об объектах природного наследия и др. сведений;
- задачи формирования экологического каркаса г. Пензы;
- и др.
Решение этих научных задач будет определяться сведениями об элементах, составляющих структуру 3D-модели объекта «территория Пензенской области» и 3D-модели объекта «территория г. Пензы». Представляется очевидным, что сведения, содержащиеся в таких элементах как поверхность и рельеф должны отвечать таким научным критериям как точность, достоверность, «свежесть» и т.п.
В настоящее время, наиболее «свежие» и точные данные о поверхности и рельефе обеспечиваются с применением аэрокосмических методов – космических снимков поверхности территории, сведений о рельефе. Получение необходимых для решения задач геоэкологической направленности сведений из первичных источников (космических снимков) обеспечивается применением геоинформационных методов и специальных средств – геоинформационных систем. Поэтому, при синтезе 3D-моделей таких объектов как «территория Пензенской области» и «территория г. Пензы» в части таких элементов как их поверхность, предлагается использование аэрокосмических и геоинформационных методов. Для применения синтезированных таким образом 3D-моделей объектов «территория г. Пензы» и «территория Пензенской области» для решения задач геоэкологической направленности предполагается наличие у пользователя необходимого инструментария. Для обеспечения необходимой полноты, точности и свежести сведений, применяемые космические снимки должны отвечать следующим требованиям:
- обеспечивать покрытие территории г. Пензы в районе от 44015’ в.д. до 45015’ в.д. и от 53005’ с.ш. до 53020’ с.ш. (участок местности размером 33 км X 28 км), обеспечивать при этом разрешающую способность соответствующую масштабу 1:5000, обеспечивать визуализацию пейзажа в летний период;
- обеспечивать покрытие территории Пензенской области в районе от 420 в.д. до 470в.д. и от 520 с.ш. до 540 с.ш. (участок местности размером 310 км X 220 км), обеспечивать при этом разрешающую способность соответствующую масштабу 1:50000, обеспечивать визуализацию пейзажа в летний период;
В качестве цифровой модели рельефа предлагается использование модели ASTER GSEM V.2. При этом, необходимо отметить, что разрешающая способность космических снимков выбрана с учетом законодательных ограничений на их разрешающую способность (4 м на пиксель, что примерно соответствует масштабу 1:4000) и требованиями на визуальное восприятие мелких природных объектов.
Синтезированная в результате выполнения второго этапа, структура 3D-модели объекта «КИПН КЛ Пензенской области» приведена на рис.2.
Этап 3. Синтез цифровых структур 3D-моделей объектов, входящих в цифровую структуру 3D-модели объекта «КИПН КЛ».
Отличие просто структуры 3D-модели объекта от цифровой структуры 3D-модели объекта заключается в том, что просто структура 3D-модели объекта включает в себя элементы и связи, а цифровая структура 3D-модели объекта в соответствии с принятым в 3D-моделировании определением включает в себя совокупность цифровых данных о координатах вершин элементов объекта (граней, поверхностей и т.д.) и их визуальных параметрах (цвет, текстура и т.д.). В зависимости от класса и типа объекта, в настоящее время разработаны различные методы и средства, позволяющие обеспечить максимальное приближение цифровой 3D-модели объекта к самому объекту. [1] Однако, исследование по данному этапу выходит за рамки данной статьи.
3. Экспериментальная часть
В ходе проведения исследования был проведен эксперимент по созданию 3D-модели памятника археологии – Золотаревского городища (Пензенский район, Пензенская область). В качестве первичных сведений о памятнике, использовался топографический план городища, предоставленный доктором исторических наук, профессором Г. Н. Белорыбкиным.
Разработанная 3D-модель приведена на рис. 3, модель не привязана к участку территории.
Для создания 3D-модели использовались:
- компьютер со следующими характеристиками – процессор AMD Athlon (tm) 64 X2 Dual Core Processor 4000+, 2 Гб ОЗУ, видеокарта NVIDIA 7600 GT (256 Мб), жесткий диск с объемом памяти 250 Гб;
- программное обеспечение ArcGIS 9.3
Дополнительно, для контроля и сравнения результатов, использовалось программное обеспечение Autodesk 3D Studio max 2009. Результаты создания 3D-модели памятника археологии – Золотаревского городища, используя Autodesk 3D Studio max 2009 приведены на рис. 4-5.
Выводы и заключение
Результаты, полученные в ходе проведения данного исследования, как представляется, позволяют сделать следующие выводы:
1. Предлагаемая структура 3D-модели КИПН КЛ Пензенской области, синтезированная с применением известных апробированных методов и средств, и разработанной автором методики, является структурой «открытого» типа, позволяющей достаточно просто вносить в неё новые объекты и удалять старые, обеспечивает возможность синтеза 3D-моделей объектов с использованием наиболее оптимальных для конкретного типа объектов методов, что особенно важно при синтезе 3D-моделей объектов природного наследия.
Предлагаемая структура учитывает законодательные ограничения на предоставления сведений об объектах, расположенных на территории РФ.
2. Предлагаемая структура информационно-поисковой системы о КИПН КЛ Пензенской области обеспечивает доведение сведений до пользователя о всех объектах КИПН КЛ, предоставляет данные сведения в виде 3D-моделей объектов, что является более наглядной формой представления по сравнению с двумерными фотографиями объектов.
Кроме того, предлагаемая структура базируется на использовании апробированных решений, что упрощает процесс ее реализации.
3. Предлагаемая структура 3D-модели КИПН КЛ Пензенской области, за счет использования «заложенных» в нее сведений о природных объектах, позволяет решать ряд научных задач геоэкологической направленности.
Предложенные структуры 3D-модели КИПН КЛ Пензенской области и информационно-поисковой системы могут быть использованы в реальном проекте, разработки информационно-поисковой системы КИПН КЛ Пензенской области в интересах планирования туристической деятельности, ландшафтного планирования, образования и ряда научных задач геоэкологической направленности и т.п.
Литература
1. 3D реконструкция объектов историко-культурного наследия: компьютерное моделирование. Спецкурс. Исторический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова. Кафедра исторической информатики. Электронный ресурс.
Режим доступа: www.hist.msu.ru/Labs/Hislab/index.html Свободный. – яз. Русский
2. Долина гейзеров. Камчатка. Электронный ресурс.
Режим доступа: www.valleyofgeysers.com/rus/model.php Свободный. – яз. Русский
3. Культурно-историческое и природное наследие Саратовской области. Электронный ресурс. Режим доступа: http://nasledie.sgu.ru Свободный. – яз. Русский
4. Культурное наследие Новосибирской области. Электронный ресурс.
Режим доступа: www.nasledie-nso.ru Свободный. – яз. Русский
5. Министерство культуры РФ. Информационно-справочные ресурсы. Электронный ресурс. Археология. Архитектура. Монументальное искусство. История.
Режим доступа: www.resursy.mkrf.ru Свободный. – яз. Русский
6. Полета Е. С., Титова О. В. Информационно-справочная база данных «Природное и культурное наследие в районе трассы Волго-Балтийского водного пути»/ Е. Полета// Успехи современного естествознания.-2011-№7-с. 30-30
7. Приволжская лесостепь. Государственный природный заповедник. Электронный ресурс.
Режим доступа: www.zpls.narod.ru Свободный. – яз. Русский
8. Трехмерная карта Новосибирска. Электронный ресурс.
Режим доступа: www.maps.sputnik-n.ru Свободный. –яз. Русский
9. Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды Пензенской области. Электронный ресурс. Особо охраняемые природные территории.
Режим доступа: www.priroda-pnz.ru/nature/nature_3 Свободный. - яз. Русский
10. Ямашкин А. А. Культурный ландшафт Мордовии (геоэкологические проблемы и ландшафтное планирование): научное издание/А. А. Ямашкин, И. Е. Тимашев, В. Б. Махаев и др.; науч. ред. А. А. Ямашкин. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та. – 204 с.
Кликунов Андрей Александрович, аспирант кафедры геоэкологии и ландшафтного планирования МГУ им. Н. П. Огарёва, методист учебно-методического отдела дистанционных технологий и развития информатизации Пензенского института развития образования, член Русского географического общества