فصلنامه انسان و محیط زیست، شماره 34 ، پاییز 94

شالوده­ی مدلسازی سه‌بعدی داده‌های مکانی

سپیده سعیدی[1]^*

^{Email:S.Saeidi@ymail.com}

مرجان محمدزاده[2]

چکیده

فناوری‌های بصری‌سازی می‌توانند ابزار قدرت‏مندی برای تبادل داده‌های علمی مدل‌های آمایش محیط‌زیستی بین پژوهش‏گران و استفاده­کنندگان عام باشند. عدم یکپارچگی و غیرجذاب بودن نتایج فرآیندهای آمایش سیمای سرزمین از مشکلات عمده­ی این افراد است. افراد غیرخبره معمولاً بخاطر فشردگی نقشه‌‌های گرافیکی گیج و سر در گم می‌شوند و قادر نخواهند بود این اطلاعات را به صورت تصاویری از سیمای سرزمین در ذهن خود ترجمه کنند. یکی از راه­حل­ها برای حل این مشکل استفاده از پیشرفت فناوری در رابطه با ابزارهای تصویرسازی سه‌بعدی است. ادغام سیستم­های اطلاعات جغرافیایی با فناوری تصویرسازی سه‌بعدی اخیرا در برنامه‌ریزی شهری و طراحی سیمای سرزمین مطرح شده‌است، بنابراین در این مقاله سعی شده است تا برخی از اصول و مفاهیم اولیه در این رابطه جمع­آوری و       ارایه گردد. این مقاله به طورکلی در دو بخش اصلی تنظیم شده است، بخش اول به بیان اهمیت سه‌بعدی سازی داده­های مکانی و بررسی تفاوت قابلیت‌های سه‌بعدی ­سازی در محیط نرم­افزارهای CAD و GIS می­پردازد و هم‌چنین به برخی از مشکلات و راه‌حل‌های مربوط به توسعه نرم‌افزارهای 3D GIS اشاره می‌کند. در بخش دوم برخی از سیستم‌های موجود سه‌بعدی ‌سازی معرفی و توضیح داده می‌شوند. مقاله­ی حاضر در پی آشکارسازی قدرت 3D GIS، در تعامل بین برنامه‌ریزان، مدیران و مخاطبان عام است.

کلمات کلیدی: 3D GIS، CAD، آمایش محیط زیست.

مقدمه

در ژئوماتیک یا ژئوانفورماتیک فرض بر این است که پدیده‌های جهان واقعی به صورت سه‌بعدی وجود دارند، بنابراین مطلوب به نظر می‌رسد که سیستمی داشته باشیم که قادر به نگهداری، کنترل، دست کاری و تحلیل اشیاء (پدیده‌ها) در یک محیط سه‌بعدی باشد. در حال حاضر نرم‌افزار GIS[3]، داده‌ها را در محیط دو بعدی یا 5/2 بعدی مدیریت، دست کاری و تحلیل می‌نماید، بنابراین استفاده از این سیستم برای دست کاری داده‌های کاملاً سه‌بعدی (دارای مختصات Z) و اطلاعات مربوط به پدیده‌های جهان واقعی ممکن است، مناسب نباشد. بنابراین لازم است که 2D GIS (یا 5/2 بعدی) به 3D GIS گسترش یابد. توسعه این نگرش خاص سیستم اطلاعات جغرافیایی، با توجه به کمبود مدل‌های مناسب داده‌های فضایی، ساختار داده‌ها و فقدان یک نظریه جامع از روابط اشیای و ایجاد پایگاه داده برای محیط سه‌بعدی نسبتاً آهسته پیش می‌رود. در این رابطه تلاش‌هایی توسط لی و همکاران (1996)،  پیلوک (1996)، و قینگکوان لی و درن لی (1996) در خصوص گسترش 3D GIS صورت گرفته است  (1، 2 و 3). لی، از نگرش ساختار داده‌ای 4گانه  در فضای سه‌بعدی برای مدل سازی سه‌بعدی زمین‌شناختی استفاده کرده است. پیلوک، از رهیافت 3D TIN  برای پدیده‌های منظم سطح زمین استفاده کرد، در حال یکه ترکیبی از اکتری[4] و تتراهدرون[5] توسط برادران لی پیشنهاد شد. دیگران از رهیافت‌های [6]CGS و نمایش مرز[7](B-rep) استفاده کردند (4، 5، 6 ، 7(. تمامی این کارها بر مبنای پدیده‌هایی با شکل منظم، انسان ساخت و نسبی[8]هستند. با این وجود، تحقیقات منتشر شده‌ی بسیار کمی در خصوص مدل سازی پدیده‌های سه‌بعدی شامل پدیده‌های طبیعی مانند جنگل‌ها، گیاهان، عوارض آبی و سایر پدیده‌های طبیعی زیرسطحی با استفاده از رهیافت شی پایه[9](OO) وجود دارد.

دانشمندان و مهندسین رشته‌های مختلف مدت طولانی است که به دنبال بیان گرافیکی درک خود درباره‌ی خصوصیات مکانی سه‌بعدی حقایق، در قالب طرح‌ها و نقشه‌ها هستند. توصیف سه‌بعدی محیط واقعی با تغییر موقعیت دید تغییر می­کند بنابراین ایجاد و نمایش آن‌ها بسیار سخت و ملالت­آور خواهد بود. نقشه‌های سنتی با استفاده از سیستم تصویر عمودی[10] تا حدی بر این مشکل غلبه کرده‌اند. این طرح‌ها و نقشه‌های سنتی، توصیف مکانی اشیای سه‌بعدی را به دو بعد کاهش می‌دهند. با استفاده از فناوری‌های محاسباتی، می‌توان محیط واقعی را از طریق فرآیندی به نام مدل سازی سه‌بعدی به یک مدل دیجیتال سه‌بعدی تبدیل کرد. توصیف سه‌بعدی پدیده­های سرزمینی مستقل از موقعیت دید است. پوشش مناسب تمام جنبه‌های واقعی تحت بررسی، نیازمند شناخت نقاط دید بسیار مختلف است. رشته‌های زمین‌شناسی (8، 9، 10 ، 11) مهندسی عمران (12)، هیدرولوژی (13)، مهندسی محیط زیست (14)، معماری منظر (15)، باستان شناسی، هواشناسی (16)، معدن‌شناسی و معدن‌کاوی (17)، طراحی شهری (19 و 18)، اقیانوس‌شناسی، و سیستم ناوبری اتوماتیک (11،21، 22و23)، همگی برای تکمیل کارآمد پژوهش­های خود از مدل سازی سه‌بعدی استفاده کرده‌اند. مدل‌های سه‌بعدی خروجی با ارزشی از یک پژوهش هستند، بنابراین استفاده از مدل سازی دیجیتال سه‌بعدی می‌تواند به افزایش کیفیت و هم‌چنین درک نقشه‌های دو بعدی کمک کند و به عبارت دیگر این قابلیت را دارد تا برخی از مرزهای روانی را شکسته و امکان درک بهتر نقاط دید را فراهم آورد (20).

در ادامه ضرورت سه‌بعدی سازی داده­های مکانی و بررسی تفاوت قابلیت‌های سه‌بعدی سازی در محیط نرم­افزارهای CAD و GIS به تفضیل مورد بحث قرار خواهد گرفت و هم‌چنین به برخی از مشکلات و راه‌حل‌های مربوط به توسعه نرم‌افزارهای 3D GIS اشاره خواهد شد. در بخش انتهایی نیز برخی از سیستم‌های موجود سه‌بعدی ‌سازی معرفی و توضیح داده می‌شوند.

1. ضرورت سه‌بعدی سازی در سیستم اطلاعات جغرافیایی

در استفاده از فناوری‌های محاسباتی دیجیتال برای مدیریت سرزمین، جلوگیری و کاهش مخاطرات طبیعی و غیرطبیعی، در ابتدا ایجاد یک مدل دیجیتالی از منطقه مورد مطالعه ضروری است. چنین مدلی جهت توصیف ساده‌ی حقایق پیچیده می‌تواند شامل حفظ، نگه داری، مدیریت، تجزیه و تحلیل، توضیح و انتقال داده شود. یک مدل دیجیتالی شامل جنبه‌های مکانی و غیرمکانی یک پدیده است. این مدل به عنوان مبنایی برای عمل و ارتباط بین بخش‌های مختلف ایفای نقش می‌کند. مدل، اشیاء را از یک شی یا مجموعه‌ای از اشیای تشخیص می‌دهد و اجزای پدیده تحت بررسی را در برمی‌گیرد. جنبه­های مکانی مدل مربوط به شکل، اندازه و مکان هستند که به ویژگی‌های ژئومتریک وابسته است. جنبه‌های غیرمکانی شامل اسم، رنگ، عمل‏کرد، قیمت، مالکیت و مواردی از این قبیل هستند که اغلب به ویژگی‌های موضوعی[11] باز می‌گردند. جنبه‌های مکانی یک پدیده به خوبی می‌تواند در قالب اشکال نشان داده شوند، در حالی که جنبه‌های غیرمکانی در بسیاری از موارد، در قالب متن بهتر می‌توانند ارایه شوند. نمایش گرافیکی (خصوصاً به صورت سه‌بعدی) درک سریع موقعیت در واقعیت و توصیف روابط همسایگی را فراهم می‌نماید، درحالی که ارایه متنی بیش‏تر برای جنبه‌هایی که نمی‌توانند به صورت گرافیکی نمایش داده شوند، مفید هستند. یک مدل دیجیتالی کارآمد باید قادر به برقراری ارتباط بین این دو نحوه خروجی باشد (24). ایجاد یک چنین مدلی به عنوان ساختار مصنوعی از یک حقیقت زمینی در یک محیط محاسباتی نیازمند مجموعه‌ای از ابزارهایی است که از هر دو فناوری گرافیک کامپیوتری (CG^[12]) (25) و  سیستم مدیریت پایگاه داده^[13](26) استفاده کند.                سامانه اطلاعات جغرافیایی و طراحی به کمک کامپیوتر^[14]­(CAD)، مثال­هایی از این ابزارها هستند. تفاوت اصلی GIS و CAD، کنترل جنبه‌های مکانی نسبت به جنبه‌های غیرمکانی است. این ابزارها توسط بسیاری از متخصصان مربوط به ژئو مانند نقشه‌برداران، کارتوگرافان، فتوگرامتریست‌ها، مهندسین عمران، برنامه‌ریزان فیزیکی (شهری و روستایی) و زمین‌شناسان مورد استفاده قرار گرفته است. آن‌ها از این ابزار برای تحلیل، تفسیر، نمایش جهان واقعی و درک رفتار پدیده‌های مکانی در حوزه‌های مورد مطالعه خود استفاده می‌کنند. تقریبا تمامی سیستم‌های مورد استفاده توسط جوامع مرتبط با علوم زمینی بر مبنای داده‌های مکانی دوبعدی (2D) یا دو ونیم بعدی (2.5D) هستند. به بیان دیگر انسان ممکن است در پردازش داده‌های مکانی بزرگ تر از دو بعد سیستم‌های موجود با مشکل مواجه شوند که در نتیجه اطلاعات نادقیق و یا شدیدا ناقص خواهند بود. علاوه بر این، دست کاری و نمایش اشیای جهان واقعی در 2D GIS با پایگاه داده‌های مرتبط مدتی است که به خاطر تقاضا برای برنامه‌های کاربردی جدیدتر دیگر کافی نیستند و این به طور قابل توجهی به داده‌های مکانی پیچیده‌تر مربوط می‌شود که قبلاً توسط مدل‌های رابطه‌ای (نسبتی) پشتیبانی می‌شدند (24). در ادبیات تحقیق پیشنهاد شده است که بخش کوچکی از داده‌های مکانی پیچیده می‌توانند به طور موثری در پایگاه داده موجودیت‌گرا (شیء پایه) نسبت به پایگاه داده‌ی رابطه‌ای (نسبتی) وارد شوند (27). محدودیت­های سامانه اطلاعات جغرافیایی دو بعدی موجود ((2D GISs در تحقیقات صورت گرفته توسط (8، 11، 21و 22). بیان شده است. محدودیت‌های اشاره شده مربوط به ابعاد و ساختارداده‌ها هستند که درادامه بیش‏تر توضیح داده می‌شوند:

داده‌های تک ارزشی مانند یک نقطه با مختصات (X,Y) که نشان‌دهنده‌ی ارتفاع است در سیستم‌های دو بعدی با مشکلی روبرو نیستند در حالی که برای داده‌هایی که دارای ارزش Z یا بعد سوم هستند، در سیستم­های دو بعدی با مشکل مواجه هستند. مانع اساسی برای ایجاد 3D GIS مربوط به ساختارهای نادرست داده‌های مکانی است که توسط کارلسون (1987) و پالاسکه و فورستنر (1993) گزارش شده است (8 و 22). این دو نویسنده ساختار داده‌های سه‌بعدی مکعبی را به عنوان راه حلی برای مشکل ساختار داده‌ها پیشنهاد دادند، اما هیچ سیستم عمل کرد واقعی  بر اساس این ساختار ایجاد نشده است.

ابزارهای تصویرسازی مانند سیستم های تصویر سازی پیشرفته (AVS)^[15]، تحلیل‌گر سه بعدی اینترگراف (VAI)[16] و          دیگر مدل‌های دیجیتال ناهمواری­های سطح زمین (DTM)^[17] به تنهایی قادر نخواهند بود که به طور صحیح چنین داده­هایی را مدیریت کنند. برای مثال گونه[18] (28)، مدل سازی سه‌بعدی ساختمان­ها را با استفاده از اتوکد به عنوان یک ابزار سه‌بعدی سازی در محیط پایگاه داده‌ی رابطه‌ای مورد آزمایش قرار داد. در تحقیقات مختلف بیان شده است که سامانه های اطلاعات جغرافیایی موجود، اغلب قادرند داده­های دو بعدی را مدیریت کنند، اما با سه‌بعدی کردن داده‌ها و فراتر از آن مشکل خواهند داشت؛ بنابراین یکی از راه‌حل‌های پیشنهادی توسط پژوهش گران GIS ای، ایجاد یک برنامه الحاقی[19] برای ایجاد بعد سوم و سه‌بعدی سازی است. سایر تحقیقات نیز  نشان می‌دهد که هیچ یک از امور مربوط بهGIS  3D با فن­آوری پایه ادغام نشده است.

باتوجه به این که ضعف‌های متداول GIS دوبعدی و دو و نیم بعدی زمانی آشکار می‌شوند که موجودیت‌های سه‌بعدی جهان واقعی مورد توجه قرار گیرند، بنابراین شاید شی گرایی و سه‌بعدی ‌سازی در اغلب موارد به طور هم زمان مورد توجه قرار نگرفته‌اند (24).

2. قابلیت سه‌بعدی سازیCAD

CAD، یک ابزار گرافیکی کامپیوتری برای مدل سازی سه‌بعدی مورد استفاده در خودروها، ماشین‌آلات، هواپیماها، سفینه‌های فضایی، صنعت ساخت و ساز و معماری است. CAD روی جنبه‌ی هندسی مدل و تصویرسازی سه‌بعدی آن تمرکز می‌کند.‏ سوالی که مطرح می‌شود این است که آیا CAD می‌تواند تمام کارهای مورد نیاز در رشته­های مذکور را پشتیبانی کند؟ تلاش‌هایی در خصوص استفاده از CAD برای مدل سازی سه‌بعدی پژوهش‌های مربوط به علوم زمینی صورت گرفته است. گرچه به دلایل زیر نمی‌توان فرض کرد که CAD برای این کارها حتماً مناسب است:

ü          CAD برای کمک به حل مشکلات مربوط به طراحی اشیای انسان‌ساخت با اشکال، اندازه‌ها، روابط فضایی و ویژگی‌های موضوعی یا از پیش تعریف شده، بوجود آمده است و ابزاری برای داده ساختن یا برخورد با مواردی مانند اشکال تعریف نشده، اندازه‌ها، روابط مکانی و ویژگی­های مکانی نیست. CAD نه تنها توانایی تحلیل روابط فضایی را ندارد بلکه توانایی رویارویی با مجموعه داده‌های مختلف و عدم قطعیتی را که به طور خاص در GIS با آن روبرو هستیم را ندارد. برای مثال CAD، قوانین همسایگی بین اجزا که در تحلیل‌های زمینی بسیار مهم هستند را در نظر نمی­گیرد.

ü         طراحی یک پدیده مانند یک ساختمان یک موضوعی ذهنی است. تمام جنبه­های اشیای و روابط آن‌ها باید توسط یک فرد طراح تصمیم‌گیری شود و تنها بخش کوچکی ممکن است به صورت خودکار توسط CAD انجام شود. تمامی  برنامه‌های کاربردی مرتبط با علوم سرزمینی در تلاش برای مدل کردن اشیای موجود با اشکال، اندازه‌ها و روابط درونی خارج از کنترل انسان هستند. در این جا اتوماسیون و خودکار بودن مطلوب است چون شمار زیادی از پدیده‌ها در آن مشارکت دارند. برخی از روابط مهم برای تحلیل‌های مکانی باید به طور خودکار ایجاد شوند. CAD معمولا تابعی برای این نوع اتوماسیون   فراهم نمی­کند.

ü         CAD تعریف اشیای را از سه بعد (3D) شروع می‌کند، وقتی که اشیای به اجزای دو بعدی شکسته می‌شوند، روابط بین آن‌ها شناخته می‌شود. برنامه‌های کاربردی مرتبط با علوم سرزمینی معمولاً اجزای واقعیت زمینی را به صورت دو بعدی مدل می‌کنند. اجزا باید با هم ترکیب شوند و روابط درونی آن‌ها در مرحله بعد کشف شود و این فرآیند توسط CAD بسیار دشوار است. CAD معمولاً ابزار کافی برای استنتاج روابط بین اجزای جداگانه را فراهم نمی‌کند.

ü         CAD، یک شی پیچیده را از طریق ترکیب اجزای مختلف درگیر ایجاد می‌کند. اشیای با هندسه­ی ساده مانند یک مکعب، استوانه و گوی با اجرای توابع انتقال، یک پارچه‌سازی (ادغام) و روی هم­گذاری به آسانی می‌توانند برای چنین ابزاری به کار گرفته شوند تا اشیای پیچیده حاصل شوند. برنامه‌های کاربردی مرتبط با علوم سرزمینی در مجموع با اشیا پیچیده­ای سر وکار دارند. بنابراین رهیافت مدل سازی با استفاده از CAD ممکن است هیچ وقت برای علوم زمینی مناسب نباشد (24).

2-1. CAD و VR

در رابطه با بهره‌برداری از مدل‌های سه‌بعدی، پیشرفت‌های  قابل توجهی در دو رشته فناوری گرافیک کامپیوتری کهCAD  نامیده می‌شود و واقعیت مجازی (VR)[20] صورت گرفته است. CAD و VR امکان تجسم یک پدیده را فراهم می‌کنند که به آن نمایش پرسپکتیو با خطوط پنهان و حذف سطح، سایه، سطح نور، ردیابی اشعه و نقشه‌سازی بافت می‌گویند. علاوه بر این، VR یک تعامل بالا بین مفهوم "رئالیسم کاربردی" فراهم می‌کند که به کاربر اجازه دست کاری و تعامل با اشیای مجازی نگهداری شده در  پایگاه داده کامپیوتری را به عنوان یک واقعیت می‌دهد. تحولات صورت گرفته در این زمینه کاملاً مستقل از GIS هستند (24).

3. قابلیت سه‌بعدی سازی GIS

یک ابزار مناسب‌تر برای برنامه های کاربردی مرتبط با علوم سرزمینی، GIS با قابلیت مدل سازی سه‌بعدی خواهد بود که به آن 3D GIS گویند. اغلب مدل­کردن بعد سوم، می‌تواند به نمایش ناهمواری‌های عوارض زمینی[21] و مدل‌های دیجیتال عوارض زمینی (DTM[22]) منتج شود.

3-1: DTM

DTM، می‌تواند تحلیل‌های فضایی مربوط به ناهمواری‌ها شامل شیب، جهت، ارتفاع، قابلیت دید، حجم خاک برداری و تصویرسازی سه‌بعدی از یک سطح در یک دید پرسپکتیو (سه‌بعدی) را تسهیل ‌نماید. اگرچه مبنای DTM یک سطح مداوم (ادامه‌دار) با یک ارزش ارتفاعی خاص برای هر مکان مسطح است (شکل 1-a). DTM، توانایی تطبیق یک شی سه‌بعدی یا یک سطح با ارزش‌های ارتفاعی متفاوت در یک مکان مسطحاتی (پلانیمتریک) خاص را ندارد (شکل‌های 1-b و 1-c).

شکل(1): a) سطح تک ارزشی، b) اشیاء سه‌بعدی  c) سطوح چند ارزشی(23)

اگرچه سیستم‌های رستر پایه که به نوعی تحت عنوان سیستم‌های GIS سه‌بعدی به شمار روند در دسترس هستند، ولی قادر نخواهند بود که اطلاعات مربوط به واقعیت موجود  در مجموع داده‌های اصلی یک پدیده را حفظ کنند. این اطلاعات ممکن است به علت مشکلات موجود در توان تفکیک از بین بروند. بنابراین به عنوان یک راه چاره، مجموعه داده‌های اولیه یا خام باید به صورت جداگانه­ای از مدل نگهداری شوند برای مثال:

ü      اجرای مجدد مدل، اگر ثابت شود که نتایج به خاطر تعاریف ریاضی نامناسب رضایت بخش نیستند.

ü      ادغام با داده‌های دیگر برای ایجاد یک مدل جدید.

ü      ایجاد یک مدل دیگر با توان تفکیک متفاوت.

ü      ذخیره‌سازی به عنوان یک منبع یا شاهدی از مدل.

چنین فعالیت‌هایی نیاز به نگهداری داده‌های خام                در یک ساختار مناسب آماده برای استفاده‌های آینده را بیان می‌کنند. اطلاعات لازم در خصوص داده‌ها باید برای هر جزو بدست آید. برای مثال در DTM، اطلاعات یک خط، مبنی بر این که آن خط، خط شکسته است باید حفظ شود چون روی درون‌یابی تاثیر خواهد داشت.

DTM، بسیاری از تحلیل‌های GIS و تصویرسازی‌هایی که بعد سوم را در نظر می گیرند، تسهیل می‌نماید. داده‌های فضایی نگهداری شده در DTM، تنها از طریق مختصات جغرافیایی می‌توانند به هم مرتبط شوند. به عبارت دیگر، روابط بین  اجزای مختلف ممکن است بخاطر محاسبات متریک به جای محاسبات توپولوژی به خوبی نشان داده نشود. برای غلبه بر این مشکل، اطلاعات به دست آمده از DTM باید در نرم‌افزارهای GIS‌ای قابل خواندن باشد. بنابراین مدل سازی یک پارچه به طور کاملاً واضحی برای 3D GIS لازم است.

4.راه کارهای مربوط به گسترش مدلسازی فضایی3D GIS

گسترش 3D GIS برای این که یک پارچگی اجزای لازم و انواع مختلف پدیده‌ها را به حساب آورد نیازمند راه کارهای زیر در خصوص مدل‌های فضایی واقعیت‌گرا است:

4-1. طراحی یک مدل فضایی

طراحی یک مدل یا الگوی مدیریت یک پارچه که قابلیت حفظ تمام ویژگی‌های ژئومتریک پدیده‌های جهان واقعی را فراهم آورد.

4-2. ساختن یک مدل فضایی

-           ایجاد ابزار وروش مناسب برای دست یابی به داده‌های سه‌بعدی

-           تبدیل مختصات به یک مختصات زمینی یکسان

-        توسعه روش مناسبی برای ساختارسازی داده‌ها به منظور حفظ داده‌های مربوط به ورودی‌های مختلف از منابع چندگانه را در یک پایگاه داده یک پارچه.

-       ایجاد طبقات موضوعی جهت نمایش پدیده‌های جهان واقعی با جنبه‌های مشترک.

-       حل عدم قطعیت برخاسته از ناهم خوانی مجموعه داده‌های مختلف در حین فرآیند ادغام و تبدیل عدم قطعیت به مفهوم "کیفیت داده".

5.کاربردهای مدل فضایی سه‌بعدی

-         استفاده از اجزای موجود مانند داده‌های دو بعدی و DTM (سازگاری بازخوردی[23]) و آماده کردن        آن اجزا برای تعاملات آینده در یک مدل فرا بعدی (سازگاری پیش رو[24]) برای جلوگیری از صرف هزینه‌های جمع‌آوری داده‌ها.

-         توسعه و ایجاد سایر عملکردها و توابع -  تحلیلی فضایی.

-         ایجاد تصویرسازی گرافیکی قابل مانور که امکان دید نقاط برجسته را فراهم می‌کند و نمایش مناسب و کافی جزییات ناشناخته پدیده‌های موجود در پایگاه داده.

-         طراحی و ارایه نقشه‌های گرافیکی سه‌بعدی از اطلاعات مختلف شامل نام‌گذاری، نماد گذاری، تعمیم و غیره.

-         طراحی یک رابط کاربر و زبان پرس و جو که به کاربر اجازه دسترسی به پایگاه داده یک پارچه را می‌دهد.

-         توسعه ساختار نمایه ساز فضایی که به بازیابی داده‌ها و فرآیند نگهداری پایگاه داده یک پارچه، سرعت می‌بخشد؛.

-         توسعه ابزار جست وجو در میان مدل‌های مختلف ذخیره شده در پایگاه داده سیستم عامل‌های محاسباتی.

6. مشکلات توسعه نرم‌افزارهای 3D GIS

در این بخش برخی مشکلات و مسایل مربوط به توسعه نرم‌افزار 3D GIS بررسی و مورد بحث قرار گرفته است. 3D GIS باید قادر به مدل سازی، ارایه، مدیریت، دست کاری، تحلیل و پشتیبانی از تصمیم‌گیری‌ها بر مبنای اطلاعات مرتبط با پدیده‌های سه‌بعدی باشد (27). اضافه کردن بعد سوم روی   2D GIS نیازمند یک تحقیق گسترده در خصوص جنبه‌های مختلف GISای است. یک بسته GISای که قادر  به استفاده و دست کاری داده‌های دو بعدی و DTM است نمی‌تواند تحت عنوان یک سیستم 3D GIS مطرح شود چون داده‌های DTM، داده‌های سه‌بعدی واقعی نیستند. بعد سوم داده‌های DTM (اغلب پس از درون‌یابی) تنها یک ویژگی سطحی برای پدیده‌هایی است که مختصات آن‌ها شامل اطلاعات پلانیمتریک یا مختصات X و Y است. نرم افزارهای GISای که به صورت واقعی داده­های مکانی سه‌بعدی را به کار ببرند به ندرت پیدا می­شوند. تحقیقات گذشته نیز در موارد متعددی به این مشکل اشاره کرده­اند (5، 6، 11 و 22). بنابراین بررسی برخی جنبه‌های فراتر از این موارد خصوصاً در مورد مدل سازی داده‌های مکانی با استفاده از روش‌های نسبتی و شی پایه ضروری به نظر می‌رسد.

7.سیستم‌های تجاری 3D GIS موجود

سیستم‌های کمی در بازار هستند که می‌توانند به عنوان سامانه­ای جهت نمایش و تحلیل سه‌بعدی شناخته شوند. علی‌رغم آن 4 مورد از این سیستم‌ها برای توضیح بیش‏تر در این مقاله انتخاب شدند. این 4 سیستم، سهم بزرگی از بازار GIS را تشکیل داده­اند و برخی از توابع پردازشی داده‌های سه‌بعدی را فراهم می‌کنند. این سیستم‌ها شامل 3D Analyst از نرم‌افزار Arc View (از موسسه تحقیقات سیستم محیط زیستی^[25] یا ESRI Inc)، Imagine Virtual GIS از (ERDAS Inc)، GeoMedia Terrain از کمپانی Intergraph و PAMAP GIS Topographer هستند (24).

7-1. 3D Analyst

یکی از دستور‌های قابل دسترس در Arc View است.         در Arc View این دستور‌ها تحت عنوان برنامه الحاقی شناخته می‌شوند. برنامه‌های الحاقی سیستم و تابع اصلی GISای که خود Arc View است در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2-  3D Analyst در سیستم Arc View (23)

Arc View برای غیر وابسته‌سازی و یک پارچه‌سازی    گسترده داده‌های مکانی با استفاده از (Client-Server Network Connectivity) طراحی شده است (29).      3D A می‌تواند برای پردازش داده‌های سه‌بعدی مانند ایجاد سطوح سه‌بعدی ، محاسبات حجم، پوشش دیگر تصاویر رستری مانند (Landsat TM, SPOT, GEO SPOT ، عکس‌های هوایی و یا نقشه‌های اسکن شده) و دیگر توابع تحلیلی سطحی سه‌بعدی مانند قابلیت دید یک نقطه نسبت به نقطه دیگر کاربرد داشته باشد (23). این سیستم روی کامپیوترهای شخصی اجرا می‌شود و چندین سیستم عامل مانند ویندوز 95/98/2000 و ویندوز NT 4.0 در کنار گستره­ی ‌وسیعی      از سیستم‌های UNIX آن را می‌پذیرند. این سیستم اساساً     با داده‌های وکتوری کار می‌کند. اگرچه فایل‌های رستری هم می‌توانند در 3D A گنجانده شوند و این تنها برای بهبود نمایش داده‌های وکتوری است (برای مثال پوشش داده‌های وکتوری با تصاویر عکس‌های هوایی). به طور خلاصه 3DA می‌تواند برای پردازش داده‌های سه‌بعدی و خصوصاً اهداف مربوط به بصری سازی مورد استفاده قرار بگیرد. بنابراین      Arc View  تا حد خیلی زیادی یک سیستم GIS ای        دو بعدی است، اما 3DA امکان تصویرسازی سه‌بعدی را      فراهم می‌کند (یعنی داده‌هایی با مختصات X، Y و Z).         به کمک این سیستم، تحلیل‌های سه‌بعدی GIS‌ای          بدست نیامده است و این بی‌ارزش است، اگرچه 3DA           از ساختار داده شبکه نا منظم مثلثی (TIN) حمایت می‌کند.

7-2- Imagine Virtual GIS

Imagine system از ابتدا برای سنجش از دور و عملیات‌های مربوط به پردازش تصویر ایجاد شده بود. اخیراً این سیستم دستور جدیدی برای GIS فراهم کرده است.  Imagine           System یکی از راه حل‌های GIS ای است که از طریق کمپانی ERDAS ایجاد شده است. دستور GIS آن Virtual GIS نامیده می‌شود. این دستور یک ابزار تحلیلی سه‌بعدی را فراهم می‌کند. این سیستم تحت سیستم‌های کامپیوتری مختلف و سیستم عامل‌های ویندوز 98، 2000، ویندوز NT و بسیاری از سیستم‌های UNIX اجرا می‌شود. این سیستم روی بصری­سازی دینامیک تاکید می‌کند و محیط را به صورت سه‌بعدی در زمان واقعی نشان می‌دهد، در کنار تصویرسازی‌های سه‌بعدی گسترده و گوناگون این سیستم قابلیت دید پرواز را نیز فراهم می‌کند. شکل 3 خلاصه‌ای از نرم­افزار Virtual GIS را به صورت گرافیکی نشان می‌دهد.

شکل 3- اجزای Virtual GIS(23)

در مقایسه با 3D A این سیستم روی تصویرسازی سه‌بعدی    با توابع صحیح 3D GIS تمرکز می‌کند که کم تر در دسترس هستند.

7-3. Geo Media Terrain

Geo Media Terrain جزء زیرمجموعه‌ سیستم‌هایی است که تحت Geo Media GIS که توسط کمپانی Intergraph ارایه شده است کار می‌کند. این نرم‌افزار تحت سیستم عامل‌های ویندوز عمل می‌کند.

Terrain System سه وظیفه اصلی شامل نام‌گذاری،     تحلیل پستی بلندی‌ها، ایجاد مدل از عوارض زمینی و پرواز       بر روی این سطوح را فراهم می‌کند (30). به طور عام Terrain تحت دستور DTM در   Geo Media GIS       با دیگر سیستم‌هایی که در بخش‌های قبل اشاره شد            کار می‌کند. لازم به ذکر است قابلیت‌های 3DGIS به ندرت توسط فروشندگان و ارایه دهندگان این نرم‌افزار            پیشنهاد می‌شود. شکل 4 زیر سیستم‌های Terrain را            با سیستم مرکزی Geo Media نشان می‌دهد.

شکل 4- اجزایterrain  در Geo Media System(23)

7-4. PAMAP GIS Topographer

این سیستم GIS یکی از محصولات PCI کمپانی Geomatic است که تحت ویندوز 98 و 95 و             سیستم عامل‌های NT کار می‌کند. PAMAP GIS یک سیستم وکتوری و رستری است. در کنار توابع دو بعدی    GIS ای، این سیستم دستوری برای دست یابی به داده‌های سه‌بعدی را فراهم می‌کند که Topographer یا نقشه‌بردار   نام دارد (شکل5).

شکل 5- توپوگرافر (نقشه‌بردار) در سیستم PAMAP GIS(23)

در این سیستم 4 دستور اصلی GIS پیشنهاد شده‌اند           که عبارتند از: Mapper یا نقشه‌ساز، Modeller یا مدل ساز، شبکه‌ساز یا Networker و تحلیل‌گر یا Analyser.         این 4 ماژول، هسته‌ی سیستم را تشکیل می‌دهند. برای ایجاد اطلاعات دو بعدی، سیستم وظایف یا عمل کردهای GIS را مانند دیگر سیستم‌ها که در قبل اشاره شد، انجام می‌دهد.    برای داده‌های سه‌بعدی اغلب توابع سه‌بعدی                       در Topographer تحت هر یک از بسته‌های DTM برای مثال ایجاد Terrain‏ surface ها، تحلیل               Terrain surface ها (مانند محاسبه مساحت و حجم) و تصویرسازی سه‌بعدی کار می‌کند. این سیستم نیز روی نمایش سه‌بعدی داده‌های مربوط به ناهمواری‌ها تمرکز می‌کند.

به طور خلاصه تمام سیستم­های بحث شده در این مقاله نشان می‌دهند که تاکنون به صورت عملی استفاده کمی از 3D GIS شده است اگرچه اغلب آن‌ها قادر به ایجاد داده‌های سه‌بعدی کارآمد از نظر تصویرسازی سه‌بعدی هستند. بنابراین باید،      راه حل کاملاً یک پارچه­ی سه‌بعدی سازی برای تمامی      استفاده کنندگان از GIS ارایه شود. نمونه‌های چندان زیادی از 3D GIS وجود ندارد. در عین حال از نمونه­های موجود می­توان به نمونه­ی اولیه­ی ارایه شده توسط موسسه آلمانی Fraunhofer اشاره کرد. این سیستم از یک مدلساز CAD استفاده می‌کند که می‌تواند مدل سه‌بعدی اشیا سه‌بعدی (مانند ساختمان‌ها) را ایجاد کند (24). یکی از این سیستم‌های اولیه­ای که توسط استرالیایی­ها و کمپانی Grintec ارایه شده است، با اشیا و نیز مدل­سازی عوارض شهری آزمون شده است.       این سیستم که GO-3DM نامیده می‌شود نیز از CAD و DTM برای مدیریت داده­های مرتبط به عوارض شهری خصوصاً ساختمان‌ها استفاده می‌کند (24). به نظر می­رسد علی­رغم برخی از توسعه‌های قابل توجه در تصویرسازی سه‌بعدی و امکان کاربست آن‌ها در GIS، هنوز نیاز به تحقیقات و ارایه راه حل‌های بیش‏تری در خصوص 3D GIS است.

بحث و نتیجه‌گیری

به طور کلی بصری­سازی این قابلیت را دارد که                قدرت تصمیم‌گیری افراد را بهبود بخشد و اشتیاق مدیران، برنامه‌ریزان، سهام‌داران و عموم افراد جامعه را برای تفکر        در خصوص یک موضوع ویژه را تشدید ‌کند.            تصویر‌سازی سه‌بعدی سیمای سرزمین می‌تواند به‏عنوان        زیر مجموعه‌ای از زمینه‌های گسترده‌تر بصری‌سازی جغرافیایی، برای ایجاد ارتباط بین شرایط موجود، سناریوی­های        سیمای سرزمین جای گزین، گذشته و پیش­بینی آتی        مورد استفاده قرار گیرد (31)؛ علاوه بر این، مجموعه داده‌های گسترده را به گونه‌ای ارایه می‌دهد که در آن افراد می‌توانند بخشی از یک فرآیند تصمیم‌گیری تعاملی بوده (32) و      نقشی مهم در ارتباط مجموعه‌ی مشارکت و تصمیم‌گیری   داشته باشند (33، 34 و 35). در این راستا تحقیقات        صورت گرفته توسط (22 و 23) نشان داده است که مدل سازی سه‌بعدی داده‌های فضایی، ساختارسازی و ایجاد پایگاه داده‌       به روش شی پایه منجر به تصویرسازی سه‌بعدی بهتری می‌شود. به نظر می‌رسد که این ادعا اساساً ناشی از پیچیدگی‌های فضایی داده‌های سه‌بعدی و نیز برخی پدیده‌های فیزیکی و فضایی جهان واقعی است که در طول زمان با توسعه نرم افزارها بتواند به شکل ملموس‌تری توصیف شود. بنابراین بررسی عملی بودن یک روش برای بهبود نحوه نمایش پدیده‌های طبیعی به صورت سه‌بعدی و مدیریت آن‌ها در GIS شیء پایه لازم و ضروری     به نظر می‌رسد. با توجه به مطالب ذکر شده در این مقاله،         به طور کلی رایج‌ترین مشکلات باقی مانده در خصوص        3D GIS  تحت مفاهیم زیر خلاصه می‌شود:

ü      رهیافت‌های سه‌بعدی موجود، پدیده‌های جهان واقعی که مرزهای آن مستقیماً                        قابل تشخیص نیستند را مدل سازی نمی‌کنند، بنابراین اکتنشن‌های دیگری برای پوشش دادن     این مساله لازم هستند.

ü      پیشرفت‌های صورت گرفته از طریق رهیافت‌های ادغامی تنها می‌تواند راه‌حل‌هایی برای پدیده‌های سطحی ارایه کند و از جنبه‌ی تئوریکی       مدل‏سازی فضایی حمایت کمی می‌کند.

ü      تلفیق 3DGIS در تصویر سازی سه‌بعدی و ساختار هندسی سه‌بعدی، چه به صورت دستی ( ویرایش گرافیکی سه‌بعدی تعاملی) یا اتوماتیک             (3D Voronoi و شبکه‌های چهار وجهی)           به تحقیقات بیش‏تری نیاز دارد.

در نهایت از آن جایی که در حال حاضر نه  CADو              نه سیستم‌های GISای نیازهای مربوط به دانش علوم زمینی را برآورده نمی‌کنند، تحقیقات بیش‏تر در این زمینه و فراهم کردن زمینه‌های ارتقای 3DGIS مناسب به نظر می‌رسد.

منابع

1. Li, R, Chen, Y, Dong, F, Qian, L, Hughes, JD. (1996). 3D data structures and applications in geological subsurface modelling. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. 31, Part B4, Commission 4, K. Kraus and P. Waldhausl (eds.), 31^th International Congress of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna, pp. 508-513
2. Qingquan, L, Deren, L. (1996). Hybrid data structure based on octree and tetrahedron in 3-D GIS. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. 31, Part B, Commission 4, K. Kraus and P. Waldhausl (eds.), International Congress of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna, pp. 503-507.
3. Bric, V. (1993). 3D vector data structures and modelling of simple objects in GIS. M. Sc. Thesis, ITC, Enschede, The Netherlands, 107 p.
4. Cambray, B. de. (1993). Three-dimensional (3D) modelling in a geographical database. Proc. 11th International Symposium on Computer Assisted Cartography (AUTOCARTO 11). Minneapolis, pp. 338-347.
5. Cambray, de B, Yeh, T. S. (1994). A multidimensional (2D, 2.5D, and 3D) geographical data model. International Conference on Management of Data (COMAD’94). Bangalore, India, Tata Mc Graw-Hill, pp.317-336, http://  www.prism.uvsq.fr/public/beatrix/publi_en.html.
6. Zeitouni, K, Cambray, B de. (1995). Topological modelling for 3D GIS. 4th. InternationalConference on Computers in Urban Planning and Urban Management. Melbourne, Australia, http://www.prism.uvsq.fr/public/beatrix/publi_en.html.
7. Jones, CB. (1989). Data structures for three-dimensional spatial information systemsin geology, International Journal of Geographical Information Systems. Vol.3, No. 1, Taylor & Francis, London. pp. 15-31.
8. Carlson, E. (1987). Three dimensional conceptual modeling of subsurface structures. Technical Papers, Vol. 4, ASPRS-ACSM Annual Convention. Baltimore, Maryland, pp. 188-200.
9. Bak, P.R.G, Mill, A.J.B. (1989). Three dimensional representation in a geoscientific resource management system for minerals industry. In: Raper, J.(Ed.) Three dimensional applications in geographical information systems. Taylor & Francis, London, pp. 155-182.
10. Raper, J, Kelk, B. (1991). Three-dimensional GIS, In: Geographical informationsystems: principles and applications. D J Maguire, M Goodchild and DW. Rhind (eds.) Longman Geo-information, pp. 299-317.
11. Petrie, G, Kennie, TJM. (1990). Terrain modelling in surveying and civil engineering. Whittles Publishing. Glasgow, 351 p
12. Turner, AK. (1989). The role of 3-D GIS in subsurface characterization for hydrogeological applications. In: Raper, JF (Ed.) Three Dimensional Applications in Geographic Information Systems. Taylor & Francis. London, pp. 115-127.
13. Smith, DR, Paradis, AR. (1989). Three-dimensional GIS for the earth sciences. In: Raper, JF (ed.) Three dimensional applications in geographical informationsystems. Taylor & Francis, London. pp. 149-155.
14. Batten, L.G. (1989). National capital urban planning project: development of a 3-DGIS. Proc. of GIS/LIS ‘89. ACSM/ASPRS. Falls Church, pp. 781-786.
15. Slingerl and, R, Keen, TR. (1990). A numerical study of storm driven circulation and ‘event bed’ genesis. Proc. of Symposium on Structures and Simulating Processes. Freiburger Geowissen schafliche Beitrage, 2, pp. 97-99.
16. Sides, EJ. (1992). Modelling three-dimensional geological discontinuities for mineral evaluation. PhD Thesis. University of London, 281 pp.
17. Shibasaki, R, Shimizu, E, Nakamura, H. (1990). Three dimensional (3D) digital map for an urban area. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. 28, Part 4, Commission IV, Tsukuba, Japan, pp. 211-220.
18. Shibasaki, R, Shaobo, H. (1992). A digital urban space model - a three dimensional modelling technique of urban space in a GIS environment. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. 24, Part B4, Commission IV, Washington, D.C., USA., pp. 257-264.
19. Konisranucul, W .& Tuaycharoen, N. (2013). Using 3D visualization to improve public participation in sustainable planning process: Experiences through the creation of Koh Mudsum plan, Thailand. Social and Behavioral Sciences. Vol.91, pp. 679-690.
20. Bonham-Carter, G. F. (1996). Geographic information systems for geoscientists: modelling with GIS. Computer Methods in the Geosciences. Vol. 13, Pergamon Publications. 398 p.
21. Rongxing Li. (1994). Data structures and application issues in 3-D geographic informationsystems. Geomatica. Vol.48, No.3, pp. 209-224.
22. Förstner, W, Pallaske, R. (1993). Mustererkennung und 3D-Geoinformationssysteme. ZPF, 61. Jg., 5/1993, pp. 167-177.
23. Abdul-Rahman, A. & Pilouk. M. (2007). Spatial Data Modelling for 3D GIS. Springer, 290 pp.
24. Sutherland, IE. (1970). Computer displays. In: Beatty, JC, Booth, K, (Eds.) IEEEComputer Society Press. Silver Spring, MD, pp. 4-20.
25. Watt, A. (1993). 3D computer graphics. Addison-Wesley Publishing Company Inc., UK, 500 pp.
26. Worboys, MF, Hearnshaw, HM, Maguire, DJ (1990) Object-oriented data modelling for spatial databases. International Journal of Geographical Information Systems. Taylor & Francis Ltd., Vol. 4, No. 4, pp. 369-383.
27. Guo, W. (1996). Three-dimensional representation of spatial object and topological relationships. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, Part B3, Commission 3, K. Kraus and P. Waldhausl (eds.), XXXI International Congress of Photogrammetry and Remote Sensing, Vienna, pp. 273-278.
28. Maguire, D.J., Goodchild, M.F., and Rhind, D.W., (Eds), (1991). Geographical information systems: principles and applications. Longman Scientific & Technical.
29. Intergraph. (1995). New OLE extensions for CAD/CAM/CAE and GIS adopted, Press Releases. Intergraph Corp., Huntsville, http://www.intergraph.com/press95/dmpr.html.
30. Priestnall, G. & Hampson, D. (2008). Landscape visualization: science and art. In: Dodge, M., McDerby, M., Turner, M. (Eds.), Geographic Visualization: Concepts, Tools and Applications. Wiley, UK, pp. 241–258.
31. Stock, C., Bishop, I.D., O’Connor, A.N., Chen, T., Pettit, C.J. & Aurambout, J.P. (2008). SIEVE: collaborative decision-making in an immersive online environment. Cartographic Geographic Information. Vol,35, No. (2), pp. 133–144.
32. Drummond, W. J., French, S. P. F. )2008(. The future of GIS in planning: converging technologies and diverging interests. American Planning Association. Vol. 74, No, 2, pp. 161- 174
33. Wu, H., Zhengwei, H. & Gong, J. (2010). A virtual globe-based 3D visualization and interactive framework for public participation in urban planning processes. Computers, Environment and Urban Systems. Vol, 34, pp. 291–298.
34. Lange, E. & Hehl-Lange, S. (2010). Making visions visible for long-term landscape management., Vol,42, No, 7, pp. 693-699.

Fundamental of Spatial Data Modelling for 3D GIS

Sepideh Saeidi^*[26](Corresponding Author)

S.Saeidi@ymail.com

Marjan Mohammadzadeh²

Abstract

Visualization technologies are powerful tools for communicating the scientific outcomes of environmental planning models between the researchers and public participants. A common problem of landscape and environmental planning is that projects are rarely presented in a coherent and stimulating manner. Laypersons are usually overwhelmed by abstract, graphically sparse mapping and are unable to translate this information into landscape images. One of the solutions of this problem is benefit from improvements of 3D visualization technologies. Recently Integration of GIS and three-dimensional visualization technology has been introduced in urban planning and landscape design, so this paper attempts to explain some of the principles and basic concepts in this regard. This paper is generally presented in two parts: the first part expresses the importance of 3D visualization of spatial data and compares different capabilities of 3D making in CAD and GIS softwares, and it has also been referred to some of the problems and solutions of developing 3D GIS softwares. In the second part, some of the three-dimensional systems are introduced and explained. This represented paper is trying to reveal the power of 3D GIS in creating interaction between planners, managers and the general audience.

Key words: 3D GIS, CAD, Landscape planning.