Taller 2. Simulación de escenarios 3D.

Transcripción

1 Taller 2. Simulación de escenarios 3D. La representación de elementos en 3 dimensiones se realiza en ArcGIS mediante la extensión 3D Analyst, por lo tanto su disponibilidad, primero, y activación, después, determina la posibilidad de ser capaces de visualizar datos en 3D. Otra cuestión importante a tener en cuenta son los requerimientos del computador para poder realizar acciones sobre elementos 3D. ESRI recomienda como mínimo 512 Mb RAM (recomendado 1Gb), 1,5 GHz CPU, MB de espacio de disco (NTFS-FAT32, respectivamente), 32 Mb mínimo de tarjeta gráfica (64 Mb recomendado). La visualización de datos en 3D se puede realizar desde ArcCatalog (previsualización), ArcScene (visualización y manipulación), y ArcGlobe, que permite representar datos en un contexto global. Datos 3D Vector: elementos (Feature class) con dos componentes básicos: una geometría (shape) y unos atributos temáticos. Los atributos de los elementos pueden tener valores que hacen referencia a elevaciones o alturas de los elementos (2D). Por otro lado, algunos elementos vectoriales pueden almacenar valores de elevación de forma implícita en su geometría, y entonces se convierten en elementos PointZ, PolylineZ y PolygonZ. Estos elementos vectoriales pueden ser representados directamente en una escena 3D. En cambio, si los elementos han perdido o no disponen de la coordenada Z, existen procesos que permiten su representación como elementos 3D. Si se tiene disponibilidad de un modelo de superficie (MDE) del ámbito de estudio, es posible utilizar los valores de elevación del modelo para representar los elementos como 3D, mediante el proceso de Drape. Por otro lado, si lo que se quiere es generar el volumen en altura de los elementos (p.e. edificios), es posible utilizar un valor de altura almacenado o constante y aplicar el proceso de extrusión (Extrude). Existe otro tipo de elemento vectorial 3D, las clases de elementos Multipatch. Estas permiten almacenar objetos vectoriales con una estructura volumétrica, que permite la inserción de textura. Normalmente su generación se realiza desde fuera del SIG (Collada, 3DMax, SketchUp), y posteriormente se importan para su inserción en escenas. Dadas sus características, son el tipo de elemento que permite, por ejemplo, simular el efecto de intervisibilidad dentro de zonas urbanas. Elementos 3D Multipatch con texturas utilizados para crear modelos de ciudades Raster: la representación y utilización de datos raster (2D) se concentra en dos procesos. El primero, como base de obtención de los valores de elevación para proyectar sobre elementos vectoriales (Drape). El segundo, en el caso de datos raster que no representan superficies (ortofotos, imágenes satélite, etc.) permiten la posibilidad de aplicar una proyección sobre superficies y generar escenas 3D muy reales. 85

2 TIN/Terrain: estructura de datos TIN (Triangulated Irregular Network) generada a partir de elementos vectoriales que representan elementos estructurales del relieve (curvas de nivel, red hidrográfica, líneas de cresta, picos, cotas, etc.). El TIN conserva toda la precisión de los datos vectoriales origen (utiliza sus nodos y arcos) y también simultáneamente modela los valores entre puntos conocidos. La función del TIN dentro de la representación 3D es formar la base de elevaciones sobre la que proyectar elementos vectoriales y datos ràster (Drape). Aunque es una estructura 2D, es representado automáticamente en 3D. Representación en 3D: superficies (surface) Un modelo de superficie representa una variable espacial con una distribución continua, con valores que pueden variar sobre un número infinito de puntos. Por ejemplo, puntos o localizaciones en un área sobre la superficie terrestre pueden representar valores de elevación, proximidad a un elemento, o concentración de una partícula química,... Cualquiera de estos valores pueden ser representados sobre unos ejes 3D, con un sistema de coordenadas XYZ, y normalmente se denominan valores Z. Puesto que una superficie contiene un número infinito de puntos, es imposible medir y registrar el valor Z de cada punto. Los modelos de superficie permiten el almacenamiento de información de superficie en un SIG. Los modelos de superficie pueden encontrarse con estructura de datos raster, TIN y Terrain Dataset. Los modelos de superficie con estructura ràster, representan la superficie como una matriz regular de localizaciones con una muestra de valores (2D). Un TIN o Terrain representa una superficie como un conjunto de puntos localizados irregularmente y vinculados por una red de triángulos (multiresolución para el Terrain) con valores Z almacenados en sus nodos (2D). Modelo de superficie con estructura ráster Modelo de superficie con estructura TIN T2.1. Proyección 3D Los atributos de los elementos vectoriales pueden almacenar valores Z, referidos a la elevación o altura del objeto. Otros elementos almacenan los valores de elevación en su propia geometría, por ejemplo elementos PointZ, LineZ o PolygonZ, son almacenados como un conjunto de coordenadas XYZ. Esta estructura nos ofrece dos posibilidades, utilizar la coordenada Z de la geometría o el valor de elevación de un atributo para proyectar o visualizar los elementos en una escena 3D. Si los elementos vectoriales no disponen de valores de elevación o altura, es posible proyectar los elementos sobre el plano a partir de un modelo de superficie, interpolando los valores Z a partir del modelo. Otra posibilidad es proyectar los elementos en vertical, generando el volumen o cuerpo a partir de un valor arbitrario (constante), cualitativo (número de plantas) o valor de altura. 86

3 Elementos vectoriales proyectados en 3D Los datos raster pueden contener datos con una distribución continua, como la elevación, permitiendo su proyección directa en 3D, que no representación, a partir de la propia información. Cuando los datos raster almacenan valores de distribución no continua (discretos, usos del suelo, ortofotomapas, imágenes satélite, etc.) también pueden ser proyectados sobre un modelo de superficie. Imagen satélite proyectada en 3D MDE proyectado en 3D (sobre sí mismo) Proyección sobre superficies: Drape layers La definición de la elevación base (Base height) de elementos vectoriales o ráster (imágenes) a partir de modelos de datos de superficies (MDE, con estructura ráster o TIN/Terrain) es el procedimiento de proyección en 3D denominado Drape layers. La aplicación de este proceso permite crear escenas de visualización del terreno con aspecto real. Este procedimiento se aplica a partir de las propiedades de la capa (ráster o vectorial) dentro de una escena (ArcScene). Para poder proyectar (o drapar) nuestra información será fundamental tener disponible un modelo de superficie (MDE) que dé cobertura a la extensión total o parcial del área representada. MDE y capas vectoriales proyectadas en escenario 3D Este procedimiento se aplica en las propiedades de cada una de las capas representadas en ArcScene, o de un fichero de capa (.lyr) en ArcCatalog. El apartado Base Heights permite definir la base de elevaciones a partir de un modelo de superficie (1), utilización de los valores Z si se trata de elementos con geometría 3D (2), o definición a partir de una constante (3). 87

4 1 2 3 Iniciar una sesión de ArcScene. Definir en las propiedades de la Escena el sistema de coordenadas de nuestra zona de estudio. Añadir a la escena el modelo de superficie AMMDETIN y los ortofotomapas almacenados en Sau Visualizar y comprobar que la representación es plana. 1. Abrir las propiedades del MDE y activar Base Heights. Definir que obtenga la elevación a partir del propio MDE. Aceptar y ver los resultados. Hacer no visible 2. Repetir la operación con el resto de capas raster (ortofotomapas), definiendo que obtengan la elevación a partir del MDE. Con esta acción proyectamos las imágenes en 3D sobre un modelo de superficie. Aceptar y visualizar resultados 3. Guardar la escena en el directorio de trabajo Terreno\datos\WS como proyeccion3d.sxd Creación de volumen y verticalidad: Extrude Features El proceso Extrude o extrusión de elementos permite aplicar una extensión vertical de los elementos a partir de un valor de altura especificada por el usuario. Sólo es aplicable a elementos con estructura vectorial (2D y 3D), y se consigue transformar o proyectar los elementos puntuales como líneas verticales (columnas), elementos lineales como muros o paredes, y los elementos poligonales como bloques. Puntos, líneas y polígonos extrusionados en una escena 3D 88

5 La extensión vertical se puede aplicar a partir de los valores almacenados en una atributo (1), o a partir de un valor o constante definido por el usuario (2) La extensión vertical es aplicable sobre toda la geometría del elemento o añadirla sólo a partir del valor máximo o mínimo de elevación del elemento (3). Elemento no extrusionado Añadido a altura base Añadido a altura mínima Añadido a altura máxima Valor absoluto Añadir a la escena las bases cartográficas torres.shp, puentes.shp, electrica.shp y edificis.shp, del espacio de trabajo. 1. Visualizar las clases de elementos y comprobar si se trata de elementos 2D o 3D. 2. Definir para todos ellos que obtengan las elevaciones, drape, a partir del MDE. Aceptar y ver los resultados 3. Aplicar una verticalidad, extrude, de 30 metros para la capa edificis. Aplicar y ver el resultado 89

6 4. Repetir la operación para la capa torres, definiendo un valor de verticalidad de 60 metros. Aplicar y ver el resultado 5. Definir un valor de sobreelevación, offset, de 50 metros para la capa electrica. No confundir este parámetro (offset) con el anterior (extrude), su acción sobre los elementos es muy diferente. Aplicar y ver el resultado Guardar la escena T2.2. Visualización en entorno 3D: ArcScene La visualización de datos 3D permite representar imágenes y datos vectoriales (Drape mediante la utilización de los valores Z de la superficie sobre los elementos 2D) sobre superficies (MDE ráster o TIN, no soporta Terrain Dataset) y elevar elementos vectoriales (Extrude) desde la superficie para crear elementos tridimensionales (muros, edificios, presas, etc.) a partir de valores de elevación presentes en un atributo (siempre que estos elementos no tengan explícitamente almacenada la coordenada Z) o una constante. Una escena puede ser visualizada desde múltiples puntos de vista utilizando diferentes visores, o cambiando las propiedades de las capas 3D para utilizar simulación de patrones de iluminación o transparencias. Para cambiar las propiedades de una escena 3D se deben definir diferentes parámetros: Exageración vertical: del terreno, permite exagerar los valores de elevación de la superficies o elementos representados. Útil para superficies con un bajo gradiente de elevación. La extensión o sistema de coordenadas de la escena. Patrones de iluminación. Las propiedades de una escena permiten definir parámetros que afectaran a la proyección y visualización de los datos en un entorno 3D. Facilitan una simulación realista del terreno. 90

7 Exageración vertical El parámetro exageración vertical permite enfatizar los cambios sutiles en la superficie del terreno. Su aplicación puede ser útil en la creación de visualizaciones del terreno donde la extensión horizontal de la superficie es significativamente más grande que la suma de los valores de elevación en la superficie. Una exageración vertical fraccionada puede ser utilizada también para allanar superficies o elementos que tienen una variación vertical extrema. Sin exageración vertical Exageración vertical 2X Exageración vertical 5X La exageración vertical es aplicada a todas las capas que hay presentes en la tabla de contenidos de una escena. Un valor de 0 provocará la desaparición del relieve. El botón Calculate From Extent, aplica un valor proporcional a la extensión de las capas presentes en la escena de manera automática. Si se desea exagerar los valores de elevación de una sola capa, se han de modificar los valores de sus unidades Z a partir de las propiedades de la capa, modificando el parámetro Z factor para convertir las unidades de elevación de la capa, en la pestaña Base Heights. La opción Enabled Animated Rotation, permite aplicar una velocidad de rotación a la escena. Abrir las propiedades de la escena y cambiar los valores de exageración vertical. Aplicar y ver los cambios 91

8 Patrón de Iluminación En una escena también es posible modificar los patrones de iluminación. Definiendo un valor de Azimuth, la dirección desde la cual la fuente de luz ilumina la escena, de altitud, ángulo de elevación, medido en grados, sobre el horizonte de la fuente de iluminación, y el contraste, la cantidad de sombreado aplicado a la superficie, para simbolizar la iluminación de la escena. Estas propiedades de iluminación son aplicadas a todos los elementos de una escena con área, incluidos los polígonos y líneas con una extensión vertical aplicada. Geometría del patrón de iluminación: simulación de un foco de luz Bajo las propiedades de la escena es posible definir esta propiedad. De manera interactiva se pueden definir los tres parámetros: azimut, altitud y contraster. El botón Restore Defaults permite recuperar la posición inicial de la fuente de iluminación, que por defecto se aplica des de un Azimuth de 315º (Nord-oeste) y una altitud sobre el horizonte de 30 grados. Para el caso específico de imágenes, es posible aplicar y controlar cuando una capa individual puede ser iluminada o sombreada a partir de las propiedades de simbolización (Rendering) de la capa. 92

9 Visualización avanzada en entorno 3D: animación ArcScene, y también ArcGlobe, permito crear, guardar y compartir animaciones 3D. Es posible generar animaciones a partir de diferentes procedimientos, como la composición de múltiples pistas que animan las propiedades de la escena o globo, o de una capa, o de la cámara. La animación se puede guardar en un documento, guardar como una animación independiente de ArcScene (.ASA) o una animación de ArcGlobe (.AGA), o también exportar a un fichero de película (.AVI o Sequential Images). El intercambio de los ficheros de animación o publicando los ficheros de película permite compartir las animaciones entre usuarios. Uno de los conceptos más importantes son la camera y el objetivo. El usuario ve la escena a través de cámaras de visualización. La localización de la camera se define por las propiedades del observador (observer). El centro de la vista se denomina el objetivo (target). Cada visor tiene definido un único punto observador (observer) y objetivo (target), así como una única cámara, y cuando se navega por una vista 3D, realmente lo que se realiza es mover el punto de observación conjuntamente con el punto objetivo. Las herramientas que permiten la creación de animaciones se encuentran en la barra de herramientas Animation. Contiene las funciones y opciones necesarias para trabajar en ArcScene y ArcGlobe. Utilizando estas herramientas es posible grabar una sesión de navegación o vuelo sobre el territorio, captura de vistas en perspectiva, guardar y exportar pistas de vídeo, crear ficheros de vídeo, creación de pistas a partir de trazados definidos, y gestionar y previsualizar nuestras animaciones. La creación de animaciones se realiza con la composición de las pistas (tracks) que esta contiene. Es posible hacer pistas con la creación de una colección de fotogramas ( keyframes), grabando las acciones, alternando la visibilidad de grupos de capas, e importando caminos que limitan el movimiento. La utilización del gestor de animaciones (Animations Manager) permite editar las pistas y los fotogramas, y organizar cómo interaccionan las pistas entre sí mismo en una animación. Para reproducir o grabar una nueva animación, se han de utilizar los controles de animación, una nueva barra de herramientas o cuadro de diálogo que permite controlar el tiempo de reproducción, así como dónde se debe reproducir la animación. Hay dos procedimientos, básico y adelantado, que permiten crear animaciones. El primer procedimiento se aplica a partir de la captura de diferentes perspectivas de manera encadenada. Esta opción se puede aplicar sobre cualquier tipo de datos, y es la manera más rápida de crear la animación. 93

10 Las diferentes perspectivas se almacenan en memoria, y es posible modificar sus propiedades a través del gestor de animaciones. Posteriormente se generan interpolaciones de movimiento entre las posiciones de cada perspectiva. El segundo método permite generar una animación a partir de un camino o segmento, que define el movimiento del observador y el punto objetivo. Esta opción se aplica sobre la vista de la camera (Camera flyby from path...) o sobre una capa ( Move layer along path...). Este tipo de animación se genera a partir de un elemento lineal existente o con la creación de un gráfico de línea. Por ejemplo, es posible cargar una carretera o río, y hacer una animación siguiendo el curso del río o una vía de comunicación. Para configurar el vuelo, se necesario definir una serie de ángulos (orientation settings) que permiten perfilar el sentido de desplazamiento del observador (Azimuth), la inclinación de la camera (Inclination) y centrar la imagen (roll). Las posibilidades de edición y configuración de un vuelo son muchas, por lo tanto se recomienda practicar y probar diferentes combinaciones y experimentar. A continuación intentar generar animaciones probando los diferentes métodos explicados, y combinando los diferentes modos de visualización (perspectiva, estereográfica). 1. Realizar una serie de capturas y a continuación generar una animación con una duración de 20 segundos. Reproducir y ver los resultados 2. Realizar un vuelo sobre el área de estudio mientras se realiza la grabación de una animación. Reproducir y ver los resultados 3. Realizar un vuelo que recorra el curso del río Ter. - Seleccionar el curso de río Ter. - Ejecutar Animation > Camera Flyby from Path... - Definir los siguientes parámetros (son optativos, experimentar diferentes valores): Vertical offset: 2000 (m) Simplification factor: Low (o próximo a Low) Orientation settings: Inclination 45º (dejar el resto de valores por defecto) - Importar la animación. Reproducir y ver los resultados 4. Exportar la animación a video (es recomendable reducir la duración) Reproducir en WMedia Guardar la escena 94

11 T2.3. Visualización de datos en entorno global: ArcGlobe Mediante ArcGlobe se puede visualizar datos ráster, elementos vectoriales y superficies, en un entorno global. Se ha de utilizar datos ráster de elevación (como un MDE matriz) para generar la superficie de terreno que contiene elevaciones. Entonces, es posible ubicar draping las imágenes y elementos sobre el globo terreno para representar el relieve, y elevar extrude los elementos para obtener volúmenes (edificios, etc.). El hecho más importante es que todos los datos visualizados necesitan transformar su sistema de coordenadas hacia el Datum WGS 84, de referencia global, y que se realiza desde las propiedades del Globo. Cada uno de los tipos de datos que podemos utilizar en ArcGlobe tienen funciones diferentes, según: Datos de elevación: para definir el relieve en la superficie del globo. Se puede utilizar los datos de elevación como fuente de las elevaciones base para posicionar otros datos. Múltiples modelos de elevaciones de extensiones y resolución variable son asimilados conjuntamente como una superficie lógica. Las elevaciones pueden ser calculadas a partir de cualquier ráster soportado por ArcGIS o Terrain Datasets y con referencia espacial (no admite TIN). Datos de Imagen: se pueden añadir imágenes georreferenciadas, referencia que indicará dónde se deben localizar en el globo. Si las imágenes tienen una extensión compartida, aquella que tenga una resolución mayor tendrá preferencia sobre el resto. Pueden añadirse imágenes satélite, mapas escaneados y datos categóricos (usos del suelo). Las imágenes añadidas, automáticamente quedan posicionadas sobre cualquier superficie definida que tenga la misma extensión. Datos de Elementos: es posible añadir elementos vectoriales que estén georreferenciados. Estos pueden ser elementos 3D o simbolizar estos como 3D definiendo propiedades de elevación, a partir de una superficie, y aplicar el proceso de extrusión. Todas las capas vectoriales son rasterizadas para ser visualizadas sobre el globo. El tipo de operaciones que admiten son selecciones y búsquedas. 95

12 Según estos tipos de datos, se deben reclasificar en función de su papel a realizar en la representación del globo, y se puede definir a través de los menús contextuales, y visualizar con la vista Type de la tabla de contenidos. Estos layers son: Elevation layers: aportan una fuente de elevaciones base para la superficie del Globo. Sólo datos con estructura ráster o Terrain Datasets, no admite TIN. Por definición, este tipo de capa será un modelo digital de elevaciones. Draped layers: capas que utilizan las elevaciones base de la superficie del Globo como fuente de elevaciones. Los datos ráster y clases de elementos 2D son añadidos como capas draped por defecto. Floating layers: capas que se ubican flotan independientemente sobre o bajo la superficie del Globo. Se han de utilizar sobre-elevaciones offsets o superficies independientes para definir dónde en un espacio 3D esta capa se debe dibujar, sobre o bajo el Globo. Utilizar para muestra elementos externos (nubes, utilidades, aguas subterráneas, etc.). Propiedades de visualización de capas en el Globo Las propiedades de visualización de las capas sobre el globo definen como una capa aparecerá sobre la vista del mismo. Utilizar estas propiedades para determinar prioridades de visualización, rasterización de elementos, o escalado de símbolos 3D. A continuación algunas de las propiedades más importantes a definir: Ràster Texturing mode: modo que determina como será el aspecto de la vista. En general, las imágenes se mostrarán mejor con un modo de textura suave smooth. Utilizar el modo Nearest Neighbor para capas que deberán preservar de forma diferenciada los límites o contornos (p.e. una capa de elementos poligonal rasterizada). Rasterizing elements: la rasterización de elementos en ArcGlobe permite mantener cualquier simbología cartográfica creada con ArcMap. Es un camino efectivo para posicionar drape elementos sobre la superficie del Globo. Por defecto, los elementos puntuales, lineales y poligonales 2D son añadidos como elementos rasterizados. Los elementos 3D son añadidos como vectores. See-through position: propiedad que permite definir prioridades de visualización entre las diferentes capas flotantes del Globo, según su posición relativa sobre o bajo la superfície del mismo. 96

13 Propiedades de los elementos: para mostrar elementos es necesario definir una escala (global, continental, regional, urbana) de visualización. ArcGlobe hace una estimación sobre cuál debería ser la escala, pero es conveniente definir una más apropiada. La definición de la escala determina a qué distancia (desde la superficie del Globo) o escala los elementos serán visibles. Trabajando con memoria caché Cuando se añade una nueva capa a ArcGlobe, automáticamente se crea un fichero temporal o cache que ayuda a visualizar y navegar de manera más eficiente. El cache almacena los datos e información que permite a ArcGlobe gestionar mejor el entorno controlando diferentes niveles de detalle. Cualquier operación de visualización (zoom, desplazamiento) cargará los datos del layer sobre el cache, de tal manera que siguientes operaciones se realizarán de manera más rápida y eficaz. 97

14 El caché se puede se crea de dos formas diferentes: On-demand partial or full cache: generación del caché sólo cuando se requiere o aplica una acción de visualización sobre capas (zoom desplazamiento, etc.), guarda los datos en caché y la siguiente acción será más rápida. Batch process partial o full cache: generar el caché de un área de trabajo de manera total o parcial sobre la superficie del globo a un nivel máximo de detalle. Para preservar el caché se debe generar un fichero layer de la base que contiene el caché generado o guardar el documento de ArcGlobe (documento.3dd). Esto conservará el caché creado y permitirá recuperarlo en siguientes sesiones de ArcGlobe. Las propiedades del caché se controlan desde las propiedades de la capa. Práctica libre y opcional: - Generar un globo con ArcGlobe y comprobar su funcionamiento y utilidad. Cualquier consulta será bien recibida. Guardar el documento en vuestro directorio de trabajo 98