V. ПРИКЛАДНЫЕ СЮЖЕТЫ ГИС-МОДЕЛИРОВАНИЯ В ГЕОЭКОЛОГИИ
25. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИЗУАЛЬНО-ЭСТЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛАНДШАФТА
25.1. Пейзажная модель в рамках задачи оценки эстетических свойств ландшафта
В последние десятилетия эстетика ландшафтов стала важной частью геоэкологии и востребованной сферой прикладных исследований и изысканий. Эстетические свойства признаются критическими для выполнения ландшафтами так называемой нематериальной части экосервисных услуг, с которыми связывают сохранение национальной идентичности, возможности переживания чувства ("гения") места, обретения покоя и любования местностью. В этой связи эстетические оценки все чаще становятся значимыми при принятии тех или иных решений в сфере природопользования, освоения новых территорий, градостроительства и редевелопмента сельской местности. Весьма распространенная тема исследований и практических действий в области экологического менеджмента, апеллирующая к эстетике – восстановление и сохранение исторических (традиционных) культурных ландшафтов.
Ландшафтная эстетика – сложная междисциплинарная область, тесно связанная с положениями так называемой "пейзажной модели" эстетики окружающей среды [Bell, 2004]; [Колбовский, Медовикова, 2015], разработкой теоретических представлений семиотики и иконики ландшафта [Lothian, 1999], развитием видеоэкологии [Филин, 2001] и энвайронменталистской эстетики [Carlson, 2008]. Однако, несмотря на разнообразие подходов объединяющим "плацдармом" современных исследований эстетики ландшафта становится ГИС-анализ, использование которого приводит к накоплению объективных, сравнимых и воспроизводимых данных, что чрезвычайно важно для управления ландшафтами и ландшафтного планирования.
Субъективные оценки и "вкусовые" предпочтения постепенно уступают место представлениям о необходимости учета масштаба визуальных пространств, их границ, взаимосвязи и иерархии, об относительности визуальных функций компонентов ландшафтов в зависимости от уровня восприятия и положения наблюдателя. Соответственно, предпринимавшиеся в недавнем прошлом попытки "подсчитать" озера и холмы, колокольни и валуны в "объективированном" ландшафте, лишенном воспринимающего субъекта [Эрингис, Будрюнас, 1975], сменяются картографированием разномасштабных сцен (от отдельных локусов в окрестностях памятника до городов и регионов), и моделированием признаков - компонентов и элементов ландшафтов, определяющих их эстетические свойства и внешний облик.
В современной ландшафтной эстетике используются самые разные концепции и теоретические подходы, но для геоинформационного моделирования наиболее подходящей является так называемая пейзажная модель (landscape model) оценки эстетических свойств, ведущая свое происхождение из веками складывающихся традиций восприятия и оценки произведений пейзажной живописи. Согласно это модели ландшафту как объекту эстетики присущи три группы взаимосвязанных свойств [Bell, 2004; Guidelines, 2013]:
- визуальная структура видимость-просматриваемость, описываемая параметрами "открытости-закрытости",
- визуальные признаки (переменные) - размерность, фактура, колористика, относящиеся к отдельным компонентам ландшафта - формам рельефа, растительности, водным объектам и т.д.;
- композиция ландшафта, определяемая взаиморасположением и соотношением отдельных фокусов и аттракторов, принадлежащих разным планам, наличием и характером боковых кулис, траекторией визуальной инерции и прочими свойствами.
В соответствии с пейзажной моделью эстетические свойства ландшафта связаны с его отдельными компонентами (рельефом, растительностью) и плановыми элементами (мозаика, паттерны) - но не формальным образом (наличие, количество), а косвенно - через те визуальные функции, которые эти элементы выполняют в построении ландшафтных сцен (видов).
Видовая сцена или просто "сцена" - базовое понятие для ГИС-моделирования эстетических свойств ландшафта. Границы сцены задаются, с одной стороны, физиологическими возможностями наблюдателя (прежде всего резкостью и глубиной поля зрения), с другой - структурой воспринимаемого объема природной среды, ограниченного горизонтом, боковыми кулисами, условным "полом" и "потолком" пространства.
Структуру сцены можно продемонстрировать на примере пейзажа, открывающегося на северную часть острова Кижи с господствующей над местностью Нарьиной Горы: отчетливо различимы "планы" - передний, два средних и дальний, задаваемые контрфорсами пологих склонов озовой гряды (протянувшейся по длинной оси острова) и рядовыми насаждениями, четко выделяется линия горизонта. Линия визуальной инерции "проводит" взгляд наблюдателя через контрфорсы к аттрактору дальнего плана - часовне Трех Святителей; разнообразие задается сменой фактур ландшафтных "покрытий" - лугов, акватории Пудожского залива, поверхности верхового болота (Рис. 25.1).
Рис. 25.1 Вид на северную часть острова Кижи
Экспериментально доказано [Nijhuis, van Lammeren, van der Hoeven'], что подобная сцена в "глазах наблюдателя" будет иметь эллипсоидную форму (120o в горизонтальной развертке и 60o по вертикали) и приблизительно передается прямоугольным кадром широкофокусной (15-22 мм) камеры в "альбомной" ориентировке: обстоятельство, которое делает возможным фиксацию сцен с помощью фотоаппарата, и, при условии геолинкования снимков - последующего использования в ГИС-моделях.
Вектор, соединяющий глаза наблюдателя с фокусными объектом сцены получил название линии зрения (line of sight). Пучок смежных линий зрения, направленных от наблюдателя к объекту образует так называемую висту [Nijhuis, van Lammeren, van der Hoeven'] - некий аналог русского старинного понятия прозор, применявшегося в архитектуре и парковом строительстве. Положение наблюдателя, вектора линий зрения, фокусные объекты и секторные развертки вист-прозоров на аттракторы разных планов, а также линии горизонта (фронтальные ограничения видимости) могут быть репрезентированы в моделях с использованием современного инструментария геоинформационных систем и фотодокументирования [Колбовский, Медовикова, 2015]
25.2. Поисковое поведение наблюдателя в пределах визуальных субпространств
Алгоритм геоинформационного моделирования эстетических свойств ландшафта мы будем рассматривать на примере острова Кижи, одноименный музей -заповедник которого является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО как выдающийся пример архитектурного ансамбля крестьянских поселений русского Севера. Основным предметом охраны заповедника являются уникальные памятники деревянного зодчества, которые "вписаны" в своеобразный культурный ландшафт острова, сложившийся в результате векового традиционного сельскохозяйственного использования и представляющий собой сочетание селитьбы (деревянных домов на высоком подклете), контуров бывших полей (ныне сенокосных лугов), разделявших их когда-то специальных каменных межевых гряд - "ровниц", а также сохранившихся верховых болотных массивов, рядовых посадок деревьев вдоль уступа береговой террасы, небольших рощиц, биогрупп и отдельно стоящих деревьев.
Необходимый предварительный этап для моделирования визуальной структуры ландшафта - фиксация локаций аттракторов, наиболее привлекательных объектов. В культурном ландшафте острова Кижи это прежде всего выдающиеся памятники зодчества: деревянные храмы и часовни, сохранившиеся жилые дома и традиционные хозяйственные постройки (ветряные и водяные мельницы, кузницы, риги и овины) (Рис. 25.2).
>
Рис. 25.2 Общий вид острова Кижи и локализация основных элементов культурного ландшафта
Традиционно визуальная структура ландшафта выявлялась посредством локализации точек, с которых открываются наиболее выигрышные виды (vantage points) - методика, впервые получившая обоснование в наставлениях по правильному "любованию пейзажами", написанных преподобным Уильямом Гилпиным еще в XVIII в. [Whyte, 2004].
Столетия развития пейзажной живописи, а позднее - пейзажной фотографии привели к развитию представлений о масштабах открывающихся сцен, которые различаются по ширине сектора обзора, глубине горизонта, а также наличии разных планов. В зависимости от ширины "развертки" все виды делятся на "секторные" (с различным угловым размером - 30o, 60o, 90o, и "панорамные" 180o, 270o и циркорамные (270o - 360o) - переднего, среднего, дальнего. Глубина горизонта различается для наблюдателя, находящегося на плоской равнине и для наблюдателя стоящего на вершине холма (горы) или на уступе плато. Естественно, пейзажи с удаленным горизонтом обычно имеют несколько планов: так, в горных или холмистых пейзажах, наблюдателю, находящемуся на оси речной долины (ущелья), могут открываться многочисленные планы, фиксируемые контрфорсами склонов...
Но далеко не все пейзажные сцены столь грандиозны: в равнинных условиях и боковые кулисы, и линия горизонта могут быть ограничены опушками зрелого леса; в городских условиях ту же функцию играют стены зданий и сооружений, транспортные эстакады или плотные рядовые посадки деревьев.
Выявление границ видимого пространства (визуальных бассейнов|viewsheds, визуальных конвертов|visual envelops или визуальных камер|visual cameras - в практике используются разные термины) процедура, хорошо знакомая архитекторам, и до недавнего времени она выполнялась вручную. Например, при определении зоны визуального восприятия памятника (необходимость, возникающая согласно ФЗ 73, обязывающего определять охранные зоны памятников истории, культуры и архитектуры) архитекторы обычно выделяют выигрышные точки восприятия, соединяя их линиями взгляда с фокусным объектом, затем, перемещаясь от одной точки к другой фиксируют сектора видимости в форме разверток, попутно выделяя экранирующие объекты и общие границы зоны видимости. Естественно, что чем более сложной является предметно-пространственная среда (культурный ландшафт с многочисленными историческими сооружениями, мелкомассивными лесами и биогруппами, или современная городская среда) - тем более трудоемкой оказывается вся процедура, и более ненадежными ее результаты.
Между тем, современные геоинформационные системы позволяют выделить (конфигурировать) визуальные пространства воспринимаемые с любой точки как части общей визуальной структуры ландшафта, называемые (в терминологии, используемой в том числе и разработчиками ESRI) "вьюшеды"|"viewsheds". В дальнейшем мы будем использовать термин вьюшед просто потому, что он закрепился в соответствующем инструментарии разных геоинформационных систем (ArcMAP10.x, SAGA GIS, QGIS-Next-GIS и др.).
Размер и конфигурация вьюшедов на любой территории определяются, во-первых, собственными свойствами ландшафта (пластика мезоформ рельефа, компоновка и архитектоника растительных биогрупп, наличие водных объектов и т.д.), во-вторых - локализацией и/или характером перемещений наблюдателя.
Понятно, что задача описания восприятия "отовсюду - вовне" изначально неразрешима, поскольку ведет нас к эффекту "дурной бесконечности": невозможно и бессмысленно описывать виды, раскрывающиеся из всех точек пространства во всех направлениях. Целесообразно действовать иначе - сначала максимально точным образом проследить треки перемещения и наиболее часто встречающиеся положения наблюдателя, затем - зафиксировать предпочитаемые "линии взгляда" используя множество геолинкованных фотографий, сделанных посетителями (туристами, рекреантами, экскурсантами).
В этом смысле музей-заповедник под открытым небом Кижи представляет уникальные возможности для исследования "географии поведения" наблюдателей: туристы прибывают сюда водным транспортом "порционно" (т.е., на теплоходах и метеорах с определенной пассажировместимостью в 80 - 120, или 220-330 человек), их пребывание ограничено известным отрезком времени (обычно 3-4 часа), в течении которого они успевают пройти вместе с экскурсоводом по маршруту основной экспозиции, с остановками в принятых точках развертывания экскурсионных сюжетов, а затем - получают приблизительно 1,5-2,0 часа свободного времени для самостоятельного осмотра более отдаленных мест острова. Но и в этом случае они перемещаются по проложенным грунтовым дорогам и тропам и останавливаются у известных объектов деревянного зодчества.
Оба вида туристско-рекреационной активности на острове Кижи – обязательная экскурсия по экспозиции музея-заповедника и свободное перемещение туристов группами и в одиночку- исследовались специально. Было выявлено [Колбовский, Медовикова, 2015], что восприятие аттрактивных ("притягивающих взгляд") объектов в пространстве ландшафта реализуется в результате особенной поисковой деятельности - осознанного или подсознательного перемещения человека в поиске оптимальных точек обзора.
Фиксация и хронометраж перемещений групп с экскурсоводами по основной экспозиции музея-заповедника, а также изучение особенностей свободного перемещения туристов по территории экспозиции и острова позволили определить основной набор элементарных перемещений, из которых складывается поисковая активность посетителей:
- локусы - сознательно выбираемые позиции и остановки на маршрутах, чаще всего приуроченные к выигрышным видовым точкам, точкам раскрытия прозоров на аттрактивные объекты;
- маршрутные отрезки - линейные участки перехода от одного объекта-аттрактора к другому;
- треки - более или менее короткие "маневровые" обходы объектов и поступательно-возвратные перемещения, совершаемые в поисках выгодных ракурсов и прозоров;
- галсы – короткие отклонения в одну или другую сторону от маршрута, вызванные желанием достичь "бокового ракурса", или просто выделиться из перемещающейся экскурсионной группы;
- ареалы – достаточные обширные площадки осмотра, сформированные вокруг всех наиболее выдающихся объектов экспозиции.
В результате были зафиксированы основные локации, в которых туристы останавливаются наиболее часто для осмотра памятников архитектуры с ближней дистанции, любования ими на среднем и дальнем планах, фотографирования. Выяснилось, что кроме естественным образом выделяющихся ареалов осмотра в ближайших окрестностях памятников архитектуры, к таким локациям можно отнести видовые площадки экспозиции, точки, выбранные сотрудниками музея-заповедника в качестве контрольных точек Плана Управления территорией (как объектом ЮНЕСКО), а также точки остановок на экотропах (Рис. 25.3a).
![]() |
![]() |
|---|
Рис. 25.3 a) Основные локации восприятия памятников архитектуры и ландшафтов острова Кижи, b) Выбранные для модели главные точки размещения условного "наблюдателя"
На основе анализа перечисленных локаций для последующего моделирования визуальной структуры культурного ландшафта острова Кижи были выбраны 15 точек размещения условного "наблюдателя" - Observer Points (Рис. 25.3b).
25.3. Моделирование вьюшедов как элементов визуальной структуры ландшафта
Целостный облик ландшафта формируется как результат сочетания разных видовых сцен, при этом один и тот же компонент и\или элемент ландшафта в разных сценах может выполнять различные функции: например, выступать в роли фокусов переднего плана, аттракторов среднего плана, боковых кулис дальнего планов, а также "работать" в качестве визуальных плоскостей "пола" или "потолка" сцены и т.д.
Картографирование локаций наблюдателя и объектов-аттракторов позволяет перейти к следующей стадии моделирования - конфигурированию различных элементов, составляющих в совокупности свойство "видимости" ландшафта. В ArcMAP10.x для этих целей используются инструменты набора Visibility группы 3D Analyst Tools.
Моделирование свойства видимости - не автоматическая процедура, поскольку предполагает разработку соответствующей гипотезы видимости на основе проведения полевых исследований, фотофиксации с геолинкованием фотографий и камеральной обработки имеющихся данных. Так, в условиях музея-заповедника "Кижи" (Рис. 25.4) с выраженной осевым гребнем и ассиметричными склонами озовой гряды, протянувшейся через весь остров, привершинными поверхностями отдельных холмов, полузамкнутыми акваториями заливов и котловинами верховых болот доминирующая роль границ визуальных субпространств или вьюшедов, принадлежит характеристическим линиям рельефа - гребне-килевым, линиям выпуклого и вогнутого перегиба, контрфорсам.
Рис. 25.4 Геоморфологическое строение острова Кижи
На относительно выровненных и обширных озерных террасах острова границы вьюшедов определяются опушками рощ, крупных (визуально "массивных") биогрупп и прибрежных рядовых насаждений (Рис. 25.5).
Рис. 25.5 Типология насаждений и древесно-кустарниковых групп острова по форме (плановой конфигурации) и размерности
В качестве исходных файлов для моделирования вьюшедов могут быть использованы:
- векторный слой точек обзора,
- векторный слой фокусных и аттрактивных объектов,
- растр Цифровой Модели Рельефа (ЦМР),
- векторный слой древесно-кустарниковых насаждений.
На первом шаге построения модели для векторов точек обзора и фокусных объектов извлекаются значения высот из грида ЦМР с помощью инструмента Extract by Points|Извлечь в точки (Spatial Analyst >> Etraction). Результат (Рис. 25.6) - появление поля RASTERVALUE со значениями высот каждой точки в соответствующих таблицах векторных слоев (Points_Observer, Attractive_Points).
Рис. 25.6 Файл точек обзора со извлеченными значениями относительной высоты над уровнем Онежского озера
На следующем шаге с помощью инструмента Viewsheds (3D Analyst Tools >> Visibility) выявляются границы ареалов видимости из каждой конкретной точки обзора (пока - без учета препятствий в форме древесно-кустарниковых групп). Перевод термина "обоюдная видимость" в русской версии указывает на возможность ответа на вопрос "какие другие точки обзора можно увидеть из данной конкретной точки". Таким образом, можно предварительно оценить границы видимости, контролируемые пластикой рельефа (Potential topographic viewsheds) [Guidelines for ... Visual Impact Assessment, 2013] и построить общую картину видимости для всех точек одновременно.
Для лучшего понимания самого концепции вьюшеда имеет смысл предварительно запустить утилиту для одной единственной точки обзора (точки наблюдателя - предварительно выбрав ее в векторном слое Points_Observer). На входе инструмента Viewsheds кроме точек обзора - грид высот ЦМР, на выходе - растр с видимыми и невидимыми областями.
![]() |
![]() |
![]() |
|---|
![]() |
![]() |
![]() |
|---|
Рис. 25.7 Ареалы видимости (вьюшеды), последовательно построенные для отдельных точек обзора (6, 3, 10, 13, 14,) начиная с южной оконечности острова Кижи, на последней схеме вьюшеды, открывающиеся с вершины Нарьиной горы (зеленым цветом обозначены видимые области, розовым - невидимые)
Приведенный пример (Рис. 25.7 ) построения областей видимости для шести точек хорошо демонстрирует роль пластики рельефа в ограничении вьюшедов (тем самым подтверждая нашу гипотезу): точки, находящиеся по одну сторону от пригребневой поверхности озовой гряды позволяют видеть только часть поверхности (соответственно - к западу или к востоку от осевой линии), таким образом центральный водораздел острова является одновременно и визуальным водоразделом, отсюда, собственно и этимология английского термина "viewshed" ("watershed"). Вьюшеды, построенные для всех точек обзора не перекрывают всей территории острова - остаются теневые ареалы, расположенные в пределах крутых вогнутых склонов или полузамкнутых и замкнутых котловин. Сравнение трех растров (видимых областей, растра уклона и растра относительной высоты) демонстрируют роль фактора относительной высоты и крутизны поверхности в конфигурировании вьюшедов.
![]() |
|
![]() |
|---|
Рис. 25.8 a) Вьюшеды, построенные для всех точек обзора одновременно, b) уклон и c) топографический индекс поверхности острова Кижи
На следующем шаге с помощью инструмента Visibility|Видимость (3D Analyst Tools) строится растр общих вьюшедов поверхности. В отличие от предыдущей, данная операции моделирует области наилучшего восприятия для каждой конкретной точки, поэтому в тех случаях, когда потенциальные области видимости разных точек перекрываются программа конфигурирует ареалы по оптимальности восприятия разделяя их границами. Интерфейс инструмента аналогичен предыдущему, но есть важная опция Analysis type|Тип анализа с вариантами FREQUENCY|ЧАСТОТА, когда в результате мы получаем совокупную картину видимости из разных точек и OBSERVERS|НАБЛЮДАТЕЛИ, когда на выходе - дифференцированные области принадлежащие разным точкам обзора. И тот и другой результат может представлять интерес для решения разных задач, но в данном случае нас интересует разделение территории на отдельные вьюшеды. Важно отметить, что для этого инструмента ArcMAP10.x существует ограничение на максимальное число точек локализации наблюдателя - 16.
|
![]() |
|---|
Рис. 25.9 Видимость a) совокупная из 16 точек и b) отдельные вьюшеды точек
Мозаика индивидуальных вьюшедов (Рис. 25.9b) демонстрирует значимость таких параметров пластики рельефа как поперечная и плановая кривизны, определяющих форму склонов: даже высоко расположенные точки обзора могут не обеспечивать видимость нижних частей выпуклых склонов.
25.4. Детализация модели визуальной структуры с учетом растительного покрова
Последующие шаги моделирования связаны с необходимостью учесть растительный покров территории: небольшие лесные массивы, рощи и отдельные плотные древесно-кустарниковые группы, опушки которых 'экранировать' взгляд наблюдателя.
Прежде всего необходимо подготовить особый слой, которые содержит только необходимые контура с параметрами их относительной высоты над уровнем земной поверхности – так называемый multipatch|мультипатч полигонов растительности. Необходимые полигоны (Рис. 25.10) выбираются с учетом высоты, возраста и плотности древостоя, в идеальном случае - верифицируются в полевых условиях или по фотографиям. Затем используется утилита Interpolate Polygon To Multipatch|Интерполировать полигон в мультипатч (3D Analyst >> Triangulated Surface), который создает объекты мультипатча путем наложения полигональных объектов на TIN-поверхность. Предварительно необходимо создать TIN с использованием отметок высот или горизонталей, которые в свою очередь могут быть получены из ЦМР с использованием инструмента Create TIN (Data Managment >> TIN). В диалоговом окне инструмента Interpolate Polygon To Multipatch на вход подается TIN-поверхность, и векторный файл полигонов растительного покрова.
Рис. 25.10 Мультипатч растительного покрова на фоне TIN-поверхности острова Кижи
Дальнейшее уточнение модели с включением препятствий – объектов растительного покрова – осуществляется использованием инструмента |Line Of Sight|Линия Видимости (3D Analyst >> Visibility). Физический смысл этого параметра несложен: линия взгляда - это оптическая ось, которая соединяет локацию наблюдателя с фокусным объектом. Обычные фотографии, которые делают туристы, стремясь запечатлеть тот или иной объект с некоторой (неблизкой) дистанции - например памятник деревянного зодчества - представляют прекрасный материал для изучения линий взгляда и это обстоятельство, широко используется в современном ГИС-моделировании. Инструмент Line Of Sight дифференцирует оптические оси на видимые и невидимые (поглощенные препятствиями) отрезки; еще одним результатом являются "точки преткновения", в которых оси встречаются с экранирующими объектами - опушками мелкомассивных насаждений, рядовыми посадками и древесно-кустарниковыми группами.
Для начала, однако, необходимо выстроить собственно линии взгляда, соединяющие точки обзора с объектами-аттракциями с помощью инструмента Construct Sight Lines|Построить линии взгляда (D Analyst >> Visibility. Инструмент имеет достаточно сложное диалоговое окно, позволяющее учесть необходимые параметры. На входе - файл Observer Points|Точки Обзора c указанием поля высоты в позиции Observer Height Field|Высота Точки Обзора, файл Target Features|Целевые Точки с указанием поля высоты в позиции Target Height Field|Высота Целевой Точки; важным является поле Join Field|Соединение, относящееся к таблице файла Точек Обзора и позволяющее указать для каждой точки только один целевой объект.
|
|
|
|---|
Рис. 25.11 Построение линий взгляда от всех 16 точек обзора а) ко всем целевым объектам, b) к выбранным четырем памятникам архитектуры, c) к одному целевому объекту - Церкви Преображения Господня
Попытка построить визуальные оси одновременно для всех точек обзора и целевых аттрактивных объектов приводит к очень сложной картине (Рис. 25.11a), которую можно интерпретировать только как развертку: множество осей формируют плотностные сектора, близкие к феномену "вист. Более полезная картина получается при ограничении одного из двух входных параметров - числа точек обзора, или набора целевых объектов. Используем вторую возможность, т.е., смоделируем линии взгляда на четыре главных объекта экспозиции музея-заповедника "Кижи" - деревянные церкви, расположенные в центральной, южной и северной частях острова (Рис. 25.11b), а затем только на центральный объект - Церковь Преображения Господня (Рис. 25.11c). Очевидно, что последние две модели демонстрируют хорошо интерпретируемые распределения.
Полученные файлы Линий взгляда используются для моделирования реальных Линий Видимости с учетом не только рельефа местности, но и препятствий - в данном случае это биогруппы растительности. Входными для инструмента Line Of Sight|Линии Видимости (3D Analyst >> Visibility) являются файлы ЦМР (Input Surface), файл Линии Взгляда (Input Line Features) и файл препятствий - Мультипатч растительного покрова (Input Features). На выходе - кроме файла Линий видимости с видимыми и невидимыми отрезками можно получить и файл препятствий (Output Obstruction Point Feature Class).
![]() |
|
|---|
Рис. 25.12 Линии видимости с учетом препятствий, создаваемых растительностью острова a) для четырех церквей, b) для единственного целевого объекта - Церкви Преображения
Роль растительного покрова как препятствия для наблюдения целевых объектов из точек обзора становится наглядной при сравнении моделей Линий взгляда с моделями Линий видимости. Как и следовало ожидать, роль древесно-кустарниковой растительности возрастает в условиях относительно плоского равнинного рельефа, когда даже отдельные компактные биогруппы могут заслонять целевой объект (Рис. 25.13).
Рис. 25.13 Препятствия Линий Видимости Церкви Преображения в виде отдельных биогрупп и рядовых посадок в южной части острова
Линия видимости от видовой точки 11, расположенной к западу от гребневой линии оза в тыловой части низкой террасы "упирается" в биогруппу, линия видимости от точки 10 (островок Гоголев) также "натыкается" на рядовые посадки деревьев, аналогично и линия от точки 13 на деревянной пристани деревни Васильево.
Подобного рода анализ (верифицированный фотодокументированием на месте) незаменим в проектировании, например при определении границ зон "охраняемого ландшафта" в окрестностях памятников истории, культуры и архитектуры. Вообще в условиях, когда основных объектом охраны является именно культурный ландшафт, процессы естественной экореабилитации не всегда являются желаемыми, поскольку ведут к "закрытию" некогда обитаемого пространства и деформации исторических пейзажей. В этом смысле визуальный анализ и построение специальных моделей могут подсказать параметры целевого состояния культурного ландшафта. Небесполезен и "бонусный" файл точек препятствий (obstructions points), с помощью которого можно определить экранирующие (и деформирующие или обесценивающие традиционный пейзаж) объекты.
Intervisibility|Взаимная Видимость - еще один полезный инструмент визуального анализа 3D Analyst >> Visibility, позволяющий определить видимость с учетом рельефа поверхности и препятствий для взгляда. На входе файлы: Sight Line|Линии Взгляда, Obstructions|Препятствия а также ЦМР и Мультипатч растительного покрова. Результат прописывается в тот же файл Линии взгляда как новое поле Visible с бинарным значением, где 1 – видимые отрезки, 0 - невидимые. С помощью этой утилиты можно найти точку обзора, с которой видны все остальные точки обзора; именно такая точка - vantage point - может быть выбрана как точка мониторинга визуально-эстетических свойств ландшафта.
Рис. 25.14 Точка визуального мониторинга с абсолютной взаимной видимостью остальных 16 точек обзора, установленная с помощью инструмента Intervisibility
Инструмент Skyline|Линия горизонта (3D Analyst >> Visibility) может использоваться для уточнения границ конкретного вьюшеда, поскольку очерчивает воображаемую линию, отделяющую небо от поверхности и объектов, окружающих каждую точку наблюдателя. Инструмент также воспроизводит силуэты, которые могут использоваться инструментом Skyline Barrier|Граница видимости для создания теневых объемов. Перед запуском Skyline необходимо превратить вектор Точек обзора в 3D объект утилитой Feature To 3D By Attribute|Объекты в 3D по атрибуту (3D Analyst >> 3D Features). На входе инструмента Линия горизонта – Точки обзора, ЦМР, а также, в позиции Input Features - объекты, которые участвуют в формировании линии горизонта, в данном случае – Мультипатч растительного покрова.
<![]() |
![]() |
|---|
Рис. 25.15 a) Линии горизонта для 16 точек обзора для четырех церквей b) Линия горизонта для Церкви Преображения
В свою очередь файл Линия горизонта является входным для инструмента Skyline Barrier|Граница Видимости вместе с файлом Точки обзора. Результат работы обоих инструментов имеет смысл рассматривать как целостную модель, позволяющую уточнить предварительные (полученные только по рельефу) границы вьюшедов.
![]() |
![]() |
|---|
Рис. 25.16 a) Визуальные бассейны и конверты острова Кижи b) увеличенный фрагмент
Итоговый файл по результатам оверлея демонстрирует наличие структур двух пространственных порядков: больших, которые так или иначе дифференцируются характеристическими линиями рельефа и которые можно назвать визуальными бассейнами, и меньшими, которые выделяются либо по вторичным характеристическим линиям (контрфорсам склонов), либо по экранирующим опушкам рощ и древесно-кустарниковых групп, эти подпространства можно называть визуальными конвертами.
25.5. Использование геолинкованных фотографий для типологии визуальных сцен
К дополнительным возможностям визуального анализа в ArcMAP10.x относится возможность работы с геопривязанными фотографиями. Плотность точек съемки позволяет определить популярность того или иного места в пространстве ландшафта. Анализ запечатлеваемых на фотографиях сцен поможет классифицировать видовые (пейзажные) сцены и оценить эстетические свойства ландшафта, представляющиеся ценными для посетителей.
Для использования геопривязанных фотографий в моделях ArcMAP10.x необходимо предварительно получить файл точек съемки с помощью утилиты GeoTagged Photos To Points|Фотографии с геометками в точки (Data Management >> Photos), которая считывает широту, долготу и высоту, сохраненные на фотографиях с геотегами; при необходимости утилита добавляет файлы фотографий к объектам в выходном объектов в качестве вложений базы геоданных.
Выходной класс объектов будет содержать следующие поля атрибутов:
Name — краткое имя файла с фотографией, например, Pic0001.jpg
DateTime - исходная дата и время съемки файла фотографии, например, 2013:11:21 10:12:00
Direction - направление, значения этого поля варьируются от 0 до 359,99, где 0 указывает на север, 90 на восток и так далее (возможность использования этой опции в значительной мере определяется классом фотокамеры или мобильного телефона. У большинства фотоаппаратом любительского уровня в соответствующем полем будет запись -9999, и даже там, где этот угол зафиксирован, точность его определения невелика)
Самостоятельный и весьма удобный способ получения шейп-файла геопривязанных фотографий предоставляет программа Global Mapper с простой загрузкой JPG-файлов (каждая фотография отобразится в Центре Управления Оверлеями как отдельный файл Features) и последующим экспортом в точечный вектор (Файл >> Экспорт >> Экспорт Векторов >> Shapefile >> Экспорт Точек). В опциях диалогового окна кроме выбора названия файла (Экспорт точек) следует проверить наличие "галочки" в позициях Add ELEVATION Attribute to DBF|Добавить Aтритубы ВЫСОТЫ к файлу DBF и Создавать файл проекции PRJ. Global Mapper "прописывает" путь к файлу в поле IMAGE_LINK, высоту точки съемки в строковом (string) поле ELEVATION и время съемки в поле TIMESTAMP.
Полученный слой точек съемки Photo Points может быть использован для оценки "притягательности" места, если исходить из простого предположения, что наиболее аттрактивные объекты привлекают к себе наибольшее число туристов и запечатлеваются "на память" посредством фотографирования. Естественно, выборка точек должна быть достаточно большой, чтобы объективно отражать вкусы посетителей.
Рис. 25.17 Точечный слой геопривязанных фотографий, сделанных на острове Кижи
В качестве простого способа для оценки аттрактивности через множество точек съемки может использоваться инструмент Point Density|Плотность Точек (Spatial Analyst Tools >> Density), который будет косвенно (но при этом - достоверно) отображать плотность посещения и пребывания туристов в каждом данном месте экспозиции музея-заповедника. На вход инструмента подается векторный файл Photo Points|Точек съемки; диалоговое окна содержит две опции: Neighborhood|Форма соседства (здесь логично выбрать окружность, предполагая, что посетители, выбирая выгодные точки съемки, так или иначе, совершают круговые перемещения вокруг объекта) и Radius|Дистанция. Эту опцию нежелательно оставлять в состоянии "по умолчанию" поскольку от нее зависит результат. В нашем случае этот показатель говорит о том, на какое расстояние способен отклониться фотограф в поиске оптимальной точки фотографирования. Отметим, что эта дистанция может быть определена экспертно (полевыми наблюдениями за поведением туристов), либо картометрически, после того как точки съемки будут соединены с объектом фокуса фотографии (см. ниже).
|
|
< |
|---|
Как можно убедиться увеличение расстояния поиска до 100 м, позволяет охватить наиболее далеко отстоящие от объектов точки съемки (Рис. 25.18b ), но при этом мы жертвуем точностью конфигурирования ареалов с наибольшей плотностью, к которым приурочено абсолютное большинство точек фотографирования. К тому же меньшая дистанция (Рис. 25.18a) позволяет дополнительно выделить ареалы, в пределах которых никто не фотографирует - что может представлять отдельный интерес например, при проектировании новых участков музейной экспозиции или экологических троп. Мы также можем сравнить плотность точек съемки с плотностью объектов экспозиции (Рис. 25.18с), чтобы убедиться, что первая величина не является простой функцией второй: ареалы повышенной плотности формируются не только в окрестностях объектов наследия, но также и на всех положительных формах рельефа, обеспечивающих хороший обзор и возможность фотографирования панорамных пейзажей, например - на пригребневой поверхности оза или привершинной поверхности Нарьиной горы. Кроме того, особую группу образуют ареалы съемки с акватории Онежского озера. "Нагруженными" оказываются и пути перемещения туристов организованными группами вдоль основного экскурсионного маршрута.
Дополнительные возможности для содержательного анализа эстетики ландшафта и аттрактивности его отдельных элементов предоставляет семантический анализ и классифицирование видовых сцен. На сегодняшний день уже существуют и постоянно совершенствуются автоматизированные алгоритмы распознавания главных компонентов фотоизображения: крупных форм рельефа (например отдельных гор или хребтов, неба над линией горизонта, акваторий, акцентных деревьев-солитеров на переднем плане и древесно-кустарниковых биогрупп на среднем, искусственных объектов - зданий и сооружений и т.д.). Это обстоятельство сделает возможным в ближайшем будущем семантический анализ огромных объемов накопленных геопривязанных изображений, что, в свою очередь, позволит более обосновано подойти к анализу эстетических предпочтений разных (возрастных, этнических, социальных) групп населения в целом и туристов - в частности. Разумеется, ничто не мешает в случае необходимости и при относительно небольшом количестве (сотни или первые тысячи фотографий) провести семантический анализ экспертно, используя вполне обычные возможности ГИС-моделирования.
Первая из таких возможностей - использование свойства всплывающих окон html popup, которое позволяет открывать щелчком оператора мышь на векторном слое и рассматривать фотографии, сделанные в конкретных точках съемки. Фотографии могут быть "привязаны" как к точкам съемки, так и к векторам, соединяющим эти точки с фокусными объектами фотографирования, что может оказаться полезным, например, при анализе системы прозоров на целевой объект, выборе оптимальных вантажных точек или определении границ видимости.
Для актирования свойства всплывающего окна необходимо проверить наличие в соответствующем векторном слое точек съемки поля, указывающего путь к каталогу с фотографиями: Path - после обработки каталога в ArcMAP10.x или IMAGE_LINK - после обработки в Global Mapper. Отметим, что если по каким-то причинам каталог был перенесен, такое поле (например - Photolink) можно создать вручную. Поскольку таблица точек съемки в любом случае уже содержит поле (скажем, поле NAME) с наименованиями файлов залинкованных фотографий (например, IMG4702.jpg), остается только прописать в поле Photolink путь к каталогу фотографий с помощью калькулятора выражений используя в выражении знак конкатенации (сцепления):
если предположить, что фотографии находятся на накопителе D в папке Kizhi.
Инструмент Hyperlink основной панели TOOLS ArcMAP10.x требует дополнительной настройки двух вкладок диалогового окна LayerProperties|Свойства Слоя векторного файла точек с геопривязанными фотографиями: на вкладке Display в позиции Hyperlink ставится "галка" в строке Support Hyperlink using field|Поддержка Гиперсвязи с использованием поля и указывается наименование поля пути (Path или IMAGE_LINK), затем на вкладке HTML popup надо поставить отметку Show content for this layer using the HTML Popup tool|Показать содержание слоя, используя окно HTML.
Рис. 25.19 Диалоговое окно настройки Свойств Слоя, окна Display
Настроенный таким образом инструмент Hyperlink срабатывает при наведении указателя мыши на точку съемки. Геолинкованные фотографии с эффектом Popup позволяют выстроить линии взгляда (оптические оси), соединяющие точку съемки с фокусным объектом фотографии, т.е., заполнить поле Direction|Направление шейпа векторов точными данными. Для этого, разумеется, эксперт предварительно должен просмотреть все фотоизображения, выделить фокусные объекты и найти их на соответствующем слое ГИС-модели.
Рис. 25.20 Срабатывание инструмента Hyperlink после щелчка RCM
Подобная операция может быть осуществлена практически для любых фотографий, кроме изображений панорамного охвата c богатым набором разнообразных объектов на многих (ближнем, среднем, дальних) планах. Но такие фотографии, как правило, делаются при попытке запечатлеть обширные сцены и охватывают визуальные бассейны площадью многие десятки квадратных километров. На территориях меньшей размерности, например, в пределах экспонирующих культурный ландшафт музеев под открытым небом подавляющее число фотоизображений, сделанных посетителями, имеют некий центральный объект, в роли которого могут выступать отдельные памятники архитектуры и природные объекты (часто - их элементы).
Экспертный выбор фокусных объектов фотоизображений может быть значительно облечен посредством использования практически любого растрового редактора и применением фильтров для избавления от мелких деталей и большого числа цветовых оттенков. В результате пространство изображения дифференцируется на основные объекты, различающиеся конфигурацией, цветом и текстурой и составляющие так называемую архитектонику, т.е., основу композиции видовой сцены [Nijhuis, van Lammeren, van der Hoeven]. Подобная трансформация первоначального изображения позволяет выделить фокусный объект, а также провести анализ композиции и визуальных функции отдельных компонентов и элементов ландшафта. На рис. 25.22 продемонстрированы результаты обработки фотография одним из возможных способов - фильтром масляная живопись из набора Effects программы XnView.
Рис. 25.21 Результаты обработки фотографий фильтром "масляная живопись" в программе XnView для Windows
Выстраивание векторов Линии взгляда вручную - многотрудная, но чрезвычайно полезная задача, особенно если она выполняется параллельно с полевыми исследованиями: когда сначала делаются снимки в поле с тщательной фиксацией точек и объектов съемки однако, а затем в камеральных условиях и точки съемки и объекты и соединяющие их вектора моделируются в специальных слоях ГИС-модели. Замечено, что несмотря на хорошую зрительную память, свойственную представителям "полевых профессий" (географы - в их числе) камеральный анализ часто позволяет делать настоящие мини-открытия относительно визуальной структуры реального ландшафта (неважно - культурного или "дикого"). На фотографиях часто "выскакивают" объекты, незамеченные при посещении: новые интересные аттракторы или напротив, досадные деформирующие пейзаж предметы наподобие ящика понижающего трансформатора поставленного перед (не сбоку и не сзади) живописной старинной часовни.
Рис. 25.22 Вектора оптических осей, соединяющие точку съемки и фокусный объект фотоизображения
Инструмент Add Geometry Attributes|Добавить атрибуты геометрии (Data Managament >> Features|Пространственные объект) позволяет рассчитать несколько параметров, из которых для векторов Линий взгляда значимы параметры длины (поле LENGTH) и направления (поле LINE_BEARING), при условии что они отмечены при запуске в позиции Geometry Properties. Направление измеряется в градусах по часовой стрелке, где 0o - направление на север, 90o - на восток, 180o на юг, и 270o
Интересно, что вектора формируют собственное поле плотности очертания которого можно выявить с помощью инструмента Line Density|Плотность Линий - (Spatial Analyst Tools >> Density) и оно не идентично полю плотности точек съемки, поскольку концевые части линий векторов совпадают с объектами фокуса; последние, кстати, можно извлечь из векторов утилитой Feature Vertices To Points|Вершины объектов в точки с опцией End|Концевые точки. Как и следовало ожидать, поле фокусных точек распределено более неравномерно и имеет "вершины", одна из которых приурочена к главному объекту экспозиции - церкви Преображения, другая - к господствующей привершинной поверхности - Нарьиной Горе. Это обстоятельство объясняет нам наиболее популярные приемы построения пейзажных сцен с двумя главными доминантами - архитектурной и природной. Так или иначе в результате полуавтоматического моделирования линий зрения, прозоров, визуальных связей, линий горизонта и боковых кулис в распоряжении исследователя оказывается ценный материал, позволяющий репрезентировать пространство ландшафта с новых позиций, и, что важнее - провести типологию видовых сцен. Одновременный учет длины и направленности векторов а также локализации фокусных объектов позволяет разработать своего рода классификацию пейзажных сцен с использованием кластерного анализа. Некоторые типы визуальных сцен приведены ниже на фотографиях, сделанных на острове Кижи осенью 2016 г. Современные геоинформационные системы предлагают средства трехмерного (3D) отображения и моделирования пространственной среды. В ArcMAP10.x существует специальное приложение ArcScene, позволяющее воспроизводить реальность любой сложности и это обстоятельство делает предоставляемые возможности весьма полезными при исследовании эстетических свойств ландшафта. Алгоритм конструирования 3D-сцен в ArcMAP10.x описан в соответствующих on-line руководствах и сводится к следующим последовательным шагам: Аналитический потенциал 3D модели связан с данными, полученными в ходе моделирования вьюшедов, линий визуальных преград, векторов оптических осей, вантажных точек наблюдения и фотосъемки: все эти слои могут быть последовательно добавлены к модели. Модель может быть развернута в пространстве под любым необходимым углом (в аксонометрии), отдельно могут быть изменены условия освещения. Использование модели позволяет провести содержательный анализ различных компонентов ландшафта и их визуальных функций. Так, границы вьюшедов (как крупных - визуальных бассейнов, так и локальных - визуальных конвертов) легче интерпретировать используя 3D поверхность острова. 3D модель острова хорошо иллюстрирует выявленную ранее закономерность: мезорельеф с выраженной пригребневой поверхностью озовой гряды и отдельными боковыми контрфорсами ребер определяет конфигурацию визуальных конвертов, охватывающих амфитеатры склонов, а плоскости озерных террас образуют более обширные визуальные бассейны. 3D-модель острова наглядно демонстрирует, что внутреннее (в пределах конвертов) наполнение сцен почти целиком обусловлено состоянием растительности: луга на террасах формируют "основание", кустарники – плотные объемные "массы", отдельные деревья и куртины – акценты и фокусы средних и ближних планов, рядовые посадки - боковые кулисы, древесные массивы – опушки дальних планов. Растительность в совокупности контролирует свойство "открытости-закрытости" вьюшедов: так полуоткрытые ландшафты могут представлять собой луга с единичными куртинами кустарников, либо редины с равномерно размещенными деревьями. Таким образом полноценные 3D-имитации, построенные на основе цифровой модели рельефа, а также векторные слои, отображающие напочвенный растительный покров в сочетании с возможностью точной привязки фотографий, дают возможность выявить относительные визуальные функции различных элементов (в плане) и компонентов (по вертикали) ландшафта в рамках конкретных ландшафтных сцен. Трехмерные модели - хороший способ исследования и мониторинга визуального облика ландшафта и эстетических свойств его отдельных компонентов (рельефа, растительного покрова) и плановых элементов (урочищ). Модель позволяет сформулировать требования к эстетическим аспектам целевого состояния ландшафта, в частности определить оптимальную степень его открытости/закрытости, соотношение и пропорции луговых и залесенных участков, проектировать очертания внешней опушки насаждений, выявить возможные причины визуальных деформаций. Наконец ГИС-моделирование эстетических качеств ландшафта - надежный метод для выявления потребительских предпочтений в сфере туризма и рекреации, и потенциал этого метода будет только возрастать с распространением публичных сервисов, позволяющих пользователям выкладывать собственные фотографии и делиться впечатлениями.

Рис. 25.23 a) Плотность фокусных точек фотосъемки b) плотность линий оптических осей фокусных объектов
Таблица 25.1 Типология видовых сцен по параметрам длины и направления визуальной оси и фокусного объекта фотоизображений
Типы визуальных сцен
Угловой размер
Длина визуальной оси, м
Диапазоны видимых областей (S, га)
Разнообразие и сочетание планов
Характер фокусировки
Типичные фокусные объекты или объекты-аттракторы
Панорамы из комбинированных сцен, снятых с господствующих вершин острова
циркумрамные или широкосекторные
897 - 2305
32,3- 54,2
средний и дальний планы, либо несколько дальних планов
децентрализованная с несколькими объектами в разных частях панорамы
объекты на линии горизонта
Сцены с главным объектом экспозиции – церковью Преображения Господня
широко-секторные
375 – 696
32,3- 54,2
передний, средний и дальний планы, передний и дальний
центральная-акцентированная на объекте, который может находится на переднем, либо средних планах
ансамбль церкви Преображения Господня
Сцены с другими памятниками деревянного зодчества в качестве аттракторов
средне-секторные
25 – 133
6,3- 12,2
передний и средний планы
центральная-акцентированная на объекте, который может находится на переднем, либо средних планах
памятники архитектуры в том числе часовни, ветряные мельницы, старинные жилые дома
Сцены "визуальные коридоры"
узко-секторные
697 – 1018
11,2-18,6
средний и дальний планы
центрально-фокусная на объекте аттракторе дальнего плана
объекты наследия, расположенные на господствующих высотах гребня оза и водно-ледниковых холмов
Выдающиеся сцены с несколькими хорошо выраженными планами
широко-секторные
697 – 1018
18,6 – 32,3
средний и дальний планы
дифференцированная на несколько аттракторов, принадлежащих разным планам
объекты линии горизонта на дальних планах, объекты акватории Онеги, памятники на пригребневых и привершинных поверхностях, объекты низины верховых болот, биогруппы на средних планах, объекты на переднем плане
Локальные сцены восприятия архитектурных объектов и сцены фотоохоты
узко-секторные
12 - 52
2,4-5,0
передний и средний планы
один, реже два аттрактора на переднем и\или среднем планах
памятники деревянного зодчества, акцентные деревья и\или древесно-кустарниковые группы
Сцены, содержащие разнообразные локальные природные объекты
узко-секторные
12 - 52
2,4-5,0
передний и ближне-средний планы
один, реже два аттрактора на переднем и\или среднем планах
отдельные деревья-солитеры, изолированные биогруппы, ровница, крупные валуны и проч
Сцены макросъемки
лучевые
0,6 - 8,0
0,03 – 1,4
приближенный передний план
отдельные детали объекта-аттрактора, либо объекты макросъемки
отдельные элементы архитектуры (сходни, окна, венцы, бутовая кладка) и природы (валуны, деревья)
Сцены с акватории озера
широко-секторные
22 - 234
5,0 – 11,2
средний и дальний планы
два реже три аттрактора среднего и дальнего планов
береговые насаждения, отдельные объекты на плоскости террасы или привершинных поверхностях
Рис. 25.24 Типы видовых сцен: 1) сцена с главным объектом экспозиции – церковью Преображения Господня, 2) панорама (фрагмент) - сцена, снятая с вершины Нарьиной горы, 3) сцена с несколькими памятниками деревянного зодчества в качестве аттракторов на разных планах (ближнем и дальнем), 4) сцена включающая акваторию озера в качестве визуальной (отражающей небо) плоскости, 5) сцена с памятником архитектуры на ближнем плане и дополнительным аттрактором (одиночное дерево "солитер") на среднем плане, 6) локальные сцена восприятия деталей архитектурного объекта, 7) сцена макросъемки с озерным "фоном", 8) сцена визуальный коридор - прозор на северную часть острова с часовней Трех Святителей
25.6. Использование 3-D сцен для верификации визуальной структуры ландшафта
Рис. 25.25 Шаги построения 3D модели острова Кижи: a) TIN-поверхность, b) драпировка растровым слоем теневой отметки Hillshade, c) наложение векторных слоев ситуации d) наложение точечных слоев отдельных деревьев и памятников архитектуры с эскизами SketchUp
Рис. 25.26 Демонстрация слоев визуального анализа: границы визуальных бассейнов (желтые линии), вектора основных "прозоров" на центральный объект экспозиции (фиолетовые линии), точки обзора ("булавки")
Рис. 25.27 Демонстрация функциональной роли пластики рельефа в дифференциации основных визуальных бассейнов с использованием 3D-модели острова Кижи: a) типы мезорельефа острова - фиолетовые тона - пригребневые и склоновые поверхности осевого оза, коричневые тона - фрагменты высоких абразионных террас, желтые тона - комплекс низких абразионно-аккумулятивных террас, зеленые тона - основная поверхность превышения и понижения озерной поймы, b) визуальные бассейны, выявленные инструментом Visibility
Рис. 25.28 Визуальная структура острова: двойная белая линия - граница визуальных бассейнов, простая белая линия - граница визуальных конвертов
























