Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии

Подождите немного. Документ загружается.

Метрическая информация. Она передает метрическую

(измерительную) характеристику объекта, т.е. координаты,

размеры. Эта информация относительно проста и однородна по

структуре, в силу чего она является сильно типизированной.

Метрическая информация в ГИС содержит координатные данные и

некоторые (числовые) атрибутивные данные.

Качественным отличием цифровых моделей, полученных по

реальным измерениям, является точностная характеристика

модели. Она обусловлена ошибками измерений и последующими

ошибками вычислений при геометрическом моделировании. Этот

параметр определяет применимость цифровой модели, в частности,

при получении графических реализаций в разных масштабах.

Атрибутивная информация. Это информация о свойствах и свя-

зях объектов. В ГИС она включает атрибутивные данные и

метаданные. Она может подразделяться на семантическую,

технологическую и другие виды. Тем не менее все эти виды

информации можно назвать семантическими, хотя с учетом

сложившейся в ГИС терминологии более правильно называть ее

атрибутивной.

Этот тип информации определяет принадлежность точек или

объектов к определенному классу или объекту (сложный или

простой объект), описывает свойства объектов и их частей, задает

взаимосвязи и условия обработки, условия воспроизведения и т.п.

В общем виде эта информация неоднородна, сложна по

структуре и является слабо типизированной, поэтому для создания

ЦММ требуются анализ, классификация и типизация атрибутивной

информации. Эта информация должна быть разбита на более

мелкие группы, имеющие достаточное число сходных признаков,

т.е. типизирована в достаточной степени для использования ее в

базах данных.

Синтаксическая информация. Она определяет

последовательность работы при корректировке или обновлении

ЦММ, правила построения и представления ЦММ. Эта

информация типизирована.

Первые два типа информации (метрическая и атрибутивная)

определяются логической структурой ЦММ и не зависят от выбора

СУБД. В силу этого их можно назвать внутренними по отношению

к ЦММ.

Синтаксическая информация зависит от технологии

использования ЦММ с учетом конкретных технических средств и

их возможностей. Например, она определяется разрешающей

способностью монитора и его цветовой палитры, разрешением

принтера или плоттера, погрешностью дигитализации или

фотограмметрической обработки и т.д. Она является внешней по

отношению к ЦММ, зависит от выбора СУБД и технологии

обработки информации и поэтому находится в тесной взаимосвязи с

физической структурой ЦММ.

158

Логическая и физическая структура ЦММ

Понятия логической и физической структуры ЦММ являются

развитием и расширением понятий логической и физической

модели данных.

Логическая структура ЦММ определяется как совокупность

схем и логических записей, описывающих данную ЦММ. Такая

характеристика относится к описательным.

Схемы, составляющие логическую структуру ЦММ, могут

быть различными в зависимости от назначения и принципов

построения (см. рис.6.1 и 6.2).

Логическая структура обусловливается концепцией и

методологией моделирования. Она может включать схемы

взаимосвязи частей ЦММ в натуре, в базе данных, схемы

взаимосвязи свойств ЦММ и схемы построения ЦММ. Она

содержит логические записи, составляющие информационную

основу. Элементом логической структуры ЦММ является

логическая запись.

Физическая структура ЦММ определяется способом

реализации логической ЦММ на конкретной технической основе.

В частности, она задается форматом записи данных, хранимых на

носителях информации. Элементом физической структуры ЦММ

является физическая запись.

Топологически цифровые модели (схемы) в зависимости от их на-

значения и области применения могут быть отображены с

помощью иерархических, сетевых и других базовых моделей.

Требование инвариантности моделирования обусловливает

максимальную независимость физической структуры ЦММ от

технологий и технических средств.

Свойства ЦММ

Целостность. При обработке данных в БД недостаточно, чтобы

ЦММ просто отражала объекты реального мира. Важно, чтобы

такое отражение было однозначным и непротиворечивым. В этом

случае говорят, что ЦММ удовлетворяет условию целостности

(integrity). Целостность ЦММ имеет два значения: как объекта БД

и как модели реального объекта.

Целостность ЦММ как объекта базы данных определяется

требованиями СУБД и соответствует понятию целостности ин-

формации в БД. Для достижения целостности исходная

информация

159

должна быть типизирована и струтурирована. Такая

целостность позволяет осуществлять работу с ЦММ как с

элементом базы данных, направлять к ней запросы, проводить

фильтрацию, получать справки или отчеты.

Целостность ЦММ как модели реального объекта

определяется требованием получения проекта карты или

картографической композиции средствами ГИС. Для

достижения такой целостности информация должна быть

полной, актуальной и отвечать требованиям точности при

получении данного проекта карты. Например, информация

должна включать не только собранные на местности данные, но

и библиотеки условных знаков, которые хранятся в БД

независимо от ЦММ. В данном случае целостность ЦММ как

модели объекта обусловливается полнотой информации БД.

Другой пример: точностные требования, позволяющие

строить карту масштаба 1:1 000 000, не соответствуют

точностным требованиям для масштаба 1:2 000, в силу чего

метрические данные ЦММ мелкого масштаба не пригодны для

построения карт крупного масштаба.

Дискретность. ЦММ относится к классу дискретных

моделей. Это обусловлено необходимостью хранения ЦММ как

объекта дискретной базы данных. Геометрическая часть ЦММ

может содержать отдельные точки поверхности объектов. Тем

не менее ЦММ позволяет строить непрерывные линии и

поверхности, т.е. получать аналоговые модели (аналоговые

карты), за счет совместного использования метрической и

семантической информации.

Отметим противоречие, заключающееся, с одной стороны, в

необходимости выделения большей информативности модели,

что увеличивает объем модели, с другой - в необходимости

минимизации информационных объемов, обусловленной

ограничениями машинных носителей информации и

требованием максимальной скорости обработки данных.

Многофункциональность. ЦММ должны быть легко

адаптируемыми для решения различных задач. Графическое

отображение ЦММ не должно зависеть от средств

воспроизведения графической информации. Например, одна и

та же ЦММ может использоваться для получения карт

масштабного ряда.

Для многократного использования ЦММ нужны

дополнительные данные: описатели, классификаторы,

нормативные данные, правила применения и т.д. Обычно их

называют метаданными. Они хранятся в словаре данных (data

dictionary).

Виды моделирования

Рассмотрим работу с цифровыми моделями в соответствии с

тремя системными уровнями: сбор и первичная обработка

информации, хранение и обновление, представление

(отображение).

При сборе информации для построения цифровых моделей

используются автоматизированные средства регистрации и

автоматизированных технологий. Источниками информации

служат карты, таблицы, спецификации, геодезические

координаты точек и объектов местности, координаты точек на

аэрокосмических и наземных фотоснимках, данные, получаемые

по телевизионным и/или радиолокационным снимкам,

телеметрические данные, информация, считываемая с планов и

карт, данные о допусках и погрешностях, дополнительная

информация текстового характера.

После сбора первичных данных на уровне хранения и

обновления информации осуществляются симплификация,

унификация, коррекция информации, содержащей ошибки и

дополнения к ней. Таким образом, формируется

унифицированная совокупность данных, одинаковая для

различных средств и технологий сбора, позволяющая в

дальнейшем применять ее для получения чертежей и планов не

одного, а нескольких смежных масштабов.

На уровне представления ЦММ отображается цифровая

информация в виде, удобном для пользования. ЦММ может

генерироваться из разных моделей. Визуальное представление

ЦММ реализуется на современных устройствах вывода

информации.

Технологически можно выделить следующие виды

моделирования [14]: семантическое, инвариантное,

геометрическое, эвристическое, информационное. Они

проявляются на разных системных уровнях обработки

информации в разной степени.

Семантическое моделирование взаимосвязано с задачами

кодирования и лингвистического обеспечения, поэтому оно в

большей степени используется на уровне сбора первичной

информации. Это обусловлено также большим объемом и

разнообразием входной информации, сложностью ее структуры,

возможным наличием ошибок.

Чем более разнородна входная информация по структуре и

содержанию, чем менее она унифицирована, тем больший объем

семантического моделирования применяется в подсистеме

сбора.

Инвариантное моделирование основано на работе с полнос-

тью или частично унифицированными информационными

элементами или структурами. Его эффективность доказана

опытом применения преж

де всего САПР и других АС. Этот вид моделирования предполагает

использование групповых операций, чем обеспечивается

повышение производительности труда по сравнению с

индивидуальным моделированием.

Инвариантность создает предпосылки для широкого

применения наборов программно-технологических средств

независимо от конкретного вида (особенностей) моделируемого

объекта. Она предусматривает использование общих свойств

моделируемых объектов (свойства типов или классов)

безотносительно к техническим средствам и специфическим

характеристикам отдельных объектов.

Этот вид моделирования обеспечивает значительное

повышение производительности обработки информации, особенно

при моделировании (обработке) графических объектов.

Однако реализация такого подхода возможна лишь при

наличии структурно разделенных графических моделей, нижний

уровень которых инвариантен (безотносителен) к особенностям

модели, а верхний содержит индивидуальные свойства моделей.

Другими словами, такое моделирование требует

специализированного программного и лингвистического

обеспечения, учитывающего свойства моделируемых объектов и

возможность их структуризации на некие графические примитивы.

Геометрическое моделирование можно рассматривать как

разновидность инвариантного, тем не менее оно применяется там,'

где требуется обработка метрических данных.

Эвристическое моделирование применяется при учете

индивидуальных свойств объектов на видеоизображениях и при

решении специальных нетиповых задач. В основном оно

реализуется при интерактивной обработке.

Оно базируется на реализации общения пользователя с ЭВМ по

сценарию, учитывающему, с одной стороны, технологические

особенности программного обеспечения, с другой - особенности и

опыт обработки данной категории объектов.

Информационное моделирование связано с созданием и

преобразованием различных форм информации, например

графической или текстовой, в вид, задаваемый пользователем. Оно

эффективно только при предварительной разработке

интегрированной информационной основы и применении баз

данных. В современных автоматизированных системах для

отображения ЦММ применяют автоматизированные системы

документационного обеспечения.

Следует отметить, что все виды моделирования используются

на всех системных уровнях, но в разной степени.

Описание цифровой модели динамично. Оно изменяется или

дополняется по мере появления новых задач, новых методов

обработки и новых технических средств автоматизации

проектирования.

Особенности формирования ЦМР

Термин цифровая определяет принадлежность модели к классу

дискретных. Применительно к ЦММ это порождает проблему

адекватного отображения дискретной моделью соответствующего

рельефа поверхности, представляющего собой аналоговую модель.

В свою очередь, эта проблема связана с методами сбора

информации для организации цифровой модели рельефа (ЦМР).

Сбор данных для ЦМР осуществляется обычно путем

цифрового преобразования горизонталей или расчета

фотограмметрических измерений. В настоящее время стоимость

цифрового преобразования карт ручными или

автоматизированными методами приблизительно одинакова при

существенно разных временных затратах. Например, затраты

времени на обработку листа карты масштаба 1:25000 размером

50x70 см характеризуются следующими цифрами:

• ручное преобразование - 50 - 70 ч;

• автоматизированное сканирование (на ЭВМ VAX) - 0,5 ч;

• векторизация - 8 ч;

• редактирование ( на интерактивной рабочей станции) - 8 - 20 ч.

Большие трудозатраты являются результатом неэффективной

реализации концепции цифрового моделирования, а не

недостатком самой концепции. Для автоматического сканирования

необходимо более совершенное программное обеспечение, которое

позволяло бы правильно реконструировать горизонтали, а также

сопровождать горизонтали отметками. Сбор данных обычно

производится по профилям.

При фотограмметрических технологиях сбора информации

разработаны методы, позволяющие определять плотность выборки

для обеспечения требований точности. Измерения для получения

большей точности выполняются по заданным точкам сетки рельефа

в режиме "остановка-движение" на аналитических стереоприборах.

Измерения в динамическом режиме приводят к увеличению

средне-квадратических ошибок. Многие программы построения

ЦММ для повышения надежности отображения местности

включают технологии определения характерных линий рельефа.

Выбор структурных линий и определение их необходимого

числа -это экспертная задача, требующая интеллектуального

решения, определенной квалификации и представляющая

определенные трудности для оператора. Измерение этих линий

происходит с меньшей точностью, чем измерение точек сетки, так

как оператор должен контролировать движение по трем

координатам.

Плотность измерения точек вдоль характерных линий

принимается в 2-3 раза выше, чем точек сетки. Это увеличивает

временные затраты. Объем измерений и затраты времени на

измерение структурных линий обычно больше, чем на измерение

отметок точек сетки. Затраты времени зависят от квалификации

оператора и от того, было ли проведено предварительное

опознавание характерных линий до начала измерительной

обработки снимка под зеркальным стереоскопом. Опыт работ под-

тверждает необходимость измерения характерных линий рельефа

для надежной интерполяции горизонталей.

Для пользователя важно знать принципы и характеристики ме-

тода интерполяции, чтобы правильно сделать выбор характерных

линий рельефа и таким образом определить оптимальные входные

параметры и обеспечить контроль качества собираемой инфор-

мации.

Для получения адекватного описания местности следуете

достаточной осторожностью применять аналитические описания

модели рельефа, основанные на сглаживающих параметрах.

Всегда существует допуск вычислительной погрешности, с

превышением которого обработка становится неэффективной.

Интерполированные отметки не должны выходить за пределы

локального минимума и максимума. Однако не во всех программах

формирования ЦМР это предусматривается.

Трудности интерполяции с использованием

автоматизированных методов приводят к тому, что, хотя

горизонтали, получаемые при использовании ЦМР, выглядят очень

естественными (гладкими), они могут быть менее точны, чем при

классической неавтоматизированной рисовке.

Поэтому перспективным следует считать развитие

автоматизированных и полуавтоматизированных методов сбора

данных для ЦМР на основе автоматической корреляции и

сопоставления изображений, получаемых при помощи

специальных датчиков с аэро- и космических носителей. Создание

ЦМР должно совмещаться с автоматическим распознаванием

образов. Наибольший интерес проявляется к таким разработкам,

как машинное зрение и "онлайновый" контроль качества на

производ-

164

стве, реализуемый с использованием аналитических приборов типа

"Анаграф".

Международная деятельность в этой области организуется

рабочей

группой "Цифровые модели рельефа".

6.3. Методы

фотограмметрического

проектирования ЦМ

Общие положения

ГИС в своей основе использует различные подходы и методы,

свойственные другим автоматизированным системам. Поэтому

встает практическая задача интеграции этих технологий в единый

цикл. Такой технологией, порожденной концепцией ГИС,

явилось фотограмметрическое проектирование - новый метод

обработки пространственно-временных данных и построения

цифровых моделей.

Рассмотрим подробно основы и принципы этой технологии.

1. Как автоматизированная информационная система ГИС

объеди

няет и использует различные технологии других

автоматизированных

систем, ранее функционировавших независимо друг от друга.

2. Фотограмметрические методы сбора и обработки

информации -

одна из информационных технологий ГИС.

3. Методы и технологии систем автоматизированного

проектирова

ния широко используются в ГИС для получения проектных

решений.

4. Результатом сбора данных фотограмметрическими

методами яв

ляются, как правило, точечные цифровые модели с большим

числом

связей между точками, что определяет значительный объем

семанти

ческого моделирования.

5. Проектирование в САПР основано на использовании

наборов ти

повых (графических и цифровых) моделей и в большей степени

решает

задачи компоновки.

6. В ГИС, где обе технологии функционируют для решения

общих

задач, целесообразна разработка комплексной технологии,

уменьшаю

щей их недостатки и суммирующей преимущества.

Сопоставительный анализ технологических процессов систем

автоматизированного проектирования и фотограмметрических

систем показал различие в целях и методах получения моделей

объектов. Так, если в САПР основная задача - оптимальная

компоновка объекта на основе

165

имеющихся базисных элементов, то в фотограмметрических

технологиях задача компоновки, как правило, решена и важнейшей

является проблема декомпозиции.

При этом в фотограмметрических технологиях приходится

иметь дело с информацией, содержащей погрешности, что требует

проведения дополнительной статистической обработки.

Использование методологии автоматизированного

проектирования, применение общей теории систем,

фотограмметрических методов обработки данных и специальной

методики цифрового моделирования позволило разработать новую

технологию построения и конструирования моделей объектов,

изображенных на фотоснимках, - технологию

фотограмметрического проектирования.

Ее реализация возможна только с использованием развитых

информационных ресурсов, включая базу данных и систему

моделей данных.

Главная цель фотограмметрического проектирования -

оптимальное построение проектного решения на основе

фотограмметрической и проектной информации.

Основными технологическими этапами фотограмметрического

проектирования (рис. 6.4) являются: распознавание

(дешифрирование), классификация по признакам (декомпозиция),

предварительная коррекция, унификация входных данных,

цифровое моделирование, коррекция моделей, представление

информации.

Реализация такой технологии позволяет получать проектные

решения, основанные на построении цифровых моделей с

использованием фотограмметрической информации и проектного

задания.

Первые четыре этапа типичны для многих автоматизированных

систем обработки пространственных данных.

Следует остановиться на особенностях этапа цифрового

моделирования. Как известно, в основе структуры и связей

цифровой модели может быть любая из известных структур:

иерархическая, реляционная, "сущность-связь", сетевая, бинарная,

семантическая сеть и др. Поэтому выбор структуры и

соответствующей базовой модели для построения ЦММ важен при

создании ГИС и ее информационной основы.

Модели данных

При организации системы моделей в технологии

фотограмметрического проектирования было выбрано четыре

модели данных: базисная, агрегативная, обобщенная, объектная.

166

Распознавание (дешифрирование)

Классификация по признакам

(декомпозиция)

Предварительная коррекция

Унификация входных данных

Цифровое моделирование

Коррекция моделей

Представление информации

Рис. 6.4. Обобщенная схема

фотограмметрического проектирования

Базисная модель. Подход основан на использовании базы

данных, в которой хранятся наборы базисных (атомарных) моделей

данных. Набор, или библиотека базисных моделей, создается до

начала фотограмметрического проектирования.

Базисные модели можно определить как группы точек ( точка

входит как частный случай), обладающих характерной структурой

и пропорциями. В терминологии САПР такие базисные модели

называются

примитивами.

Базисные модели не несут самостоятельной информации о

конкретном объекте. Неполными аналогами таких моделей в

картографии могут служить условные знаки, которые в

совокупности с дополнительной информацией дают картину,

описывающую реальный объект. Базисные модели

характеризуются наличием в них свободных параметров, которые

определяются в процессе измерений.

167