Оптимізація збереження геопросторової інформації в географічній інформаційній системі військового призначення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Автореферат

ОПТИМІЗАЦІЯ ЗБЕРЕЖЕННЯ ГЕОПРОСТОРОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ В ГЕОГРАФІЧНІЙ ІНФОРМАЦІЙНІЙ СИСТЕМІ ВІЙСЬКОВОГО ПРИЗНАЧЕННЯ

Спеціальність 20.02.04 - військова географія

КАМІНСЬКИЙ Владислав Миколайович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кулябко Петро Петрович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

доцент кафедри математичної інформатики факультету кібернетики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Васюхін Михайло Іванович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри геоінформаційних систем,

землевпорядкування та кадастру;

кандидат географічних наук

Мельник Андрій Васильович,

Ужгородський національний університет,

доцент кафедри фізичної географії та раціонального природокористування.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку засобів збройної боротьби зростають вимоги до точності, достовірності та оперативності забезпечення військ геопросторовою інформацією, яка є основою функціонування будь-якої системи підтримки прийняття рішення. Задачі аналізу місцевості для військових потреб є досить складними і вимагають від розробників геоінформаційних систем (ГІС) застосування швидкісних алгоритмів обробки даних, орієнтованих на перенесення процедур аналізу даних в структури їх збереження, що в свою чергу вимагає побудови об'єктних ієрархічних структур в геопросторовій базі даних. Існуючі структури збереження інформації не дозволяють ефективно аналізувати та маніпулювати даними для військових потреб, жодний з діючих програмних засобів не вирішує у повній мірі проблему структуризації інформації, яка відповідала б сучасним вимогам збройних сил. В Збройних Силах України напрацьований і продовжує накопичуватись великий обсяг геопросторових даних в форматі F20s Єдиної системи класифікації та кодування картографічної інформації, обробка яких з метою ГІС-аналізу місцевості вітчизняними програмними продуктами в повному обсязі не проводиться, а застосування прикладних програм обробки геопросторових даних провідних виробників програмного забезпечення вимагає приведення вітчизняних даних до форматів цих програм, що не завжди вдається зробити без втрати інформації. Вирішення задачі ефективної обробки вітчизняних геопросторових даних пропонується шляхом створення адекватної моделі їх збереження. Таким чином, дисертаційне дослідження присвячене вирішенню актуальної наукової задачі, сутністю якої є створення ефективних моделей, методів та засобів збереження геопросторових даних для топогеодезичного забезпечення військ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності з планами науково-дослідних робіт Київського національного університету імені Тараса Шевченка за держбюджетною темою №06БФ050-04 „Геоінформаційне картографування. Формування концептуальних підходів до створення, забезпечення функціонування і застосування геоінформаційних систем і технологій для вирішення військових і народногосподарських завдань” (номер державної реєстрації 0104U006231), особисто автором запропонований порядок створення і збереження в базі геопросторових даних тривимірної моделі місцевості.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є підвищення ефективності збереження геопросторових даних в географічній інформаційній системі військового призначення.

Задачі, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:

- провести аналіз сучасного стану геоінформаційних систем та структур збереження геопросторової інформації військового призначення;

- розробити модель взаємозв'язків між геопросторовими об'єктами;

- на основі моделі взаємозв'язків створити ефективну модель збереження геопросторових даних;

- розширити модель збереження геопросторових даних методами ГІС-аналізу місцевості;

- розробити конвертор вітчизняних форматів збереження геопросторових даних до створеної моделі даних;

- оптимізувати структуру збереження геопросторової інформації для потреб Збройних Сил України і на цій основі розробити пакет прикладних програм обробки та збереження геопросторових даних в геоінформаційній системі військового призначення.

Об'єкт дослідження: збереження геопросторової інформації у геоінформаційних системах військового призначення.

Предмет дослідження: моделі, методи та засоби збереження геопросторової інформації у геоінформаційних системах військового призначення.

Методи дослідження. В процесі дослідження були використані наступні методи: загально-картографічні при визначенні місця і порядку збереження геопросторових даних в геоінформаційній системі військового призначення, математичного моделювання при формуванні моделі взаємозв'язків геопросторових об'єктів, об'єктно-орієнтованого аналізу при створенні і розширенні моделі збереження геопросторових даних, програмування та проектування баз даних при розробці пакету прикладних програм обробки та збереження геопросторових даних в геоінформаційній системі військового призначення.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Удосконалена модель взаємозв'язків між геопросторовими об'єктами, яка представлена сукупністю геопросторових об'єктів в вигляді зовнішнього та множини внутрішніх плоских контурів і множини атрибутів, де зв'язки між об'єктами визначаються алгоритмами просторового розташування, що дозволяє для вітчизняних форматів збереження перейти від інформаційно-топологічної моделі геопросторових даних, представленої в вигляді базових шарів з наборами контурів, до об'єктно-ієрархічної моделі, представленої в вигляді просторової ієрархії природних об'єктів з метричними та семантичними характеристиками, що в свою чергу дозволяє більш природне представлення геопросторових об'єктів в базі даних та забезпечує оптимізацію часу просторового пошуку в логарифмічній залежності від обсягу даних.

2. Удосконалена об'єктно-реляційна модель збереження даних, яка представлена сукупністю таблиць з реляційними зв'язками між ними, де записи в таблицях є окремими об'єктами з набором атрибутів (описових властивостей) та методів (алгоритмів обробки даних), удосконалення здійснене на основі моделі взаємозв'язків шляхом введення до неї геопросторових об'єктів з їх властивостями та методів ГІС-аналізу місцевості, які пропонується використовувати для формування складних просторових SQL-запитів до бази даних. На відміну від існуючої удосконалена модель розширена методами ГІС-аналізу, введеними до структури збереження геопросторових даних.

3. Вперше запропонована методика оцінки обсягу геопросторових даних номенклатурного аркушу топографічної карти шляхом застосування перетворення Хо, яка полягає в обчисленні кількості відрізків прямої лінії, що містяться в замкнутих плоских контурах геопросторових об'єктів, що дозволяє автоматично віднести номенклатурний аркуш топографічної карти до відповідного рівня виробничої складності, що в свою чергу надає можливість прогнозувати виробничий час при створенні цифрових моделей місцевості.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена методика оцінки обсягу геопросторової інформації в номенклатурному аркуші топографічної карти дозволяє більш точно і в автоматичному режимі визначити категорію складності вхідних геопросторових даних при виробництві цифрових моделей місцевості. Ця методика впроваджена в технологічному процесі у військовій частині А-3796 Командування сил підтримки Збройних Сил України, що підтверджується відповідним актом.

Основні наукові результати дослідження використані при обґрунтуванні порядку збереження геопросторових даних у геоінформаційних системах при викладанні дисципліни „Інформаційні системи та бази даних” та спеціального курсу „Аналіз та складність числових алгоритмів” у навчальному процесі факультету кібернетики Київського національного університету імені Тараса Шевченка для студентів третього курсу за спеціальністю „Інформатика” при розгляді навчальних питань будови геопросторових баз даних, алгоритмів генералізації і методів ГІС-аналізу, про що є відповідний акт впровадження.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Зі спільних публікацій особисто здобувачеві належить наступне: у роботі [1] автором особисто спроектована і програмно реалізована модель конвертації даних з формату F20s до реляційної бази даних; в [2] автор особисто спроектував реляційну модель збереження геопросторових даних; в роботі [3] автором особисто вирішується задача локалізації точки в рамках розширення моделі даних до об'єктно-реляційної; у роботі [4] автору належить ідея автоматизації визначення складності номенклатурного аркуша топографічної карти, він створює відповідне програмне забезпечення і виконує експериментальну частину.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи оприлюднені на наукових конференціях: І Всеукраїнській науково-практичній конференції “Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє” (м. Київ, 2005 р.), II Міжнародній науково-практичній конференції „Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє” (м. Київ, 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції ”Датчики, прилади та системи - 2006” (м. Ялта, 2006 р.), Сьомій міжнародній науково-практичній конференції „Современные информационные и электронные технологии” (м. Одеса, 2006 р.), науково-практичній конференції „Актуальні задачі фінансового, психологічного, правового, топогеодезичного, радіотехнічного та лінгвістичного забезпечення підрозділів та частин Збройних Сил України” (м. Київ, 2007 р.), XII Міжнародному науково-технічному симпозіумі „Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища: GPS і GIS - технології” (м. Алушта, 2007 р.), III Міжнародній науково-практичній конференції „Військова освіта та наука: сьогодення та майбутнє” (м. Київ, 2007 р.) та доповідались на постійно діючому семінарі науково-дослідного центру Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Публікації. За результатами дисертаційного дослідження опубліковано 11 праць, загальним обсягом 2,1 друк. арк., з них 6 (0,7 друк. арк.) у співавторстві. Із загального числа праць 7 статей (1,4 друк. арк.) опубліковано у фахових наукових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Робота викладена на 115 сторінках тексту, вміщує 46 рисунків, 4 таблиці, 8 сторінок додатків. Перелік використаних джерел включає 85 найменувань. Загальний обсяг роботи 134 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, розкрита сутність і стан наукової задачі, необхідність проведення дослідження, сформульовані мета і задачі дослідження. Робота базується на системному підході на основі загальнотеоретичних положень побудови географічних інформаційних систем та баз даних, що висвітлені у працях Берлянта О.М., Васюхіна М.І., Дейта К., Карпінського Ю.О., Кошкарьова О.В., Липського В.Т., Лисицького Д.В., Лютого О.О., Ляховця С.В., Мельника А.В., Мітчела Е., Стоунбрейкера М., Тікунова В.С., Тульчинського П.Г., Халугіна Є.І. та інших авторів.

Перший розділ роботи присвячений аналізу застосування геопросторової інформації в збройних силах передових країн світу та Збройних Силах України, який дає підставу зробити висновок, що одним з основних напрямків підвищення ефективності топогеодезичного забезпечення військ є структуризація і упорядкування геопросторової інформації для її використання в інформаційних системах, які могли б її аналізувати з метою прийняття рішення щодо управління військами. Вирішення цієї проблеми в Збройних Силах України можливе шляхом створення глобальної інформаційної системи в вигляді мережної архітектури локальних географічних інформаційних систем військового призначення, базовою складовою яких є сховище геопросторових даних, яке реалізує функції збереження геопросторової інформації, визначає порядок доступу до неї і є розподіленою багаторівневою базою просторово-координованих даних з багатьма ступенями резервування. Основним наповненням сховища на сучасному етапі повинна бути вітчизняна цифрова геопросторова інформація, яка створена відповідно до Єдиної системи класифікації та кодування картографічної інформації практично на всю територію України і деяких прилеглих держав в базових масштабах 1:50 000, 1:200 000 та 1:500 000.

Згідно Класифікатора цієї системи цифрова топографічна карта місцевості складається з восьми базових сегментів:

Перший сегмент. Математичні елементи, елементи планової і висотної основи (опорні пункти, пункти державної геодезичної мережі, точки мережі знімання, астрономічні пункти, нівелірні марки і репери, позначки висот).

Другий сегмент. Рельєф суходолу (рельєф, виражений горизонталями або висотами на рівномірній чи нерівномірній сітці і форми рельєфу, які не виражаються горизонталями).

Третій сегмент. Гідрографія (водойми, водотоки, джерела води) та гідротехнічні споруди.

Четвертий сегмент. Населені пункти (населені пункти, окремі будівлі, елементи внутрішньої структури).

П'ятий сегмент. Промислові, сільськогосподарські і соціально-культурні об'єкти.

Шостий сегмент. Дорожня мережа (залізниці, шляхи, стежки) і дорожні споруди.

Сьомий сегмент. Рослинний покрив і ґрунти.

Восьмий сегмент. Політико-адміністративний устрій, огорожі і окремі природні явища і об'єкти.

В загальному випадку повний кодовий опис кожного конкретного елементарного геопросторового об'єкту складається з двох частин: ідентифікаційної частини - коду даного об'єкта та інформаційної частини - кодів характеристичних ознак і смислових значень цих ознак (кодів значень).

Приклад. Об'єкт «озеро», з абсолютною висотою урізу води 324,8 м, постійною береговою лінією, яке має власну назву «Селигер», в формалізованому вигляді повинен бути поданий наступним чином:

31120000*4:324,8/36:1/9:Селигер/д,

де, 31120000 - код об'єкта «озеро»; * - роздільник ідентифікаційної та інформаційної частин кодового позначення; 4 - код характеристики «абсолютна висота»; : - роздільник коду характеристики і значення характеристики; 324,8 - значення характеристики «абсолютна висота»; / - роздільник між інформаційними описами характеристик; 36 - код характеристики «характер берегової лінії»; 1 - код значення цієї характеристики «постійна»; 9 - код характеристики «власна назва»; д - кінець кодового опису інформації про об'єкт.

Кількість базових сегментів цифрової топографічної карти визначається джерелом даних, яким є вісім діапозитивів постійного збереження для створення паперової топографічної карти. Паперові топографічні карти друкуються декількома прогонами за відповідними різного кольору інформаційними шарами. Наприклад, гідрографія друкується блакитним кольором, дорожня мережа - коричневим, рослинний покрив - зеленим, рельєф - світло-коричневим, населені пункти - жовтогарячим та чорним тощо. Така структура є зручною для переведення аналогової геопросторової інформації в цифрову форму, але вона не завжди придатна для вирішення задач аналізу місцевості, де потрібен комплексний підхід, в якому базові сегменти геопросторової інформації під час аналізу взаємодіють між собою. Тобто, є необхідність формувати ієрархію геопросторових об'єктів, складові яких належать різним базовим сегментам. З усієї сукупності підходів до структуризації геопросторової інформації, які описані у сучасній науково-технічній літературі, доцільно виділити ієрархічний, запропонований Д.В. Лисицьким. Він найбільш співпадає з об'єктивною реальністю, враховуючи ієрархічну будову місцевості, як систему природних та штучних компонентів. Схематично відношення компонентів структури можна розглядати в вигляді орієнтованого деревовидного графу. Інформаційним ядром ієрархічного підходу є моделі планового положення геопросторових об'єктів (контури), а в якості елементів різних рівнів ієрархії - підмножини цих об'єктів та їх складові частини.

За своєю сутністю геопросторові об'єкти можуть бути простими однієї фізичної природи (геодезичний пункт, опора лінії електропередачі, польова дорога), що відповідають початковим рівням ієрархії, складними багатоелементними об'єктами в вигляді деякої сукупності фізично однотипних об'єктів (ліс, що складається з окремих дерев), а також складними різнотипними об'єктами (населений пункт, що об'єднує будівлі, дороги, гідрографію, рослинність). На відміну від наведеної, виробнича структура геопросторових даних є інформаційно-топологічною. В цьому варіанті система “місцевість” представляється у вигляді двох компонентів: поверхні Землі, заданої у тривимірному просторі з геометричними властивостями і множини місцевих предметів, що характеризуються семантичними властивостями. При цьому земна поверхня складається з поєднання контурів геопросторових об'єктів місцевості.

Конвертувати існуючу виробничу інформаційно-топологічну структуру геопросторових даних в об'єктно-ієрархічну пропонується розбиттям базових сегментів на елементарні геопросторові об'єкти і формуванням вертикальних зв'язків між ними відповідно до правил об'єктно-ієрархічного підходу.

У другому розділі роботи обґрунтований вибір методів та засобів побудови геопросторових баз даних в географічній інформаційній системі військового призначення з застосуванням об'єктно-ієрархічного підходу. Найбільш функціонально придатною для збереження геопросторових даних при вирішенні завдань топогеодезичного забезпечення військ є об'єктно-реляційна модель. Основні її переваги полягають у наступному: застосування технології „клієнт-сервер”; збереження коду обробки даних з самими даними; можливість паралельної обробки даних на різних серверах; підтримка ієрархії та обмеження доступу; природне представлення геопросторових даних у вигляді об'єктів; підтримка стандартних реляційних структур.

Вітчизняна виробнича модель цифрової геопросторової інформації є набором плоских контурів. Для формування об'єктно-ієрархічної бази даних з набору плоских контурів необхідно визначити можливі взаємозв'язки між ними - сформувати математичну модель, яка в подальшому стане основою для створення об'єктно-реляційної бази даних і геопросторових операторів, які реалізують функції їх взаємодії.

Операції над об'єктами умовно поділяються на метричні та атрибутивні. Відповідно об'єкти складаються з:

а) к⁺ - зовнішнього контуру, що орієнтований за годинниковою стрілкою;

б) К ? - множини внутрішніх контурів, які орієнтовані проти годинникової стрілки;

в) Р - множини атрибутів об'єкта.

Тобто, об'єкт a визначається як a=(к⁺, К ?, Р), де к⁺=(x₁, x₂,…x_i)=((x₁, x₂,… x_i),+ …), де x_iX множина точок, К ? = к₁?, к₂?,..., к_m?, знак “+” та “-“ відповідно означають направленість контуру за, чи проти годинникової стрілки.

Контур к⁺ (має знак „+”), якщо для x_i, x_i+1, x_i+2 визначник

інакше це контур к^-.

А=(множина об'єктів); R(AAA);(a, b, c) R

(a зв'язане з b по типу c, де c - об'єкт, через який виконується зв'язок).

Приклади: (будинок₁, будинок₂, вулиця); (дорога₁, дорога₂, будинок); (місто₁, місто₂, річка); (квартира₁, квартира₂, будинок); (місто₁, місто₂, дорога).

Можливі варіанти: (a, b, c)R , (b, a, c)R.

Приклад:

будинок₁ будинок₂

Зафіксуємо cA і введемо R_c AA, таке що (a, b)R_c (a, b, c)R.

Вважається, що R_c рефлексивне та транзитивне, R_c може не бути симетричним, ані антисиметричним.

Вводиться відношення еквівалентності над множиною об'єктів:

E_c(AA) (a, b)E_c ((a, b)R_c)((b, a)R_c)

(a, b)E_c будемо позначати через a _c b.

Побудуємо фактор-множину A/_c={[a]_c, aA}, де [a]_c - клас еквівалентності [a]_c={xA|x_ca}. На фактор-множині A/_c вводиться відношення порядку: [a]_c [b]_c (a, b) E_c. Зрозуміло, що це тільки частковий (не обов'язково лінійний) порядок.

Приклад:

Зафіксуємо с - деяку дорогу з одностороннім рухом:

(будинок₁, будинок₂) R_c будинок₁ будинок₂.

Відношення R_c антисиметричне і є відношенням порядку (в загальному випадку нелінійного). Дійсно: a _c b тільки у тому випадку, якщо a = b. Тобто, [a]_c = {a} та A/_c={[a]_c, aA} (A/_c відрізняється від А лише позначенням а та {a}). Точніше, частково упорядковані множини <A, R_c> та < A/_c,.> є ізоморфними.

Нехай с - дорога з двостороннім рухом:

(будинок₁, будинок₂) R_c будинок₁ будинок₂

Це відношення є симетричним, тобто (враховуючи рефлективність і транзитивність) воно задовольняє властивостям відношення еквівалентності (a,b) R_c a_cb. Факторизація дає наступний результат: [a]_c =[b]_c (a, b) R_c. Відношення порядку на A/_c матиме вигляд [a]_c [b]_c [a]_c = [b]_c (різні класи у будь-якому випадку не порівнюються).

Нехай a, b A, тоді , відповідно

.

Вирази Р_а Р_b та Р_а Р_b не визначені і є формальним записом.

Опишемо алгоритм побудови , де ,.

І. Побудова підконтурів.

1.1. Виберемо довільну точку .

1.2. Визначаємо послідовність так, щоб (j=1,…,S₁-1) , або .

1.2.1. Якщо і , переходимо до 1.3. Інакше , точка парна.

1.2.2. Якщо точка парна, будуємо послідовність:

, де .

1.3. Будуємо послідовність: так, щоб , .

1.3.1. Якщо точка непарна, продовжуємо виконання пункту 1.2 для точки .

1.3.2. Якщо точка парна, то продовжуємо виконання пункту 1.2 для точки .

1.4. Продовжуємо виконувати пункти 1.2 та 1.3, доки не потрапимо у початкову точку . Побудовано контур .

II. Виберемо довільну точку і будуємо за пунктом I.

III. Продовжуємо виконувати пункт II доти, доки побудовані контури (i=1,2,...) не вичерпають усіх точок заданих контурів та .

Аналогічний підхід використовується і до інших варіантів перетинів та об'єднань контурів. геоінформаційний військовий геопросторовий

Таким чином, дістала подальшого розвитку модель взаємозв'язків між геопросторовими об'єктами шляхом представлення об'єктів в вигляді зовнішнього та множини внутрішніх плоских контурів і множини атрибутів, де зв'язки між об'єктами визначаються алгоритмами просторового розташування. Також введено зв'язок між об'єктами через інший об'єкт.

Удосконалено об'єктно-реляційну модель збереження геопросторових даних для вітчизняного формату F20s. Для проектування був використаний програмний продукт - система управління базами даних (СУБД) Oracle, який в своїх останніх версіях підтримує об'єктно-реляційну модель даних. Результат проектування об'єктно-реляційної бази геопросторових даних цифрових картографічних продуктів формату F20s показаний на рис. 1.

Наступним етапом формування об'єктно-реляційної бази геопросторових даних є розробка геопросторових операторів, які б дозволили підвищити рівень абстракції до запропонованої моделі взаємозв'язків та перевести засоби обробки геопросторових даних до структури бази даних. Перелік розроблених геопросторових операторів відповідає стандарту, що описує збереження, вибірку, пошук і відновлення просторової інформації в реляційних СУБД “Open GIS^® Simple Features Specification For SQL”. Оператори повертають тип boolean або створюють об'єкт і повертають його порядковий номер. Оператори реалізовані у вигляді методів геопросторових об'єктів таблиці Т1.

1. Рівність. Оператор повертає істину, якщо інша фігура ідентична основному об'єкту. Дві фігури А і В рівні, якщо вони мають ту ж координатну систему, той же тип, однакове число точок і однакові точки в однаковому порядку. Підтримується для всіх типів фігур. Синтаксис операції: EQUALS(A,B).

2. Торкання. Оператор повертає істину, якщо дві фігури А і В мають спільну межу. Не повинно бути перетину внутрішніх областей фігур. У випадку точка/лінія точка може тільки торкатись кінцевої точки лінії. Підтримується для всіх варіантів, за виключенням варіанту точка/точка. Синтаксис операції: TOUCHES(A, B).

3. Усередині. Оператор повертає істину, якщо основна фігура повністю міститься в другій фігурі. Підтримується для всіх варіантів типу фігури. Синтаксис операції: WITHIN(A, B).

4. Містить. Оператор повертає істину, якщо друга фігура повністю вміщується в основну. Це теж саме, що поміняти місцями основну і додаткову фігури для оператора Усередині. Синтаксис операції: CONTAINS(A, B).

5. Схрещування. Оператор повертає істину, якщо перетин внутрішніх областей двох фігур не порожній. Дві лінії, які ділять одну кінцеву точку, в загальному випадку не перетинаються. Підходить для типів лінія/лінія, лінія/область, множина точок/область і множина точок/лінія. Синтаксис операції: CROSSES(A, B).

6. Частковий збіг. Оператор повертає істину, якщо результатом перетину двох фігур є об'єкт тієї ж розмірності, але відмінний від обох фігур. Підходить для типів область/область, лінія/лінія і множина точок/множина точок. Синтаксис операції: OVERLAPS(A, B).

7. Немає перетину. Оператор повертає істину, якщо дві фігури не перетинаються. Підтримується для всіх типів фігури. Синтаксис операції: DISJOINT(A, B).

8. Накладення. Оператор сполучає дві фігури. Повертає залишок основної фігури і залишок додатковою, із змістом будь-якої частини, яка входить тільки до основної або додаткової фігури. Спільні ділянки повертаються у списку фігур. Синтаксис: OVERLAY(A, B).

9. Перетин. Оператор повертає набір перетинів основної і додаткової фігур (просторове логічне І), які загальні для обох фігур. Підтримується для всіх типів фігури. Результатом можуть бути різні фігури. Якщо дві фігури не перетинаються, результатом є порожня множина. Синтаксис операції: INTERSECT(A, B).

10. Різниця. Оператор повертає різницю між основною і додатковою фігурою (просторове логічне заперечення І). Повертає залишок основної фігури. Підходить для типів область/область, лінія/лінія і точка/точка. Синтаксис операції: DIFFERENCE(A, B).

11. Симетрична різниця. Оператор повертає симетричну різницю основної і додаткової фігури (логічне просторове АБО, що виключає). Повертає різницю обох, основної і додаткової фігури. Підходить для типів область/область, лінія/лінія і точка/точка. Синтаксис операції: SYMMETRICALDIFFERENCE(A, B).

12. Об'єднання. Оператор повертає об'єднання основної і додаткової фігури. Підходить для типів область/область, лінія/лінія і точка/точка. Синтаксис операції: UNION(A, B).

13. Функція відсікання. Операція повертає частку основної фігури, яка знаходиться усередині заданої межі. Діє для всіх типів фігур. Синтаксис операції: CLIPFUNCTION(A, B).

Також запропоновані алгоритми і відповідні геопросторові оператори, які використовуються для вирішення завдань ГІС-аналізу місцевості:

14. Пошук шляху. Оператор повертає об'єкт, який представляє шлях із точки А до точки В. Точкою відліку є найближча точка на дорозі (мінімальний перпендикуляр, опущений від об'єкту А до дороги). Синтаксис операції: WAY(A, B).

15. Відстань між об'єктами. Оператор повертає найменшу відстань між контурами об'єктів. Синтаксис операції: DISTANCE(A, B).

16. Периметр об'єкту. Оператор обчислює довжину зовнішнього контуру. Синтаксис операції: PERIMETER(А).

17. Площа об'єкту. Оператор обчислює площу фігури в межах зовнішнього контуру. Синтаксис операції: AREA(A).

18. Локалізація точки. Оператор повертає істину, якщо точка лежить в середині контуру. Синтаксис операції: LOCALIZATION (A).

19. Конвертація інформації до інших систем координат, таких як NAD27, NAD83, ED50, WGS72 та WGS84. Синтаксис операції: ToUTM(gSH, minSH, secSH, SH, gDolg, minDolg, secDolg, Dolg, Datum).

Запропоновані відповідні алгоритми і програмно реалізовані наведені методи.

У третьому розділі наведена практична реалізація розробленої об'єктно-реляційної бази даних і інтерфейсу користувача шляхом створення пакету прикладних програм географічної інформаційної системи військового призначення «Глобус». геоінформаційний військовий геопросторовий

Програмно реалізований конвертор геопросторової інформації з обмінного файлового формату MIF/MID до запропонованої об'єктно-реляційної моделі збереження геопросторових даних з використанням СУБД Oracle. Орієнтовна ефективність конвертації даних з формату F20s до найбільш поширених форматів геоінформаційних систем shp і DXF та до розробленої бази даних наведена в табл. 1. В якості показника ефективності вибраний об'єм у байтах файлу геопросторових даних місцевості площею 1300 км², базового масштабу 1:200000, загальною кількістю геопросторових об'єктів 10811 та кількістю точок контуру 136563. Оптимальним за двома показниками - об'ємом даних і втратою інформації під час конвертації є формат розробленої бази геопросторових даних. Програма виконана у візуальному середовищі програмування Delphi з використанням компонентів Oracle Data Access Components.

Таблиця 1

Ефективність конвертації даних з формату F20s

Показники	Формат даних
	F20s	MIF/MID	shp	DXF	Розроблена база даних
Розмір в байтах	2 935 874	3 788 078	1 792 093	7 122 970	2 531 479
Різниця у % від вхідних даних	100%	139%	66%	261%	14%
Втрата інформації у % під час конвертації	?	1,5%-2,2%	13%-21%	1,7%-3,3%	0%

Розроблений інтерфейс користувача геоінформаційної системи з використанням середовища програмування Visual C++6 та бібліотеки MFC (Microsoft Foundation Class). Для доступу до бази даних використовується Oracle Call Interface. Після авторизації користувачеві пропонується ввести текст запиту мовою SQL з можливим використанням методів об'єктів або інших процедур та функцій із розроблених в другому розділі геопросторових операторів розширення. Після виконання запиту, обрані об'єкти заносяться у відповідний шар електронної карти, яка з'являється на екрані монітора. В основі візуалізації об'єктів покладені засоби бібліотеки OpenGL. Реалізований алгоритм генералізації для точкових, лінійних і площинних об'єктів, в якому можна виділити три послідовні етапи:

1. Відбір типів об'єктів за масштабним цензом. Поточний масштаб карти порівнюється із максимальним масштабом, при якому відображаються об'єкти даного типу.

2. Фільтрація. За певним критерієм вибирають деяку кількість об'єктів з урахуванням параметру, який задає максимальну кількість об'єктів на одиницю площі, решта об'єктів - не відображаються.

3. Спрощення контурів лінійних та площинних об'єктів здійснюється зі збереженням загальної форми шляхом визначення опорних точок контуру.

Запропонована методика оцінки обсягу геопросторових даних номенклатурного аркушу топографічної карти шляхом застосування перетворення Хо:

H(,p) = ,

де H(,p) - величина параметру Хо в точці площини параметрів з координатами (,p); р - відстань по нормалі від початку координат до лінійного фрагмента контуру об'єкта; - кутове положення нормалі відносно осі Ox; S(x,y) - амплітуда сигналів зображення; - дельта-функція Дірака.

Методика передбачає наступну послідовність операцій:

1. Сканування діапозитиву постійного збереження відповідного базового сегменту з необхідною розрізненістю.

2. Введення параметрів _o і р_o для початкової прямої лінії.

3. Обчислення значення збираючого елемента для заданих і р.

4. Занесення обчисленої суми до відповідної комірки з координатами (_i, р_j) вихідної матриці.

5. Зміна значення одного з параметрів (_i або р_j) на одиницю.

6. Виконання процедур 3-5 до заповнення всіх комірок площини (, р) обчисленими значеннями.

7. Порогова обробка значень вихідної матриці в залежності від розрізненості вихідного зображення.

8. Визначення обсягу даних в базовому сегменті номенклатурного аркуша топографічної карти.

Запропонована методика була апробована на прикладі ділянок різної складності сегменту „рельєф суші”. Варіант набору тестових ділянок показаний на рис. 2.



Аналіз отриманих результатів показує, що для мінімального відрізку з 8-10 точок растрового зображення розташування тестових зображень рельєфу за рівнями складності наступне: ж, б, е, г, в, д, а, що відповідає ранжуванню тестових зображень за рівнем складності. Таким чином, запропонована методика дозволяє автоматично віднести номенклатурний аркуш топографічної карти до відповідного рівня виробничої складності.

ВИСНОВКИ

В дисертації розв'язана важлива наукова задача створення ефективних моделей, методів та засобів збереження геопросторових даних для топогеодезичного забезпечення військ.

Головні наукові і практичні результати:

1. Аналіз та узагальнення досвіду застосування геоінформаційних технологій у Збройних Силах України та передових держав світу дав змогу виявити аналоги та прототипи системи збереження геопросторової інформації, до яких слід віднести вітчизняний формат F20s Єдиної системи класифікації та кодування картографічної інформації, геоінформаційну базу даних ArcStorm та програмний продукт Spatial Data Extension (SDE) геоінформаційної системи ArcGIS. Найбільш досконалим програмним забезпеченням в системах топографічної підтримки військ є система ArcGIS (SDE). Але вона має наступні недоліки:

- не підтримуються дані вітчизняного стандарту Єдиної системи класифікації та кодування картографічної інформації, базові масштаби яких створені на всю територію України та інших держав і постійно оновлюються картографічним центром Збройних Сил України;

- SDE є надбудовою над реляційною базою геопросторових даних, і тому вона не реалізує основні переваги об'єктного підходу, до яких слід віднести: роботу з метричними і семантичними даними, як з єдиним геопросторовим об'єктом; використання ієрархічного просторового пошуку; відсутність витрат часу на формування геопросторових об'єктів шляхом допоміжних запитів до бази даних.

2. Модель взаємозв'язків між геопросторовими об'єктами, яка представлена сукупністю геопросторових об'єктів в вигляді зовнішнього та множини внутрішніх плоских контурів і множини атрибутів, де зв'язки між об'єктами визначаються алгоритмами просторового розташування, що дозволяє для вітчизняних форматів збереження перейти від інформаційно-топологічної моделі геопросторових даних, представленої в вигляді базових шарів з наборами контурів, до об'єктно-ієрархічної моделі, представленої в вигляді просторової ієрархії природних об'єктів з метричними та семантичними характеристиками, що в свою чергу дозволяє більш природне представлення геопросторових об'єктів в базі даних та забезпечує оптимізацію часу просторового пошуку в логарифмічній залежності від обсягу даних.

3. Об'єктно-реляційна модель збереження даних, представлена сукупністю таблиць з реляційними зв'язками між ними, де записи в таблицях є окремими об'єктами з набором атрибутів (описових властивостей) та методів (алгоритмів обробки даних), удосконалена на основі моделі взаємозв'язків шляхом введення до неї геопросторових об'єктів з їх властивостями та методів ГІС-аналізу місцевості, які пропонується використовувати для формування складних просторових SQL-запитів до бази даних. На відміну від існуючої удосконалена модель розширена методами ГІС-аналізу, введеними до структури збереження геопросторових даних.

4. Конвертор вітчизняних форматів збереження геопросторових даних до запропонованої об'єктно-реляційної бази даних, який дозволяє на відміну від конвертації до форматів shp і DXF забезпечити її без втрати інформації та підвищити ефективність збереження скороченням обсягу даних в пам'яті комп'ютера на 10-20% в залежності від співвідношення їх геопросторових типів в цифровій карті, що підлягає конвертації.

5. Пакет прикладних програм обробки та збереження геопросторових даних, який включає об'єктно-реляційну геопросторову базу даних та інтерфейс з системою запитів та системою візуалізації за допомогою запропонованих алгоритмів генералізації сукупностей точкових і лінійних об'єктів, що забезпечують відбір типів об'єктів за масштабним цензом, фільтрацію за критерієм максимальної кількості об'єктів на одиницю площі, спрощення контурів лінійних та площинних об'єктів зі збереженням загальної форми шляхом визначення опорних точок контуру, відбір за масштабним цензом та фільтрацію підписів географічних назв об'єктів, що забезпечує більш зручне візуальне сприйняття оператором геопросторової інформації.

6. Методика оцінки обсягу геопросторових даних номенклатурного аркушу топографічної карти шляхом застосування перетворення Хо, яка полягає в обчисленні кількості відрізків прямої лінії, які містяться в замкнутих плоских контурах геопросторових об'єктів, що дозволяє автоматично віднести номенклатурний аркуш топографічної карти до відповідного рівня виробничої складності, що в свою чергу надає можливість прогнозувати виробничий час при створенні цифрових моделей місцевості. Методика перевірена експериментально на прикладі ділянок різної складності сегменту „рельєф суші”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кулябко П.П. Особливості використання вітчизняних цифрових карт у сучасних географічних інформаційних системах / П.П. Кулябко, О.Г. Міхно, В.О. Осипа, В.М. Камінський // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка : військово-спеціальні науки. - 2003. - № 7. - C. 176-179.

2. Камінський В.М. Про структуризацію картографічної інформації для геоінформаційних систем / В.М. Камінський, П.П. Кулябко // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка : фізико-математичні науки. - 2003. - № 3. - C. 211-215.

3. Лєнков С.В. Застосування об'єктно - реляційного підходу для вирішення задачі локалізації точки у геоінформаційних базах даних / С.В. Лєнков, О.Г. Міхно, В.М. Камінський, О.В. Кравчук // Збірник наукових праць Військового інституту телекомунікацій та інформатизації Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”. - 2005. - С. 37-41.

4. Лєнков С.В. Методика визначення складності номенклатурного аркуша топографічної карти / С.В. Лєнков, О.Г. Міхно, В.М. Камінський // Нові технології. Науковий вісник Інституту економіки та нових технологій імені Ю.І. Кравченка. - Кременчук, 2005. - №4 (10). - С.78-82.

5. Камінський В.М. Про структури даних геоінформаційних баз / В.М. Камінський // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - Спецвипуск, 2006. - C.18-20.

6. Камінський В.М. Математична модель взаємозв'язків геопросторових об'єктів / В.М. Камінський // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - 2007. - № 7. - С. 195-198.

7. Камінський В.М. Структуризація геопросторової інформації як складова топогеодезичного забезпечення військ / В.М. Камінський // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - 2008. - № 12. - С. 197-201.

8. Михно А.Г. Объектно-реляционный подход в задачах формирования геоинформационных баз данных / А.Г. Михно, В.Н. Каминский, А.В. Кравчук // Современные информационные и электронные технологии : междунар. науч.-практ. конф., 22-26 мая 2006 г. : тезисы докл. - Одесса, 2006. - С. 116.

9. Камінський В.М. Модель взаємозв'язків геопросторових об'єктів / В.М. Камінський // Актуальні задачі фінансового, психологічного, правового, топогеодезичного, радіотехнічного та лінгвістичного забезпечення підрозділів та частин Збройних Сил України : наук.-практ. конф., 27 квітня 2007 р. : тези доп. - К., 2007. - С. 61-62.

10. Камінський В.М. Об'єктно-реляційний підхід до формування бази геопросторових даних / В.М. Камінський, О.Г. Міхно // Геоінформаційний моніторинг навколишнього середовища: GPS і GIS - технології : міжнар. наук.-техн. симп., 10-15 вер. 2007 р. : тези доп. - Алушта, - 2007. - С. 79-80.

11. Камінський В.М. Про конвертацію вітчизняних цифрових картографічних продуктів в формати існуючих геоінформаційних систем / В.М. Камінський // Військова освіта та наука : сьогодення та майбутнє : міжнар. наук.-практ. конф., 11-13 жовт. 2007 р. : тези доп. - К., 2007. - С. 294-295.

АНОТАЦІЯ

Камінський В.М. Оптимізація збереження геопросторової інформації в географічній інформаційній системі військового призначення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 20.02.04 - військова географія. Військовий інститут Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2008.

Дисертацію присвячено розвитку теорії та практики збереження геопросторової інформації при вирішенні завдань топогеодезичного забезпечення військ. Розроблено математичну модель взаємозв'язків між геопросторовими об'єктами на основі проведеного аналізу сучасного стану структур збереження геопросторової інформації. У роботі запропоновано об'єктно-реляційну структуру збереження геопросторових об'єктів з методами та зв'язками між ними. Розроблені методи аналізу та маніпулювання геопросторовими об'єктами в об'єктно-реляційній базі даних. Сформований підхід до вирішення проблеми конвертації вітчизняних цифрових картографічних продуктів у формат спроектованої бази даних без втрат інформації. Вперше розроблено методику автоматичної оцінки складності зображення номенклатурного аркушу топографічної карти. В основі алгоритму оцінки складності зображення лежить перетворення Хо.

Ключові слова: топогеодезичне забезпечення військ, база геопросторових даних, геоінформаційна система військового призначення, об'єктно-реляційна структура геопросторових даних.

Каминский В.Н. Оптимизация хранения геопространственной информации в географической информационной системе военного назначения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 20.02.04 - военная география. Военный институт Киевского национального университета имени Тараса Шевченко, Киев, 2008.

Диссертация посвящена развитию теории и практики хранения геопространственной информации при решении задач топогеодезического обеспечения войск. Проведен анализ современного состояния геоинформационных систем для топогеодезического обеспечения войск. На основе анализа выявлены основные направления развития представления геопространственных данных для их обработки с целью ГИС-анализа. Обобщены методы анализа данных и предложены оригинальные алгоритмы для анализа пространственной информации в базе данных. Была развита модель взаимосвязей между геопространственными объектами, которая представлена совокупностью геопространственных объектов в виде внешнего и множества внутренних плоских контуров и атрибутов, где связи между объектами предлагается определять алгоритмами пространственного расположения, что позволяет для отечественных форматов хранения перейти от информационно-топологической модели представления геопространственных данных, представленной в виде слоев с наборами контуров, к объектно-иерархической модели, представленной в виде пространственной иерархии природных объектов с метрическими и семантическими характеристиками. В работе предложено объектно-реляционную структуру хранения геопространственных объектов со своими свойствами и методами, которые предлагаться использовать для формирования сложных пространственных SQL-запросов к базе данных. Разработаны специальные геопространственных операторы для анализа и манипулирования геопространственными данными в разработанной базе данных. Сформирован подход к решению проблемы конвертации отечественных цифровых картографических продуктов в формат спроектированной базы данных без потери информации. Впервые разработана методика автоматической оценки объёма геопространственных данных номенклатурного листа топографической карты с помощью преобразования Хо, которая состоит в подсчете количества отрезков прямой линии, которые содержатся в замкнутых плоских контурах геопространственных объектов, что позволяет автоматически отнести номенклатурный лист топографической карты к соответствующему уровню производственной сложности, что в свою очередь дает возможность прогнозировать производственное время для построения цифровых моделей местности. Описано построение пакета прикладных программ обработки и хранения пространственных данных, который включает объектно-реляционную базу геопространственных данных и интерфейс с системой запросов и системой визуализации с помощью предложенных алгоритмов генерализации совокупности точечных и линейных объектов, что обеспечивает отбор типов объектов по масштабному цензу, фильтрацию по критерию максимального количества объектов на единицу площади, упрощение контуров линейных и площадных объектов с сохранением обобщенной формы путем определения опорных точек контура, отбор по масштабному цензу и фильтрацию подписей географических названий объектов, что обеспечивает более легкое визуальное восприятие оператором геопространственной информации. Создан конвертор отечественных форматов в предложенную модель хранения геопространственной информации, который обеспечивает конвертацию без потери информации и позволяет сократить объем представления данных в памяти компьютера на 0,02%.

Ключевые слова: топогеодезическое обеспечение войск, база геопространственных данных, геоинформационная система военного назначения, объектно-реляционная структура геопространственных данных.

Kaminskyi V.M. Optimization of saving of geospatial information in the geographic information system of military destination. - Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 20.02.04 - military geographic. The Military institute of Kiev National University named by Taras Shevchenko, Kiev, 2008.

Dissertation is devoted development of theory and practice optimization storage geospatial information at the decision tasks of the survey providing troops. The mathematical model of interrelations is developed between geospatial objects on the basis of the conducted analysis of the modern state structures for their storage. The object-relational data model storage of geospatial objects is in-process offered with methods and connections between them. The special geospatial statements are developed an analysis and manipulation of geospatial by information in the developed database. In the presented work, going near the decision problem of converting domestic digital cartographic products is formed in the format of the projected database without the loss information. The method of automatic estimation complication of image on top-level sheet at topographical map is first developed by transformation of Hough.

Keywords: topogeodetic provision, geospatial database, geoinformation system of military destination, object-relational structure of geospatial data.

Размещено на Allbest.ru