Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции

ВАК РФ 25.00.34, Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия

Автореферат диссертации по теме "Разработка топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции"

УДК 528.7:528.92:004

На правах рукописи

Никитин Вячеслав Николаевич

РАЗРАБОТКА ТОПОЛОГИЧЕСКОГО РЕДАКТОРА ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ

25.00.34 - «Аэрокосмические исследования Земли, фотограмметрия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 2005

Работа выполнена в Сибирской государственной геодезической академии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Гук Александр Петрович. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Крупчатников Владимир Николаевич; кандидат технических наук Хлебникова Татьяна Александровна.

Ведущая организация - Институт вычислительной математики

и математической геофизики СО РАН (г. Новосибирск).

Защита состоится июня 2005 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.251.02 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, 108, ул. Плахотного, 10, СГТА, ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 28 мая 2005 г.

Ученый секретарь

Изд. лиц. ЛР № 020461 от 04.03.97 г. Подписано в печать 26.05.2005 г. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,08. Уч.-изд. л. 0,99. Тираж 100 экз. Заказу Гигиеническое заключение № 54.НК.05.953 .П.000147.12.02 от 10.12.2002.

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГТА 630108, Новосибирск, Плахотного, 8.

диссертационного совета

Середович В.А.

^ Общая характеристика работы

Актуальность темы исследования. Для создания цифровых карт используется большое количество разнообразных систем и программных модулей, начиная от цифровых фотограмметрических станций, векторизаторов, систем редактирования графической информации до геоинформационных систем с картографическими функциями. Все они построены для решения специфических задач и, как правило, решают их хорошо. Для цифровых фотограмметрических станций такими задачами являются построение фотограмметрических моделей и их измерение; для геоинформационных систем характерно оптимальное управление геоданными и их визуализация; для векторизаторов - автоматическое и полуавтоматическое распознавание контуров на цифровых изображениях и их описание векторными примитивами. Реализации функций, которые являются дополнительными или редко используемыми, уделяется гораздо меньше внимания.

Всё это приводит к тому, что для создания конечной продукции приходится использовать несколько специализированных графических пакетов, передавая данные из одной системы в другую по эстафете. Частичная несовместимость систем между собой приводит к искажениям передаваемых данных. Обычно такая цепочка бывает однонаправленной, так что зачастую возвращение на предыдущий этап обработки означает потерю всей информации, сформированной на последующих этапах. Особенно негативно такая технологическая цепочка проявляет себя при обновлении цифровых карт. Например, при обновлении контурной части цифровых карт может быть частично утрачена её семантическая составляющая.

Создание карт с использованием цифровых фотограмметрических станций имеет ряд принципиальных особенностей, поэтому разработка фотограмметрического программного комплекса, способного выполнять все функции по созданию цифровых карт на достаточном уровне, и при этом быть настолько гибким, чтобы работать с любыми цифровыми картами, выполняя при необходимости роль интегратора технологической цепочки, является задачей новой и актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка концепции топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции, способного работать как с объектными, так и с топологическими моделями данных и предназначенного для создания и обновления цифровых карт всего номенклатурного ря; ' итмов

и методов интерактивного редактирования

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- выполнить анализ возможностей программного фотограмметрического обеспечения для составления и обновления цифровых карт и планов;

- описать требования, предъявляемые к графическому редактору для системы сбора картографической информации;

- разработать архитектуру графического редактора для цифровой фотограмметрической станции, определить перечень подсистем, разграничить их функции и определить принцип взаимодействия;

- разработать подсистемы для работы с пространственной и атрибутивной информацией, с классификаторами и условными знаками, подсистему контроля качества на основе существующих или новых алгоритмов и моделей данных;

- проверить эффективность найденных решений путём реализации в топологическом редакторе и выполнить их тестирование для определения полноты и возможных недостатков на учебных и производственных материалах.

Объект и предмет исследования. Объектом данного исследования является цифровая фотограмметрическая станция, а предметом - система сбора и обновления топографической информации в её составе.

Теоретическая и методологическая база исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы цифровой фотограмметрии, машинной графики, вычислительной геометрии, теории графов, проектирования и разработки программного обеспечения.

Научная новизна выполненной работы состоит в следующем:

- разработана концепция построения графического редактора для цифровой фотограмметрической станции;

- разработана гибкая и простая архитектура взаимодействия программных модулей цифровой фотограмметрической станции;

- разработаны структуры данных и алгоритмы работы для организации многопользовательского доступа к картографической информации в распределённых цифровых фотограмметрических системах;

- разработан настраиваемый классификатор для цифровой фотограмметрической станции, позволяющий работать с различными форматами цифровых топографических карт;

- разработана модель пространственных данных, объединяющая достоинства цепочно-узловой и объектной моделей;

- разработана методика формирования и описания условных знаков на основе рекурсивных комбинаций различных вариантов разметки и примитивов.

На защиту выносятся:

- концепция построения графического редактора для цифровой фотограмметрической станции;

- структуры данных и алгоритмы работы для организации многопользовательского доступа к картографической информации в распределённых цифровых фотограмметрических системах;

- настраиваемый классификатор для цифровой фотограмметрической станции, позволяющий работать с различными форматами цифровых топографических карт;

- модель пространственных данных, объединяющая достоинства цепочно-узловой и объектной моделей;

- методика формирования и описания условных знаков на основе рекурсивных комбинаций различных вариантов разметки и примитивов.

Теоретическая значимость. Теоретическое значение диссертации заключается в вырабо1ке нового подхода к обработке картографической информации, получаемой цифровой фотограмметрической станцией, в разработке новых моделей обработки фотограмметрических данных, в предложенных алгоритмах обработки метрической и семантической информации, а также в последовательном изложении всех этапов разработки информационной системы.

Практическая значимость. Предложенные алгоритмы реализованы в разработанном автором топологическом редакторе для цифровой фотограмметрической станции, в котором были учтены основные недостатки существующих на рынке цифровых фотограмметрических систем. Алгоритмы также могут быть использованы при разработке сис1ем цифрового картографирования.

Основные результаты исследования. Топологический редактор был внедрён в учебный процесс кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГТА. Кроме того, топологический редактор использовался в хоздоговорных работах центра Сибгеоинформ (г. Новосибирск).

Апробация работы. Результаты исследований докладывались: на Новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллек-

туальный потенциал Сибири» в 2000 г., на научно-технических конференциях преподавателей СГТА «Современные проблемы геодезии и оптики» в 2000, 2001, 2004 г.г., на научно-технической конференции «Фотограмметрические технологии в XXI веке» в 2003 г. в Новосибирске, на международных научно-технических конференциях «Современные проблемы геодезии и оптики» в 1998, 2003 г.г. в Новосибирске, на международной научной конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости. Регистрация прав недвижимости имущества и сделок по нему» в 2002 г. в Испании, на международной научно-практической конференции «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости» в 2004 г. во Франции, на международном научном конгрессе «Гео-Сибирь-2005» в 2005 г. в Новосибирске.

Публикации (по теме диссертации). По теме диссертации автором опубликовано 17 научных работ (12 - без соавторов).

Структура работы.

Содержание

Введение

1 Применение систем цифровой фотограмметрии для решения картососгавительских задач

1.1 История развития цифровых фотограмметрических станций

1.2 Общая схема построения технологии на основе использования цифровых фотограмметрических станций

1.3 Схемы построения цифровых фотограмметрических станций и взаимодействие графически о редактора с другими компонентами цифрового фотограмметрического комплекса

1.4 Системный подход к проектированию топологического редактора для цифровою фотограмметрического комплекса

1.5 Общие требования к топологическому редактору для цифровой фотограмметрической станции

1.6 Подсистема работы с метрической информацией и топологические модели данных

1.7 Организация данных в подсистеме дня работы с атрибутивной информацией

1.8 Подсистема работы с классификаторами для цифровой фотограмметрической станции

1.9 Подсистема формирования картографического изображения

1.10 Подсистема контроля качества цифровых карт и планов

2 Проектирование редактора дли цифровой фотограмметрической станции

2.1 Определение концепции построения топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции

2.2 Построение структурной схемы топологического редактора

2.3 Алгоритмизация методов и решений задач, стоящих перед системой. Выбор моделей данных, математических и технологических решений

2.4 Подсистема работы с метрической информацией

2.5 Подсистема работы с атрибутивной информацией

2.6 Подсистема работы с классификаторами. Формализованное описание классификатора

2.7 Подсистема отображения картографической информации в условных знаках

2.8 Структура подсистемы контроля качества

2.9 Подсистема формирования стереоизображения

3 Реализация топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции и проверка его возможностей

3.1 Описание программ, входящих в программный комплекс топологического редактора

3.2 План тестирования элементов графического редактора

3.3 Настройка топологического редактора

3.4 Импорт картографической информации

3.5 Настройка подсистемы классификации

3.6 Визуализация цифровой карты

3.7 Многопользовательская работа с базой картографической информации и откат/возврат произведённых пользователем изменений

3 8 Работа с цифровыми изображениями и формирование стереоизображения

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Приложение А. Интерфейсы сервисных объектов

Приложение Б. Описание интерфейсов банка данных

Работа состоит из введения, трёх разделов, заключения, библиографии, состоящей из 110 источников и двух приложений. Общий объём составляет 200 страниц печатного текста и 54 рисунка.

Основное содержание работы

В первом разделе рассмотрена история развития цифровых фотограмметрических станций, приведена обобщённая схема построения технологии создания картографической продукции на основе их использования. Все технологические операции можно разделить на несколько групп.

Первая группа отвечает за подготовку исходных данных для последующей обработки. Вторая группа технологических операций отвечает за решение обратных задач, связанных с восстановлением связок проектирующих лучей (внутреннее ориентирование), определением их положения, ориентацией в пространстве (взаимное ориентирование, внешнее ориентирова-

ние, фототриангуляция). Третья группа операций связана с получением выходной (конечной) продукции ЦФС в некотором «технологическом» виде. Сюда обычно входят модули для формирования цифровой модели рельефа, ортотрансформирования и монтажа ортофотопланов, сбора информации об объектах местности в моно и стерео режимах. Четвёртая группа технологических операций предназначена для проверки продукции по критериям точности, полноты, соответствия правилам цифрового описания, семантической и топологической корректности (система контроля качества). И последняя группа операций связана с оформлением конечной продукции, формирования необходимых отчётов и сопроводительных документов, а также экспортом продукции из внутренних форматов обработки в форматы хранения и обмена данными для передачи заказчику. Кроме того, существует группа операций, позволяющая управлять технологическим процессом. Эти операции выполняют настройку технологического процесса, начиная от типа исходных данных и заканчивая видом конечной продукции, обеспечивают контроль выполнения отдельных технологических операций.

Разрабатываемый графический редактор охватывает все группы технологических операций, связанных с созданием и редактированием цифровой картографической информации. Согласно анализу схемы взаимодействия графического редактора с другими компонентами цифровой фотограмметрической станции, входными данными для графического редактора являются цифровые изображения с известными элементами внешнего ориентирования, ортофотоизображения, ЦМР. Обмен картографической информации осуществляется с модулем первичного сбора и с архивом ЦТК. Готовые цифровые карты экспортируются в издательские системы или ГИС. Выполненный анализ позволил сформулировать требования к графическому редактору в составе ЦФС:

- работа с многослойными цифровыми изображениями в моно режиме (увеличение, перемещение, управление яркостью и контрастом);

- создание и редактирование векторной объектной модели местности;

- комбинирование выводы фотограмметрической и векторной моделей;

- эффективный обмен картографической информацией;

- активное использование системы контроля качества на основе анализа топологических отношений между объектами;

- поддержка обработки данных в сетевом многопользовательском режиме;

- графический редактор должен иметь достаточно простую и продуманную программную архитектуру.

Далее выполнен анализ требований, предъявляемых к отдельным подсистемам графического редактора. Особое внимание уделено выбору оптимальной модели пространственных данных с поддержкой межобъектных топологических отношений и организации многопользовательского доступа к метрическим и атрибутивным данным. Анализ показал, что эффективной объектной модели пространственных данных, поддерживающей межобъектные топологические отношения, не существует, а эффективная с аналитической точки зрения цепочно-узловая структура не совместима с объектной моделью. Для реализации многопользовательского доступа к данным наиболее эффективной является технология клиент-сервер, но современные СУБД при всей своей функциональности плохо сочетаются с графическими редакторами, так как не могут обеспечить поэтапный откат внесённых пользователями изменений в контексте одной транзакции. Ключевым элементом для эффективного обмена картографической информацией является настраиваемый классификатор, а использование подсистемы контроля качества непосредственно в режиме интерактивного редактирования невозможно без использования формируемых в процессе редактирования межобъектных топологических отношений.

Во втором разделе представлено описание разработанных моделей, методов и алгоритмических решений для хранения пространственной и атрибутивной информации, для использования настраиваемого информационного обеспечения цифровых карт.

В ходе диссертационного исследования была сформулирована концепция построения графического редактора для цифровой фотограмметрической станции. Её основной частью является принцип единства метрической, семантической части цифровой карты и информационного обеспечения. Эта часть концепции означает, что создаваемая или редактируемая в графическом редакторе цифровая карта должна использовать свои собственные классификатор, библиотеку условных знаков, правила пространственно-логического описания объектов, а не их «адаптированный» технологический вариант. Другим положением концепции является формулировка принципа «неразрушающего» редактирования, означающий, что на любом этапе об-

давления цифровой карты никакая метрическая или семантическая информация не должна быть утрачена или искажена из-за технологического несоответствия проекции цифровой карты или её информационного обеспечения. Это особенно важно при обновлении картографической основы ГИС, с которой связан большой объём накопленной информации. Для решения этой проблемы предлагается использовать принцип динамического преобразования всех составляющих цифровой карты.

Концепция построения графического редактора для цифровой фотограмметрической станции предусматривает модульную структуру редактора. В качестве технологии реализации модульности рассмотрены модули соответствующего языка программирования (С, Pascal и др.), независимые исполняемые модули, динамически загружаемые библиотеки, СОМ. Предпочтение получила СОМ-модель, предоставляющая в распоряжение программиста спецификацию, на основе которой он может создавать объекты, способные функционировать в различных языковых и операционных средах.

В качестве основы внутренней модели данных подсистемы для работы с метрической информацией выбрана цепочно-узловая структура (ЦУС). В ЦУС существует три типа объектов для представления точек, линий и площадей на карте: узлы, дуги, полигоны. Конечное множество дуг образует ЦУС, если любые две дуги этого множества не имеют общих точек или имеют один или два общих узла и не имеют других точек пересечения. Дуги разбивают плоскость на непересекающиеся подмножества, все точки внутри которых связаны между собой. Эти подмножества и являются полигонами.

Для всех дуг и полигонов ЦУС выполняются три классических топологических отношения геоинформатики (они же отношения «соседства»):

- две дуги не пересекаются или пересекаются только в узлах;

- любая дуга (вся, а не ее часть) принадлежит только одному (если она висячая) или только двум (не висячая) полигонам;

- граница любого полигон состоит из дуг (а не их частей).

Под термином «построение топологии» понимается явное представление этих трех топологических свойств для всех объектов ЦУС при помощи простых атрибутивных таблиц (топологических), не содержащих в своих атрибутах значений координат или других метрических характеристик.

ЦУС, несомненно, является очень удобным инструментом для анализа пространственного положения её элементов. Однако она обладает и существенным недостатком. Составляющие её элементы формируются по жестко заданным правилам, в результате чего отображаемые объекты оказываются разбиты на множество не связанных друг с другом примитивов (рисунок 1). Во многом именно из-за этого часто противопоставляют топологическую и объектную модель данных, ведь отображение объектов местности как единого целого оказывается невозможным.

Объектная модель Цепочно-узловая модель

Для решения указанной проблемы необходимо каким-то образом «связать» указанные примитивы в один объект. Способы связывания могут быть различными как по методологии (связь через ссылочные (объектные) идентификаторы, через список внутренних идентификаторов), так и по реализации (адаптация существующих примитивов и структур, разработка новых). В результате проведенного анализа было принято решение о введении трех новых классов объектов: составной узел, составная линия и составной полигон, к Все эти объекты (рисунок 2) представляют списки, в которых хранятся внут-

ренние идентификаторы соответствующих «простых» объектов. В сами примитивы (узел, дуга, полигон) добавлены списки идентификаторов составных ' объектов, в которые входят данные простые объекты.

В результате получилась довольно простая и гибкая поддержка объектов, в то время как ЦУС в качестве основы также сохранилась. Так как в процессе выполнения операций редактирования связи в цепочно-узловой структуре меняются, дуги и полигоны могут быть разделены или, наоборот, слиты воедино, вносимые в ЦУС изменения постоянно отслеживаются и спи-

Пример хранения -данных в объектах 4,5

Номера полигонов, образующих объект

> Составной линейный^' Номера дуг, обра-объект зугощих объект

1,2,3

Рисунок 2 - Расширение ЦУС составными объектами

ски идентификаторов соответствующим образом изменяются, чтобы объект, представленный примитивами, не утратил своей формы и целостности. Всё это обеспечивается перекрытием тех методов редактирования, которые могут привести к изменению топологических связей (добавление/удаление узла, добавление/удаление дуги, преобразование точки дуги в узел и обратно).

Из-за модели данных, поддерживающей межобъектные топологические отношения, разрабатываемый графический редактор получил название «Топологический».

Многопользовательский доступ к данным может осуществляться по двум технологиям: «файл-сервер» или «клиент-сервер».

Совместная обработка данных по технологии «файл-сервер» ограничена, так как не предусмотрено никаких средств для разрешения конфликтов при одновременном изменении данных разными пользователями.

Системы, использующие технологию «клиент-сервер» для управления базами данных (СУБД), получили широкое применение. На сегодняшний день уже достаточно много СУБД поддерживают двоичные объекты для хранения метрической информации, часть из них может производить индексацию пространственных данных, но стандартный для многих графических па-

кетов откат/возврат изменений в пределах одной транзакции практически нигде не реализован. Кроме того, СУБД от известных производителей наряду с высокой функциональностью имеют и высокую цену, ограничивающую их использование.

Поэтому возникла необходимость разработки по технологии «клиент-сервер» собственного модуля управления пространственными данными для использования в распределённых цифровых фотограмметрических системах начального уровня.

В качестве логической модели данных была выбрана много версионная модель с таблицей состояний транзакций (рисунок 3). Такая модель данных была впервые применена в СУБД МегЬаБе и с тех пор используется довольно широко. Её особенностью является хранение в базе данных нескольких версий записи, изменённых различными транзакциями и хранимых в хронологическом порядке. Такая модель данных позволяет легко и эффективно реализовать основные типы транзакций.

Главпая таблица состояний транзакций (тип «Read committed»)

№ тран- Состоя-

закции ние

1 Commit

2 Rollback

N-2 Rollback

N-1 Active

N Active

Таблица состояний транзакций дая транзакции N-I (тип «Snapshot»)

№ точки сохранения Состояние

1 Commit

2 Rollback

• •*

N-2 Active

N-1 Active

Запись 1 Версии:

Запись 2 Версии:

Запись 3 Версии:

Таблица с данными

Версия 1 (тр. 1)

! Версия гТ (то. 3) Д

Версия 1

(TP- 2)

Версия I

(Т-Ц

Версия 2 (TP.N-n

Версия 2 (тр-5)

Версия 3 (тр. N-2)

Версия 3 (тр. N-2)

Рисунок 3 - Логическая структура многоверсионной модели данных

Рассмотренная модель данных обеспечивает эффективную работу с разными типами транзакций, но не обеспечивает откат/возврат изменений в контексте активной транзакции. Для реализации такой возможности в много-версионную модель данных были внесены некоторые изменения (рисунок 4). Так, для каждой транзакции формируется таблица «точек сохранения», а все версии данных в дополнение помечаются идентификатором текущей точки сохранения.

Главная таблица состояний транзакций (тип «Read committed»)

№ транзакции Состояние

1 Commit

,„

N Active

Таблица состояний точек сохранения транзакции N

№ точки сохранения Состояние

1 Undo

2 Undo

3 Disabled

4 Undo

• ••

8 Current

Таблица с данными

Запись 1 Версии:

Запись 2 Версии:

Запись 3 Версии:

Версия 1 1 Версия 2 | Версия 3

(тр-1) 1 (тоЛЧ. тс.2)! (Tp.N, тс.З)

1 Версия 1

1 (то. 11

Версия 1 | Версия 2 |

(тр.1) Р<то.К тс.411

Запись... Версии:

Версия 1 (тр-N, тс.1)

Версия 2 (Tp.N, тс.2)

Версия 3 1 (тр-N. тс.8)И

Рисунок 4 - Логическая структура многоверсионной модели данных с поддержкой отката/возврата изменений

Для использования точек сохранения достаточно наличие трёх команд: добавить новую и переместить вперёд/назад текущую точку сохранения. Те версии записей, которые не удовлетворяют условиям поиска, будут для пользователя недоступны.

Для того чтобы подсистема работы с классификаторами была гибкой, необходимо разработать способ формализованного описания классификатора. Предложенный в работе вариант формализованного описания классификатора представлен в виде графа. Узлами графа являются группы характери-

стик, объединённых по какому-либо признаку. Это могут быть различные классификационные группы, перечень типов объектов или структурированные характеристики объектов. Узлы графа соединены между собой рёбрами - связями характеристик из разных групп. Рёбра имеют направление, так как отношения между характеристиками носят характер «главный - подчинённый». При типе отношений «один-ко-многим» каждая характеристика «главной» группы может быть соединена с любым количеством характеристик из «подчинённой» группы. Если имеет место тип отношений «один-к-одному», то и количество связанных характеристик из «подчинённой» группы не может быть больше одной. Фактически, связи задают допустимый перечень характеристик «подчинённого» узла при активации соответствующей характеристики «главного». Кроме того, связи могут быть обязательными, если требуется наличие всех характеристик из «подчинённой» группы при активации характеристики в «главной», и необязательными.

Наиболее простой вид модель имеет при реализации табличного классификатора. Фактически тип объекта определяется его принадлежностью к определённому слою, поэтому каждый слой просто содержит перечень допустимых характеристик. Такая модель представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Модель табличного классификатора

При графическом отображении моделей классификаторов окружностью обозначены узлы графа (группы характеристик), а линиями - рёбра (связи между группами). Стрелкой на конце линии указано направление отношений «главный - подчинённый», тонкие и толстые линии обозначают отношения «один-к-одному» и «один-ко-многим» соответственно. Пунктирная линия свидетельствует о необязательности наличия у объекта всех допустимых характеристик. Если линия сплошная, то наличие всех характеристик обязательно.

Иерархический классификатор имеет несколько более сложный вид из-за наличия классификационных группировок. В наиболее простом случае, при наличии только отношений «тип объекта - характеристики», модель иерархического классификатора приобретает вид, показанный на рисунке 6.

Рисунок 6 - Модель простого иерархического классификатора

При наличии одинакового для всех объектов числа уровней иерархии (вложенных классификационных группировок), модель классификатора преобразуется к виду, показанному на рисунке 7.

Рисунок 7 - Модель иерархического классификатора с двумя классификационными уровнями

Если различные типы объектов имеют разное количество уровней классификации или входят в пересекающиеся классификационные группировки, то модель классификатора можно представить схемой, изображённой на рисунке 8. Особенностью данной схемы является направление отношений «главный - подчинённый» не от классификационных групп к типу объекта, а в обратном направлении. Поэтому такая схема получила название «схема с обратной классификацией». Однозначность отнесения типа объекта к любой из классификационных групп достигается использованием обязательных связей типа «один-к-одному». Перечень допустимых характеристик нижестоящего (условно) классификационного уровня определяется косвенным образом, на основании анализа характеристик вышестоящего

Рисунок 8 - Модель иерархического классификатора с «обратной» классификацией

классификационного уровня, связей между классификационными группами и типом объекта.

Анализируя условные знаки, применяющиеся при отображении картографической информации (рисунок 9), можно сделать вывод, что все они состоят из повторяющихся элементов (примитивов), расположенных в определенном порядке.

Точечный условных -шак

простая разметка © + ©

Точечный условный знак:

разметка с раз норе; ом

Липеипмх условных *пак | ]лотпа*гтоЙ устотптт.тй зпатг

усложненная разнегк» регулярная ричметм

\_/ _

Лилейных условных знак I Иощалпотт услокпий -шая

периодическая ралметка нере^ляркгя рлметка

Линейных условных .шак

простая разметка

Рисунок 9 - Использование примитивов и разметки для отображения условных знаков

Таким образом, информацию, описывающую условный знак можно условно представить в виде двух частей:

- одна из них определяет вид примитивов, их форму и размер;

- другая часть (разметка) определяет взаимное расположение примитивов.

Можно выделить несколько основных видов разметки. Для отображения точечных условных знаков она может быть:

- простой - точка задает положение условного знака;

- с разворотом - одна точка задает положение условного знака, а другая его разворот;

- с разворотом и масштабированием - одна точка задает положение условного знака, вторая - его разворот, а третья — масштаб условного знака.

Разметка для отображения линейных условных знаков бывает:

- простая - вся линия заполняется одним условным знаком;

- усложненная - кроме заполняющего примитива указывается примитив для начала и конца линии;

- периодическая - контур линейного объекта разбивается на определенные интервалы, каждый из которых может отображаться по своим правилам.

Для отображения площадных условных знаков применяется разметка:

- регулярная - примитивы располагаются в узлах сетки какого-либо

вида;

- нерегулярная - расположение примитивов подчиняется сложному закону.

Особенностью разработанной библиотеки условных знаков является возможность комбинации разметок для формирования изображения условного знака и даже их рекурсивное использование. Это позволяет упростить алгоритмы разметок и расширить варианты их использования.

Третий раздел диссертации посвящен описанию экспериментальных работ.

На основании разработанных алгоритмов автором создан пакет программ «Топологический редактор», предназначенный для создания и обновления цифровых карт по данным аэрофотосъёмки и настройки информационного обеспечения цифровых карт.

Программа редактирования картографической информации «Торо1о%» Программа была создана для проверки корректности разрабаты-

ваемых моделей данных и алгоритмов их обработки и постепенно приобрела функциональность картографического редактора. Данное программное обеспечение разработано в среде программирования «Delphi 2» и использовалось:

- для разработки и проверки алгоритмов формирования и редактирования ЦУС;

- для исследования комбинированной модели пространственных данных, объединяющей достоинства объектной модели и ЦУС;

- для проверки разрабатываемой библиотеки условных знаков;

- для отработки алгоритмов контроля качества картографической информации при интерактивном создании и редактировании объектов на основе анализа топологических характеристик объектов;

- для реализации алгоритмов импорта и экспорта цифровых карт из обменных форматов AutoCad, TopoWin, Mapinfo;

- для отработки алгоритмов пространственного анализа картографической информации с использованием топологических характеристик объектов;

- для изучения принципов работы с цифровыми изображениями.

Программа «Topolog» использовалась в центре Сибгеоинформ

(г. Новосибирск) для выполнения хоздоговорных работ по созданию цифровых картографических карт масштаба 1 : 25000 на территорию г. Томска.

Программы для создания библиотеки условных знаков «Primitiv Editor» и «Library Editor». Данный комплекс программ предназначен для создания наборов примитивов («Primitiv Editor») и для формирования из примитивов условных знаков («Library Editor»), Особенностью данного комплекса программ является наличие встроенного и расширяемого перечня алгоритмов графического вывода примитивов вдоль контура картографического объекта. Это позволило дополнительно разработать динамически загружаемую библиотеку (DLL модуль), включающую в себя все необходимые процедуры и алгоритмы для построения изображения условных знаков на экране компьютера или на другом графическом устройстве. В программах реализован импорт условных знаков из шаблонов ЦФС ЦНИИГАИК.

Программы разработаны с использованием интегрированных сред разработки программного обеспечения «Delphi 2» и «Delphi 7».

Программа создания формализованного описания классификатора «Classifier Config». Предназначена для создания и редактирования описаний классификаторов и проверки их корректности путём имитации процесса ре-

дактирования атрибутивной информации. Программа разработана с использованием интегрированной среды разработки программного обеспечения «Delphi 7».

Особенностью программы «Classifier Config» является наглядное графическое представление модели классификатора в виде графа.

Программа для сбора, редактирования и обновления картографической информации в составе цифровой фотограмметрической станции «Топологический редактор». Программа предназначена для непосредственного взаимодействия с модулями цифровой фотограмметрической станции с целью создания, редактирования и обновления цифровой картографической информации. «Топологический редактор» создан с использованием разработанных архитектуры, моделей данных, алгоритмов и с учётом опыта, приобретённого автором при разработке других программ комплекса. Данное программное обеспечение разработано в интегрированной среде разработки «Delphi 7».

К основным достоинствам программы относятся:

- развитая модульная структура и простая программная архитектура, позволяющие создавать независимые программные модули различного назначения, легко интегрируемые в «Топологический редактор» и эффективно взаимодействующие друг с другом;

- развитые средства взаимодействия с модулями цифровой фотограмметрической станции;

- возможность выбора и настройки компонентов, используемых для формирования базы картографических данных;

- возможность многопользовательской работы с картографической информацией;

- многошаговый откат/возврат произведённых пользователем изменений;

- комбинированная модель пространственных данных, объединяющая достоинства объектной модели и ЦУС;

- полностью настраиваемое информационное обеспечение цифровой карты, включая библиотеку условных знаков и классификатор, что позволяет импортировать семантическую информацию без потерь и искажений;

- возможность связывания объектов цифровой карты с несколькими базами данных атрибутивной информации;

- настраиваемый процесс импортирования картографической информации из архива ЦТК, ГИС или модуля первичного сбора картографической информации в составе ЦФС;

- трансформирование координат точек цифровой карты, цифровых снимков и фотограмметрической модели «на лету».

Заявленные возможности топологического редактора были проверены в ходе тестирования его элементов. Благодаря модульной структуре и использованию специального загрузчика расширение функциональных возможностей редактора возможно без вмешательства в программный код системы и его перекомпиляции.

Для проверки корректности разработанной формализованной модели описания классификаторов с помощью программы «Classifier Config» были смоделированы: классификатор ЦТК средних и мелких масштабов для программы TopoWin (центр Сибгеонформ, г. Новосибирск), классификатор топографической информации крупных масштабов, разработанный Научно-исследовательским институтом прикладной геодезии Главного управления геодезии и картографии при Совете Министров СССР (по изданию 1986 г.), а также классификатор ЦФС ЦНИИГАиК для картографирования в масштабе 1:2000.

Адекватность предложенной модели описания классификаторов проверялась путём имитации взаимодействия модели классификатора с атрибутивной базой данных и сравнение полученных результатов с процессом интерактивного редактирования атрибутивных данных в программах, для которых исследуемый классификатор является «родным». Для классификатора TopoWin такой программой является TopoWin 3.0, а для классификатора ЦФС ЦНИИГАИК - программный модуль GED из состава данной ЦФС

Сравнение модели и «родной» программы показало, что:

- поведение модели классификатора TopoWin полностью соответствует процессу интерактивного редактирования семантической информации в программе TopoWin 3.0;

- поведение модели классификатора ЦФС ЦНИИГАИК соответствует процессу интерактивного редактирования семантической информации в программе ЦФС ЦНИИГАИК частично, в первую очередь из-за многообразия способов работы с классификатором в этой программе, но в целом соответствует заложенной в ЦФС ЦНИИГАИК идеологии.

В рамках выполнения диссертационной работы был реализован модуль, выполняющий импорт из четырёх форматов цифровых карт: обменный формат Maplnfo (mid/mif), обменный формат AutoCad (dxf), несжатый формат файлов ЦФС ЦНИИГАиК (dmf), обменный формат TopoWin (Сибгеоин-форм) (txt).

Корректность комбинированной модели данных, объединяющей достоинства объектной модели и ЦУС, а также алгоритмов её функционирования, проверялась на рабочих картографических материалах. В общей сложности было обработано 22 HJT ЦТК масштаба 1:25000. В процессе обработки ' использовались аналитические возможности модели данных для осуществления контроля качества обрабатываемого материала. ^

Многопользовательский доступ и возможность по откату/возврату произведённых изменений проверялись в модельных условиях и доказали свою работоспособность. Критерием корректности многопользовательской работы служила аналогия с достаточно хорошо изученными распределёнными СУБД, а возможности по откату/возврату произведённых изменений сравнивались с реализацией данной функции в таких распространённых программах, как Microsoft Office, Adobe Photoshop и Corel Draw.

Проведённые исследования позволяют сделать вывод о правильности работы комплекса программ «Топологический редактор» и о корректности разработанных моделей данных и алгоритмов.

В заключении приводятся основные результаты научных исследований и выводы по диссертации:

1) в результате анализа требований, предъявляемых к информации, собираемой цифровой фотограмметрической станцией, сформулирована концепция построения специализированного графического редактора. Основой этой концепции является поддержка программным обеспечением всей

полноты и разнообразия информационного обеспечения цифровых карт. Это (

позволило отказаться от сложного процесса конвертирования логической структуры элементов цифровой карты, который часто является источником ошибок; j

2) на основе предложенной концепции разработана структура специализированного графического редактора, определён перечень подсистем и разграничены их функции. Задачи взаимодействия подсистем решены в рамках разработанной программной архитектуры. Архитектура графического редактора изначально проектировалась по принципу конструктора и позво-

ляет подключать новые полнофункциональные модули простым изменением конфигурационного файла;

3) в ходе разработки и реализации подсистем графического редактора были предложены новые идеи и решения, касающиеся совместного использования цепочно-узловой и объектной моделей данных, эффективной многопользовательской работы с данными на основе транзакций, их динамического преобразования из одних систем координат и систем классификации в другие. Гибкость информационного обеспечения цифровых карт заключается в созданной модели формализованного описания и использования классификаторов, в принципах формирования условных знаков для корректного, с точки зрения картографии, отображения объектов цифровой карты;

4) разработана система контроля качества, обеспечивающая метрическую, семантическую и топологическую корректность картографической продукции, что позволяет повысить качество создаваемых цифровых карт при одновременном снижении затрат на их создание;

5) все разработки реализованы в графическом редакторе в составе цифровой фотограмметрической станции, способном работать как в моно, так и в стерео режимах. Сфера использования данного программного комплекса не ограничивается цифровой фотограмметрией, он может найти применение как гибкая ГИС-оболочка с функциональностью от простого вьюве-ра до сложной аналитической системы. Разработанный редактор можно использовать как систему контроля качества картографической продукции, а гибкость информационного обеспечения позволяет использовать редактор для конвертирования данных. Добавление модуля автоматической и полуавтоматической векторизации позволит создать производительный картографический комплекс.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Никитин, В.Н. Разработка топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции [Текст] / В.Н. Никитин // Современные проблемы геодезии и оптики. Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 65-летию СГТА- НИИГАиК, 23-27 ноября 1998 г. Тезисы докл. / Новосибирск: CITA, 1998.-С. 153.

2. Никитин, В.Н. Разработка топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции [Текст] / В.Н. Никитин // Современные

проблемы геодезии и оптики: Материалы междунар. науч.-техн. конф., по-свящ. 65-летию СГТА - НИИГАиК, 23-24 ноября 1998г.- Новосибирск: СГГА, 1999,-С. 70-72.

3. Никитин, В.Н. Поддержка объектов в цепочно-узловой модели данных [Текст] / В.Н. Никитин // Современные проблемы геодезии и оптики. L научно-техн. конф., 24-28 апреля 2000г. Тезисы докл. / Новосибирск: СГГА, 2000,-С. 165.

4. Никитина, Ю.В. Разработка и исследование программного комплекса для изучения динамики лесных экосистем [Текст] / Ю.В. Никитина, В.Н. Никитин // Современные проблемы технических наук. Сборник тезисов докладов новосибирской межвузовской научной студенческой конференции «Интеллектуальный потенциал Сибири», ч.2, 26-27 апреля 2000 - Новосибирск: НГАСУ, 2000 - С. 45.

5. Никитин, В.Н. Поддержка объектов в цепочно-узловой модели данных [Текст] / В.Н. Никитин // Вестник Сибирской государственной геодезической академии / СГГА. - Вып. 6. - Новосибирск, 2001. - С. 81-82.

6. Никитин, В.Н. Поддержка растра в цифровой фотограмметрической станции [Текст] / В.Н. Никитин // Современные проблемы геодезии и оптики. LI научно-техн. конф., 16-19 апреля 2001г. Тезисы докл. / Новосибирск: СГГА, 2001.- С. 233.

7. Никитина, Ю.В. Разработка и исследование векторно-топологического редактора для моделирования динамики лесных экосистем по материалам дистанционного зондирования [Текст] / Ю.В. Никитина, В.Н. Никитин // Современные проблемы геодезии и оптики. LI научно-техн. конф., 16-19 апреля 2001г. Тезисы докл. / Новосибирск: СГГА, 2001.- С. 232.

8. Никитина, Ю.В. Применение векторно-топологического редактора для моделирования динамики лесных экосистем по материалам дистанционного зондирования [Текст] / Ю.В. Никитина, В.Н. Никитин // Вестник Сибиркой государственной геодезической академии / СГТА - Вып. 7. - Новосибирск, 2002. - С. 92-95.

9. Никитина, Ю.В. Моделирование динамики лесных экосистем по данным дистанционного зондирования [Текст] / Ю.В. Никитина, В.Н. Никитин // Дистанционное зондирование и геоинформатика - технологии и наука XXI века. 6-я Международная научная конференция «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости. Регистрация прав не-

движимости имущества и сделок по нему», Испания, 11-18 мая 2002 г. Тезисы докл. - Москва: МГУГиК, 2002. - С. 28-30.

10. Никитин, В.Н. Поддержка растра в цифровой фотограмметрической станции [Текст] / В.Н Никитин // Сб. науч. тр. аспирантов и молодых учён. Сиб. гос. геодез. акад. / Под общ. ред. Т.А. Широковой. - Новосибирск: СГТА, 2003. -С. 23-25.

11. Никитин, В.Н. Архитектура графического редактора для цифровой фотограмметрической станции [Текст] / В.Н. Никитин // Современные проблемы геодезии и оптики: Сб. материалов LUI международной науч,-технической конф., посвящённой 70-летию СГГА. 11-21 марта 2003 г. Ч. II / СГТА. - Новосибирск, 2003. - С. 95-97.

12. Никитин, В.Н. Универсальный подход к работе с классификаторами [Текст] / В.Н. Никитин // Современные проблемы геодезии и оптики: Сб. материалов LIÏI международной науч.-технической конф., посвящённой 70-летию СГТА. 11-21 марта 2003 г. Ч. III / СГТА. - Новосибирск, 2003. -С. 329-330.

13. Никитин, В.Н. Разработка модуля управления пространственными данными для использования в распределённых цифровых фотограмметрических системах [Текст] / В.Н. Никитин // Фотограмметрические технологии в XXI веке: Сб. материалов науч.- технической конф., посвящённой 60-летию кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования. 9-11 декабря 2003 г. / СГТА. - Новосибирск, 2003. - С. 35-39.

14. Никитин, В.Н. Векторный топологический редактор для цифровой фотограмметрической станции [Текст] / В.Н. Никитин // Вестник Сибиркой государственной геодезической академии / СГГА - Вып. 9. - Новосибирск, 2004.-С. 92-95.

15. Никитина, Ю.В. Мониторинг динамики лесного фонда по данным аэрокосмической съёмки [Текст] / Ю.В. Никитина, В.Н. Никитин // Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости: Материалы VIII международной науч.-практической конф., Франция, Ницца, 1219 марта 2004 г. - Новосибирск: СГТА, 2004. - С. 80-85.

16. Никитин, В.Н. Топологический редактор как основа системы сбора картографической информации для цифровой фотограмметрической станции [Текст] / В.Н. Никитин // ГЕО-Сибирь-2005. Т. 5. Мониторинг окружающей среды, геоэкология, дистанционные методы зондирования Земли: Сб. мате-

риалов научн. конгресса «ПЮ-Сибирь-2005», 25 - 29 апреля 2005 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2005. - С. 74-76.

17. Никитин, В.Н. Подсистема классификации для цифровой фотограмметрической станции [Текст] / В.Н. Никитин // Сб. науч. тр. аспирантов и молодых учён. Сиб. гос. геодез. акад. / Под общ. ред. Т. А. Широковой. - Вып. 2. - Новосибирск: СГГА, 2005.

ft

1

I

I И

I \ I

»1394$

РНБ Русский фонд

2006-4 9325

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Никитин, Вячеслав Николаевич

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАММЕТРИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ КАРТОСОСТАВИТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ.

1.1 История развития цифровых фотограмметрических станций.

1.2 Общая схема построения технологии на основе использования цифровых фотограмметрических станций.

1.3 Схемы построения цифровых фотограмметрических станций и взаимодействие графического редактора с другими компонентами цифрового фотограмметрического комплекса.

1.4 Системный подход к проектированию топологического редактора для цифрового фотограмметрического комплекса.

1.5 Общие требования к топологическому редактору для цифровой фотограмметрической станции.

1.6 Подсистема работы с метрической информацией и топологические модели данных.

1.7 Организация данных в подсистеме для работы с атрибутивной информацией.

1.8 Подсистема работы с классификаторами для цифровой фотограмметрической станции.

1.9 Подсистема формирования картографического изображения.

1.10 Подсистема контроля качества цифровых карт и планов.

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕДАКТОРА ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ.

2.1 Определение концепции построения топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции.

2.1.1 Концепция работы с картографической информацией.

2.1.2 Концепция реализации модульности.

2.2 Построение структурной схемы топологического редактора.

2.2.1 Обобщённая структурная схема топологического редактора.

2.2.2 Структурная схема банка данных.

2.2.3 Структура блока обработки.

2.2.4 Схема интерактивного взаимодействия.

2.2.5 Схема загрузки модулей.

2.3 Алгоритмизация методов и решений задач, стоящих перед системой. Выбор моделей данных, математических и технологических решений

2.3.1 Логическая модель взаимодействия модулей в графическом редакторе.

2.3.2 Логическая модель банка данных.

2.4 Подсистема работы с метрической информацией.

2.4.1 Внутренняя структура подсистемы анализа пространственных данных.

2.4.2 Основные алгоритмы для обработки пространственных данных.

2.4.3 Дополнение модели данных для поддержки объектов в цепочно-узловой структуре.

2.4.4 Многопользовательская работа с пространственной информацией.

2.5 Подсистема работы с атрибутивной информацией.

2.6 Подсистема работы с классификаторами. Формализованное описание классификатора.

2.7 Подсистема отображения картографической информации в условных знаках.

2.8 Структура подсистемы контроля качества.

2.9 Подсистема формирования стереоизображения.

2.9.1 Геометрическая модель формирования стереоизображения.

2.9.2 Формирование стереомодели по паре снимков в базисной системе координат.

2.9.3 Формирование стереомодели по паре снимков в линейно-угловой системе координат.

3 РЕАЛИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО РЕДАКТОРА ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ И ПРОВЕРКА ЕГО ВОЗМОЖНОСТЕЙ.

3.1 Описание программ, входящих в программный комплекс топологического редактора.

• 3.2 План тестирования элементов топологического редактора.

3.3 Настройка топологического редактора.

3.4 Импорт картографической информации.

3.5 Настройка подсистемы классификации.

3.6 Визуализация цифровой карты.

3.7 Многопользовательская работа с базой картографической информации и откат/возврат произведённых пользователем изменений.

3.8 Работа с цифровыми изображениями и формирование стереоизображения.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции"

Для создания цифровых карт используется большое количество разнообразных систем и программных модулей, начиная от цифровых фотограмметрических станций, векторизаторов, систем редактирования графической информации до геоинформационных систем с картографическими функциями. Все они построены для решения специфических задач и, как правило, решают их хорошо. Для цифровых фотограмметрических станций такими задачами являются построение фотограмметрических моделей и их измерение, для геоинформационных систем характерно оптимальное управление геоданными и их визуализация, для векторизаторов - автоматическое и полуавтоматическое распознавание контуров на цифровых изображениях и их описание векторными примитивами. Реализации функций, которые являются «побочными» или редко используемыми, уделяется гораздо меньше внимания.

Всё это приводит к тому, что для создания конечной продукции приходится использовать несколько специализированных графических пакетов, передавая данные из одной системы в другую по эстафете. Частичная несовместимость систем между собой приводит к искажениям передаваемых данных. Обычно такая цепочка бывает однонаправленной, так что зачастую возвращение на предыдущий этап обработки означает потерю всей информации, сформированной на последующих этапах. В результате фотограмметрические методы сбора картографической информации оказываются оторванными от цифровой карты как конечного продукта цифровой фотограмметрической станции. Особенно негативно такая технологическая цепочка проявляет себя при обновлении цифровых карт. Например, при обновлении контурной части цифровой карты может быть частично утрачена её семантическая составляющая.

Поэтому разработка программного комплекса, способного выполнять все функции по созданию цифровых карт фотограмметрическими методами на достаточном уровне, и при этом быть настолько гибким, чтобы работать с любыми цифровыми картами, выполняя при необходимости роль интегратора технологической цепочки, является задачей новой и актуальной.

Целью данной работы является разработка концепции топологического редактора для цифровой фотограмметрической станции, способного работать как с объектными, так и с топологическими моделями данных и предназначенного для создания и обновления цифровых карт всего номенклатурного ряда, а также разработка алгоритмов и методов интерактивного редактирования пространственных данных.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи: выполнить анализ возможностей фотограмметрического программного обеспечения для составления и обновления цифровых карт и планов; описать требования, предъявляемые к графическому редактору для цифровой фотограмметрической станции; разработать архитектуру топологического редактора, определить перечень подсистем, разграничить их функции и определить принцип взаимодействия; разработать подсистемы для работы с пространственной и атрибутивной информацией, с классификаторами и условными знаками, подсистему контроля качества на основе существующих или новых алгоритмов и моделей данных; проверить эффективность найденных решений путём реализации в топологическом редакторе и выполнить их тестирование для определения полноты и возможных недостатков на учебных и производственных материалах.

Таким образом, объектом данного исследования является цифровая фотограмметрическая станция, а предметом — графический редактор в её составе.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использовались методы цифровой фотограмметрии, машинной графики, вычислительной геометрии, теории графов, проектирования и разработки программного обеспечения.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке концепции построения графического редактора для цифровой фотограмметрической станции; в разработке гибкой и простой архитектуры взаимодействия программных модулей топологического редактора; в разработке структур данных и алгоритмов работы для организации многопользовательского доступа к картографической информации в распределённых цифровых фотограмметрических системах;

- в разработке настраиваемого классификатора для цифровой фотограмметрической станции, который позволяет работать с различными форматами цифровых топографических карт; в разработке модели пространственных данных, объединяющей достоинства цепочно-узловой и объектной моделей;

- в разработке методики формирования и описания условных знаков на основе рекурсивных комбинаций различных вариантов разметки и примитивов.

Все результаты получены соискателем лично.

Теоретическое значение диссертации заключается в выработке нового подхода к обработке картографической информации, получаемой цифровой фотограмметрической станцией, в разработке новых моделей данных, в предложенных алгоритмах обработки метрической и семантической информации, а также в последовательном изложении всех этапов разработки информационной системы.

Практическая значимость. Предложенные алгоритмы реализованы в разработанном автором топологическом редакторе для цифровой фотограмметрической станции, в котором были учтены основные недостатки существующих на рынке цифровых фотограмметрических систем. Алгоритмы также могут быть использованы при разработке систем цифрового картографирования.

Апробация результатов. Результаты исследований обсуждались на следующих научных конференциях.

1. Современные проблемы геодезии и оптики. Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. 65-летию СГТА-НИИГАиК (Новосибирск, СГГА, 23-27 ноября 1998 г.).

2. Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция «Интеллектуальный потенциал Сибири», (Новосибирск, 26-27 апреля 2000 г.).

3. Современные проблемы геодезии и оптики. L научно-техн. конф., (Новосибирск, СГГА, 24-28 апреля 2000 г.).

4. Современные проблемы геодезии и оптики. LI научно-техн. конф. (Новосибирск, СГГА, 16-19 апреля 2001 г.).

5. Дистанционное зондирование и геоинформатика - технологии и наука XXI века. 6-я Международная научная конференция «Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости. Регистрация прав недвижимости имущества и сделок по нему» (Испания, 11-18 мая 2002 г.).

6. Современные проблемы геодезии и оптики. LUI международная на-уч.-техническая конф., посвящённой 70-летию СГГА. (Новосибирск, СГГА, 1121 марта 2003 г.).

7. Фотограмметрические технологии в XXI веке. Науч.- техническая конф., посвящённая 60-летию кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования. (Новосибирск, СГГА, 9-11 декабря 2003 г.).

8. Методы дистанционного зондирования и ГИС-технологии для оценки состояния окружающей среды, инвентаризации земель и объектов недвижимости. VIII международная науч.-практическая конф. (Франция, Ницца, 12- 19 марта 2004 г.).

9. Современные проблемы геодезии и оптики. LIV научно-техническая конференция, посвящённая 225-летию геодезического образования в России. (Новосибирск, СГГА, 19-23 апреля 2004 г.).

10. Международный научный конгресс Гео-Сибирь-2005. (Новосибирск, 25-29 апреля 2005 г.).

Топологический редактор был внедрён в учебный процесс кафедры фотограмметрии и дистанционного зондирования СГГА. Кроме того, топологический редактор использовался в хоздоговорных работах центра Сибгеоинформ:

1) шифр 99.30 «Создание и передача базы данных цифровой картографической информации на территорию г. Томска в масштабе 1:25000» по заказу ГУП ТЦ «Томскгеомониторинг»;

2) шифр 20.22 «Создание и передача базы данных цифровой картографической информации на территорию г. Томска в масштабе 1:25000» по заказу ГУП ТЦ «Томскгеомониторинг».

Основное содержание диссертации опубликовано в 17 печатных работах, из них 11 статей и 6 тезисов докладов.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, трёх разделов, заключения, библиографии, состоящей из 114 источников и двух приложений. Общий объём составляет 200 страниц печатного текста и 54 рисунка.

Заключение Диссертация по теме "Аэрокосмические исследования земли, фотограмметрия", Никитин, Вячеслав Николаевич

Заключение

Данная диссертационная работа выполнялась с целью расширения возможностей модуля сбора картографической информации фотограмметрическими методами в составе ЦФС по непосредственному взаимодействию с различными форматами и типами цифровых карт, а также с целью разработки новых алгоритмических и технологических подходов к созданию и обновлению цифровых топографических и тематических карт.

1. В результате анализа требований, предъявляемых к информации, собираемой цифровой фотограмметрической станцией, сформулирована концепция построения графического редактора для цифровой фотограмметрической станции. Основой этой концепции является поддержка программным обеспечением всей полноты и разнообразия информационного обеспечения цифровых карт. Это позволило отказаться от сложного процесса конвертирования логической структуры элементов цифровой карты, который часто является источником ошибок.

2. На основе предложенной концепции разработана структура специализированного графического редактора, определён перечень подсистем и разграничены их функции. Задачи взаимодействия подсистем решены в рамках разработанной программной архитектуры. Архитектура графического редактора изначально проектировалась по принципу конструктора и позволяет подключать новые полнофункциональные модули простым изменением конфигурационного файла.

3. В ходе разработки и реализации подсистем графического редактора были предложены новые идеи и решения, касающиеся совместного использования цепочно-узловой и объектной моделей данных, эффективной многопользовательской работы с данными на основе транзакций, их динамического преобразования из одних систем координат и систем классификации в другие. Гибкость информационного обеспечения цифровых карт заключается в созданной модели формализованного описания и использования классификаторов, в принципах формирования условных знаков для корректного, с точки зрения картографии, отображения объектов цифровой карты.

4. Разработана система контроля качества, обеспечивающая метрическую, семантическую и топологическую корректность картографической продукции, что позволяет повысить качество создаваемых цифровых карт при одновременном снижении затрат на их создание.

5. Все разработки реализованы в графическом редакторе в составе цифровой фотограмметрической станции, способном работать как в моно, так и в стерео режимах. Сфера использования данного программного комплекса не ограничивается цифровой фотограмметрией, он может найти применение как гибкая ГИС-оболочка с функциональностью от простого вьювера до сложной аналитической системы. Разработанный редактор можно использовать как систему контроля качества картографической продукции, а гибкость информационного обеспечения позволяет использовать редактор для конвертирования данных. Добавление модуля автоматической и полуавтоматической векторизации позволит создать производительный картографический комплекс.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Никитин, Вячеслав Николаевич, Новосибирск

1. Commercial Remote Sensing and Photogrammetry Электронный ресурс. / Режим доступа: http://imgs.intergraph.com/crsp/.

2. DVP family of photogrammetric products Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.dvp-gs.com/produits.html.

3. Адров, В. Н. Технология цифровой фотограмметрии на ПК — программная система PHOTOMOD Текст. / В.Н. Адров // Материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 24-27 февраля 1997 г.-М., 1997.

4. Адров, В.Н. Новые возможности цифровой фотограмметрической системы PHOTOMOD Текст. / В.Н. Адров // Материалы пятой конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 29 февраля-3 марта 2000 г. М., 2000.

5. Адров, В.Н. Сэкономьте на сканере Текст. / В.Н. Адров, М.В. Му-кин, Д.Ю. Тихонов // ГИС-обозрение. 1997. - №2. С. 17-19.

6. Александров, П.С. Комбинаторная топология Текст. / П.С. Александров. M.-JL: Гостехиздат, 1947 - 660 с.

7. Александров, П.С. Теория функций действительного переменного и теория топологических пространств Текст. / П.С. Александров. — М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1978. — 416 с.

8. Алферов, А.Ю. Технология, доступная всем Текст. / А.Ю. Алферов, А.Ю. Сечин // ГИС-обозрение. 1997. - №2. - С. 19-21.

9. Архангельский, A.B. Основы общей топологии в задачах и упражнениях Текст. / A.B. Архангельский, В.И. Пономарёв М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1974. - 424 с.

10. Астахов, С.И. Контроль качества цифровых и электронных карт в Топографической службе ВС РФ Текст. / С.И.Астахов // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1996. - №5(7). - С. 48-50.

11. Астахов, С.И. Требования к топологичности объектов электронных карт Электронный ресурс. / С.И. Астахов // Режим доступа: www.gisa.ru/2052.html.

12. Баранов, Ю.А. Программное обеспечение для обработки данных дистанционного зондирования Текст. / Ю.А. Баранов, Ю.К. Королев, С.А. Миллер // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1997 г. -№2(9). - С. 42-45.

13. Баранов, Ю.Б. Технология дешифрирования аэрокосмоизображений в ГИС Текст. / Ю.Б. Баранов // Материалы первого семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 27 февраля—1 марта 1996 г. — М., 1996.

14. Барышников, В.Н. MapEDIT for Windows Текст. / В.Н. Барышников, В.Е. Логиневский, A.B. Лычагин // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1997. -№3(10). - С. 56.

15. Беленков, O.B. Обмен пространственными данными Текст. / О.В. Беленков // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1996. — №3(5) — С.36.

16. Берлянт, A.M. Картография: учебник для вузов Текст. / A.M. Бер-лянт.- М.: Аспект Пресс, 2001.- 336 с.

17. Блинкова, О. Informix и ГИС: вместе весело шагать по просторам Текст. / О. Блинкова, А. Сонькин // PC WEEK/RE. 2000. - № 47.- С.26.

18. Болтянский, В. Г. Наглядная топология Текст. / В. Г. Болтянский, В.А. Ефремович. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. -160 с.

19. Борисов, А. Основные черты современной настольной ГИС Текст. / А. Борисов // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1996. — №2(4); 1996.-№5(7); 1997.-№1(8).

20. Быль, В.И. Векторизатор Геор Текст. / В.И. Быль // Материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 24-27 февраля 1997 г. -М., 1997.

21. Варущенко, С.С. ER Mapper 5.5 Текст. / С.С. Варущенко // Материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 24-27 февраля 1997 г. -М., 1997.

22. Втюрин, А. В. Цифровая фотограмметрия при создании и обновлении ЦТК в ВАГП Текст. / А. В. Втюрин // Материалы пятой конференции

23. Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 29 февраля—3 марта 2000 г. М., 2000.

24. Гайсинский, В.М. Топология, или что каждый молодой специалист ГИС должен был бы знать Текст. / В.М. Гайсинский // ГИС-обозрение. — 1996. Лето. — С.20-24.

25. Геоинформационное картографирование. Метаданные электронных карт. Состав и содержание. // Государственный стандарт Российской Федерации (ГОСТ Р 51353-99).-М.: ИПК Издательство стандартов, 2000.

26. Горбачёв, В.Г. Что такое «топологические» отношения в цифровой картографии или для чего топологические отношения нужны в геоинформатике? Электронный ресурс. / В.Г. Горбачёв // Режим доступа: http://www.integro.ru/metod/toporelations.htm.

27. Дзюба, А. К. Методы подготовки и использования растровых картографических материалов Текст. / А. К. Дзюба // Материалы пятой конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 29 фев-раля-3 марта 2000 г. М., 2000.

28. Дружинин, М. Современная фотограмметрия от Leica Текст. / М. Дружинин // Материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 24-27 февраля 1997 г. М., 1997.

29. Дружинин, М.Ю. Компьютер вместо стереоплоттера? Текст. / М.Ю. Дружинин // ГИС-обозрение. 1997. - №2. С. 16-17.

30. Журавлев, Д. A. Space Imaging Текст. / Д. А. Журавлев // Материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 24-27 февраля 1997 г. -М., 1997.

31. Кадничанский, С.А. Обзор цифровых фотограмметрических систем Электронный ресурс. / С.А. Кадничанский, С.И. Хмелевской // Режим доступа: http://cpmsugc.chat.ru/DPSReview.htm.

32. Капралов, Е.Г. Формат F1M. Мнение Текст. / Капралов Е.Г // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. — 1997 №2(9) - С.26.

33. Картография цифровая. Термины и определения.// Межгосударственный стандарт ГОСТ 28441-99- М.: ИПК Издательство стандартов, 2000.

34. Карты цифровые топографические. Общие требования. // Государственный стандарт Российской Федерации (ГОСТ Р 51605-2000).- М.: ИПК Издательство стандартов, 2000.

35. Карты цифровые топографические. Система классификации и кодирования цифровой картографической информации. Общие требования. // Государственный стандарт Российской Федерации (ГОСТ Р 51606-2000).— М.: ИПК Издательство стандартов, 2000.

36. Карты цифровые топографические. Требования к качеству. // Государственный стандарт Российской Федерации (ГОСТ Р 51608-2000).- М.: ИПК Издательство стандартов, 2000.

37. Кириллов, С.А. Создание качественных цифровых карт Текст. / С.А. Кириллов // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1997. - №4(11). -С. 24-25.

38. Классификатор топографической информации (Информация, отображаемая на картах и планах масштабов 1:500, 1:1000, 1:2000, 1:5000, 1: 10000) Текст. И Главное управление геодезии и картографии при совете министров СССР-М., 1986.

39. Копаев, Г. Результаты сравнительной оценки векторизаторов Текст. / Г. Копаев // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1996. -№2(4). -С.59-62.

40. Короткое, С. В. Технология векторизации с использованием пакета Easy Trace Текст. / С. В. Коротков // Материалы пятой конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 29 февраля—3 марта 2000 г. М., 2000.

41. Корчагин, А. Отзыв о векторизаторе MapEdit Текст. / А. Корчагин // Материалы первого семинара «Проблемы ввода и обновления пространствен- ^ ной информации», 27 февраля-1 марта 1996 г. -М., 1996.

42. Кошкарёв, A.B. Форматы и стандарты цифровой пространственной информации Текст. / A.B. Кошкарёв, А.Д. Сорокин // ГИС-обозрение. 1995. - Весна. - С.40-45.

43. Лашаков, А. Методика проверки качества цифровых карт местности в среде PC ARC/INFO — ArcView Электронный ресурс. / А. Лашаков / Режим доступа: http://www.gisa.ru/1966.html.

44. Лебедева, Н.Я. Создание качественных цифровых карт Текст. / Н.Я. Лебедева, И.А. Илюнин // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. -1997.-№2(9).-С. 24-25.

45. Лычагин, А. В. Векторизатор MapEdit в понимании разработчика Текст. / A.B. Лычагин // Материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 24-27 февраля 1997 г. — М., 1997.

46. Лычагин, A.B. Развитие отечественных векторизаторов (программа MapEDIT) Текст. / A.B. Лычагин // Материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 24-27 февраля 1997 г. — М., 1997.

47. Милнор, Джон. Характеристические классы Текст. / Джон Милнор, Джеймс Сташеф. -М.: Мир, 1979.

48. Москалев, A. MapEDIT Текст. / А.Москалев // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1996. -№2(4). - С.73.

49. Нехин, С.С. Совершенствование аппаратно-программных средств ЦФС Текст. // С.С. Нехин, Г.А. Зотов // Геод. и картгор.- 2003.- №7.- С. 25-32.

50. Нехин, С.С. Создание и обновление цифровых топокарт и планов с использованием аналитических и цифровых фотограмметрических станций Текст. / С.С. Нехин, Г.А. Зотов // Доклад, предоставленный на конференцию. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

51. Никитин, В.Н. Векторный топологический редактор для цифровой фотограмметрической станции Текст. / В.Н. Никитин // Вестник Сибиркой государственной геодезической академии / СГТА.- Вып. 9. Новосибирск, 2004. -С. 92-95.

52. Никитин, В.Н. Поддержка объектов в цепочно-узловой модели данных Текст. / В.Н. Никитин // Современные проблемы геодезии и оптики. Ь на-учно-техн. конф., 24-28 апреля 2000г.- Новосибирск: СГТА, 2000 С. 165.

53. Никитин, В.Н. Поддержка объектов в цепочно-узловой модели данных Текст. / В.Н. Никитин // Вестник Сибирской государственной геодезической академии / СГТА. Вып. 6. — Новосибирск, 2001. — С. 81-82.

54. Никитин, В.Н. Поддержка растра в цифровой фотограмметрической станции Текст. / В.Н. Никитин // Современные проблемы геодезии и оптики. 1Л научно-техн. конф., 16-19 апреля 2001г. Тезисы докл. / Новосибирск: СГГА, 2001.-С. 233.

55. Никитин, В.Н. Поддержка растра в цифровой фотограмметрической станции Текст. / В.Н. Никитин // Сб. науч. тр. аспирантов и молодых учён. Сиб. гос. геодез. акад. / Под общ. ред. Т.А. Широковой. — Новосибирск: СГТА, 2003. С. 23-25.

56. Никитин, В.Н. Подсистема классификации для цифровой фотограмметрической станции Текст. / В.Н. Никитин // Сб. науч. тр. аспирантов и молодых учён. Сиб. гос. геодез. акад. / Под общ. ред. Т.А. Широковой. — Новосибирск: СГТА, 2005. — Вып. 2.

57. VIII международной науч.-практической конф., Франция, Ницца, 12-19 марта 2004 г. Новосибирск: СГГА, 2004. - С. 80-85.

58. Программа создания ортофотопланов, моделей рельефа местности и стереовекторизации по материалам космической и аэрофотосъемки. Талка. Версия 3.1. Назначение, характеристики и основные понятия программы Текст. T. 1.-М., 2001.

59. Рудой, Б.П. Концептуальные топологические отношения в ГИС Текст. / Б.П. Рудой, В.Г. Горбачёв, М.Ю. Власов // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1996. -№5(7). - С.62-63.

60. Савочкин, В.Н. Некоторые вопросы оценки качества цифровых карт Текст. / В.Н. Савочкин, О.В. Беленков // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1996. - №5(7). - С. 51.

61. Салищев, К. А. Картография Текст. / К. А. Салищев. М.: Высшая школа, 1982.

62. Селетков, С.Г. Соискателю ученой степени / С.Г. Селетков.— 2-е изд., доп.-Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 1999- 176 с.

63. Серов, А.В. Показатели качества цифровых карт Электронный ресурс. / А.В. Серов // Режим доступа: http://www.uran.donetsk.ua/ ~masters/2003/ggeo/pilicheva/library/pokazkacheztva.htm.

64. Сорокин, А. Проблемы обмена пространственной информацией: зарубежный и отечественный опыт Текст. / А. Сорокин, И. Мерзлякова // ГИС-обозрение. 1996. - Лето. - С.32-39.

65. Сорокин, А. Проспект методики обмена наборами пространственных данных с использованием распространенных форматов файлов Текст. / А. Сорокин // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. — 1996. — №4(6). — С.34.

66. Степанов, Г.Н. Векторизатор Easy Trace в понимании разработчика Текст. / Г.Н. Степанов // Материалы второго семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 24-27 февраля 1997 г. М., 1997.

67. Степанов, Г.Н. Роль и место векторизатора как инструмента ГИС технологий Текст. / Г.Н. Степанов // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1997. - №3(10). - С. 26.

68. Степанова, Т.Б. Easy Trace Текст. / Т.Б. Степанова, Г.Н. Степанов // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. — 1997. — №4(11). — С. 19.

69. Степанова, Т.Б. Easy Trace V3.1 глазами авторов Текст. / Т.Б. Степанова, Г.Н. Степанов // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. — 1996. — №3(5). — С.32.

70. Стрельцов, И. Технология ArcSDE что это? Текст. / И. Стрельцов // ArcReview. - 2001. - №4(19). - С.11-12.

71. Трофимов, С.А. Отзыв о векторизаторе Easy Trace версии 1.7 Текст. / С.А. Трофимов, Н.А. Виноградова // Материалы первого семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 27 февраля—1 марта 1996 г.-М., 1996.

72. Тюкавкин, Д.В. О цифровой фотограмметрической системе «Талка» Текст. / Д.В. Тюкавкин // Материалы пятой конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 29 февраля-3 марта 2000 г. — М., 2000.

73. Хирш, М. Дифференциальная топология Текст. ./ М. Хирш. — М.: Мир, 1979.-280 с.

74. Хрупов, С. Организация данных в ГИС Текст. / С. Хрупов // ГИС-обозрение. 1997. - №2.- С.38-41.

75. Цветков, В.Я. Геоинформационные системы и технологии Текст. / В.Я. Цветков. М.: Финансы и статистика, 1998 - 288 с.

76. Цифровая фотограмметрическая станция «Дельта» Электронный ресурс. / Режим доступа: http://www.vinnitsa.com/geo/Rus/Hardware.htm.

77. Цифровая фотограмметрия на персональном компьютере Текст. / ГИС-обозрение. лето 1995.

78. Чекалин, В.Ф. Программное обеспечение Orthospace: назначение и возможности Текст. / В.Ф.Чекалин, Ю.В.Головин, В.В.Некрасов // Материалы пятой конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 29 февраля—3 марта 2000 г. — М., 2000.

79. Чесалов, JI.E. Опыт конвертации картографической информации (некоторые рекомендации) Текст. / JI.E. Чесалов // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 1996. - №3(5). - С.34-35.

80. Чугреев, И. Г. Цифровая фотограмметрическая система «Апертура» и ее практическое применение Текст. / И. Г. Чугреев // Материалы первого семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 27 февраля-1 марта 1996 г. -М., 1996.

81. Чугреев, И.Г. Цифровая фотограмметрическая система «АПЕРТУРА» Текст. / И.Г. Чугреев, М.Р. Владимирова // Материалы пятой конференции «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 29 февраля-3 марта 2000 г. М., 2000.

82. Шустов, В.В. Отзыв о векторизаторе Easy Trace Текст. / B.B. Шустов // Материалы первого семинара «Проблемы ввода и обновления пространственной информации», 27 февраля—1 марта 1996 г. — М., 1996.

83. Яровых, В.Б. Проблемы качества векторных цифровых карт для ГИС Текст. / В.Б. Яровых // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. — 1996. -№4(6).-С. 17-19.

84. Яровых, В.Б. Связь пространственных и атрибутивных данных в геоинформационных системах Текст. / В.Б. Яровых // Доклад, предоставленный на конференцию. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

85. Ястребов, А.И. Использование программного продукта ИНТЕЛФОТО для создания и обновления планов масштаба 1:2000 по аэрофотоснимкам Текст. / А.И. Ястребов, H.H. Машера // Доклад, предоставленный на конференцию. 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).