Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Универсальные методики распределенной работы с массивами изображений внеземных территорий

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Универсальные методики распределенной работы с массивами изображений внеземных территорий"

005005625

Зельков Константин Михайлович

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ РАБОТЫ С МАССИВАМИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВНЕЗЕМНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Специальность 25.00.35 - геоинформатика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕК 2011

Москва-2011

005005625

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Московский государственный университет геодезии и

картографии (МИИГАиК)»

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Шингарева Кира Борисовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Соловьев Игорь Владимирович

кандидат технических наук Леоненко Сергей Михайлович

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)

Защита состоится «23» декабря 2011 г. в 10:00 часов на заседании диссертационно совета Д 212.143.03 при Московском государственном университете геодезии картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, Москва, Гороховский пер., 4, зал заседани ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственно университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Автореферат разослан «22» ноября 2011г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Шш*--- Климков Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возврат к космическим исследованиям, в том числе в оссии, и их активизация в начале XXI века привели к интенсивному развитию ланетной картографии, которая будет играть все более важную роль в процессе своения внеземных территорий. Неотъемлемой частью космических исследований вляются съемки поверхности различных тел и дальнейшая фотограмметрическая бработка полученных результатов. Учитывая, что значительные успехи в области осмических программ, освоении внеземных территорий и развитии космонавтики дали ольшое количество постоянно пополняющегося материала, научным коллективам, роизводящим как предварительную, так и полную обработку снимков, необходимы нструменты для получения, хранения и обмена данными, чему ранее не уделялось олжного внимания.

Объект исследования и предмет исследования. Объектом исследования вляются космические снимки внеземных территорий. Предметом исследования ляются малые тела Солнечной системы.

Целью исследования является разработка методик, алгоритмов и инструментов 1ения, хранения и интерактивного обмена систематизированной информацией по дровым космическим снимкам малых тел Солнечной системы, ля достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- изучить существующие информационные системы и базы данных, что должно включать в себя рассмотрение их структур, способов и форматов хранения данных;

- изучить существующие методики и алгоритмы работы с массивами данных;

- провести анализ и оценку систем управления базами данных (СУБД) и архитектур баз данных (БД), на основе которых выбрать наиболее приемлемое решение;

- разработать, согласно имеющимся данным по выбранному объекту исследования, структуру БД;

- на примере выбранного объекта исследования разработать алгоритмы получения и добавления информации в БД;

/ ч.

- на примере обработки отдельных снимков произвести экспериментальну! проверку разработанных алгоритмов и методик.

Научная новизна. Разработаны новые, эффективные методики работы массивами изображений, позволяющие проводить совместный анализ и обработк данных научными коллективами. Разработана БД снимков внеземных территорий.

При разработке БД была описана методика формирования комплексной баз данных, а также методик и алгоритмов оптимизации работы с данными. В процесс создания базы данных была изучена информация на конкретном объект систематизации которой прежде не уделялось должного внимания.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Произведена оценка информативности имеющихся систем по планетно тематике;

2. Обоснована необходимость разработки универсальных методик необходимыми алгоритмами работы с информацией;

3. Обоснована разработка интерактивной системы обмена данными;

4. Обоснован выбор СУБД, необходимой для создания базы данных снимко малых тел Солнечной системы;

5. Разработаны методики, содержащие необходимые алгоритмы чтени информации и база данных по выбранному объекту исследования.

Источниковая база. При создании информационной системы использовалис кадровые снимки Фобоса и сопроводительная информация к ним, полученные открытых источников, также рассмотренных в работе, в частности, Planetary Data Syste Работа выполнялась с помощью системы управления базами данных Microsoft Accès средства разработки программного обеспечения Microsoft Visual Basic, систем управления реляционными базами данных Microsoft SQL Server, архитектур компонентов базы данных OLE DB (включая дополнительные провайдеры Microsoft OL DB Provider for SQL Server и Microsoft Office 12.0 Access Database Engine OLE D Provider), программного обеспечения SPICE, ISIS, а также программы по распознавани текстов Abbyy FineReader, графического редактора Adobe Photoshop CS2. Пр выполнении работы были использованы и проанализированы различные литературны

сточники, информационные системы по планетной тематике, геоинформационные истемы.

Практическое значение. Разработанные методики, алгоритмы, программное беспечение и база данных по космическим снимкам предоставляют пользователям пособы быстрой и интерактивной работы с массивами данных. Сформированная в роцессе разработки модель БД позволит сократить затраты на создание подобных баз анных в будущем.

Методы исследования. Решение поставленных задач выполнено с спользованием методов анализа литературы и информационных систем по проблеме сследования, методов и принципов построения реляционных БД, методов объектно-риентированного программирования. Экспериментальные исследования осуществлены помощью систем управления базами данных Microsoft Access, Microsoft SQL Server, редства разработки программного обеспечения Microsoft Visual Basic, с использованием атериалов космических съемок.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, аключения, списка литературы, включающего 60 наименований источников и 3 риложения. Общий объем диссертации: 73 страницы текста и 15 страниц приложения, в ом числе 10 таблиц и 32 рисунков в тексте.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи в урналах, рекомендованных ВАК России, промежуточные и окончательные результаты аботы представлены в 3 сборниках международных конференций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыты актуальность темы, цель и задачи, научная новизна и рактическая ценность работы.

Глава 1. Космические исследования малых тел Солнечной системы, уществующие сервисы хранения информации по космическим исследованиям

Малые тела Солнечной системы исследуются уже много веков, но по настоящему ерьезные исследования стали возможны лишь в эпоху космических полетов.

Рассмотренные в первой главе миссии, такие как «Вега-1, 2», «Deep Space 1», «Stardust» «Mars Express» и другие внесли существенный вклад в исследования малых тел i предоставили значительные объемы информации.

Основой получения информации для дальнейшей обработки являютс информационные системы хранения данных и дополнительные источники. В настояще время существует ряд порталов планетной тематики. Наиболее крупные из них:

1. Planetary Data System (PDS) - информационная система, которую NAS использует для хранения данных, собранных в результате миссий п изучению Солнечной системы и наземных исследований. Эти данные, ка правило, получены из прошлых и настоящих планетных мисси (исследований, космических полетов).

2. JPL Photojournal - ресурс, который входит в состав PDS. В нем собран изображения планет, спутников, полученные в результате проведени различных космических программ NASA.

3. Map-a-Planet - ресурс также входит в состав PDS. В нем собран изображения планет и спутников, сделанные в результате различных мисси по изучению космоса.

4. United State Geological Survey (USGS) - Информационная система USGS это разработка Геологического института США (United State Geologic Survey), который является многопрофильной научной организацие занимающейся изучением вопросов биологии, географии, геологи геопространственной информации и водных ресурсов. На этом ресурс приводятся описания тел Солнечной системы (планет, спутников, метеорито и т.д.), а также космических программ, проводимых NASA.

5. The SAO/NASA Astrophysics Data System (ADS) - электронная библиотек состоящая более чем из 8,4 млн. документов по астрономии и физике начала XIX века как из рецензируемых, так и из нерецензируемы источников. Основная часть данных ADS состоит из библиографически записей и отсканированной астрономической литературы.

6. NASA/IP AC Extragalactic Database - является базой данных, которая собирает и осуществляет взаимную корреляцию астрономических данных о внегалактических объектах (галактики, квазары, радио, рентгеновские и инфракрасные источники и т.д.).

7. SIMBAD - SIMBAD (the Set of Identifications, Measurements, and Bibliography for Astronomical Data) представляет собой базу данных астрономических объектов за пределами Солнечной системы.

8. The Planetary Society - Планетное сообщество является крупной общественно поддерживаемой, неправительственной и некоммерческой организацией, которая возглавляет множество научно-исследовательских проектов, связанных с астрономией.

9. Malin Space Science Systems - американская компания, основанная в 1990 году, которая проектирует, разрабатывает и эксплуатирует камеры и другие инструменты для полетов на беспилотных космических аппаратах. Информационная система представлена блоком программ для образовательных и рекламных целей, ориентированных на отдельные миссии или только на исходные первичные данные, нуждающиеся в дальнейшей обработке.

10. Center for Mars Exploration (СМЕХ) - Информационная система СМЕХ была создана в 1994 году агентством NASA для сбора и публикации материалов, полученных в результате изучения Марса и его спутников Фобоса и Деймоса.

На сегодняшний день наиболее полным хранилищем информации по космическим елам является Planetary Data System (PDS). Однако даже такая объемная база как PDS не одержит исчерпывающей информации, порой необходимой специалистам при решении оставленных задач. В этом случае используется стороннее программное обеспечение, акое как SPICE.

Как показал проведенный анализ, рассмотренные в главе информационные истемы хранения изображений малых тел и дополнительные источники данных редоставляют пользователям существенные массивы информации. Более того, работая ад определенной задачей, у исполнителя могут возникать некоторые промежуточные

данные (например, уточненные параметры орбиты, исправленные снимки, и т.д.). Эта данные могут быть полезны его коллегам, чтобы не проделывать эту же работу заново. '

Оптимальным решением поставленной задачи хранения и обработки подобны^ массивов данных является создание методик и алгоритмов работы с ними, а такж= разработка специализированной БД и инструментов, позволяющих оперативно добавляв! уже имеющиеся данные.

Глава 2. Массивы данных при фотограмметрической обработке снимков. Выбор объекта исследования. Существующая информация, методы ее хранения и получения. Базы данных

Вторая глава посвящена выбору объекта исследования, анализу имеющихся материалов, способов их получения, хранения и совместного использования. Также сформулированы основные этапы и требования к БД космических снимков.

Учитывая особенности фотограмметрической обработки снимков, можно описат!1 технологию их обработки в общем виде следующей схемой (рис. 1):

Рис. 1: Методика обработки космических снимков

В рамках проводимой работы в качестве объекта исследования был выбран Фобо1 - один из спутников Марса. В связи с тем, что данное малое тело за последние нескольк' лет активно изучается различными научными институтами, актуальность выбор^ является очевидной. ^

Анализ материала показал, что данные изображений хранятся в виде текстовог^ заголовка файла (Header), либо в XML формате. Это приемлемо в том случае, еып данные считываются специализированным программным обеспечением. Однако в тоъ:

J

случае, если в программном обеспечении не предусмотрена функция считывания подобной информации, пользователь вынужден просматривать ее вручную, что сказывается на скорости, а зачастую и невозможности поиска для неподготовленного 'пользователя, что, в свою очередь, требует разработки алгоритмов и инструментов их чтения и представления в удобном для пользователя виде.

Глава 3. Разработка методик и алгоритмов работы с массивами информации. ЗЗаза данных космических снимков

| Первая часть главы посвящена концепции оптимальной обработки существующих ¡гатериалов, в частности, разработке алгоритмов и программного обеспечения для автоматизированного чтения заголовков файлов снимков в различных форматах, а также промежуточным вычислениям возможной дополнительной информации.

Также разработаны алгоритмы пакетного добавления полученной информации в разы данных посредством SQL запросов (рис. 2).

I

I

I

Вторая часть главы посвящена разработке концепции и базы данных снимков 1алых тел Солнечной системы на примере Фобоса на основе выбранной СУБД. В ■езультате эксперимента была создана БД, содержащая основную информацию об

PDS_VERSION_ID = PDS3

r TIME DATA ELEMENTS 7

SPACECRAFTJ:LOCK_START_COUNT = "1/0032949031.56195" SPACECRAFT_CLOCK_STOP_COUNT = "1/0032949472.43393" IMAGE TIME = 2004-05-18TO8:34:17.ü52Z

STARTTIME = 2004-05-18TO:34:17.047Z

STOP_TIME = 2004-05-18T06:34:17.057Z

/* ORBITAL DATA ELEMENTS 7

ASCENDING JMODE_LONGITUDE =220.44 MAXIMUM_RES0LUT1ON =17.1 <m/piKel>

Оригинал тестового заголовка снимка

Время no КА на начало съемки

Врем по КА на конец съемки

Время съемки (среднее-начало-конец)

Время экспонирования м/с j 10

"HO413_0Q02_SR2.IMG"

1/Q032949031-56195

1/0032949472.43393

2004-05-18108:34:17.052

2004-05-10108:34:17.047

2004-05-18Т08:34:17.057

Разрешение^(м/пикс) - выс. съемки Ош) ! 17Л

J [jsl

439,05405405405;

Считанный заголовок с рассчитанными дополнительными параметрами

SQL Update / Insert

Экспорт считанной информации

Рис. 2: Методика работы с заголовком изображения

изображениях и миссии: данные изображений (в том числе результаты первичной и последующих обработок), каталог камер (в том числе все возможные параметры и типы камер), каталог миссий и объектов съемки (рис. 3):

Изображения |

I ГО_1шд_1ш Б ¡таде

¡таде.РЙеОа{а ¡шаде.РНеМате ¡гпаде.РНеТуре

Кагалог миссий

? 10_М»«1огк я пи55)оп пате |

Объекты съемки

f Ю.ОЦесй ОЬ1_пате Ш15510П_51аЛ 1 т155!Оп_епй |

^й 8&вт1Ш№ иадйражемяй

Рис. 3: Структурная схема базы данных

Структурированная подобным образом БД, позволяет пользователям производит! добавление, поиск, сортировку и выборку информации в базе данных, а пользователям -соответствующими правами - добавлять, удалять и изменять записи в БД.

Кроме того, был разработан интерфейс работы с созданной БД: добавление изображений, данных, поиск и редактирование (рис. 4).

Несмотря на то, что существует множество СУБД, большинство из них опираются на единый комплекс основных понятий. Это дает возможность рассмотреть одну систему и обобщить ее понятия, что, в свою очередь, означает возможность в будущем реализации предложенной логической модели на любой из существующих СУБД, учитывая лишь ее специфику.

«¿вре**« Ммг !лр|»»

Г" ^ . 1 [.. ^

Рис. 4: Интерфейс добавлены-изображения в базу данных

Компьютер клиента

Компьютер клиенте

Приложение клиента (проект Access) Приложение клиента (проект Access)

1 1

OLE DB Provider for SOL Server OLE DB Provider for SQL Server

SQL-сервер баз данных

На втором этапе разработана методика перехода спроектированной БД на архитектуру «клиент-сервер». В этом случае проект Access является клиентским 'приложением, которое подключается к Microsoft SQL Server, расположенному в сети или ра локальном компьютере, не привлекая к этому ядро базы данных Jet. В Access 2007 ориентированная на Microsoft Office версия ядра Jet названа Access Database Engine. Эффективный доступ к базам данных SQL Server обеспечивается при этом с помощью нтерфейсов OLE DB (архитектуры ^компонентов базы данных, реализующей эффективный доступ по сети и через [Интернет к источникам данных многих рипов) (рис. 5).

Наполнение базы данных содержанием разобрано на примере снимков Фобоса и толученных по ним данным.

SQL Server OLE DB Provider for SQL Server

_ J 1

Базы данных Г^иложение клиента (проект Access)

Рис. 5: Архитектура «клиент-сервер» на базе Microsoft Access и Microsoft SQL Server с использованием интерфейсов OLE DB

Заключение

В процессе достижения поставленных в диссертационной работе целей с учетом особенностей снимков малых тел Солнечной системы на примере Фобоса \ возможностей современных языков программирования и систем управления базам данных были разработаны методики и алгоритмы коллективной работы с массивам изображений, инструменты чтения и база данных.

Анализ зарубежных информационных систем планетной тематики показал, чт большинство из них имеют узкоспециализированный характер, а наиболе информативной является Planetary Data System (PDS). Тем не менее, для комплексно работы с изображениями данных из одного источника может быть недостаточно. Тогд используется дополнительное программное обеспечение, такое как SPICE.

В процессе исследования были рассмотрены основные типы данных, методы и хранения и обработки.

В завершающей части работы были описаны алгоритмы чтения данных различны типов и способы их экспорта. На втором этапе была разработана структура реляционно базы данных с архитектурой «файл-сервер», предназначенной для совместной работь небольших коллективов с массивами изображений.

Описанные методики и алгоритмы были реализованы с помощью средств разработки программного обеспечения Microsoft Visual Basic, БД реализована на основ СУБД Microsoft Access. Также, разработаны, описаны и реализованы методы переход созданной БД на технологию «клиент-сервер» на базе Microsoft SQL Server, в случа необходимости работы большого числа пользователей.

В дальнейшем планируется развивать созданную базу данных, наполняя е данными по другим миссиям к малым телам Солнечной системы. Также возможн разработка интеграции с другими информационными системами и веб-сервисами.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Съемки Фобоса космическими аппаратами. Прошлое, настоящее и будущее. «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка», №2,2011. С. 58-63.

2. Комплексные базы данных космических миссий и их использование научными коллективами на примере кадровых снимков Фобоса. «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъемка», № 6,2011.

3. Выбор поверхности относимости и системы координат для картографо-геодезического обеспечения посадки на Фобос КА «Фобос-Грунт» (соавт. Шингарева К.Б., Конопихин A.A., Краснопевцева Б.В., Лобанов A.A., Дубов С.С.). Международная научно-техническая конференция, посвященная 230-летию МИИГАиК, Москва, 2009.

4. Анализ имеющихся материалов съемок Фобоса с целью определения возможностей их фотограмметрической обработки. 65-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, Москва, 2010.

5. Geodetic and Cartographic Aspects of «Phobos-Grunt» Projects on the Base of GIS-technologies (with coauth. S.S. Dubov, A.A. Konopikhin, B.V. Krasnopevtseva, A.A. Lobanov, I. Rozhnev, K.B. Shingareva). 3rd International Conference on Cartography & GIS, Bulgaria 2010. (Геодезические и картографические аспекты проекта «Фобос-Грунт» на базе ГИС-технологий, Болгария, 2010).

Подписано в печать 08.11.2011 Заказ 653 Тираж 30 экз. Печать трафаретная. 0бьем:1,0 усл.пл ООО «КопиПринт» 105064, г Москва, ул. Земляной вал, д. 24/32