Разработка методики и технологии создания системы электронных автодорожных карт на основе базы разномасштабных данных

Одной из особенностей дорожной отрасли по сравнению с другими областями экономики является то, что ее основные объекты (автомобильные и городские дороги) являются сложными линейно-протяженными инженерными сооружениями с ярко выраженной географической природой [119]. -В связи с. этим отображение автомобильных дорог должно представляться в картографическом виде на топографической основе. Вместе с тем, для хранения описательной информации по автомобильным дорогам и объектам дорожной инфраструктуры широко используются отраслевые банки данных. Поэтому среди различных видов компьютерных технологий прй информатизации дорожной отрасли наиболее эффективно применение геоинформационных систем (ГИС), предназначенных как для обработки и анализа пространственных данных, так и управления данными и хранения их атрибутивных характеристик.

Хотя разработчиками отраслевых систем накоплен определенный опыт создания банков данных об автомобильных дорогах и объектах. дорожной инфраструктуры, в автодорожной отрасли на сегодня нет единого подхода, обеспечивающего учет состояния автомобильных дорог на разных территориях на основе общих стандартов и подходов. Для управления данными и их отображения используются как коммерческие ГИС, так и внутренние отраслевые разработки, при этом лишь в некоторых отраслевых информационных системах применяются пространственные данные на основе развитой картографической визуализации.

Помимо задач информационного обеспечения дорожной отрасли, автодорожные карты являются одним из активно развивающихся видов электронных карт в связи с потребностями автомобильных навигационных систем. Рынок систем навигации и навигационных услуг в России сдерживается из-за ограничения доступа к данным [34], что связано не только с режимом секретности, но и с отсутствием качественных автодорожных карт. Актуальные электронные карты отсутствуют даже на территорию наиболее заселенной Европейской части Российской Федерации, что связано не с быстрым темпом строительства дорог, а с медленным обновлением картографической основы [28]. Качественная навигационная картографическая основа даст мощный стимул для развития отечественных производителей навигационной аппаратуры и систем навигации. Кроме того, поскольку одной из задач развития автотранспортного комплекса является вхождение России в мировые интеграционные процессы в области навигационных технологий, то создание электронных автодорожных карт для международного использования позволит обеспечить потребности рынка и повысить конкурентоспособность отечественных предприятий.

Помимо качества электронных карт, при использовании современных типов цифровой пространственной информации (ДЗЗ, GPS-съемки, глобальных банков рельефа) требуется оптимизация организационно-технологических особенностей их подготовки. Таким образом, возникает необходимость разработки методов и технологий создания электронных автодорожных карт с учетом требований современных высокотехнологичных источников данных и специфики дорожной отрасли. Поэтому целью данной диссертационной работы является разработка методики создания электронных автодорожных карт на основе базы разномасштабных данных в рамках единой технологии ввода, обработки, оформления и обновления пространственной информации. Для реализации поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Обобщить отечественный и зарубежный опыт разработки информационных транспортных систем и их картографическое обеспечение с учетом анализа современных теоретических концепций и методологических подходов;

2. Разработать требования, предъявляемые к пространственным данным в отраслевых информационных дорожных системах и обосновать их картографическое обеспечение;

3. Разработать методику и технологию создания электронных карт и подготовки карт к изданию на основе интеграции издательских и геоинформационных технологий в рамках единого программно-аппаратного комплекса с учетом требований и специфики дорожной отрасли;

4. Разработать методы автоматизации и оптимизации обработки цифровых пространственных данных для создания электронных автодорожных карт на основе ГИС-технологий и геоинформационных моделей данных;

5. Разработать методику обновления электронных автодорожных карт на основе базы разномасштабных пространственных данных с использованием современных высокотехнологичных источников — цифровых космических изображений и детальных спутниковых GPS-съемок дорожной сети.

Объектом исследования является система электронных автодорожных карт различных масштабов и пространственного охвата. Предмет исследования — методы и технология создания базового и специализированного-картографического обеспечения проблемно-ориентированной автодорожной ГИС. Сюда относятся: цифровая топографическая основа разных масштабов (1: 200 ООО, 1: 500 ООО, 1: 1 ООО ООО) — специальные съемочные данные, полученные по результатам высокоточных полевых GPS-измерений дорожной сети Московской областиа также информация, имеющая важное значение для электронной картографии: базы данных географических названий, космические изображения высокого разрешения, результаты глобальной спутниковой съемки рельефа.

Методы исследования, используемые в диссертации, опираются на теоретические и методологические основы геоинформационного картографирования, отраженные в трудах отечественных (А.И.Мартыненко, А. А. Лютый, С. Н. Сербенюк, А. М. Берлянт, Л. М. Бугаевский, А. Г. Иванов и др.) и зарубежных ученых (T.Kilpelainen, L. Sarjakoski, S. Spaccapietra, B. Bedard, L. Harrie, M. Sester и др).

Средства исследований, примененные в диссертационной работе, опираются на современные информационные и телекоммуникационные технологии. В работе автором применялось более 10 программных продуктов, разработанных как в России (GeoDraw/GeoGraph, MapEdit, EasyTrace), так и за рубежом (ArcGIS 9.0, ArcView 3.2, Maplnfo 6.5, ENVI 3.4, Adobe Acrobat 6.0, Adobe Illustrator 10.0, Freehand 8.0, QuarkXpress 4.0, Microsoft Visio), а также программирование на языках MapBasic и Avenue.

Научная новизна работы состоит в комплексном подходе, разработанном на основе единой технологии ввода, обработки, оформления и обновления пространственной информации при создании электронных автодорожных карт.

На защиту выносятся:

• Методика создания электронных автодорожных карт и подготовки карт к печати на основе интеграции издательских и геоинформационных технологий в рамках единого программно-аппаратного комплекса-" .

• Методы автоматизации и оптимизации обработки цифровых пространственных данных при создании электронных автодорожных карт на основе ГИС-технологий и геоинформационных моделей данных;

• Технология создания системы электронных карт в проблемно-ориентированной автодорожной ГИС на основе. разномасштабной картографической информации;

• Методика обновления электронных автодорожных карт с использованием GPS-съемки дорожной сети и космических изображений высокого разрешения.

В первой главе диссертационной работы проведена систематизация существующих информационных систем дорожной Отрасли, с точки зрения их картографического обеспечения и анализ методов интеграции пространственной информации. Дорожные сети, как класс инженерных сетей, имеют большую протяженность и разветвленность, разный характер покрытия и степень развитости объектов дорожной инфраструктуры. Таким образом, картографическое обеспечение является важной частью общего информационного обеспечения дорожной отрасли.

Анализ отечественных и зарубежных разработок показывает, что существует несколько подходов к интеграции пространственной информации: на основе системы электронных карт и на основе многоуровневой модели базы разномасштабных данных. Первый подход отражен в разработанной в нашей стране Системе электронных карт (Мартыненко, • 2002) и заключается в переходе от отдельных электронных карт (ЭК) к информационной системе, состоящей из совокупности ЭК, объединенных общим замыслом. Второй подход основан на множественном (разномасштабном) представлении одного и того же цифрового объекта в единой базе пространственных данных.

Во второй главе представлена разработанная автором методика создания электронных автодорожных карт на основе интеграции издательских (НИС) и геоинформационных (ГИС) технологий. Там же рассматриваются используемые в' методике преимущества ГИС-технологий и геоинформационных моделей данных при обработке пространственной информации на основе разработанных методов.

В третьей главе рассматриваются практические задачи картографического обеспечения информационных систем дорожной отрасли, многоцелевая функциональная направленность которых требует комплексного подхода. В результате при подготовке картографического обеспечения ГИС «Автомобильные дороги Московской области» создана система электронных автодорожных карт, подготовлена к изданию карта автомобильных дорог и разработана отраслевая картографическая информационно-справочная система для пользователей, не имеющих навыков работы с ГИС.

В четвертой главе разработана методика обновления электронных карт на-основе многоуровневой модели базы пространственных данных (БПД). Для реализации этой цели обоснован выбор дополнительного информационного обеспечения отраслевой ГИС. В качестве уровней. детальности многоуровневой модели БПД, в дополнение к исходной основе добавлены ЦТК обзорных масштабов. Для интеграции информации разработана методика согласования идентичных объектов, представленных на разных уровнях детальности. Кроме разработки связей, это позволяет повысить точность данных и выявить автоматизированным путем закономерности выполненной ранее вручную картографической генерализации.

Основные этапы исследования и их содержание показаны ниже. с.

Анализ и обобщение разработок отечественных и зарубежных информационных систем дорожной отрасли.

Обзор отечественных автодорожных И С.

Анализ современных теоретических концепций и методологических подходов:

Система электронны* корт (СЭК). База разномасштабных данных.

Обзор зарубежных автодорожных ИС (интернет).

II.

Разработка методов автоматизации и оптимизации обработки пространственной информации в ГИС.

Разработка методики создания электронных карт и подготовки карт к печати на основе интеграции НИС и ГИС в рамках единого программно-аппаратного комплекса.

Метод автоматизированного оформления электронных автодорожных карт на основе линейной модели.

Автоматизация оформления электронных автодорожных карт с использованием двуязычной БД географических названий.

Метод автоматизированного отбора населенных пунктов, но основе топологической модели.

III.

Информационное обеспечение проблемно-ориентированной автодорожной ГИС.

Разработка электронных автодорожных карт в проблемно-ориентированной ГИС.

Автомобильные дороги Московской области*.

Технологи" создания электронных автодорожных карт в отраслевой ГИС.

Оформление и подготовка к изданию офисной карты «Автомобильные дороги Московской области».

Создание пользовательского интерфейса системы автодорожных электронных карт.

Разработка мультимедийной картографической информационно-справочной отраслевой системы.

IV.

Разработка методики обновления электронных автодорожных карт на основе многоуровневой модели 6ПД I.

Метод топологического, геометрического и семантического согласования базовых уровней БПД.

Исследование функциональных средств ГИС для проведения автоматизированной генерализации.

Методика обновления электронных автодорожных карт на основе разномасштабного информационного обеспечения БГЩ.

Основные и дополнительные источники для разработки многоуровневой модели БПД.

Розребото технагатесяой .хины савдвнин трехмерных моделей местности.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

— на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития картографии», посвященной 60-летию Картографического факультета Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК), Москва, 27−28 мая 1996 г.;

— на I Всероссийской научной конференции по картографии «Картография на рубеже тысячелетий», Москва, 7−10 октября 1997 г.;

— на Международной научно-технической конференции, посвященной 220-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК), Москва, 24−27 мая 1999 г.;

— на IV Всероссийской конференции «Геоинформатика и образование», Москва, РАГС, 7−8 июня 2000 г.;

— на XX Международной картографической конференции ICA (International Cartographic Association), Китай, Пекин, 10−16 августа 2001 г.;

— на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 8 «ГИС для устойчивого развития территорий», Хельсинки — С.-Петербург, 30 мая-2 июня 2002 г.;

— на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 9 «ГИС для устойчивого развития территорий», Украина, Севастополь, 25−29 июня 2003 г.;

— на Международной научно-технической конференции «Геодезия, картография, кадастр на службе России», посвященной 225-летию со дня основания Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК), Москва, 24−27 мая 2004 г.;

— на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 10 «ГИС для устойчивого развития территорий», Владивосток, 12−19 июля 2004 г;

— на XXII Международной картографической конференции ICA, Испания, Ла Корунья, 9−16 июля 2005 г.;

— на Международной конференции ИНТЕРКАРТО 11 «ГИС для устойчивого развития территорий», Ставрополь, 25−27 сентября 2005 г.

Автор также принимал участие в научных исследованиях, выполненных при поддержке РФФИ, результаты которых использовались в данной работе:

• Моделирование картографического дизайна при компьютерном создании фундаментальных произведений с использованием ГИС (проект 99−05−65 087);

• Программно-аппаратный комплекс моделирования и аналитической обработки рельефа для Интернет-картографирования (проеет 02−05−64 337).

Результаты проекта «Моделирование картографического дизайна при компьютерном создании фундаментальных произведений с использованием ГИС». положены в основу разработки предложенной методики создания электронных карт и подготовки их к печати (Главы 2 и 3).

Для проекта «Программно-аппаратный комплекс моделирования и аналитической обработки рельефа для Интернет-картографирования» автором создан экспериментальный прототип банка данных геоизображений рельефа. Кроме того, при участии автора разработана технологическая схема создания пространственных моделей местности (см. Приложение 3).

БЛАГОДАРНОСТИ.

Работа выполнена на кафедре технологий издания карт и центра тематической картографии Картографического факультета МИИГАиК. Автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору А. И. Мартыненко и научному консультанту, доктору физико-математических наук, профессору К. Б. Шингаревой. Автор также благодарит заведующего кафедрой доцента С. К. Бескова, декана КФ МИИГАиК профессора Т. П. Нырцову, доцента кафедры физической географии и геоэкологии МГПУ кандидата технических наук Л. А. Фокину и выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедры и центра тематической картографии, в особенности С. А. Коробцову, за содействие и ценные советы в процессе разработки темы, а также М. В. Дьяконову, С. Н. Мишиной, Т. Б. Пахомовой, С. Градсковой и О. Пилипенко за помощь при подготовке рукописи.

Автор благодарен Центру геоинформационных исследований ИГ РАН под руководством кандидата технических наук М. Н. Казанцева за предоставление в пользование программного обеспечения GeoDraw/GeoGraph и модуля динамической сегментации, и выражает искреннюю признательность ведущему специалисту Центра, кандидату технических наук М. Э. Флейс за поддержку и консультации.

Автор также благодарит ООО ДАТА+ за предоставление на время исследований для тестирования программы и модулей ArcGIS 9.0 (лицензия ArcEditor), которые были использованы в данной работе при выборе функциональных средств ГИС для проведения автоматизированной картографической генерализации, а также при обосновании организационно-технологического обеспечения для создания пространственных моделей местности.

Все используемые в диссертационном исследовании цифровые пространственные данные (ЦТК, базы данных, электронные карты, космические изображения, цифровые модели рельефа), являются собственностью ООО «Ассоциированный Картографический Центр» и любезно предоставлены для иллюстрации материала тех проектов, в которых автор принимал непосредственное участие в качестве руководителя группы ГИС-технологий.

Основные результаты, полученные в данном исследовании, использовались в учебном процессе Картографического факультета МИИГАиК на практических занятиях и в лекционных курсах «Современные технологии создания карт», «Геоинформационное картографирование», «Электронные издательские системы», «Мультимедиа в картографии», учебные программы которых разрабатывались при участии автора. Более 10 дипломных проектов, подготовленных под руководством автора, связаны с созданием электронных карт, а также разработкой картографического обеспечения проблемно-ориентированных ГИС и картографических информационно-справочных систем различной тематики.

По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы: 1. На основе комплексного подхода решена важная научная задача создания.

167 картографического обеспечения информационных систем дорожной отрасли с разработкой методики, результаты которой могут быть использованы при создании качественных электронных автодорожных карт для целей навигации.

2. С учетом задач развития сети автомобильных дорог разработаны требования к картографическому обеспечению информационных систем дорожной отрасли, рекомендованы современные высокотехнологичные источники данных, которые могут быть использованы на основе комплексного многофункционального подхода: для обновления дорожной сети и создания трехмерных моделей местности.

3. Полученные результаты по автоматизации и оптимизации подготовки электронных автодорожных карт для международного использования способствуют интеграции автотранспортного комплекса России в мировое транспортное сообщество.

4. При разработке информационных систем дорожной отрасли необходим переход от реляционных к объектно-реляционным ГИС. Дальнейшие исследования в этой области могут быть связаны с формированием на основе пространственных данных интеллектуальных транспортных систем для моделирования объектов со сложным поведением, в том числе с учетом временной компоненты.

Другим направлением исследований является разработка концептуальной модели для реализации предложенного в работе подхода: соединение преимуществ логически взаимоувязанной системы электронных карт и многоуровневой базы пространственных данных. Для формирования в нашей стране БПД с использованием многоуровневой модели имеются как теоретические и методологические, так и практические предпосылки, связанные с большим объемом накопленной топографической информации разных масштабов, созданной на основе единых инструкций и нормативов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В соответствии с поставленными целями и задачами диссертации выполнены научные исследования и получены следующие результаты:

1 Обобщены научные и практические основы системы электронных карт и базы разномасштабных пространственных данных. Предложено объединение концептуальных подходов для оптимизации процессов геоинформационного картографирования;

2 Разработана и внедрена методика и технология создания электронных карт и подготовки карт к печати на основе интеграции издательских и геоинформационных технологий в рамках единого программно-аппаратного комплекса с использованием ГИС среднего уровня и модуля динамической сегментации GeoDraw/GeoGraph 1.5;

3 Разработана методика согласования и повышения точности разномасштабных пространственных данных на основе топологической модели высокоточных измерений осей автомобильных дорог;

4 Разработанные методы и технология адаптированы для создания системы электронных карт в проблемно-ориентированной автодорожной ГИС на основе интеграции базовой картографической основы, высокоточных GPS-съемок дорожной сети, объектов дорожной инфраструктуры и полосы отвода дороги.

5 На основе методики и технологии создания электронных карт подготовлены электронные публикации автодорожных карт и разработана мультимедийная справочная система для конечного пользователя, не имеющего навыков работы с ГИС;

6 Разработана методика обновления электронных карт на основе многоуровневой модели БПД с использованием современных высокотехнологичных источников — цифровых космических изображений и детальных спутниковых GPS-съемок дорожной сети.

7 Обоснован выбор информационного обеспечения для создания пространственных моделей местности в отраслевых автодорожных ГИС.

Методика и технология создания электронных автодорожных карт внедрены при создании картографического обеспечения отраслевой ГИС «Автомобильные дороги Московской области», предназначенной для анализа дорожной обстановки и решения прикладных задач инвентаризации дорог, находящихся в ведении Управления автомобильных дорог Московской области «МОСАВТОДОР».

Разработанные методика и технология создания электронных карт, а также методы обработки пространственных данных на основе ГИС-технологий внедрены в практику картографического производства (ООО «Ассоциированный Картографический Центр») и использованы при подготовке к изданию региональных автодорожных карт для различных областей России (Московская, Орловская, Воронежская, Амурская, Свердловская, Пермская, Тульская области). Под руководством автора в качестве руководителя группы ГИС-технологий и при его непосредственном участии разработана и внедрена двуязычная база данных географических названий, которая используется для перевода картографических произведений при подготовке к изданию карт для международного использования.