Разработка и исследование технологий создания цифровой модели местности для решения инженерно-геодезических задач

Для компьютеризации процессов обработки информации в системах проектирования, планирования и управления, географических информационных системах требуется структурированное унифицированное представление информации об объектах окружающей среды, что позволяет улучшать существующие и создавать новые технологии. Разработка новых технологий для решения инженерно-геодезических задач и решение прикладных задач в отрасли на основе цифровых моделей местности подтверждается неоднократным включением выбранной проблематики в государственные и отраслевые планы. Все это позволяет проводить новые исследования в данной области, прежде всего, в поиске новых технологических возможностей с использованием вычислительной техники.

Топографо-геодезическое и картографическое производство в настоящее время основано на компьютерной технике. Однако некоторые малопроизводительные и нетворческие операции и сегодня еще не переданы компьютерной технике в большем объеме. Используемые методология и программные средства пока не далн желаемого удешевления и ускорения в решении производственных задач. Стремление расширить сферы автоматизации в производстве, ввести автоматизацию в традиционно «ручные» творческие технологии определили актуальность диссертации.

Современная наука уделяет огромное внимание математическому моделированию, теории картографии, обработке измерений, классификации и автоматизации рабочих мест. Основные труды в области общей теории вычислительной техники и программирования, компьютерной графики, обработки информации, на которые ссылается автор настоящей работы, принадлежат таким ученым как Агафонов В. Н. [16], Боумен У. [17], Ершов Ю. И. [18], Ньюмен У. [19], Фоли Дж. [20] и другим.

Большой вклад в развитие математического моделирования внесли отечественные и зарубежные ученые, в том числе Антипов И. Т. [1],.

Берлянт A.M. [2], Бойко А. В. [3], Васмут А. С. [4], Васин Ю. Г. [5], Жалковский Е. А. [6], Журкнн И. Г. [7], Лисицкий Д. В. [8,9], Марчук Г. И. [10], Салищев К. А. [И], Тетерии Г. Н. [12], Тнкунов B.C. [13], Халугин Е. И. [14], Ратайский Л. [15] и другие. Их научные труды составили надежную научио-техиическую базу, позволяющую проводить дальнейшие исследования, развивать теорию и практику компьютерных технологий в области топографо-геодезических работ, цифрового моделирования местности и прикладной геодезии.

Методические н технологические разработки, на которых в разной степени основывается настоящая диссертационная работа, в полной мере опубликованы в открытой печати.

В области прикладных задач и цифрового моделирования местности актуальными остаются различные аспекты методического и технологического решения инженерно-геодезических и прикладных задач, виды обеспечения в реализации цифрового моделирования, которые являются основным содержательным ядром и других процессов моделирования [4,10]. Моделирование имеет ряд взаимосвязанных сторон, среди которых особенно выделяются разработки технологий решений ннженерно-геодезических и прикладных задач в географических информационных системах, картографических н тематических системах, где особенно выделяются технологии иа основе цифровых моделей местности [20,24].

Технологии решения инженерно-геодезических и прикладных задач иа основе цифрового моделирования местности связаны с рядом существенных проблем. Наблюдается терминологическая и методическая разобщенность, недостаток теоретико-методических обоснований, обобщений и анализа. Не решен полностью вопрос понятийной совместимости и обмена данными между географическими информационными системами, системами моделирования и картографическими системами [22].

Разработанные в России нормативно-технические документы вносят разночтения между цифровыми моделями местности [ГОСТ Р 51 353−99], электронными картами [ГОСТ Р 50 828−95], цифровыми моделями земной поверхности [ГОСТ 28 441−99] и цифровой картой местности [ГОСТ 28 441−99]. Ощущается недостаток в однозначных требованиях, методиках и технологиях оценки содержательной стороны моделирования в информационных системах, применяемых в топографо-геодезическом и картографическом производстве. Быстрое развитие технической базы, предметной области и технологий не всегда оперативно поддерживается научными проработками, что видно на примере трехмерных решений в моделировании или инженерного использования цифровых моделей местности. Существует потребность в быстром и значительном обновлении методических и нормативных документов [22]. Приведенный перечень проблем составляет общее обоснование проводимых исследований, отображенных в данной работе.

Уровень проблем, связанных с решением инженерно-геодезических и прикладных задач на основе цифрового моделирования местности с использованием методического и технологического обеспечения в основном определяет качество и точность результатов полученных цифровых моделей местности. Успехи в данной области значительны, но есть и отмеченные [35] трудности, которые в полной мере не устранены.

Большинству исследователей рассматриваемой тематики и автору данной работы представляется, что часть нерешенных проблем обусловлены ч отсутствием методологии решения инженерно-геодезических и прикладных программ с разработанным методологическим и технологическим обеспечением создания цифровых моделей местности.

Актуальными остаются аспекты математического моделирования, структурирования данных, математической статистики.

В течение ряда лет под руководством или при участии автора проводились научно-исследовательские, технологические, технические и программные работы в области топографо-геодезической тематики н цифрового картографирования — создания цифровых моделей местности для решения инженерно-геодезических н прикладных задач. Проведены работы по организации и созданию информационного производства обработки результатов измерений, формированию цифровых топографических карт и планов и разработке географических информационных систем.

Работы по теме диссертации выполнены автором в Научно-исследовательском институте прикладной геодезии (НИИПГ), преобразованном в 1992 г. в Сибирский научно-исследовательский и производственный центр геоинформацин н прикладной геодезии (центр «Сибгеоииформ»).

В работах [26,27,28,29,30,31,32,33,34] автором разработаны и внедрены нормативно-технические документы, методики, технологии решения инженерно-геодезических задач, программное обеспечение, автоматизированные системы и организовано информационное производство по созданию цифровых топографических карт и планов.

Научное обоснование, представленное в статьях [36,37,40,41], воплощено в руководства, программы, технологии, методики [34,35,36,37,38,39,40,41, 42,43] при непосредственном участии автора диссертации.

Влияние иа направление исследований, представленных автором диссертации, а также на соответствующую отрасль науки (методические аспекты) оказал доктор технических наук, профессор Лисицкий Д.В.

Разработки,-теоретические, методические и технологические результаты,-представленные автором диссертации в настоящей работе, были востребованы и внедрены в производственную сферу [33,44,45,46] и не были опровергнуты в последующем развитии теории и практики в топографо-геодезическом н картографическом производстве, что подтверждает их состоятельность, достоверность, актуальность и перспективность. Автор выражает благодарность сотрудникам и специалистам предприятий и организаций Главного управления геодезии и картографии СССР и Федеральной службы геодезии и картографии России за помощь во внедрении разработок в производство.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование технологического обеспечения, создания и реализации цифровой модели местности инженерного назначения, а также решения инженерно-геодезических и прикладных задач на ее основе.

В первом разделе диссертации выполняются исследования структуры цифровой модели местности инженерного назначения. На основании исследования разработана структура представления единого формата данных для систем моделирования местности. Исследованы точностные характеристики геометрического преобразования устройств ввода-вывода графической информации, входящие в состав автоматизированного рабочего места для систем моделирования местности и решения инженерно-геодезических задач. Для формирования цифровых изображений местности, представленных в векторном или растровом видах выполнены исследования и предлагается описание алгоритма геометрических преобразований.

Во втором разделе диссертации представлены технологии формирования цифровых моделей местности различными методами. Приводится анализ технологического и программного обеспечения получения цифровых моделей местности картометрическими, стереофотограмметрическими методами. Также приведен анализ технологии обработки результатов геодезической съемки с графоаналитической регистрацией и формирования цифровой модели местности при обработке материалов полевых геодезических съемок.

3.3 Выводы.

Практические решения раздела 3:

1) предложенная структура ЦММИН и структура единого формата позволяют решать различные инженерно-геодезические и прикладные задачи;

2) технологические и программные решения формирования цифровой модели местности различными методами позволяют создавать разработки на современном уровне.

Заключение

.

В настоящей диссертационной работе в соответствии с выбранной целью проведены теоретические исследования н обобщены экспериментальные данные позволившие решить конкретные задачи и получить следующие результаты по всем аспектам упоминающихся в целях диссертации:

— разработана структура цифровой модели местности инженерного назначения [36];

— разработана структура единого формата для системы цифрового моделирования [41];

— разработаны технологии создания цифровой модели местности инженерного назначения различными методами [30,32,35,36,38,39,40]- исследованы точностные характеристики автоматизированного рабочего места, включающего устройства ввода, вывода и обработки информации [37].

В результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны:

— универсальный алгоритм геометрического преобразования цифровых изображений местности, представленных в векторном или растровом виде иа основе модификации метода неопределенных коэффициентов[34];

— способ регистрации геодезической информации при топографической съемке местности (зарегистрирован как изобретение) [32];

— технология дигитализации топографических материалов и создания цифровой модели местности методом дигитализации [35];

— технология обработки результатов топографической съемки с графоаналитической регистрацией [38];

— технология формирования цифровой модели местности иа основе обработки результатов полевых топографических съемок [26,27,31].

— технология использования в инженерно-геодезических и прикладных задачах цифровой модели местности [76,76].

Результаты работ, выполненные при непосредственном участии автора, представлены в следующих разработках:

1) пакет прикладных программ для составления макетов местности (ПППЦММ) (задание 04.21 Координационного плана Государственного Комитета по науке и технике по решению научно-технической проблемы 0.80.15). Рабочий проект в 15-ти томах. а) разработанные автором алгоритмы геометрических преобразований цифровых изображений и программ включены в ПППЦММ [33]- б) разработаны руководства (РТМ) по дигитализацин картографических материалов [26,27].

2) Автоматизированная система картографирования (АСК-1). а) руководство по автоматизированному созданию планов подземных коммуникаций [27].

3) Автоматизированная информационная система крупномасштабная топографическая (АИС КТ). Подсистема сбора топографической информации картометрическим методом с использованием портативных дигитайзеров.

В ведомственную промышленную эксплуатацию была принята автоматизированная информационная система крупномасштабная картографическая (АИС КТ).

Из всего эффекта от применения указанных систем на долю разработок, описываемых в настоящей диссертационной работе и вошедших в состав этих систем (прежде всего для системы сбора и моделирования), может быть отнесено не менее 10%. Из опыта эксплуатации рассматриваемых разработок, кроме экономический эффективности и качества продукции они улучшают и другие показатели процессов, например, дают существенное увеличение производительности труда, улучшение условий труда. Реальная отдача от применения систем фактически была существенно выше фиксированных показателей, поскольку эксплуатация их шла интенсивно в нескольких предприятий, и полный расчет экономического эффекта был затруднен.

Справка о внедрении технологий для решения инженерно-геодезических задач на основе цифровой модели местности и акты о внедрении результатов научио-нсследовательскнх работ и технологий для решения инженерно-геодезических задач иа основе цифровой модели местности приведены в приложении В.

Научная и практическая ценность работы интегрировано характеризуется следующим образом. Практическая ценность и реализация результатов настоящей работы соотносится с обстоятельствами, существовавшими на время их внедрения и использования, н в этом соотношении является высокой. Продукции, полученной с помощью выполненных разработок, а также основным характеристикам разработанных технологий неоднократно давались самые положительные оценки.

Созданные технологические, информационные, методические, программные н иные средства дали существенный толчок развитию топографо-геодезического и картографического производства. Проводившиеся исследования и разработки ставились с учетом интенсивного развития сферы компьютерного моделирования и были нацелены на то, чтобы их результаты имели долговременное значение. Вся теоретико-исследовательская составляющая разработок (являющаяся основой диссертации и образующая ее научную ценность), не потеряла своего значения, поскольку прочно базируется на фундаментальных основах. Все оценки о представленных теоретико-методических разработках, полученные в ходе нх апробации, говорят о том, что они находятся на современном уровне в данной области.

Полученные теоретические результаты, а также созданные технологии и программные средства нашли применение в работах ряда авторов н авторских коллективов и способствовали дальнейшему расширению и углублению исследований в данном направлении. Главные технологические решения в создании цифровой модели местности, найденные в ходе выполнения разработок, отчетливо прослеживаются и в новом поколении технологий и программных систем цифрового моделирования местности и получили последующее развитие и применение при решении инженерно-геодезических и прикладных задач [42,44,76,77].

Таким образом, результаты проведенных работ имеют, во-первых, состоявшуюся научно-практическую значимость, н, во-вторых, ценность технологического совершенствования методов и средств. В настоящее время под руководством н прн участи автора настоящей работы ведутся работы в той же сфере, где непосредственно используются описанные результаты.

Изложенные результаты работ позволяют сделать выводы:

1) выбранные принципы и взятые иа вооружение методы позволили достичь поставленной комплексной цели — создания единой и многосторонней теоретической базы, технологического и программного обеспечения, систем технологий различного назначения;

2) выполненные работы принесли целый ряд положительных эффектов, воздействовавших на теорию и практику цифрового моделирования местности, что позволяет говорить об ощутимом вкладе в ее развитие. Проведенные теоретические разработки и созданные технологические средства дали существенный толчок развитию производства цифровых моделей местности и исследований иа момент их появления и имели отдачу в последующих решениях прикладных и инженерно-геодезических задач.

3) результаты исследований говорят о том, что выполненные работы не только принесли конкретные технико-экономические эффекты и имеют народнохозяйственную значимость, ио обладают и доказанной перспективной научной ценностью. Выработанная теория создания ЦММИН развивает прикладные разделы общей теории моделирования и создает новую базу, опираясь иа которую в дальнейшем можно развивать теорию и методы геоматнкн, проводить углубленные исследования процессов моделирования, создавать программные средства новых поколений и совершенствовать технологии.

В совокупности все изложенные результаты составляют единый и всесторонний, оправданный и перспективный подход к созданию различных аспектов для систем цифрового моделирования местности (теория, инструментарий, производство), необходимого любым исследователям н практикам в этой области и также применения в иижеиерио-геодезических задачах.

Таким образом, в диссертации научно обоснована разработка технологического обеспечения, создания и реализации цифровой модели местности инженерного назначения различными методами и обеспечивающие решение прикладных и инженерно-геодезических задач, т. е. цель, поставленная в диссертации, достигнута.