Разработка информационной модели описания и отображения трехмерных объектов местности с использованием материалов космических съемок

местности.46.

Опыт разработки трехмерных моделей местности.48.

Выводы. Обоснование необходимости разработки модели данных.54.

Основные отличия предлагаемой модели данных от существующих.57.

III ГЛАВА. Описание модели и эксперимент.59.

Основные элементы модели.59.

Итерационное отображение данных. Пользовательские функции и возможности.67.

Описание объемных фигур.72.

Изменения объектов в результате генерализации.77.

Отображение площадных объектов, заменяемых при генерализации линейными.78.

Отображение площадных объектов, геометрия которых деградирует в точечные элементы. Цензы.79.

Безопасность информации и разграничение прав пользователей.80.

Приведение данных в соответствие с требованиями, налагаемыми моделью. 82.

Иерархия атрибутов. Модели поведения. Экспертная система.84.

Эксперимент.88.

Подготовка тестового набора данных.89.

Функциональное описание алгоритма отображения i-той итерации.95.

Основы базы знаний. .98.

Проверка топологии и целостности данных.99.

Оценка скорости работы и эффективности модели.100.

Результаты.102.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

103.

Научная новизна.104.

Список литературы

107.

Приложения.111.

Приложение 1 Переменные и классы объектов.111.

Приложение 2 Основные функции и процедуры.112.

Список иллюстраций.115.

ВВЕДЕНИЕ

Пространственное представление данных. Визуальное восприятие информации.

Распространение пространственного представления информации.

Современный мир немыслим без обмена информацией. Количество информации, которой приходится обмениваться как по профессиональным нуждам, так и во время отдыха и досуга зачастую начинает оказывать стрессовое воздействие на человека. С развитием средств коммуникаций поток информации только нарастает, и человек уже не способен воспринять значительную ее часть. Не стоит, конечно, относится к этому как к трагедии, но времена людей-энциклопедистов безвозвратно минули, и для своей деятельности человек вынужден теперь тщательно просеивать потоки знаний, чтобы выбрать те из них, которые представляют для него ценность. Помочь ему в этом могут как новые информационные средства, так и новые способы представления информации. Повсеместное распространение компьютерной техники в повседневной жизни уже стало привычным фактом. Странно представить себе изготовление автомобилей, современную хирургию, архитектуру и множество других самых разнообразных областей без применения в той или иной степени компьютеров. В настоящий момент можно без преувеличения сказать, что компьютерная техника превратилась в необходимый и неотъемлемый инструмент в человеческой жизнедеятельности, позволяющий управлять информацией и помогающий в принятии решений.

Пространственное представление данных в геоинформационных технологиях дает возможность их применения не только в сферах, связанных с науками о Земле, но и во всех областях, где требуется пространственный анализ различных ситуаций и управление территориальными образованиями. Под пространственной информацией обычно прежде всего понимается географическая информация. Действительно, описание земной поверхности имеет давние традиции, накоплен огромный опыт использования математического аппарата, сформированы традиции изображения Земли и представления характеристик ландшафта. Современные компьютерные технологии опираются и отталкиваются от традиционных методов.

Однако не только географическая информация может представляться пространственно. Различные графики, диаграммы являются распространенным тому примером. Но кроме этих способов данные (статистические, атрибутивные и другие) могут отображаться нанесенными на географическую подложку или с о-^а-Сс/ определенным образом модифицировать ее. Такой способ становится все более популярным, и геоинформационные системы (ГИС) представляют гибкие и во многом уникальные возможности по интегрированию географических данных (геоданных) и самой разнообразной атрибутивной информации — и последующего представления геоданных в связи и с отношением к семантической информации. Видоизменить легенду основываясь на произвольном сочетании атрибутов и тем самым создать принципиально новую карту — это самый простой пример возможностей ГИС. Поэтому развитие и широкое распространение ГИС в последние годы приобретает все более обширный характер.

Качество и представление геоинформации и особенности визуального восприятия картографических образов.

Говоря о географической информации, в данной работе уместно акцентировать внимание на двух проблемах, связанные с ней: это проблема качества и проблема представления информации. Качество геоданных не является величиной абсолютной и неизменной. Оно не только зависит от подхода, использовавшегося при обработке исходной информации. Данные (под данными мы будем здесь и далее понимать векторные данные, отражающие пространственные объекты ландшафта и полученные с помощью любых средств и технологий) могут быть неточными и недостоверными. Неточность данных обуславливается массой вполне очевидных причин, на которых мы сейчас не будем останавливаться. Недостоверность данных может возникать в результате недостоверности исходной информации и в результате темпоральных изменений отражаемых объектов. Меняется ландшафт, и данные, с какой бы точностью они не создавались, становятся недостоверными. Антропогенная деятельность настолько быстро меняет природу, как в черте населенных пунктов, так и в местах добычи полезных ископаемых и других природных ресурсов, что обновление карт на многие регионы все чаще требуется не реже раза в год. Меняются средства измерения, увеличивая достижимые точности. Меняются подходы и технологии картографирования, методики и требования. С развитием электронного картографирования появляются новые требования к созданию векторных слоев, обусловленные необходимостью соответствовать используемой модели данных, в частности, соблюдать топологическую корректность. Одно дело — подготовить цифровую карту для печати на твердых носителях, и совершенно другое — для полноценного использования в ГИС.

Итак, качество геоинформации является функцией очень многих переменных. В свою очередь, геоинформация является аргументом в процессе принятия решений.

Остановимся на представлении информации. То, как информация подается, часто играет решающую роль в том, будет ли ей оказано должное внимание, не говоря о том, будет ли она правильно понята. Можно смело утверждать, что тезис «чем информация представлена в более интуитивно понятном виде, тем в общем случае легче и быстрее ее воспринимать» не нуждается в доказательствах. Не всякую информацию можно описать терминами повседневной жизни, многие понятия абстрактны и не находят отражения в реальности. Но в отличие от многих теоретических дисциплин, оперирующих абстракциями, геоинформатика описывает саму реальность. Поэтому в представлении информации естественной представляется тенденция возвращаться от описания знаками к описанию объектами, от условных обозначений к привычным человеку понятиям. Именно поэтому некоторое время назад, в девяностых годах прошлого века, наблюдался бум на трехмерные модели местности. Прошло несколько лет и пришло понимание, что, как часто бывает, новое найдет свое место, оставив традиционные формы там, где они наиболее практичны. Трехмерные модели не смогли заменить все виды пространственной информации, для многих областей их создание практически не оправдано. Но общая тенденция проявилась совершенно ясно: в ущерб простоте и даже примитивизму (и связанной с этим высокой производительностью компьютерных решений) объекты, составляющие предмет изучения геоинформатики, отражаются все более сложными моделями, будь то их пространственная форма или модели их поведений в виртуальном пространстве. Становясь более сложными для разработчиков, модели предоставляют новые возможности пользователям.

Это свойственно и другим отраслям информатики: например, развитие операционных систем и языков программирования приводит к тому, что интерфейс, т. е. система взаимодействия, лежащий между командами, управляющими центральным процессором, и пользователем становится все более приближенной к человеческому повседневному опыту, а следовательно, все более сложным.

В картографии для анализа пространственных данных первейшим уровнем восприятия является зрительное или визуальное восприятие информации. К визуальному восприятию добавляется знание предметной области, анализ дополнительной информации и человеческий опыт. Остановимся более подробно на первом этапе — на визуальном восприятии пространственных данных.

Проблематика визуального восприятия карт и аэрокосмических снимков остается приоритетной в аэрокосмическом картографировании, хотя длительный период инженерно-техническая картография относила эти процессы к достаточно узкой области распознавания графических и фотографических символов [Бочаров. Основы теории. 1966].

Отстаивая познавательную концепцию в картографии, К. А. Салищев [Салищев. Идеи. 1982] определял чтение карт как процесс познания реального мира путем формирования в нашем сознании мысленных образов через посредство материальных образов, представляемых в виде географических карт или иных картографических изображений. С точки зрения этой концептуальной позиции А. М. Берлянтом [Берлянт. Картографический образ 1979] было обосновано и предложено понятие картографического образа как пространственной композиции из условных знаков.

A.A. Лютый [Лютый. Язык карты. 1988] отмечал, что изучение сложного процесса чтения и использования карты, привело к выделению в нем двух составляющих — собственно чтения и интерпретации. Чтение картывизуальная оценка непосредственно информации, которую карта дает о типе, положении, величине и состоянии каждого изображаемого объекта. Интерпретация карты направлена на толкование крупных пространственных элементов объективной реальности. Осмысление этой информации позволяет перейти от пространственной фиксации к интегральному охвату пространства.

В отношении визуального восприятия аэрокосмических снимков аналогичное мнение высказывает JI.E. Смирнов [Смирнов. Аэрокосмические методы. 1975], который отмечает, что процесс восприятия (распознавания) строится, как правило, от общих понятий к частным.

Таким образом, можно с достаточным основанием утверждать, что процессы визуального восприятия карт и аэрокосмических снимков носят дедуктивный характер, их начальный этап состоит в формировании единых и целостных картографических или аэрокосмических образов с последующим разложением этих образов на элементы и составляющие [Зинчук. Особенности визуального. 2001].

Это свойство визуального восприятия использовалось при разработке описываемой модели. Отображение набора данных, как будет показано далее, производится от общего к частному: от наиболее общих генерализованных форм объектов к детальному отображению их. Это позволяет более продуктивно использовать время, затрачиваемое программно-аппаратными средствами на визуализацию, поскольку человек начинает зрительно f^l ^ воспринимать и анализировать отображаемую на мониторе информацию «на? лету», по мере ее появления.

Интересно отметить работы, выполненные в Проблемной лаборатории восприятия факультета психологии МГУ [Логвиненко. Чувственные основы. 1985]. Исследуя вопросы восприятия человеком окружающего пространства, специалисты лаборатории вновь обратились к положениям гештальт-психологии, разработанным еще в начале двадцатого столетия в Германии, но затем необоснованно отнесенным к субъективно-идеалистическому направлению в психологической науке.

Гешталът-теория визуального восприятия.

Логические построения в гештальт-подходе основываются на такой психологической особенности зрительного восприятия, как способность одномоментного целостного восприятия объекта, что обозначается в психологии термином гешталът (от немецкого слова «Gestalt» — целостность, форма). Ключевое положение гештальт-теории определяет способность человека целостно выделять наблюдаемый объект (фигуру) на определенном фоне [Kohler. Gestalt psychology. 1959].

Помещенное на рис. 1 изображение иллюстрирует суть понятия гештальта: разрозненные графические элементы при непродолжительном наблюдении как бы сами «объединяются» в изображение самолета. Психологические особенности формирования визуальных образов при зрительном наблюдении объединены гештальт-психологами в несколько категорий [Коффка. Восприятие. 1972, Шехтер. Зрительное опознание. 1981]. К основным мысленным усилиям отнесены: стремления наблюдателя найти семантически похожие (рис. 2, а) и геометрически близкие (рис. 2, б) элементы, выстроить продолжение линейно протяженных образов (рис. 2, в), восполнить фрагменты, «закрытые» при наложении других символов (рис. 2, г) или искусственно исключенные (рис. 1).

Рис. 1. Гештальт-тест — формирование визуально наблюдаемого целостного графического образа самолета.

Коммуникативные потребности человека определили необходимость фиксировать зрительные образы в вербально/или изобразительной форме. Большая унифицированность последней привела к созданию самых различных категорий изображений, существенную долю которых составляют геоизображения, традиционно представляемые, в первую очередь, географическими картами и аэрокосмическими данными. Термин геоизображение был определен A.M. Берлянтом [Берлянт. Геоиконика. 1996] как «любая пространственно-временная генерализированная модель земных планетных) объектов или процессов, представленная в графической образной форме».

Необходимость исследования психологических особенностей распознавания образов была отмечена картографами еще на рубеже 50-х-60-х годов двадцатого столетия.

•• •" •• •• •• ••.

Рис. 2. Мысленные усилия при визуальном наблюдении, формирующие целостные графические образы: а) выделение семантически похожих объектов (вертикальные полосы на левом рисунке и горизонтальныена правом) — б) локализация геометрически близких объектов (группы пар точек) — в) естественное продолжение линейно протяженных объектов (по направлениям АВ и СО, а не — АС и ВО) — г) восстановление и визуальное поддержание «закрытых» или искусственно исключенных графических элементов.

Особенности визуального восприятия и процесса распознавания образов необходимо учитывать при разработке способов отображения пространственных данных. Объемы пространственных данных постоянно растут, и обеспечение эффективной работы пользователя требует как разработки новых технологий хранения данных, так и новых способов взаимодействия между пользователем и данными. Здесь представляется необходимым использовать наработки отраслей знания, изучающих человеческий организм как сложный комплекс психофизических процессов.

Актуальность поставленной задачи.

Современные геоинформационные технологии находят применение в самых различных сферах деятельности человека, как в связи с его профессиональными потребностями в пространственной и связанной с нею информации, так и с его обычными, познавательными потребностями.

Основным источником пространственных данных в различных геоинформационных системах (ГИС) являются материалы дистанционного зондирования. Уникальные возможности для обеспечения пользователей самой различной информацией о местности предоставляют космические системы изучения Земли. На их основе создаются различные виды информационной продукции. Среди них особенно интенсивно в последние годы развивается трехмерное моделирование местности.

Создание трехмерных моделей местности, в том числе с помощью материалов космической съемки, позволяет решить многие задачи, возникающие при проектировании городов, различных сооружений, строительстве дорог и др. Для пользователей, не обладающих картографическими знаниями и опытом такое представление информации является интуитивно более понятным.

Однако, усложнение методов представления земной поверхности ведет к увеличению объемов обрабатываемой информации. Объемы данных, получаемых в результате дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и после их обработки требуют для эффективного управления использования систем управления базами данных (СУБД). Многие СУБД уже имеют дополнительные модули для поддержки хранения пространственной информации — к примеру, Oracle. Современные методы обработки данных ведут к интеграции ГИС и СУБД. Хранение огромных объемов информации — прерогатива СУБД. Пространственный анализ, изменение этих данных, представление их в удобном пользователю виде — функции ГИС. Вместе эти системы связывает модель данных.

Существующие модели данных, использующиеся в ГИС, позволяют с успехом решать различные задачи. Но диапазон требований, предъявляемых пользователями, постоянно растет. Поэтому, остается актуальной задача разработки модели данных, позволяющей совместно решить ряд проблем, некоторые из которых так или иначе решены в различных моделях по отдельности, но не вместе. В проблематике, ставшей основой для научных исследований, выделяются следующие направления: Обеспечение моделирования и отображения как двумерных, так и трехмерных объектов — современные ГИС, как правило, обладают возможностями трехмерного отображения данных (например, цифровых моделей рельефа) и, весьма ограниченно, объектов. Ограничения касаются прежде всего невозможностью описывать сложные трехмерные объекты, а также низкой скоростью работы с трехмерным отображениемХранение единого набора данных, вместо отдельных для каждого масштаба — это позволяет экономить ресурсы и не сталкиваться с различием семантики и геометрии разных данныхОбеспечение представления ^иш^^^ с различной подробностью — обеспечение геометрической генерализацииСохранение топологической корректности генерализовано отображенных объектовОбеспечение адекватности семантической информации различным уровням генерализации объектовПовышение скорости отображения больших объемов данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При разработке модели данных ставился ряд целей: модель должна отображать векторные объекты в произвольном масштабе с минимальными временными затратамиподробность отображаемых данных должна соответствовать в первую очередь выбранному масштабу, а также требованиям пользователясемантическая информация должна быть адекватной геометрии объектов текущей подробности.

Основные преимущества применения разработанной модели данных заключаются в следующем: создана модель данных, позволяющая хранить и гибко отображать как точечные, двумерные, так и произвольной сложности трехмерные объекты в векторной форме;

— повышается скорость отображения значительных объемов данных. Скорость является характеристикой, существенно влияющей на работу пользователя — привнесение пространственного представления информации в работу специалистов разных областей и необходимость обеспечения их работы на носимых, а следовательно, не самых высокопроизводительных устройствах, — в этих и многих других случаях скорость визуализации данных может играть критическую роль;

— отображение производится итерационно. После завершения любой итерации отображенные объекты являются целостными и атрибутивно корректнымиими можно манипулировать. Возможность акцентирования внимания (подробности отображения) на наиболее важных для пользователя объектах, слоях или их совокупности, что играет важную роль при интерпретации данных;

— запросы могут быть построены гибко, с разной общностьюможно запросить некоторые общие атрибуты, можно получить всю иерархию атрибутов целиком;

— упорядоченность структуры данных не позволяет появляться «мусору» — элементам не принадлежащим ни к какому объекту. использование такой особенности человеческого восприятия, как распознавание объектов от общего к частному, дедуктивным характером, позволяет интенсивнее анализировать данные, сосредотачиваясь на важном в данный момент уровне абстракции. Это может быть особенно важно в стрессовых ситуациях, когда время реакции и принятия решений становится критичным. модель оптимальная для работы с использованием «наладонных» устройств (компьютеров типа Palm, объединяемых под общим названием персональных цифровых помощников — personal digital assistant, PDA), обладающих сравнительно малыми ресурсами и связанных с основными хранилищами данных с помощью радиоканала с ограниченной пропускной способностью.

Научная новизна.

Предлагаемая модель отличается от уже существующих рядом новых особенностей и возможностей. Эти черты позволяют преодолеть ряд ограничений, присущих существующим моделям данных, и помогает реализовать новые пользовательские возможности. Научная новизна заключается в следующем.

Создана модель данных, принципиально отличается от существующих структурой и примитивами, лежащими в основе представления информации. Предложен «низкоуровенный» способ представления геометрии, в основе которого лежит использование только точечных объектов и, прежде всего, логических, а уже потом геометрических связей.

— Предложена концепция иерархического структурирования атрибутивной информации, что позволяет говорить о том, что.

— модель ориентирована на генерализацию, совмещающую пространственную и содержательную стороны.

— Для создания структуры и метода задания идентификатора применены принципы, используемые в ряде алгоритмов сжатия, что позволяет оптимально подойти к сокращению объемов хранящихся данных.

Введение

новых пользовательских функций продиктовано новыми возможностями модели. Среди них гибкое изменение подробности отображения тех или иных объектов, возможность обращаться как к подробным, так и к обобщенным «версиям» объектов и соответствующим им иерархиям атрибутов.

Созданная модель данных была опробована на тестовых наборах данных различных объемов и показала соответствие основным поставленным задачам. В результате экспериментов установлен значительный рост скорости обращения к данным и скорость прорисовки, составляющая двухпятикратное преимущество по сравнению с пакетом Arc View.

Разработка экспертной системы, позволяющей анализ и изменение атрибутивной информации в соответствии с геометрией объекта текущей подробности, проведена в рамках создания общей концепции и определения основных методов и структур. Для создания действующей базы знаний экспертной системы необходимо участие специалистов в предметных областях.

Представленная модель данных оперирует полилиниями. Однако, в описании объектов ландшафта часто оказывается удобным использовать кривые, аппроксимирующие реальные формы. Распространено использование различных разновидностей сплайнов, например, би-сплайны. Использование методов аппроксимации функциями представляет одно из направлений дальнейших исследований.

Подготовка данных и приведение их в вид, соответствующий модели данных, является задачей, требующей ресурсов и затрат. Однако, следует подчеркнуть, что разработанная модель данных ориентирована на конечного пользователя. Это означает, что пользователь с большей вероятностью будет изменять атрибутивную информацию, наполняя содержанием ГИС, чем изменять геометрические объекты, лежащие в ее основе. Поэтому основной акцент делался на обеспечении скорости и гибкости отображения пространственных данных. Такие преимущества не даются «бесплатно», поэтому была проведена оценка трудоемкости подготовки данных, на основе которой был сделан вывод об общей эффективности предложенной модели данных.