Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Типовые технологии и средства автоматизации создания геоинформационной продукции 12
1.1. Автоматизация создания карт, цифровые карты 12
1.2. ГИС как автоматизированные системы 14
1.3. Модели данных в ГИС 19
1.4. Растровое и векторное представление информации 22
1.4.1. Особенности векторной модели данных 25
1.4.2. Особенности растровой модели данных 29
1.5. Послойное представление информации в ГИС 31
1.6. Цифровая модель местности 33
1.7. Назначение и типы ГИС 36
1.8. Типовые технологии производства карт 39
1.9. Инструментальные ГИС как база создания автоматизированных технологий 41
Глава 2. Анализ проблем автоматизации серийного производства геоинформационкой продукции на базе инструментальных ГИС . 46
2.1. Автоматизация серийного производства цифровых карт 47
2.1.1. Технология производства цифровых карт на основе бумажных оригиналов 50
2.1.2. Анализ и оптимизация технологического процесса 57
2.1.3. Отличие процесса создания единичной карты от постановки серийного производства 61
2.2. Роль автоматизированной векторизации и прослеживания контуров 63
2.3. Создание и обновление карт с помощью данных дистанционного зондирования. Задача системы управления для организации работы ГИС в прикладных областях 66
2.3.1. Расширение функциональных возможностей типовых ГИС 67
2.4. Особенности организации работ на базе нескольких ГИС. Проблемы совместимости и взаимодействия 73
Глава 3. Программная архитектура и алгоритмы систем автоматизации производства геоикформационной продукции 77
3.1. Система автоматизации технологий производства геоинформационной продукции с использованием инструментальных программных средств 77
3.1.1. Основные задачи и варианты построения системы управления технологией производства 78
3.1.2. Система контроля качества. Типовые задачи и средства реализации . 85
3.1.3. Построение процедур контроля качества по операциям 88
3.2. Создание ГИС в прикладных областях 90
3.3. Алгоритм автоматизированной векторизации на основе методов выделения контуров и границ на изображениях 91
3.3.1. Автоматизированное выделение однородных областей и границ на изображениях 92
3.3.2. Структура модуля векторизации. Общее описание алгоритма 97
3.3.3. Настройка параметров алгоритма через фокусировку границ 99
3.3.4. Адаптивное отслеживание параметров линии 102
3.4. Алгоритм восстановления значений двумерного поля поданным в изолиниях 104
Глава 4. Практическая реализация специализированных ГИС и средств автоматизации производства геоинформационных данных . 109
4.1. Автоматизированная система съемки шельфа
4.1.1. Функциональные возможности системы 111
4.1.2. Автоматизация обработки данных и контроля качества съемки 114
4.2.ГИС обработки геолого-геофизической информации и Данных дистанционного зондирования 116
4.2.1. Функциональные возможности. Автоматизированный анализ ДДЗ 120
4.2.2. Автоматизация разработки методик обработки данных 123
4.2.3. Реализация алгоритмов автоматизированной векторизации 126
4.3. ГИС обработки данных кадастровой съемки 127
4.3.1. Функциональные возможности системы 130
4.3.2. Реализация и функции встроенной системы управления 132
4.3.3. Средства предупреждения ошибок оператора, автоматизации трудоемких процедур обработки данных 133
4.3.4. Реализация алгоритма автоматизированной векторизации полноцветных изображений 134
4.4.Автоматизация производства общегеографических карт в среде инструментальных ГИС 138
4.4.1. Распределенная технология в среде нескольких ГИС 145
Заключение 150
Список литературы 152
Приложения
Приложение 1. Описание программы R2V для автоматизированного создания и редактирования векторных данных на основе растровой подложки 166
Приложение 2. Описание AML-программ для поддержки технологии создания цифровых карт в среде Arclnfo 183
- ГИС как автоматизированные системы
- Анализ и оптимизация технологического процесса
- Система контроля качества. Типовые задачи и средства реализации
- Функциональные возможности системы
Введение к работе
Актуальность исследований. С конца 60х годов начались работы по компьютеризации картографии - автоматизация производства бумажных карт, разработка картографических банков данных и создание собственно электронных карт. В основе создаваемых систем лежали многовековые традиции систематического производства бумажных карт, технологий сбора, обработки и представления пространственной информации. Новые возможности и подходы позволяют не только пересмотреть технологии производства карт, уйти от традиционной рутины картографического черчения, но и создают новый взгляд на содержание, наполнение и способы представления пространственной информации.
За это время геоинформационные системы (ГИС) прошли путь от узкоспециализированного инструментария картографов до открытых многоцелевых профессиональных систем. Их бурное развитие обуславливается информационными, экономическими и технологическими потребностями общества в пространственно привязанной информации. Это задачи инвентаризации земель, создания и ведения городского и земельного кадастра, организации ведомственных и административных информационных систем от навигации автотранспорта до управления и планирования развитием территорий и многие другие. Мощный дополнительный инструмент дает ГИС и для традиционных наук о Земле - геологии, географии, экологии.
ГИС представляют собой системы, интегрирующие в себе основные свойства автоматизированных систем управления (АСУ), систем автоматизированного проектирования (САПР) и автоматизированных систем картографирования (АСК).
Огромный путь прошли ГИС за три десятилетия с момента постановки пионерских работ в создании в конце 60х годов опытных образцов. За это время сформировался понятийный аппарат, система подходов к моделированию данных в ГИС, технология применения моделей и построения на их основе программно-аппаратных реализаций.
Теоретические основы создаются и развиваются на базе теории систем управления, математических и картографических подходов к пространственному моде лированию, теории обработки изображений и полей, развития теории баз данных, формирования открытых моделей атрибутивных и пространственных данных, вычислений и программных реализаций.
Современные ГИС обеспечивают решение широкого круга задач сбора, приведения в единые картографические проекции, обработки, анализа и визуализации геодезических и картографических материалов, данных дистанционного зондирования. Однако на основе анализа литературных источников и опыта применения мощных инструментальных ГИС в прикладных областях можно сделать вывод, что при массовом производстве геоинформационной продукции особое значение приобретает задача организации конвейера - постоянного единообразного выполнения одних и тех же операций, контроль за соблюдением заданных свойств продукции, организация процедур предупреждения и устранения ошибок. Современные ГИС поддерживают большинство из необходимых технологических операций как отдельные шаги. Необходимо создать автоматизированное управление технологией производства геоинформационной продукции, организующее наполнение системы данными, повышающее эффективность процесса производства и качество продукции. Актуальными являются также задачи проведения анализа и обоснованного выбора базовых программных инструментов, анализа их функциональных возможностей и разработки подходов к их расширению.
Связь работы с научными программами и проектами. Тематика и подходы к решению задач в данном исследовании формировались при решении научно-технических проблем, определенных следующими проектами и программами:
1. Федеральная инновационная программа "Российская инжиниринговая сеть технических нововведений" ("Инжинирингсеть России") - утверждена Постановлением Правительства Российской Федерации от 15 апреля 1994 года № 322 и от 4 декабря 1995 года№ 1207 (1993-1998 г.г.),
2. Международная программа COPESTAT - Copernicus Countries Network for Statistics and Information Delivery, Project No 97 (Германия, Польша, Чехия, Венгрия, Словакия, Греция, Россия; 1995-1997г.г.),
3. Международный образовательный проект TEMPUS (TACIS), T-JEP-08572-94 (Греция, Бельгия, Россия; 1994-1997гг.).
Комплекс исследований, выполняемых в ходе реализации программ и проектов, проводился под руководством и при участии автора.
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности автоматизации промышленного производства геоинформационной продукции за счет разработки архитектуры и программной реализации модуля управления технологическими процессами и ГИС в вариантах локальной прикладной полнофункциональной системы и распределенной системы на базе современных инструментальных средств.
Решение задачи обеспечивается за счет разработки системы управления технологиями использования базовых ГИС, разработки прикладных ГИС, адекватных по набору функций конкретным задачам технологических процессов. Система управления технологиями обеспечивает унификацию подготавливаемых цифровых карт, повышение качества выполнения работ, а также уменьшение стоимости работ и снижение требований к программно-аппаратному обеспечению. Для реализации такого управления разработаны технологические, алгоритмические и программные решения.
Научная новизна работы. Представленная на защиту диссертация является обобщением проведенных автором исследований и разработок, в результате которых решены задачи построения гибких технологий подготовки цифровых карт, настраиваемых на программно-аппаратную среду и различные области приложения. Разработанные подходы имеют большое значение для организации высококачественного и эффективного производства геоинформационной продукции.
Конкретные результаты, обладающие новизной, состоят в следующем:
Проведена структуризация технологических процессов подготовки цифровых карт и ГИС для ряда прикладных областей, в том числе в условиях работы в разнородной среде программно-аппаратных средств, позволяющая использовать единый подход к разработке систем управления технологическими процессами и организации контроля качества продукции.
Разработана архитектура ряда оригинальных прикладных геоинформационных систем, позволивших автоматизировать производство цифровых кадастровых и землеустроительных данных, обработку и анализ геолого-геофизических данных со вместно с данными дистанционного зондирования, производство общегеографических карт.
Разработана структура автоматизированной системы создания цифровых карт в распределенной программно-аппаратной среде в окружении ряда инструментальных ГИС, позволяющая настраиваться на прикладные задачи и быстро разворачивать производство новой продукции.
Разработаны алгоритмы и программные средства векторизации и редактирования карт, дополняющие функциональные возможности доступных коммерческих продуктов, позволяющие повысить общую производительность системы и качество создаваемых данных.
Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследований послужили основой для реализации технологий производства цифровых картографических материалов и ГИС в ряде организаций и фирм. Апробация автоматизированной технологии производства цифровых карт проведена на фирме "ГИС технологии Санкт-Петербург" (ГТСП) при выполнении ряда международных проектов, в том числе программы COPESTAT, и при создании цифровых карт Греции в широком спектре масштабов - от 1:500 до 1:1 000 000 для ряда областей применения - от городских карт для создания административного кадастра до экологических и общегеографических карт.
Разработанные прикладные ГИС поддерживают эффективную обработку материалов кадастровой съемки, гибко настраиваемую на изменения требований заказчика к форматам цифровых данных и формам представления документов, анализ геолого-геофизической информации совместно с данными дистанционного зондирования.
Разработанный подход к автоматизации производства карт в распределенной программно-аппаратной среде послужил основой для постановки ряда технологий подготовки цифровых карт по всему масштабному ряду с использованием промышленных систем типа Arclnfo и Maplnfo.
В результате проведенных исследований стала возможна подготовка цифровых карт, совместимых с Arclnfo, Maplnfo, AutoCAD, на основе разработанного и реализованного автором векторизатора, картографического редактора и ряда утилит преобразования данных.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
1. Методика построения гибких, настраиваемых на различные области приложения, автоматизированных технологий создания цифровых карт в распределенной программно-аппаратной среде.
2. Архитектуры программных решений и реализации ряда прикладных ГИС обработки кадастровой, общегеографической и геолого-геофизической информации совместно с данными дистанционного зондирования.
3. Алгоритмические решения для построения функциональных модулей разработанных ГИС, включая автоматизированную векторизацию полноцветных сканированных карт и ряд других оригинальных алгоритмов.
4. Реализации разработанных ГИС и технологий создания цифровых карт в различном программно-аппаратном окружении, обеспечивающие эффективное промышленное производство геоинформационной продукции с заданными свойствами и структурами данных.
Реализация результатов исследования. Результаты работы реализованы в ходе выполнения: федеральной инновационной программы "Инжинирингсеть России", международной программы COPESTAT и международного образовательного проекта TEMPUS (TACIS).
Разработанные технологические решения и программное обеспечение, средства их настройки на конкретные задачи, области приложения и программно-аппаратные конфигурации использовались при выполнении ряда проектов по созданию цифровых карт Греции в широком спектре картографических масштабов в фирме ГТСП.
Разработанное программное обеспечение используется при создании цифровых карт, обработке данных дистанционного зондирования, цифровой поддержке выполнения городских кадастровых работ в НПП СКИН (Служба Кадастровой Информации) и ВНИИКАМ (ВНИИ Космо-Аэрогеологических Методов), ряде других организаций.
На основе полученных результатов и с использованием разработанного программного обеспечения создано более тысячи цифровых карт.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: VII Международной научно-методической конференции "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки" (Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2000); "Четвертой конференции пользователей Arclnfo" (Афины, Греция, 1995); международной "Первой конференции пользователей программных продуктов ESRI и ERDAS" (Москва, 1995), учебно-практической конференции "Организация, технология и опыт ведения кадастровых работ" (Москва, 1997); второй, третьей и четвертой научно-практических конференциях "Географические информационные системы: Теория и практика" (Санкт-Петербург, 1995-1997); международной конференции "Аэрокосмические методы в геологических и экологических исследованиях" (Санкт-Петербург, 1994).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научные работы, в которых полностью отражены полученные результаты.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.
В первой главе проведен обзор современных программно-аппаратных средств автоматизированного производства геоинформационной продукции. Представлены типовые технологии и инструментальные ГИС как средства организации производства.
Во второй главе на базе литературных источников и накопленных автором материалов по практической реализации ГИС проектов выполнен анализ проблем, возникающих при организации промышленных технологий производства геоинформационной продукции и при создании ГИС в прикладных областях в различных вариантах используемого программно-аппаратного окружения. Определены проблемы, требующие решения, поставлены задачи по их преодолению, намечены подходы к решению.
В третьей главе описан ряд разработанных автором алгоритмических, архитектурных и программно-технологических решений при создании прикладных ГИС и автоматизации производства геоинформационной продукции. Предложена структура организации системы управления автоматизированным производством геоинформационной продукции. Представлены оригинальные алгоритмы автома тизированного прослеживания контуров и восстановления значений двумерного поля по данным в изолиниях.
В четвертой главе рассмотрены результаты практического внедрения разработанных автором подходов к автоматизации производства геоинформационных данных в задачах общегеографического картографирования, подготовки планов и карт городов, выполнения кадастровых работ, обработки данных геофизических исследований. Технологии создания цифровых карт реализованы в ходе выполнения работ в ряде организаций. Использован ряд различных архитектурных решений по реализации системы, в зависимости от используемых базовых ГИС и конкретных программно-аппаратных условий.
ГИС как автоматизированные системы
"ГИС - аппаратно-программный человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования при решении научных и прикладных географических задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества" [121]. Современное (за последние 12-15 лет) превращение ГИС из чисто географических информационных систем в качественно новую форму произошло на основе использования идеологии и технологии систем автоматизированного проектирования и интеграции всех процессов обработки на базе географических данных.
Итак, ГИС - автоматизированная информационная система, предназначенная для обработки пространственно-временных данных, основой интеграции которых служит географическая информация. В ГИС осуществляется комплексная обработка информации - от ее сбора до хранения, обновления и представления, в связи с этим следует рассмотреть ГИС с различных позиций.
Как системы управления ГИС предназначены для обеспечения принятия решений по оптимальному управлению землями и ресурсами, городским хозяйством, по управлению транспортом и розничной торговлей, использованию океанов или других пространственных объектов. При этом для принятия решений в числе других всегда используют картографические данные.
В отличие от АСУ в ГИС появляется множество новых технологий пространственного анализа данных. В силу этого ГИС служат мощным средством преобразования и синтеза разнообразных данных для задач управления.
Дополнительные возможности ГИС в сравнении с другими классами автоматизированных систем типа автоматизированных систем научных исследований (АСНИ), систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных справочно-информационных систем (АСИС) и др. Основу интеграции технологий ГИС составляют технологии САПР. Поскольку технологии САПР достаточно апробированы, это, с одной стороны, обеспечило качественно более высокий уровень развития ГИС, с другой - существенно упростило решение проблемы обмена данными и выбора систем технического обеспечения. Этим самым ГИС стали в один ряд с автоматизированными системами общего назначения типа САПР, АСНИ, АСИС.
Как геосистемы ГИС включают технологии (прежде всего технологии сбора информации) таких систем, как географические информационные системы (ГИС), системы картографической информации (СКИ), автоматизированные системы картографирования (АСК), автоматизированные фотограмметрические системы (АФС), земельные информационные системы (ЗИС), автоматизированные кадастровые системы (АКС) и т.п.
Как системы моделирования ГИС используют максимальное количество методов и процессов моделирования, применяемых в других автоматизированных системах.
Как системы получения проектных решений ГИС во многом применяют методы автоматизированного проектирования и решают ряд специальных проектных задач, которые в типовом автоматизированном проектировании не встречаются.
Как системы представления информации ГИС являются развитием автоматизированных систем документационного обеспечения (АСДО) с использованием современных технологий мультимедиа. Это определяет большую наглядность выходных данных ГИС по сравнению с обычными географическими картами. Технологии вывода данных позволяют оперативно получать визуальное представление картографической информации с различными нагрузками, переходить от одного масштаба к другому, получать атрибутивные данные в табличной или пространственной форме.
Как интегрированные системы ГИС являют собой пример объединения различных методов и технологий в единый комплекс, созданный при интеграции технологий на базе технологий САПР и интеграции данных на основе географической информации.
Как прикладные системы ГИС широко используются на транспорте, в навигации, геологии, географии, военном деле, топографии, экономике, экологии и т.д. Благодаря богатым функциональным возможностям ГИС на их основе интенсивно развивается тематическое картографирование.
Как системы массового использования ГИС позволяют применять картографическую информацию на уровне деловой графики, что делает их доступными любому школьнику или бизнесмену, не только специалисту географу. Именно поэтому при принятии решений на основе ГИС-технологий не всегда создают карты, но всегда используют картографические данные.
В процессе функционирования ГИС все многообразие входных данных - информация об объектах, их характеристиках, о формах и связях между объектами, различные описательные сведения - преобразуется в единую общую модель (набор моделей), хранимую в базе данных. В совокупности эти данные образуют разнообразные модели объектов, которые задают информационную основу базы данных и определяют методы обмена данными в процессе эксплуатации ГИС. Используя приемы генерализации и абстракции, необходимо свести множество данных к конечному объему, поддающемуся анализу и управлению. Это достигается применением моделей, сохраняющих основные свойства объектов исследования и не содержащих второстепенных свойств.
Поэтому первым этапом разработки ГИС или технологии ее применения является обоснование выбора моделей данных для создания информационной основы ГИС. Различные ГИС поддерживают различные классы моделей данных, и соответственно обоснованный выбор модели в значительной мере определяет и выбор базовой инструментальной ГИС.
В существующих ГИС используются различные способы для организации реальности посредством модели данных. Каждая модель более пригодна для свойственных ей типов данных и областей применения.
Модели данных в ГИС имеют сложную многоуровневую структуру, в которой нижние уровни состоят из элементарных (атомарных) моделей данных. Из элементарных моделей конструируются более сложные. Конструирование, или проектирование сложных моделей на основе более простых, зависит от выбора структуры сложной модели, от типа связей в сложной модели и от качественных характеристик элементарных моделей (см. рис. 1.З.).
Проблема организации базы данных в ГИС сводится к решению ряда задач, первой из которых является организация моделей объектов. Это определяет необходимость предварительного анализа свойств элементарных моделей данных, составляющих более сложные модели в БД, и выбора базовых теоретических моделей с учетом конкретной предметной области задач ГИС. Такой подход позволяет оптимизировать создание информационной основы и процессы обработки данных в БД. Проектирование информационной основы и функционирования ГИС начинается с анализа базовых моделей данных, определяющих структуру связей в моделях и образующих более сложные модели для описания реальных объектов.
При создании информационной основы и анализе данных используются методы классификационного анализа. Поскольку при сборе информации для БД приходится иметь дело с результатами измерений, первые три типа задач классификации определим по этому показателю. Воспользуемся определением, данным Кен-даллом [72].
Анализ и оптимизация технологического процесса
Для накопления данных по трудозатратам при использовании типовых технологий, определения путей оптимизации работ и постановки серийного производства использовалось сетевое представление графика работ - Гантт диаграмма. Она позволяет определить суммарную длительность работ, оценить критические пути, спланировать распределение людских и материальных ресурсов, провести анализ "что-если" для поиска путей снижения стоимости и суммарного времени работы. Гантт диаграмма - базовое представление проекта в инструментальных средствах планирования работ типа Microsoft Project [165] или Turbo Project [155]. Эти программные продукты позволяют подсчитать загрузку ресурсов, суммарную стоимость работ, как по всему проекту, так и по отдельным этапам, построить оптимальное расписание работ при заданном уровне загрузки ресурсов. Фактические трудозатраты при постановке работ по оцифровке для проектов выполненных в масштабах 1:500 и 1:50 000 на территорию Греции представлены на рис. 2.4. и 2.5 в виде Гантт диаграммы средствами системы Turbo Project.
Задача изменяется в случае, когда от производства единичного экземпляра необходимо перейти к серийному (или мелкосерийному) производству. Как правило, такая задача встает при организации производства однотипных карт. Так, например, территория Греции покрывается 385 листами карт масштаба 1:50 000. На типовом листе карты представляются объекты 400-600 классов (отличающихся условными знаками и структурами атрибутивной информации).
Гантт диаграмма технологического процесса производства листа карты масштаба 1:50 000. приходится от 15 до 40 тысяч объектов. Работа с каждым листом требует от 2 до 6 человеко-недель (на рис. 2.5. - 28 человеко-дней) в среде Arclnfo. То есть, для выполнения полного покрытия территории страны цифровыми данными должно быть организовано производство однотипной продукции в течение достаточно длительного времени - нескольких лет. Близкая ситуация складывается и при создании подробных городских карт.
Для постановки серийных работ на основе сетевого представления была выполнена классификация технологических операций на классы, ранжированные по степени их влияния на общую длительность работ. Экспертным путем была оценена возможность и стоимость затрат на их ускорение. На рис. 2.5., 2.6. представлены варианты создания карты с использованием одного рабочего места и вариант максимального распределения работ в модели неограниченного числа рабочих мест. Логика выполнения отдельных технологических шагов задает ограничение на минимальные блоки. Фактически максимальное число параллельно выполняемых ветвей здесь ограничено 10-12.
Не все параллельные операции сопоставимы по длительности. Выполнение операции "левелинга", минимизирующей как время, так и требуемые на выполнение проекта ресурсы, приводит к следующей схеме выполнения работ (рис. 2.7.).
Таким образом, по данной технологии получаем оценку минимального времени и оптимальное значение объема работы. Время выполнения работ уменьшилось в варианте 2.6. по сравнению с 2.5. в 3.2 раза. Однако стоимость во всех вариантах практически одна и таже, и значительно превышает уровень рыночных цен на продукцию. При использовании базовых ГИС класса Arclnfo для рабочих станций под управлением операционной системы UNIX стоимость одного рабочего места (несколько десятков тысяч долларов) вносит заметный вклад в общую стоимость работ. Дешевле (почти десять тысяч долларов) обходится версия для Windows NT. Для обеспечения конкурентоспособного по стоимости производства необходимо строить технологию с использованием более дешевых и не менее производительных средств, и при этом без потери качества.
При организации серийного производства цифровых карт готовых к использованию средств инструментальных ГИС не хватает. Работы с различными масштабами карт, в разных областях приложений, в условиях отличающихся национальных традиций в производстве карт создают слишком широкий спектр типовых технологий работ для того, чтобы его можно было реализовать в виде единого шаблона технологии. Поэтому штатных средств для поддержания работы строго по заданной технологии в инструментальных ГИС нет. С другой стороны, в рамках единой задачи работы с каждым листом очень близки друг к другу по набору технологических операций, что порождает естественное желание автоматизировать выполнения работ по единой технологии. Для этого, как правило, можно воспользоваться средствами макропрограммирования, предоставляемыми большинством инструментальных ГИС. Отдельный, но немаловажный, вопрос при организации большого потока работы - оценка возможности и организационно-экономической обоснованности разделения технологических операций между несколькими программными продуктами (в нашем случае несколькими ГИС).
Другими словами, современные ГИС хорошо поддерживают исследовательский режим работы, в котором надо выполнить уникальный для объекта набор операций, и режим запроса данных и анализа в системах конечного пользователя. Однако при организации промышленного производства геоинформационной продукции особенное значение приобретает уже не столько сама возможность выполнения отдельных операций, сколько автоматизированная организация их единообразного повторения для каждого создаваемого листа карты, а также контроль за соблюдением требуемых свойств продукции, организация процедур предупреждения и устранения ошибок.
Таким образом, встает задача построения автоматизированной системы управления технологиями производства на базе функциональных возможносшей используемых ГИС. Актуальными являются также сопутствующие задачи проведения анализа того, какие технологические операции недостаточно эффективны или гибки, и разработки соответствующих методических и программных решений. Решению этой задачи и посвящена данная работа, начиная от разработки обобщенной методики создания подобных систем для различных ГИС, и кончая программно-алгоритмической проработкой решений и программной реализацией систем для конкретных технологических задач и программно-аппаратного окружения.
Мы приходим к общей постановке задачи по созданию системы управления технологическим процессом в рамках типового подхода, представленного на рис. 2.1. Модуль управления получает информацию о параметрах процессов обработки, оценивает качество выходной продукции и промежуточных этапов обработки. На основе этой информации он задает последовательность и параметры следующих (или повторных) шагов обработки продукции - в нашем случае создаваемых цифровых данных по листу карты.
Построение модели системы управления естественно начать с анализа технологических процессов создания цифровых карт по типовым технологиям на базе инструментальных ГИС. Такой анализ позволяет в зависимости от решаемых задач определить состав элементов управляемой системы, структуру системы, информационные потоки, организацию автоматизированного контроля качества, оценить возможные направления совершенствования системы.
Цель создания автоматизированной управляющей системы заключается в [45]: сокращении трудозатрат, уменьшении времени подготовки и создания продукции, снижении стоимости на производство продукции, повышении качества создаваемой продукции, повышения коэффициента использования ресурсов системы, предупреждении повреждений (потери данных), повышения устойчивости системы к сбоям технических и программных средств.
Система контроля качества. Типовые задачи и средства реализации
Контроль качества создаваемой продукции - одна важнейших составных частей технологии работ. В традиционной картографии организация и методы контроля регламентируются в ведомственных нормативных документах [2, 68]. Для цифровой картографии полностью наследуются требования к матераилам полевых измерений, в значительной мере могут быть использованы закрепленные в инструкциях процедуры контроля качества бумажных отпечатков. Однако цифровая природа данных заначительно отличается от бумажной. Проявляется это как в меньшей привязанности к масштабу, так и в гораздо гибкости в структуре данных, составе слоев в электронной карте, динамичной обновляемости карты.
Появляются и специфичные только для цифровой карты свойства структуры данных, в первую очередь связанные с топологией цифровой карты (в понимании Arclnfo). Кроме того, от цифровых карт можно потребовать автоматизированного соблюдения гораздо более широкого списка взаимосоотношений и взаимосвязей отображаемых объектов. Через ограничения на взаимосвязи можно проверить соответствие модели реальной или потенциально допустимой в реальном мире взаимозависимости объектов. Пример такого ограничения: "дорога не может проходить по озеру". Топология в понимании Arclnfo отражает только наиболее общие из подобных ограничений.
Цифровая природа геоинформационных данных находит свое отражение во временных ведомственных документах по приемке цифровых карт [ИЗ, 123]. С другой стороны, вопросы контроля качества геоинформационной продукции, анализ типовых ошибок цифровых карт активно обсуждаются ГИС сообществом [73, 84, 87, 134].
Система контроля качества, как подсистема модуля управления, организует проведение выходного контроля качества геоинформационной продукции. Эта система ответственна за контроль качества отдельных технологических операций или цепочек. Модули контроля качества могут и должны дополняться средствами предупреждения систематических ошибок оператора. Эти модули создаются и совершенствуются по мере накопления опыта работы с системой, накопления информации об ошибках, выявленных в ходе создания цифровых данных.
Проверка реализуется как процедурами автоматической оценки качества данных, так и средствами подготовки данных для визуального анализа качества, создания специальных (типовых в данной технологии) форм представления данных для подчеркивания ошибок.
Контроль за соблюдением соглашений о структурах данных по мере выполнения технологических операций является одной из основных задач модуля управления. Первая задача, во многом определяющая весь успех проекта создания цифровых картографических данных и функционирующих на их основе ГИС, - это проектирование логических структур данных. Планированию подлежит как структура результирующих данных для ГИС, так и структуры данных всех промежуточ ных этапов ввода, обработки и подготовки. Как уже отмечалось выше, инструментальные программы цифрового картографирования ориентированы на универсальность применения и не содержат встроенных средств строгого контроля за соблюдением технологии.
В стандартной конфигурации инструментальных систем генерация структуры данных выполняется оператором путем ввода ее описания через соответствующие окна диалога. Анализ ошибок, возникающих при серийном производстве карт в таком подходе, показывает, что с нарушениями структуры данных связано до 10-15% ошибок. Такие ошибки выявляются в основном на этапе окончательной сборки данных в структурах ГИС, вынуждая повторять несколько технологических операций. Введение автоматизированных средств контроля структур данных, а при возможности и автоматизированная генерация структур сводят такие ошибки к нулю.
Функциональные возможности системы
Функциональная схема представлена на рис. 4.2. Программная система решала следующие задачи: а ввода и коррекции данных съемки (координаты и глубины съемочных точек на галсах, данные уровенных измерений, измерения скорости звука в воде), а вычисления прямоугольных координат по данным определения места различными способами, а исправления глубин поправками за отклонение скорости звука в воде от установленной на эхолоте, исправление глубин поправками за колебание уровня моря, а контроля совпадения глубин в точках пересечения контрольных и съемочных галсов, а сортировки съемочной информации по планшетам стандартной нарезки.
При внесении поправок использовались алгоритмы, утвержденные в нормативных документах на проведения съемок [2] и специально разработанные алгоритмы [53, 82]. Один из вариантов измерения распределения скорости звука в воде был зарегистрирован как авторская заявка на изобретение [92]. Остановимся на задачах внесения исправлений за скорость звука в воде и контроля совпадения глубин в точках пересечения основных и контрольных галсов.
Дискретизация поля скорости звука проводится для сокращения вычислительных затрат при расчете поправок за отклонение скорости звука. Дискретизация проводится методом выделением однородных областей. Задача решается в два этапа. Сначала выделяются слои вертикальной однородности, а затем они разделяются на однородные области.
На первом этапе для каждой станции находится такая глубина Z.(i- l + Ns), где Ns- число станций, такое, что разброс по скорости звука в наблюдениях с глубинами Z0 Z ZS укладывается в интервал, заданный порогом: AV = max(F )-min(F ) DV;I. = {/ Z0 ZJ Z[\, где і - номер станции; Z0- верх няя граница слоя (для первого слоя Z0 =0 ); Z - глубины, для которых есть измерение; V/ - скорость звука на этих глубинах, Dv- пороговое значение. Zs = min Z s задает ниж нюю границу общего для всех станций слоя горизонтальной однородности по скорости звука. Если станция не содержит измерений на данном слое, но есть измерения для глубин меньших Z0H больших Zs, то считается, что скорость звука измеряется линейно от ближайшей точки сверху слоя до ближайшей к слою снизу. Для каждой станции вычисляется среднее значение скорости звука в слое: max /Jt-min /) Vі - — J-Sk—;Iz = y\z0 ZJ Z/}. Таким образом, получаем единое для всего участка съемки вертикальное расслоение. На втором этапе в каждом слое аналогичным образом проводится пороговое выделение однородных областей. Использование порогового метода в данном случае позволяет получить среднее значение, отличающееся от любого измеренного значения в области не более чем на 2 Dv
С точки зрения общего подхода к построению системы автоматизированного производства цифровых карт модуль управления был реализован частично. Он был воплощен (см. рис. 4.3.) в виде специально разработанного средства интерпретации макроязыка управления работой системы и набора типовых программ обработки на этом макроязыке. Он позволял единообразно выполнять технологические операции, тем самым реализуя принцип тиражируемости и унификации технологий. Структура данных и система кодирования объектов была жестко зафиксирована в коде программы. Макроязык позволял задавать объект обработки, последовательность операций, их параметры, выбирать из базы необходимые данные и помещать в нее результаты.
Работы над АТС-М позволили накопить опыт работы с многомашинными комплексами, подходами к организации логических структур для обмена данными между разнородными системами (Электроника 60 и ЕС ЭВМ), хранения первичной и результирующей картографической информации, отработать варианты построения систем, управляемых геодезистом и картографом, а не профессиональным программистом, разработать кодификатор картографических объектов.
С другой стороны, ограниченность технических средств сильно сдерживала возможности визуализации и интерактивной обработки, форматы и логические структуры представления данных на стационарном комплексе представляются с современной точки зрения чрезмерно жесткими. Более того, в исторических рамках программно-технических подходов того времени система разрабатывалась именно как система автоматизации подготовки и издания карт. БД велась в первую очередь как основа для последующего обновления карт. Задачи создания ГИС и распространения электронных карт как таковых еще не ставились, хотя и были предусмотрены процедуры по-планшетной выборки из БД и записи результатов на МЛ.
Следующий шаг в разработке системы как полнофункциональной ГИС, содержащей модуль управления системой, был сделан в системе RSdPS (Remote Sensing Data Pocessing System) [75, 104, 107, 157] во ВНИИКАМ в 1990-1995 годах. RSdPS (см. рис. 4.4) - это система интерактивной и автоматизированной обработки данных дистанционного зондирования - аэро- и космических снимков (АКС). Она поддерживала комплексирование снимков с другими слоями пространственно привязанной информации: топографической, геологической и геофизической.
С помощью системы RSdPS во ВНИИКАМ решаются задачи геологической и геоэкологической направленности [97, 74, 75, 109, 152]. Так, при создании банка данных аэрокосмической и картографической информации в цифровой форме на тестовые участки территории Северо-Запада и Полярных областей России [75, 106] целью геолого-экологических исследований и картографирования являлось изучение состояния природной среды (ПС) под воздействием техногенных и природных факторов. С помощью системы RSdPS вводились и регистрировались данные в базе, проводилась векторизация картографических данных, обрабатывались и в интерактивном режиме дешифрировались АКС.
Решались задачи разработки методики обработки космических многозональных и радиолокационных цифровых материалов для обеспечения на базе ГИС прогнозной оценки на твердые полезные ископаемые топливные ресурсы на территории Северо 119
Запада России. В нефтегазовой геологии основная практическая цель исследований сводится к разработке и совершенствованию критериев и методов количественной оценки нефтегазоносности природных объектов. Применение АКС наиболее эффективно на региональном этапе и начальной стадии поискового этапа для изучения вопросов тектоники. Объектами исследования на региональном этапе являются нефте-газоперспективные зоны и зоны нефтегазонакопления, на поисковом - ловушки углеводородов. Информация об этих объектах существенно дополняется за счет использования средств компьютерной обработки АКС.
При проведении работ на тестовом участке, расположенном в пределах Тимано-Печерской провинции на этапе формирования базы данных (при их вводе и предобработке использовались геометрические преобразования и преобразования фрагментов для приведения всех данных к одному масштабу) Преобразования растровых данных выполнялись как по одиночным снимкам, так и по синтезированным. Они позволяют усилить эндогенную составляющую изображения, способствуют более объективному выделению линейных и дуговых элементов и блоков, характеризующихся однородной структурой, могут быть использованы при районировании территории и выделении основных разломов.
Синтезирование, комплексирование и другие операции, производимые с многозональными КС, получение псевдоцветных изображений используются для усиления слабых аномальных эффектов от глубинных объектов и для более четкого выделения блоков. Программы кластерного анализа и классификации позволяют выделять области с наиболее близкими характеристиками яркостных свойств. При работе с большим количеством матриц целесообразно использовать метод главных компонент для уменьшения размерности признакового пространства. Причем полученные новые признаки, как комбинации исходных, взаимно независимы и несут полезную информацию без существенных потерь.
