Содержание к диссертации
Введение
1. Визуальное моделирование 6
1.1. Предпосылки возникновения визуального моделирования 6
1.2. Основы визуального моделирования 11
1.3. Визуальное моделирование в геоинформатике 17
1.3.1 Визуальное геоинформационное моделирование 18
1.3.2. Технологии геоинформационного моделирования 20
1.3.3. Концептуальные основы моделирования в ГИС 30
1.3.4. Характеристики и основные виды моделейпространственных объектов 33
1.3.5. Методы моделирования пространственных объектов 39
1.4. Основы представления графических данных 43
1.4.1. Растровая графика 44
1.4.2. Векторная графика 45
1.4.3. Фрактальная графика 45
1.5. 3 D Моделирование 46
1.5.1. Системы моделирования 47
1.5.2. Общие принципы создания 3D объектов 52
1.6. Анимация 53
2. Визуальное программирование и объектно-ориентированный подход 56
2.1. Объектно-ориентированное программирование как
основа визуального программирования 56
2.1.1. Основные понятия объектно-ориентированного программирования 56
2.1.2. Преимущества объектно-ориентированных систем 66
2.2. Методы и языки визуального программирования 68
3. Построение и визуализация цифровых моделей 75
3.1. ГИС как система цифрового моделирования 75
3.1.1. Развитие и определение ГИС как автоматизированной информационной системы 75
3.1.2. Основные характеристики ГИС 78
3.1.3. Многофункциональность ГИС 78
3.2. Интеграция ГИС с другими автоматизированными системами 82
3.2.1. ГИС и автоматизированные системы научных исследований 83
3.2.2. ГИС и системы автоматизированного проектирования 84
3.2.3. ГИС и автоматизированные справочно-информационные системы 88
3.2.4. ГИС и экспертные системы 90
3.3. Цифровое моделирование 97
3.3.1. Понятия цифровой карты и цифровой модели 97
3.3.2. Цифровые модели местности 99
3.3.3. Характеристики и свойства цифровых моделей 106
3.3.4. Особенности построения ЦМР 111
3.4. Визуальная обработка информации и визуализация цифровыхмоделей в ГИС 114
4. Применение геоинформационного визуального моделирования для решения практических задач 116
4.1. Анализ визуального моделирования в геоинформатике 116
4.2 Применение ГИС на железнодорожном транспорте 118
4.3 Логистический подход к постановке задачи. 120
4.4 Анализ и решение поставленной задачи 124
4.4.1 Построение математической модели графика движения железнодорожных поездов 125
4.4.2 Оптимизация графика движения железнодорожных поездов при возникновении внештатной ситуации. 136
Заключение 143
Список литературы 145
- Основы визуального моделирования
- Характеристики и основные виды моделейпространственных объектов
- Системы моделирования
- ГИС и экспертные системы
Введение к работе
Применение компьютерной техники в современной жизни стало незаменимым. Огромное количество отраслей используют вычислительные машины для ускорения решения задач. До недавнего времени вся компьютерная техника была лишь вспомогательным устройством для человека. Компьютер проводил различные вычисления, а основная работа лежала всё равно на человеке. Перед человечеством же стояли задачи масштабных строительств, проектов на будущее, испытаний, которых компьютер решить не мог. С появлением мощных графических станций, а так же компьютеров, способных решать не только математические задачи, но и визуализировать сложнейшие технологические процессы на экране, начинается новая эра в компьютерной промышленности.
Достаточно долгое время немаловажную роль в информационных технологиях и системах играла дискретная алфавитно-цифровая информация. Основной причиной тому была малая мощность вычислительных систем с одной стороны. С другой стороны алфавитно-цифровая информация требовала меньшей памяти для хранения. Кроме того, долгое время при обработке информации использовались файлы небольшого объема. Поэтому обработка файлов, содержащих малые информационные объемы, была на порядки оперативней. В процессе эволюции вычислительных систем появилась возможность обрабатывать файлы большего объема, которые могли содержать изображения, а также объединять алфавитно-цифровую информацию и графические объекты в статистическом и динамическом режимах.
Информатизация общества привела к возрастанию информационной нагрузки и необходимости находить новые научные и технологические решения для обработки и анализа информации. Одним из решений этой проблемы является визуальное моделирование.
Визуальные модели широко используются в существующих технологиях управления проектированием систем, сложность, масштабы и функциональность которых постоянно возрастают. Визуальные модели позволяют наладить плодотворное взаимодействие между заказчиками, пользователями и командой разработчиков. Они обеспечивают ясность представления выбранных архитектурных решений и позволяют понять разрабатываемую систему во всей ее полноте. Сложность разрабатываемых систем продолжает увеличиваться, и поэтому возрастает актуальность!!] использования визуальных методов моделирования.
Несмотря на то, что визуальные модели широко используются в разных сферах и особенно в геоинформатике, они используются в основном на уровне технологий.
В настоящее время не выполнено научное обобщение этих методов, не
дана классификация подходов, не дано научное обоснование применения
визуального моделирования. Это обуславливает актуальность
диссертационных исследований.
В диссертации исследованы и обобщены методы визуального моделирования в геоинформатике, а также проведена их классификация. Разработана технологическая модель визуального моделирования в геоинформатике. Разработана математическая модель оптимизации скорости движения железнодорожных транспортных средств, которая служит основой дальнейшего визуального моделирования.
На основе проведенных исследований решена задача оптимизации графиков движения железнодорожного транспорта. Кроме того, эта методика исследована на реальном примере участка «Белогорск - Благовещенск» Забайкальской железной дороги.
Методы, предложенные в данной работе, могут быть использованы в качестве оперативного и эффективного способа анализа большого объема информации.
1. Визуальное моделирование
1.1. Предпосылки возникновения визуального моделирования
Информатизацию общества [71, ПО] можно рассматривать как организованный социальный, экономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и развития общества в целом. Она, в частности, обеспечивает и способствует реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов.
Технико-технологической основой информатизации являются информационные технологии и системы, а в геоинформатике геоинформационные системы и технологии.
Длительное время средством обработки в информационных технологиях и системах являлась дискретная алфавитно-цифровая информация.
Одной из причин была неразвитость информационных технологий. Длительное время обработка информации строилась на использовании файлов небольшого объема (до 1 Мбайта). Другой причиной была малая мощность первых вычислительных систем и небольшая емкость баз данных. Алфавитно-цифровая информация требовала на порядки меньшей емкости для хранения по сравнению с видеоинформацией.
Поэтому при малых информационных объемах обработка файлов, содержащих алфавитно-цифровую информацию, была на порядки оперативней. По этой же причине информационные модели и методы моделирования, строились на основе обработки не видеоинформации, а алфавитно-цифровой данных. Примерами могут служить таблицы реляционных баз данных и цифровые модели местности, представляющие собой закодированную дискретную информацию об отдельных точках
7 земной поверхности, предназначенную для аналитических преобразований и визуального отображения с помощью различных методов и программ.
По этой причине некоторые информационные потоки, например данные дистанционного зондирования в силу своих больших объемов архивировались и обрабатывались медленно и неэффективно.
Наряду с информатизацией шло постоянное накопление информации и объемов знаний. С начала нашей эры для удвоения знаний потребовалось 1750 лет, второе удвоение произошло в 1900 году, а третье - к 1950 году, т.е. уже за 50 лет, при росте объема информации за эти полвека в 8-Ю раз [29]. Причем эта тенденция все более усиливается, так как объем знаний в мире к концу XX века увеличился вдвое, а объем информации увеличится более, чем в 30 раз. Это явление, получившее название "информационный взрыв", указывается среди симптомов, свидетельствующих о начале века информации и включающих:
- быстрое сокращение времени удвоения объема накопленных научных
знаний;
- превышение материальными затратами на хранение, передачу и
переработку информации аналогичных расходов на энергетику.
Развитие компьютеров и компьютерных сетей приводит к тому, что все большая часть информации, научно-технической, образовательной, экономической и социально-политической, перемещается в автоматизированные информационные системы.
В результате развития любой страны, наступает момент, когда резервы традиционных (существующих) методов управления экономикой и социально-экономические механизмы оказываются исчерпанными. Процесс роста и накопления перерабатываемой информации приводит к появлению информационных барьеров [27].
Первый информационный барьер возникает тогда, когда сложность
управления социально-экономической, информационной или
8 образовательной системой превосходит возможности одного человека.
В результате возникновения первого информационного барьера человек создает коллективы для управления такими системами и создает технические средства и технологии, чтобы облегчить свой труд.
Одним из таких средств облегчения интеллектуального труда являются компьютеризация и информационные технологии. Суть компьютерной технологии состоит в том, что большая часть информационных потоков замыкается вне человека. Однако подчеркнем, что преодоление первого информационного барьера в информационных технологиях слабо опиралось на визуальное моделирование и обработку информации.
Таким образом, коллективный труд и информатизация персональных рабочих мест позволяют преодолевать первый информационный барьер. Появление системы Windows, явилось прорывом на пути использования визуальной информации для автоматизации обработки и персональных рабочих мест.
В процессе дальнейшего развития общества продолжается усложнение задача управления экономикой, отраслями и организациями. Наступает момент, когда совокупность людей на основе существующих технологий, успешно преодолевающих первый информационный барьер, все-таки, не может эффективно управлять социально-экономической системой (учебное заведение, организация, отрасль, страна). Это соответствует второму информационному барьеру.
Для его преодоления необходим более высокий уровень информатизации. В частности, переход от автоматизированных персональных рабочих мест к локальным и корпоративным автоматизированным системам и сетям. Следовательно, сетевые технологии -это способ преодоления информационного барьера и необходимый этап в управлении и организации многих видов деятельности, оперирующих с информацией, включая сферу образования. Примером таких систем в
9 образовании могут служить компьютерные классы, объединенные единой локальной сетью. Этот барьер успешно преодолевался с поддержкой визуальных информационных систем и появлением визуальных языков программирования.
Следующим этапом развития, который не учел В.М Глушков при выявлении информационных барьеров, оказался процесс глобализации общества.
Глобализация или глобализм, как особая фаза международных отношений, зародилась несколько десятилетий назад, но ее формирование не завершилось и к началу третьего тысячелетия. Однако по ряду причин общественное внимание она привлекла лишь в начале 90-х годов XX в.
МБРР описывает глобализацию как «увеличивающуюся экономическую взаимозависимость стран мира как следствие возрастающего объема и возрастающего многообразия международных перемещений товаров, услуг и интернациональных потоков капитала, а также все более быстрого и широкого распространения технологии» (World Economic Outlook, 1997, p. 45)
Глобализацию можно определить как возрастание роли внешних факторов (информационных, экономических, социальных и культурных) в производстве и информационном обмене для всех стран участниц этого процесса; формирование единого экономического и информационного пространства (в частном случае рынков) без национальных барьеров; формирование единых условий деятельности для этих стран.
Таким образом, третьим информационным барьером является ситуация, когда корпоративные или локальные сетевые системы управления, и производства (не надо путать только с информационными) не обеспечивают эффективность роста производства для корпорации или экономики в рамках отрасли или страны.
Следует подчеркнуть, что два первых барьера возникают на уровнях отдельной организации, корпорации, региона, отрасли в рамках одной
10 страны. Третий информационный барьер возникает на уровнях предприятия, корпорации или отрасли, для которых рамок одной страны становиться недостаточно.
Для преодоления третьего информационного барьера необходимо создание единых информационных пространств и информационных сред в соответствии с международными стандартами. Таким образом, создание единых информационных пространств или информационных сред является не добровольной, а вынужденной мерой для того, чтобы преодолеть третий информационный барьер и не отстать от тенденций информатизации общества в развитых странах.
Примером результатов глобализации служит появление глобальных информационных сетей типа Интернет. В образовании это привело к появлению технологий обучения для удаленного пользователя и дистанционному обучению.
В рамках данной темы следует отметить большое количество визуальной информации, которое появилось в сети Интернет как средство повышения коммуникабельности.
Дальнейшее развитие вычислительных систем создало возможности для обработки файлов большого объема (10 и более Гбайт) и файлов, содержащих изображения в том числе. Разработка механизмов и методов ассоциирования данных позволило объединять алфавитно-цифровую информацию и графические объекты в статическом и динамическом режимах.
Повышение уровня информатизации неизбежно приводило к необходимости обработки все более информативных сообщений и поставило проблему не только обработки файлов большого объема, но и разработки методов человеко-машинного анализа многомерной, большой по объему информации.
Следует отметить, что алфавитно-цифровые данные как инструмент моделирования и анализа исчерпывают себя при больших порциях
информации. Например, анализировать таблицу 100 х 100 человеку сложно, а 1000 на 1000 практически невозможно.
В современных условиях возрастания информационной нагрузки требуются новые методы по оперативному и эффективному усвоению больших объемов информации. Одним из решений этой проблемы является визуальное моделирование.
1.2. Основы визуального моделирования
На сегодняшний день одной из важнейших процедур в информационных технологиях является отображение данных. Зрение является наиболее активным органом чувств человека. Поэтому процедуры отображения информационных данных, преследуют цель как можно лучше представить информацию для визуального наблюдения и анализа.
С помощью графического режима представления данных проще анализировать любую информацию, кроме этого, появляется возможность изменять масштаб, проекцию, цвет и т.п. изображения.
Визуальное моделирование возникло как синтез визуализации других направлений.
В области визуализации данных в дистанционном зондировании заслуживают внимание работы Савиных В.П., Бондур В.Г. и Кондратьева К.А., Журкина И.Г.
Вопросы геоинформатики и картографирования рассмотрены в работах Берлянта A.M., Тикунова B.C., Капралова Е.Г., Лютого А.А., Кошкарева А.В., Журкина И.Г, Цветкова В.Я., Коугия В.А., Кулагина В.П.
Вопросами визуализации в геоинформатике занимались: Цветков В.Я., Матвеев СИ., Левин Б.А., Ниясгулов У.Д., Масленников А.С., Берлянт A.M., Тикунов B.C., Капралова Е.Г., Лютый А.А, Кошкарев А.В., Журкин И.Г., Коугия В.А., Кулагин В.П.
Вопросами обработки изображений в аспекте визуального моделирования занимались: Цветков В.Я., Матвеев СИ., Якушенков Ю.Г., Бугаевский Л.М., Павлов В.П., Журкин И.Г.
Визуальное моделирование использует в своей основе изображения. Изображение обычно обладает большей информативностью (на 2-3 порядка больше чем текст) и меньшей степенью абстрактности, то есть является более гибким каналом, чем текст или цифра.
Поэтому в настоящее время возрастает роль изображения в современном коммуникативном процессе. Визуальное моделирование развивается, опираясь, прежде всего, на иконические знаки. Поэтому при создании систем визуального моделирования необходимо учитывать специфику этих процессов.
Визуальная модель как знаковая система первична по отношению к символическим знакам, в том числе и к печатному слову. Первоначально знак, обозначающий определенный предмет, представлял собой всего лишь изображение этого предмета и включал две функции: изображения и понятия (значения).
В процессе эволюции человечества и коммуникативных процессов понятие все более отделялось от изображения, что привело к письменным (символическим) знакам, которые с одной стороны абстрагировались от обозначаемых ими предметов, а затем преобразовались в специальные системы (алфавиты). В этих системах понятия объектов отображались словами, состоящими из знаков алфавита.
На этих принципах построено лингвистическое моделирование, цифровое моделирование, математическое моделирование, экономико-математическое моделирование, и другие виды, работающие с символическими знаками. Только картографическое моделирование сохранило в себе два первоначальных свойства: изображения и символа.
В современных условиях актуальна задача исследования комплексного взаимодействия различных знаковых систем в процессе визуального
13 моделирования. Наиболее часто приходится сталкиваться с одномоментным использованием иконических знаков и вербальных элементов, при помощи которых и формируется визуальная модель.
В настоящее время можно определить следующую классификацию визуального моделирования по предметным областям, (рис. 1.1)
Все виды моделирования используют так называемый графический интерфейс пользователя. Все виды моделирования, за исключением интеллектуального уже находят применение в геоинформатике.
Одними из основных информационных систем в геоинформатике являются геоинформационные системы.
Следует отметить важность визуального моделирования для ГИС.
Концепции моделирования в ГИС базируются на интеграции, которая предусматривает, с одной стороны, переход от автоматизации отдельных частных задач к комплексному решению задач, с другой - интеграцию задач, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта (карты), включая проектирование и технологию его производства.
Т.к. ГИС является интегрированной информационной системой, то главной целью ее является ввод, унификация, интеграция, хранение, обработка, анализ и представление информации. (Рис. 1.2)
В подсистеме обработки данных можно выделить не только блок картографического представления, как это было ранее, а так же блок визуального моделирования, который включает в себя: ЗБ-моделирование, эвристическое моделирование, анимацию, визуальное моделирование процессов, визуальную оптимизацию. Кроме того, картографическое представление также является частью визуального моделирования.
Визуальные модели по аспекту реализации можно разделить на статические (электронные карты, неизменяемые изображения) и динамические (анимации, интерактивные изображения, изменяемые изображения). По аспекту размерности визуальные модели делятся на плоские (2D), квазиобъемные (2,5D) и трехмерные (3D).
Рис. 1.1. Классификация визуального моделирования
Ввод данных
Унификация
Интеграция
Хранение
Обработка и анализ данных
Картографическое представление
Визуальное моделирование
3D-моделирование
Эвристическое моделирование
Анимация
Визуальное моделирование процессов
Визуальная оптимизация
Поддержка и принятие решений
Основы визуального моделирования
На сегодняшний день одной из важнейших процедур в информационных технологиях является отображение данных. Зрение является наиболее активным органом чувств человека. Поэтому процедуры отображения информационных данных, преследуют цель как можно лучше представить информацию для визуального наблюдения и анализа.
С помощью графического режима представления данных проще анализировать любую информацию, кроме этого, появляется возможность изменять масштаб, проекцию, цвет и т.п. изображения.Визуальное моделирование возникло как синтез визуализации других направлений.В области визуализации данных в дистанционном зондировании заслуживают внимание работы Савиных В.П., Бондур В.Г. и Кондратьева К.А., Журкина И.Г.Вопросы геоинформатики и картографирования рассмотрены в работах Берлянта A.M., Тикунова B.C., Капралова Е.Г., Лютого А.А., Кошкарева А.В., Журкина И.Г, Цветкова В.Я., Коугия В.А., Кулагина В.П.Вопросами визуализации в геоинформатике занимались: Цветков В.Я., Матвеев СИ., Левин Б.А., Ниясгулов У.Д., Масленников А.С., Берлянт A.M., Тикунов B.C., Капралова Е.Г., Лютый А.А, Кошкарев А.В., Журкин И.Г., Коугия В.А., Кулагин В.П. Вопросами обработки изображений в аспекте визуального моделирования занимались: Цветков В.Я., Матвеев СИ., Якушенков Ю.Г., Бугаевский Л.М., Павлов В.П., Журкин И.Г.Визуальное моделирование использует в своей основе изображения. Изображение обычно обладает большей информативностью (на 2-3 порядка больше чем текст) и меньшей степенью абстрактности, то есть является более гибким каналом, чем текст или цифра.
Поэтому в настоящее время возрастает роль изображения в современном коммуникативном процессе. Визуальное моделирование развивается, опираясь, прежде всего, на иконические знаки. Поэтому при создании систем визуального моделирования необходимо учитывать специфику этих процессов.Визуальная модель как знаковая система первична по отношению к символическим знакам, в том числе и к печатному слову. Первоначально знак, обозначающий определенный предмет, представлял собой всего лишь изображение этого предмета и включал две функции: изображения и понятия (значения).
В процессе эволюции человечества и коммуникативных процессов понятие все более отделялось от изображения, что привело к письменным (символическим) знакам, которые с одной стороны абстрагировались от обозначаемых ими предметов, а затем преобразовались в специальные системы (алфавиты). В этих системах понятия объектов отображались словами, состоящими из знаков алфавита.На этих принципах построено лингвистическое моделирование, цифровое моделирование, математическое моделирование, экономико-математическое моделирование, и другие виды, работающие с символическими знаками. Только картографическое моделирование сохранило в себе два первоначальных свойства: изображения и символа.
В современных условиях актуальна задача исследования комплексного взаимодействия различных знаковых систем в процессе визуального моделирования. Наиболее часто приходится сталкиваться с одномоментным использованием иконических знаков и вербальных элементов, при помощи которых и формируется визуальная модель.В настоящее время можно определить следующую классификацию визуального моделирования по предметным областям, (рис. 1.1)
Все виды моделирования используют так называемый графический интерфейс пользователя. Все виды моделирования, за исключением интеллектуального уже находят применение в геоинформатике.Одними из основных информационных систем в геоинформатике являются геоинформационные системы.Следует отметить важность визуального моделирования для ГИС.
Концепции моделирования в ГИС базируются на интеграции, которая предусматривает, с одной стороны, переход от автоматизации отдельных частных задач к комплексному решению задач, с другой - интеграцию задач, относящихся к различным этапам жизненного цикла моделируемого объекта (карты), включая проектирование и технологию его производства.
Т.к. ГИС является интегрированной информационной системой, то главной целью ее является ввод, унификация, интеграция, хранение, обработка, анализ и представление информации. (Рис. 1.2)
В подсистеме обработки данных можно выделить не только блок картографического представления, как это было ранее, а так же блок визуального моделирования, который включает в себя: ЗБ-моделирование, эвристическое моделирование, анимацию, визуальное моделирование процессов, визуальную оптимизацию. Кроме того, картографическое представление также является частью визуального моделирования.
Визуальные модели по аспекту реализации можно разделить на статические (электронные карты, неизменяемые изображения) и динамические (анимации, интерактивные изображения, изменяемые изображения). По аспекту размерности визуальные модели делятся на плоские (2D), квазиобъемные (2,5D) и трехмерные (3D).
Характеристики и основные виды моделейпространственных объектов
Модель отражает наиболее общие свойства объекта или исследуемого процесса. С позиции агрегации (взаимосвязи) отдельных частей модели можно говорить о структуре или структурированности модели.Одним из основных способов структуризации данных является абстракция. Она используется как для образования категорий данных, так и для построения одних категорий на основе других.[ 16,40,91,97]Сильно и слабо типизированные модели
Одно из противоречий описания моделей заключается в том, что с одной стороны необходимо отразить общие свойства класса объектов, с другой - индивидуальные признаки конкретного объекта. Этот аспект рассмотрения приводит к разделению моделей данных на два класса: сильно типизированные и слабо типизированные.
Сильно типизированные - это модели, в которых большинство данных могут быть отнесены к узкому подклассу (типу). Примером сильно типизированных данных в геоинформатике служат координатные (метрические) данные. Другим примером может служить столбец данных в таблице.
Если исходные данные нельзя отнести к одному типу, то их можно с помощью искусственных приемов (введением дополнительных условий или ограничений) разделить и отнести к набору типов.Слабо типизированными моделями называют те, в которых данные разнородны по формату, структуре. Они слабо связаны условиями относительно известных типов. Примером слабо типизированных моделей могут быть текстовые описания.Сильно типизированные модели применяют для обработки. Слабо типизированные модели используют для обобщенных описаний.Статические и динамические моделиС позиций изменчивости можно выделить два класса моделей: статические и динамические.Статическими моделями называют модели, не изменяющиеся с течением времени. Они служат для описания процессов и явлений, не зависящих от времени.Динамические модели - это модели, которые допускают изменение параметров и структур во времени и служат для описания изменения процессов и моделей именно во времени.Построение динамических моделей (например, для задач управления), как правило, более сложно, чем построение статических.Поэтому в некоторых случаях применяют квазидинамические модели как упрощение динамических.
Квазидинамические модели - это модели, в которых временной интервал действия модели разбивается на периоды, для каждого из которых строится статическая модель. Таким образом, квазидинамические модели можно рассматривать как совокупность меняющихся и взаимосвязанных статических моделей. Примерами динамических и статических моделей в геоин . форматике могут служить два вида электронных карт.
Электронные карты в режиме разделения времени (электронные атласы) представляют реализацию статических моделей, в то время как электронные карты в реальном масштабе времени могут служить примером динамической модели.Следует подчеркнуть, что понятие изменчивости моделей данных вv информационных системах - относительно, так как вся информаия носитвременной характер и через какой-то период времени требует обновления (актуализации).
Из этого следует, что применение понятий статистические и динамические модели данных требует указания периода времени, который используется в процессе исследований или указания альтернативной модели при сравнении с исходной.Аналоговые и дискретные моделиПо способу отображения объекта модели могут быть аналоговыми либо дискретными. Примерами таких моделей могут служить обычный фотоснимок и сканированное изображение снимка.Аналоговые модели в свою очередь разбиваются на две группы: прямой и косвенной аналогии.К первой группе относятся модели, создаваемые на основе физического моделирования: аналоговые карты, модели судов, самолетов, гидротехнические сооружения и т. п.
Системы моделирования
Можно выделить четыре основных вида моделирования: полигональнальный, сплайновый, кусочный и параметрический. Многие программы поддерживают все четыре вида, т.к. каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.а) Полигональное моделирование (polygonal modeling) — это основной тип моделирования, при котором трехмерные объекты рассматриваются как группы многоугольников. Это самая первая разновидность трехмерного моделирования. Она появилась тогда, когда для определения точек в трехмерном пространстве приходилось вручную вводить трехмерные координаты. Если три или более координатные точки задать в качестве вершин и соединить ребрами, то они образуют многоугольник. Этому многоугольнику(полигону) можно задать цвет и текстуру. При соединении группы таких многоугольников можно смоделировать практически любой объект. Недостаток полигонального моделирования состоит в том, что все объекты должны состоять из малых плоских поверхностей, а полигоны должны иметь небольшой размер, иначе края объекта будут иметь ступенчатый вид (рис. 1.3). Поэтому, если предполагается увеличение объекта, значит его надо моделировать, используя большее количество полигонов, несмотря на то, что большинство из них будут лишними при удалении от объекта. При использовании полигонального моделирования объекты строятся из ломаных линий и полигонов.
Необходимо отметить, что полигональное моделирование часто используется для создания моделей с малым количеством полигонов. Тем не менее, существенный недостаток в том, что разрешение объекта, созданного с помощью полигонального моделирования, впоследствии сложно изменить.б) Сплайновая технология более сложна, но ее использование позволяет работать с объектами независимо от их разрешения. Сплайн (spline) — это кривая линия, задаваемая контрольными точками. Широкое распространение сплайнов во многом вызвано тем, что они являются в определенном смысле наиболее гладкими функциями среди функций, принимающих заданные значения. Одним из главных преимуществ сплайнового моделирования является то, что оно не зависит от разрешения объекта, то есть существует возможность приближаться сколь угодно близко к объекту, не опасаясь эффекта ступенчатости (рис. 1.4). Сплайновое моделирование прекрасно подходит для создания сложных форм.- юнгиспользуются сглаженные и естественные кривые, а не ступенчатые иискусственные полигональные формы.Существует несколько видов сплайнов. Самые распространенные изних это В-сплайны, сплайны Безье (Bezier) и NURBS.Сплайновое моделирование позволяет получить более сглаженныеповерхности объектов, чем при полигональном моделировании. Кроме того,конечное разрешение сплайновых объектов можно изменять в любой моментвремени.в) Кусочное моделирование прекрасно подходит для создания органических объектов.
При использовании этого вида моделирования (patch modeling) для задания и изменения формы куска, представляющего собой пространственную решетку из сплайнов или полигонов, применяется сеть контрольных точек (рис.1.5.).Эти точки называются контрольными вершинами. Они оказывают на гибкую поверхность куска влияние подобное магнитному. Таким образом, используя эти точки можно растягивать поверхность в том или ином направлении. Кроме того, куски можно и дальше подразделять на элементы для достижения большего разрешения, а также соединять друг с» другом, тем самым, создавая сложные объемные поверхности.г) Параметрическое моделирование (parametric modeling) применяетсядля быстрого и удобного изменения параметров объекта в процессемоделирования. Это моделирование применяется к объектам, сохраняющимисвою основную геометрическую информацию, стандартную форму, текущийразмер и количество сегментов формы. Эта информация и возможность ееw изменения доступны пользователю даже после преобразования объектов.Поэтому существует возможность вносить изменения или отменять модификацию объектов, а также увеличивать или уменьшать их разрешение (рис. 1.6)Чаще всего параметрическое моделирование основывается на сплайнах. Но не все сплайновые модели являются параметрическими.
Однако с помощью параметрического моделирования можно корректировать и отменять изменения, даже если после их применения было осуществлено несколько операций. Также это дает возможность изменять разрешение объекта уже после его создания.
ГИС и экспертные системы
Возможность использования старых и минимального количества новых данных для оперативного синтеза новых картографических материалов. Многие задачи синтеза и получения картографических композиций требуют экспертных решений. Это более эффективно по сравнению с БД решают экспертные системы. [81,100]
Нарастающие информационные потоки в современном обществе, разнообразие информационных технологий, повышение сложности решаемых на компьютере задач увеличивают нагрузку на пользователя этих технологий и ставят задачу переноса проблемы выбора и принятия решений с человека на ЭВМ. Одним из путей решения этой задачи является применение экспертных систем, которые могут быть составной частью рассмотренных выше автоматизированных систем.Экспертную систему от других автоматизированных систем на этапе ее использования отличают большая интеллектуальность, специализация и ориентация на решение задач в определенной области.Отличие ЭС на этапе проектирования состоит в том, что в ней должны учитываться особенности решаемых задач на стадии разработки системы. Эффективное использование и развитие ГИС невозможно без высокого уровня автоматизации и применения экспертных систем.
Экспертные системы можно рассматривать как класс автоматизированных информационных систем, содержащих базы данных и базы знаний, способных осуществлять анализ и коррекцию данных независимо от санкции пользователя, анализировать и принимать решения как по запросу, так и независимо от запроса пользователя и выполнять ряд аналитически-классификационных задач. В частности, ЭС должны разбивать входную информацию на группы, консультировать, делать выводы, ставить диагноз, обучать прогнозированию, идентифицировать, интерпретировать и т.д.Основными преимуществами ЭС перед другими автоматизированными системами являются: возможность решения, оптимизации или получения оценок новых классов трудноформализуемых задач, реализация которых на ЭВМ до недавнего времени считалась затруднительной или невозможной; обеспечение возможности пользователю - непрограммисту вести диалог на естественном языке и применять методы визуализации информации для эффективного использования ЭВМ и решения задач в своей предметной области; накопление данных, знаний, правил использования знаний, правил самообучения ЭС для получения все более достоверных и квалифицированных выводов или решений, включая не санкционированные пользователем; решение вопросов или проблем, которые сам пользователь не в состоянии решить либо из-за отсутствия у него информации, либо из-за ее многообразия, либо из-за длительности обычного решения даже при помощи ЭВМ; возможность создания индивидуальных специализированные ЭС за счет использования развитых инструментальных средств и личного опыта пользователя-разработчика этой системы. Можно выделить несколько групп задач, требующих применения экспертных систем в ГИС: обработка видеоизображений; преобразование растровых изображений в векторные графические модели; обработка картографической информации; обработка разнородной информации; построение моделей объектов или местности; анализ моделей ГИС; получение решений на основе геоинформации. Структурная схема экспертной системы ГИС соответствует типовой ЭС (рис. 3.1). Главной проблемой при создании экспертных систем в ГИС остается разработка моделей пространственных данных, требуемых для объединения внутри ГИС данных дистанционного зондирования и картографической основы. ГИС являются хорошей средой для внедрения методов искусственного интеллекта и экспертных систем. Это вызвано, с одной стороны, разнообразием и сложностью данных в ГИС, с другой - наличием большого числа экспертных задач при использовании ГИС. В частности, для ГИС созданы экспертные системы, применяемые для решения разных задач: получения композиции карт, выделения элементов нагрузки, получения тематических карт, поддержки принятия решений, построения оверлейных
