Содержание к диссертации
Содержание
Нормативные ссылки 4
Определения, обозначения и сокращения 6
Введение 8
1 Исследование и разработка структур цифрового моделирования местности для решения инженерно-геодезических задач 16
1.1 Структура топографической цифровой модели местности инженерного назначения 16
1.2 Структура единого формата для системы цифрового моделирования местности 25
1.3 Геометрические преобразования цифровых изображений местности, представленных в векторном или растровом виде 39
1.4 Исследование точностных характеристик автоматизированного рабочего места 47
1.5 Выводы 52
2 Технология формирования цифровой модели местности различными методами 54
2.1 Получение цифровой модели местности методом дигитализации 54
2.2 Технологическое и программное обеспечение формирования цифровой модели местности картометрическими и стереофотограмметрическими методами 64
2.3 Технология обработки результатов съемки с графоаналитической регистрацией 70
2.4 Технология формирования ЦММ при обработке полевых геодезических съемок 74
2.5 Способ регистрации геодезической информации при топографической съемке местности 80 2.6 Выводы 87
3 Методическое и технологическое обеспечение реализации цифровой модели местности в прикладных задачах 89
3.1 Применение цифрового моделирования местности в сотовой системе GSM 89
3.2 Разработка ГИС-оболочки 93
3.3 Выводы 94
Заключение 96
Приложения 101
Приложение А Анализ результатов вычислений 101
Приложение Б Описание изобретения к авторскому свидетельству 106
Приложение В Справка и акты о внедрении 110
Приложение Г Библиография 116-123
Введение к работе
Для компьютеризации процессов обработки информации в системах проектирования, планирования и управления, географических информационных системах требуется структурированное унифицированное представление информации об объектах окружающей среды, что позволяет улучшать существующие и создавать новые технологии. Разработка новых технологий для решения инженерно-геодезических задач и решение прикладных задач в отрасли на основе цифровых моделей местности подтверждается неоднократным включением выбранной проблематики в государственные и отраслевые планы. Все это позволяет проводить новые исследования в данной области, прежде всего, в поиске новых технологических возможностей с использованием вычислительной техники.
Топографо-геодезическое и картографическое производство в настоящее время основано на компьютерной технике. Однако некоторые малопроизводительные и нетворческие операции и сегодня еще не переданы компьютерной технике в большем объеме. Используемые методология и программные средства пока не дали желаемого удешевления и ускорения в решении производственных задач. Стремление расширить сферы автоматизации в производстве, ввести автоматизацию в традиционно "ручные" творческие технологии определили актуальность диссертации.
Современная наука уделяет огромное внимание математическому моделированию, теории картографии, обработке измерений, классификации и автоматизации рабочих мест. Основные труды в области общей теории вычислительной техники и программирования, компьютерной графики, обработки информации, на которые ссылается автор настоящей работы, принадлежат таким ученым как Агафонов В. Н. [16], Боумен У. [17], Ершов Ю. И. [18], Ньюмен У. [19],ФолиДж. [20] и другим.
Большой вклад в развитие математического моделирования внесли отечественные и зарубежные ученые, в том числе Антипов И.Т. [1], Берлянт A.M. [2], Бойко А.В. [3], Васмут А.С. [4], Васин Ю.Г. [5], Жалковский Е.А. [6], Журкин И.Г. [7], Лисицкий Д.В. [8,9], Марчук Г.И. [10], Салищев К.А. [11], Тетерин Г.Н. [12],ТикуновВ.С. [13], Халугин Е.И. [14], РатайскийЛ. [15] и другие. Их научные труды составили надежную научно-техническую базу, позволяющую проводить дальнейшие исследования, развивать теорию и практику компьютерных технологий в области топографо-геодезических работ, цифрового моделирования местности и прикладной геодезии.
Методические и технологические разработки, на которых в разной степени основывается настоящая диссертационная работа, в полной мере опубликованы в открытой печати.
В области прикладных задач и цифрового моделирования местности актуальными остаются различные аспекты методического и технологического решения инженерно-геодезических и прикладных задач, виды обеспечения в реализации цифрового моделирования, которые являются основным содержательным ядром и других процессов моделирования [4,10]. Моделирование имеет ряд взаимосвязанных сторон, среди которых особенно выделяются разработки технологий решений инженерно-геодезических и прикладных задач в географических информационных системах, картографических и тематических системах, где особенно выделяются технологии на основе цифровых моделей местности [20,24].
Технологии решения инженерно-геодезических и прикладных задач на основе цифрового моделирования местности связаны с рядом существенных проблем. Наблюдается терминологическая и методическая разобщенность, недостаток теоретико-методических обоснований, обобщений и анализа. Не решен полностью вопрос понятийной совместимости и обмена данными между географическими информационными системами, системами моделирования и картографическими системами [22].
Разработанные в России нормативно-технические документы вносят разночтения между цифровыми моделями местности [ГОСТ Р 51353-99], электронными картами [ГОСТ Р 50828-95], цифровыми моделями земной поверхности [ГОСТ 28441-99] и цифровой картой местности [ГОСТ 28441-99]. Ощущается недостаток в однозначных требованиях, методиках и технологиях оценки содержательной стороны моделирования в информационных системах, применяемых в топографо-геодезическом и картографическом производстве. Быстрое развитие технической базы, предметной области и технологий не всегда оперативно поддерживается научными проработками, что видно на примере трехмерных решений в моделировании или инженерного использования цифровых моделей местности. Существует потребность в быстром и значительном обновлении методических и нормативных документов [22]. Приведенный перечень проблем составляет общее обоснование проводимых исследований, отображенных в данной работе.
Уровень проблем, связанных с решением инженерно-геодезических и прикладных задач на основе цифрового моделирования местности с использованием методического и технологического обеспечения в основном определяет качество и точность результатов полученных цифровых моделей . местности. Успехи в данной области значительны, но есть и отмеченные [35] трудности, которые в полной мере не устранены.
Большинству исследователей рассматриваемой тематики и автору данной работы представляется, что часть нерешенных проблем обусловлены отсутствием методологии решения инженерно-геодезических и прикладных программ с разработанным методологическим и технологическим обеспечением создания цифровых моделей местности.
Актуальными остаются аспекты математического моделирования, структурирования данных, математической статистики.
В течение ряда лет под руководством или при участии автора проводились научно-исследовательские, технологические, технические и программные работы в области топографо-геодезической тематики и цифрового картографирования - создания цифровых моделей местности для решения инженерно-геодезических и прикладных задач. Проведены работы по организации и созданию информационного производства обработки результатов измерений, формированию цифровых топографических карт и планов и разработке географических информационных систем.
Работы по теме диссертации выполнены автором в Научно-исследовательском институте прикладной геодезии (НИШ 11 ), преобразованном в 1992 г. в Сибирский научно-исследовательский и производственный центр геоинформации и прикладной геодезии (центр «Сибгеоинформ»).
В работах [26,27,28,29,30,31,32,33,34] автором разработаны и внедрены нормативно-технические документы, методики, технологии решения инженерно-геодезических задач, программное обеспечение, автоматизированные системы и организовано информационное производство по созданию цифровых топографических карт и планов.
Научное обоснование, представленное в статьях [36,37,40,41], воплощено в руководства, программы, технологии, методики [34,35,36,37,38,39,40,41, 42,43] при непосредственном участии автора диссертации.
Влияние на направление исследований, представленных автором диссертации, а также на соответствующую отрасль науки (методические аспекты) оказал доктор технических наук, профессор Лисицкий Д.В.
Разработки,-теоретические, методические и технологические результаты,-представленные автором диссертации в настоящей работе, были востребованы и внедрены в производственную сферу [33,44,45,46] и не были опровергнуты в последующем развитии теории и практики в топографо-геодезическом и картографическом производстве, что подтверждает их состоятельность, достоверность, актуальность и перспективность. Автор выражает благодарность сотрудникам и специалистам предприятий и организаций Главного управления геодезии и картографии СССР и Федеральной службы геодезии и картографии России за помощь во внедрении разработок в производство.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка и исследование технологического обеспечения, создания и реализации цифровой модели местности инженерного назначения, а также решения инженерно-геодезических и прикладных задач на ее основе.
В первом разделе диссертации выполняются исследования структуры цифровой модели местности инженерного назначения. На основании исследования разработана структура представления единого формата данных для систем моделирования местности. Исследованы точностные характеристики геометрического преобразования устройств ввода-вывода графической информации, входящие в состав автоматизированного рабочего места для систем моделирования местности и решения инженерно-геодезических задач. Для формирования цифровых изображений местности, представленных в векторном или растровом видах выполнены исследования и предлагается описание алгоритма геометрических преобразований.
Во втором разделе диссертации представлены технологии формирования цифровых моделей местности различными методами. Приводится анализ технологического и программного обеспечения получения цифровых моделей местности картометрическими, стереофотограмметрическими методами. Также приведен анализ технологии обработки результатов геодезической съемки с графоаналитической регистрацией и формирования цифровой модели местности при обработке материалов полевых геодезических съемок.
Третий раздел диссертации посвящается методическому и технологическому обеспечению реализации цифровой .модели местности в инженерно-геодезических и прикладных задачах.
Объектом исследования являются цифровые модели местности, использующиеся в технологиях при решении инженерно-геодезических и прикладных задач на основе методического и технологического обеспечения.
Методы, привлеченные для решения поставленных задач, взяты из методологии системного подхода, семиотики, математического моделирования, классификации, программирования, математической статистики и теории ошибок измерений, теории конечных автоматов, множеств и экспериментов.
Научная новизна работы заключается в следующем: - разработана структура цифровой модели местности инженерного назначения [36];
- разработана структура единого формата для системы цифрового моделирования местности [41];
- разработаны технологии создания цифровой модели местности инженерного назначения различными методами [30,32,35,36,38,39,40];
исследованы точностные характеристики автоматизированного рабочего места, включающего устройства ввода, вывода и обработки информации [37].
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате теоретических и экспериментальных исследований разработаны:
- универсальный алгоритм геометрического преобразования цифровых изображений местности, представленных в векторном или растровом виде на основе модификации метода неопределенных коэффициентов[34];
- способ регистрации геодезической информации при топографической съемке местности (зарегистрирован как изобретение) [32];
- технология дигитализации топографических материалов и создания цифровой модели местности методом дигитализации [35];
- технология обработки результатов топографической съемки с
графоаналитической регистрацией [38];
- технология формирования цифровой модели местности на основе обработки результатов полевых топографических съемок [26,27,31].
- технология использования в инженерно-геодезических и прикладных задачах цифровой модели местности [76,76].
Результаты работ, выполненных при непосредственном участии автора, представлены в следующих разработках:
1) пакет прикладных программ для составления макетов местности (іПИ ЩММ). Задание 04.21 Координационного плана Государственного Комитета по науке и технике по решению научно-технической проблемы 0.80.15). Рабочий проект в 15-ти томах [25,33]; а) разработанные автором алгоритмы геометрических преобразований цифровых изображений и программ включены в ГШПЦММ [33];
б) разработаны руководства (РТМ) по дигитализации картографических материалов [26,27].
2. Автоматизированная система картографирования (АСК-1) [24].
а) руководство по автоматизированному созданию планов подземных коммуникаций [27].
3. Автоматизированная информационная система крупномасштабная топографическая (АИСКТ). Подсистема сбора топографической информации картометрическим методом с использованием портативных дигитайзеров.
Основные положения и результаты работы диссертации докладывались и обсуждались наряде научно-технических конференций:
1) всесоюзная научно-техническая конференция "Проблемы автоматизации топографо-геодезических и картографических работ", 1981 г., Новосибирск;
2) научно-техническая конференция "Современные проблемы геодезии, картографии и оптико-электронного приборостроения", посвященная 60-летию НИИГАиК, 1993 г., Новосибирск;
3) научно-техническая конференция преподавателей, НИИГАиК, 1994 г., Новосибирск;
4) международная конференция "Сферы применения GPS- технологий", НИИГАиК, 1995 г., Новосибирск;
5) научно-техническая конференция "Методы создания цифровых карт и планов и их использование в системах автоматизированного проектирования", 1987 г., Минск;
6) международная научно-техническая конференция "Современные проблемы геодезии и оптики", СГТА, 1998 г., Новосибирск;
7) научно-техническая конференция "Геомониторинг на основе современных технологий сбора и обработки информации", 1999 г., Новосибирск. На защиту выносятся следующие основные положения диссертации:
1) информационная структура цифровой модели местности инженерного назначения, структура единого формата для системы цифрового моделирования местности;
2) технологии формирования цифровой модели местности различными методами;
3) программное и алгоритмическое обеспечение создания и использования в инженерно-геодезических и прикладных задачах цифровой модели местности.
Публикации, отражающие исследования автора по предмету настоящей диссертации, представлены в библиографическом списке 25-ю работами.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из нормативных ссылок, определений, обозначений и сокращений, введения, трех разделов, заключения, библиографии и приложений. Общий объем работы составляет 123 страницы, из них 5 таблиц, 16 рисунков, 77 пунктов библиографии, 4 приложения.
