Методика обработки геоинформации в системе освещения обстановки флота тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Антонов, Николай Григорьевич

• Антонов, Николай Григорьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Антонов, Николай Григорьевич

Введение.

1 Анализ процессов обработки информации в системе освещения обстановки ВМФ, постановка задач исследования.

1.1 Анализ организации обработки геоинформации в СОО флота.

1.1.1 Структура исходных данных для создания СОО флота. ^ ^

1.1.2 Общие требования к СОО флота.

1.1.3 Общая характеристика методов обработки информации в

СОО флота.

1.1.4. Направления совершенствования и развития СОО флота.

1.2 Свойства обработки и представления НГИ в существующих геоинформационных средствах СОО.

1.2.1 Особенности ввода, хранения и поиска НГИ.^

1.2.2. Особенности обработки НГИ при ее визуализации.

1.2.3. Проблемы интерпретации НГИ в СОО флота

1.3. Требования к геоинформационным средствам в интересах обеспечения СОО флота.

1.3.1. Анализ возможностей геоинформационных средств для отображения обстановки.

1.3.2. Проблематика разработки геоинформационных средств для СОО флота.

1.4. Постановка задач исследования.

Выводы по Главе 1.

2 Разработка содержательной модели комплексной обработки информации в СОО ВМФ.

2.1 Обобщенная модель обработки ГИ в СОО флота.

2.1.1 Унификация ГИ.

2.1.2 Интеграция ГИ.

2.1.3 Слияние ГИ.

2.2 Разработка функциональных блоков методики обработки геоинформации в СОО флота.

2.2.1 Организация внешнего доступа.

2.2.2 Структура ввода ГИ.

2.2.3 Методики хранения и поиска ГИ на внешнем носителе

2.2.4. Алгоритмы массовой обработки ГИ.

2.2.5 Эффективность функциональных блоков.

Выводы по главе

3 Методики геомоделирования НГИ в СОО флота.

3.1 Методика автоматизированной генерализации НГИ.

3.1.1. Математическая модель картографической генерализации

3.2. Методика масштабирования НГИ.

3.3. Способ восстановления формы рельефа по дискретным измерениям

3.4. Моделирование параметров динамических геопространственных полей.

3.5. Оценка эффективности методик геомоделирования.

Выводы по главе 3.

4. Технология управления пространственно распределенными базами ГИ В СОО флота.

4.1. Технология управления НГИ в интересах СОО флота.

4.2. Эффективность ГИТ обработки НГИ.

4.3. Рекомендации по использованию ГИТ обработки НГИ в интересах пользователей СОО флота.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика обработки геоинформации в системе освещения обстановки флота»

Актуальность. Земная поверхность (ЗП) является объектом исследования специалистов различных предметных областей, связанных с функциональной активностью в пределах географической оболочки Земли.

Исследователи в области теоретической и прикладной геоинформатики изучают имеющую привязку к ЗП информацию (геоинформацию) для решения задач стратегического и тактического планирования социальной активности на реальной земной поверхности.

Представление и анализ геоинформации (ГИ) о навигационно-гидрографической обстановке является актуальной задачей в связи с возрастанием активности флота России в морской и океанской зоне.

Современные действия флота характеризуются глобальным территориальным охватом и содержательно сложным функционированием в геопространстве. Эти процессы целиком протекают в базовой навигационно-гидрографической среде. Теория и практика действий флота указывают на непрерывное возрастание значимости навигационно-гидрографического обеспечения (НТО) функционирования и взаимодействия геообъектов флота.

Подтверждением тому служит повышенный интерес и практическая деятельность развитых стран мира по созданию новых и совершенствованию существующих систем мониторинга и освещения навигационно-гидрографической обстановки в морской зоне.

Одним из приоритетных направлений обеспечения национальной безопасности РФ в области морской деятельности является создание Единой государственной системы освещения надводной и подводной обстановки (ЕГСОНПО), основой которой должна стать Единая государственная система информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО), и ее специальный контур, базирующийся на системе освещения обстановки (СОО) флота.

Для повышения адекватности представления и оперативности обработки нави-гационно-гидрографической информации (НГИ) в настоящее время широко внедряются средства геоиформатики - геоинформационные системы (ТИС) и геоинформационные технологии (ГИТ).

Развивающиеся возможности ГИТ обеспечивают более эффективное решение задач сбора, представления, анализа НГИ, однако среди множества программных продуктов, используемых сегодня на рынке полноценных ГИС, в полной мере решение задач генерализации, сжатия, поиска, редактирования специфической НГИ в интересах навигационно-гидрографического обеспечения (НТО) флота. Описательный характер моделей географических объектов, значимых в практике НТО и их пространственно-логических связей в известных ГИС не может быть эффективно использован без существенных изменений принципа представления географических объектов.

Необходимость преодоления основного и частных противоречий между обширным числом существующих универсальных ГИС общего назначения (ориентированных на широкий круг пользователей) и спецификой задач обработки ГИ в интересах НГО флота, включающих широкий спектр разнородных функциональных зависимостей и требующих реализации специальных функций представления и анализа НГИ, а также между описательным характером представления и отображения объектов и их связей и пространственной сущностью данных обстановки, является основной предпосылкой к проведению настоящего исследования.

Цель исследования - разработка геоинформационных моделей и методов представления и обработки пространственной информации о навигационно-гидрографической обстановке в СОО флота для повышения эффективности территориального анализа геоситуации в морской зоне.

Объектом диссертационного исследования являются процессы автоматизированной обработки пространственной информации о навигационно-гидрографической обстановке в СОО геоинформационными средствами обработки, анализа, представления и отображения ГИ.

Предметом исследования являются геоинформационное моделирование представления, ввода, обработки, анализа, передачи, отображения ГИ в ГИС-приложениях СОО флота.

Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи исследования:

1. Произвести анализ требований к обработке и представлению НГИ в СОО флота.

2. Разработать, методики и модели получения, обработки, транспортировки и хранения ГИ в СОО флота.

3. Разработать методику преобразования и анализа ГИ, обеспечивающую автоматическую генерализацию, пространственное распределение и изолинейное моделирование в СОО флота.

3. Разработать методику управления пространственно распределенными базами ГИ, обеспечивающую повышение оперативности, согласованности точности, релевантности ГИ.

Теоретическую базу исследования составляют труды докторов наук Алексеева В.В., Алексеева С.П., Алешина И.В., Асланикашвили А.Ф., Беляева Б.Н., Берлянта

A.M., Бескида П.П., Биденко С.И., Гармиза И.В., Гуссейн-Заде С.М., Дмитриева

B.В., Жукова Ю.Н., Землянова А.Б., Ковчина И.С., Кошкарева А.В., Лисицкого Д.В., Лурье И.К., Лютого А.А., Мазурова Г.И., Малинина В.Н., Митько В.Б., Наумова В.Н., Опарина А.Б., Поповича В.В., Тикунова B.C., Топчиева А.Г., Трофимова A.M., Фрумина Г.Т., Царева В.А., Цветкова В.Я., Шпака В.Ф., Яшина А.И.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Комплекс требований, обобщенная содержательная модель и методика обработки НГИ в СОО флота.

2. Методики геомоделирования НГИ в СОО флота, включающие преобразование, генерализацию, пространственное распределение и изолинейное представление ГИ.

3. Методика управления пространственно распределенными базами ГИ в СОО флота.

Научная новизна полученных в работе результатов состоит в следующем.

1. Многоуровневая содержательная модель обработки ГИ отличается реализацией требований унификации, интеграции и обобщения ГИ, что обеспечивает: снижения размерности ГИ; повышения достоверности и точности ГИ; трансформацию ГИ к виду, удобному для отображения обстановки в СОО; взаимосвязь уровней интеграции ГИ с математическими методами и программным обеспечением геоинформационных средств СОО.

2. Методики геомоделирования в СОО флота отличаются использованием комбинаторных моделей, неориентированных графовых структур и интегральных методов обработки точечных измерений, что позволяет уменьшать количество и повышать оперативность ГИ за счет автоматической генерализации объектов НГИ, пространственного осреднение параметров НГИ, позициоинирования по изолинейным полям, упорядочения геообъектов по степени сходства.

3. Методика управления пространственно распределенными базами ГИ в СОО флота отличается реализацией требований релевантности, территориальной распределенности и экономичности обработки ГИ, что обеспечивает качество реализации геоинформационных потребностей пользователей СОО флота.

Теоретическая значимость полученных научных результатов состоит конкретизации и разработке более эффективных принципов геомоделирования в СОО флота - комплексных моделей представления априорной и оперативной НГИ, а также разработке методологии интегрального использования разнородной геоинформации, активизации пространственной информации.

Практическая ценность заключается в разработке и реализации оригинальных геомоделей и методик обработки, анализа и преобразования ГИ в СОО флота, обеспечивающих эффективную обработку разнородной НГИ больших объемов. Предложенные модели и методики могут быть использованы при подготовке ТЗ на разработку перспективных геоинформационных средств обработки НГИ в СОО флота.

Достоверность основных положений и выводов диссертационной работы базируется на достижениях ведущими ученых-географах, строгом обосновании основных научных положений, использовании апробированных численных методов оценки, принципах моделирования, применении общепринятых допущений и ограничений, соблюдении формальных условий применимости используемых методов и подходов. Она обосновывается данными экспериментальных исследований, результатами практического применения, в органах военного управления, промышленных и научных организациях. Достоверность результатов подтверждается их внедрением в научно-исследовательские работы, фонды алгоритмов и программ, учебный процесс, апробацией и публикациями по теме диссертации.

Реализация результатов. НИР: «Прогресс ФВО-ГМ», «Специалист», «ГЕО-2006», «Обучение»; в фонды алгоритмов и программ ГУНиО МО, ГНИНГИ МО РФ в учебный процесс РГГМУ, ВМИРЭ им. А.С. Попова, СПб ВМИ, ГМА им. адм. С.О. Макарова

Апробация работы Результаты диссертационного исследования апробированы межвузовских конференциях, научно-теоретических семинарах ВМИРЭ им. А.С. Попова, СПб ВМИ, ГМА им. С. О. Макарова.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, из них 15 статей в научно-технических изданиях, 3 тезиса докладов на конференциях и 4 отчета по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 188 наименование, и 3-х приложений. Работа изложена на 176 страницах и содержит 12 рисунков и 11 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Антонов, Николай Григорьевич

Результаты работы могут найти применение при совершенствовании современных и разработке перспективных систем автоматизации органов управления СОО флота, а также других органов управления флота.

4. Обоснованы, разработаны, экспериментально проверены и внедрены методики получения, обработки, транспортировки, хранения, редактирования и поиска ГИ, позволяющие оперативно обрабатывать НГИ большого объема.

5. Обоснован, разработан, экспериментально проверен и внедрен метод генерализации геопространственной информации, позволяющий проводить автоматизированную генерализацию геопространственных полей представленных линейными и точечными объектами.

6. Обоснованы, разработаны, экспериментально проверены и внедрены методы решения прикладных задач с учетом геопространственных полей, включающие:

Метод генерализации ГИ, позволяющий проводить автоматизированную генерализацию геопространственных полей представленных линейными и точечными объектами.

Метод выбора масштаба карты-основы для картирования климатической информации, позволяющий автоматизировать процедуру определения возможного максимального пространственного масштаба для конкретного массива наблюдений геопространственной информации.

Метод оценки среднего арифметического по массиву наблюдений геопространственного поля, позволяющий выявить репрезентативный набор наблюдений в исходном массиве, для которого существует теоретически минимальная погрешность оценки.

Метод восстановления формы рельефа по дискретным измерениям, основанный на интегральном преобразовании Радона и позволяющий комплексно описать морфологию рельефа.

Метод оценки близости положения изолиний, позволяющий на количественной основе упорядочить картографические наборы данных.

Метод автоматизированного анализа геопространственных полей на основе комбинаторных алгоритмов оптимизации, позволяющий автоматизировать определение оптимальных путей движения кораблей с учетом динамики геопространственных полей.

7. Обоснована, разработана, экспериментально проверена и внедрена технология управления пространственно распределенными базами геопространственной информации, позволяющая повысить оперативность, согласованность и точность обеспечения пользователей СОО флота релевантной ГИ на основе использования ГИТ и сетей связи.

8. Обоснованы и разработаны практические рекомендации по использованию ГИТ обеспечения пользователей СОО флота необходимой НГИ, позволяющие внедрить технологию в органах управления, кораблях и судах флота, в государственных информационных системах картографической и гидрометеорологической информации.

9. В результате оценок эффективности внедрения полученных научных результатов в СОО флота достигается:

Увеличение оперативности обеспечения пользователей СОО флота НГИ за счет минимизации времени ответа на любой запрос к удаленным пространственно распределенным базам геопространственной информации до 5 - 10 секунд.

Увеличение экономичности процессов обработки НГИ за счет минимизации объема пересылаемой потребителю информации на любой запрос к удаленным пространственно распределенным базам ГИ до 1 Мб.

Повышение точности ГИ за счет решения любой задачи на основе базы данных ГИ максимального масштаба.

Повышение согласованности ГИ за счет унификации и согласования топографической и навигационной картографической информации для прибрежных районов за счет учета динамики геопространственных полей.

Обеспечение релевантности НГИ за счет использования единой пространственно распределенной базы геоданных.

Обеспечение адекватности структуры графических объектов геопространственных полей при визуализации на экране монитора за счет применения автоматической генерализации.

10. Внедрение разработанных моделей, методов и методик обеспечивает:

- различные уровни органов управления, отдельные корабли и суда флота релевантной ГИ, согласованной по точности и детализации в масштабе, соответствующем уровню принятия решения;

- оперативное формирование наборов с необходимой и достаточной ГИ для обеспечения разностороннего территориального анализа и обоснованного принятия решения на заданную пространственную область;

- удаленных в пространстве потребителей, участвующих в решении одной задачи, согласованной ГИ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ предметной области обработки ГИ в СОО флота, который показал, что геоинформационные средства общего пользования не удовлетворяют потребности пользователей НГИ в СОО флота, обладающей специфическими структурными, содержательными и технологическими особенностями.

2. В результате проведенного исследования получены новые научные результаты, направленные на преодоления выявленного противоречия.

3. Разработаны содержательная модель и методика обработки ГИ в СОО флота, базирующаяся на процессах унификации, интеграции, согласования содержательного и пространственного обобщения и слияния ГИ. Реализация этих механизмов в многоуровневой модели обработки ГИ в СОО флота представляет собой новый метод обработки НГИ, позволяющий обеспечить взаимосвязь уровней интеграции ГИ с математическими методами и программным обеспечением, а также предложить трехзвенную архитектуру разработки компьютерных геомоделей

Разработанные модель и методика базируется на таких современных компьютерных и геоинформационных теориях и технологиях как:

- методологии гармонизации, интеграции и слияния информации;

- методах интеллектуальной обработки данных и извлечения новых знаний;

- теории интеллектуальных многоагентных распределенных систем;

- технологии разработки и создания объектно-ориентрованных ГИТ.

Снижение размерности информации происходит, начиная с третьего уровня обработки информации, за счет ее интеграции и генерализации и перехода к новому виду ее представления.

Практическая направленность модели и методики заключается в их применимости на всех уровнях управления СОО флота, что позволяет унифицировать математические методы и математические модели, программное обеспечение и компьютерные модели. Это позволяет избежать дублирования разработок и, как следствие, приведет сокращению количества ошибок в математических и, особенно, в компьютерных моделях. Кроме того, это позволит существенно снизить стоимость разработок и сократить время на разработку и внедрение в практику автоматизированных систем управления.

Полнота выполненного исследования определяется:

- анализом состояния СОО флота, условий ее функционирования и степенью автоматизации геоинформационных процессов в органах управления ею;

- анализом современных геоинформационных технологий;

- соответствием постановки задачи исследования требованиям системного подхода;

- рассмотрением всего цикла обработки ГИ на основе методологии интеграции информации, подготовки, принятия решения и выдачи управляющих воздействий на средства СОО флота.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Антонов, Николай Григорьевич, 2007 год

1. Акритас А. Основы компьютерной алгебры с приложениями. М.: Мир, 1994. - 544 с.

2. Александров А.Д. Основания геометрии. М.: Наука, 1987. 288 с.

3. Алексеев В.Ф. Проблемы автоматизации управления ВМФ.// Морской сборник.- 1992.- № 4. С. 26-30.

4. Андерсон Д.А. Дискретная математика и комбинаторика. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 960 с.

5. Антонов Н.Г., Жуков Ю.Н. Выявление морфологических элементов в поле рельефа дна // Навигация и гидрография. 2002. - № 14. - С. 152 -156.

6. Антонов Н.Г. Искажения структурных особенностей полей гидрометеорологических характеристик при их визуализации в геоинформационных системах // Навигация и гидрография. 2002 - № 14. - С. 167 - 176.

7. Антонов Н.Г., Жуков Ю.Н. Способ оценки близости положения изолиний. // Навигация и гидрография. 2003. -№15.-101-106.

8. Антонов Н.Г. Обоснование масштаба карты-основы для картирования климатической информации // Навигация и гидрография. 2003. - № 18. -С. 136 - 143.

9. Антонов Н.Г. Геомоделирование территориальной обстановки в системе наблюдения гидрографической службы // Вопросы навигации и океанографии 2004, № 8. - С. 29 - 33.

10. Антонов Н.Г., Жуков Ю.Н. Определение формы рельефа по данным дискретных измерений // Навигация и гидрография. 2004. - № 19. С. - 66 -70.

11. Антонов Н.Г., Жуков Ю.Н. Способ генерализации линейных объектов в ГИС // Навигация и гидрография. 2004. - № 19. - С. 132 - 139.

12. Антонов Н.Г. Элементы синергетики в описании гидрометеорологических процессов. СПб: ВМИ, 2004. - 52 с.

13. Антонов Н.Г., Биденко С.И. Пространственная модель представления территориальной ситуации в системе освещения обстановки в ближней и средней зонах // Политехника, № 6. 2005. - С. 23-29.

14. Антонов Н.Г., Биденко С.И. Формальная модель интеграции и генерализации естественных геопространственных полей // Записки по гидрографии. 2005. - № 264. - С. 23 - 29.

15. Антонов Н.Г. Геоинформационный метод отображения и оценки обстановки в интересах управления сложными территориальными объектами // Труды научно-технич. конф. ГМА им. адм. С.О. Макарова, СПб: Изд-во ГМА, 2006,- С. 113- 115.

16. Антонов Н.Г. Обоснование требований к системам анализа навигацион-но-гидрографической информации в АРМ операторов системы освещения обстановки // Записки по гидрографии. 2006. - № 267а. - С. 34 - 39.

17. Антонов Н.Г. Методические вопросы унификации и обобщения геоинформации в технологиях цифровой обработки пространственных данных для обеспечения деятельности флота // Записки по гидрографии. 2006. -№ 267а. - С. 42 - 44.

18. Арнольд В.И., Авец А. Эргодические проблемы классической механики.- Ижевск: "Регулярная и хаотическая динамика", 1999. 284 с.

19. Асланикашвили А.Ф. Особенности и теоретическая основа применения картографического метода в научных исследованиях. Тбилиси: ТГУ, 1973.

20. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения.//УФН- 1998. Т.166. -№11.-С. 1145-1170.

21. Беккет Г., Куннумпурат М.М., Роди Ш. Тост A. Java: основы Web-служб.- М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2004. 464 с.

22. Беляев Б.Н. Прикладные океанографические исследования. Л.: Гидро-метеоиздат, 1986. - 144 с.23.