Разработка структуры и алгоритмов формирования базы данных для создания цифровой модели рельефа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Бахарев, Федор Сергеевич

• Бахарев, Федор Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бахарев, Федор Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ДАННЫЕ КАК ОСНОВА ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА.

1.1. пространственные данные.

1.2. модель пространственных данных цифровой модели рельефа.

1.2.1. Регулярные ЦМР.

1.2.2. Нерегулярные ЦМР.

1.3. подходы интеграции базы данных с информационными системами.

2. СОЗДАНИЕ БАЗ ДАННЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА.

2.1. Архитектура информационной системы на основе баз данных.

2.2. Подходы и имеющиеся решения для создания базы данных.

2.2.1. Компания IBM.

2.2.2. Oracle.

2.2.3. Hewlett Packard.

2.2.4. Sybase.

2.2.5. NCR.

2.2.6. SAS Institute.

2.2.7. Software AG.

2.2.8. Microsoft.

2.3. Разработка структуры оперативной базы данных и хранилища пространственных данных цифровой модели рельефа.

3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗЫ ДАННЫХ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА

3.1. Алгоритмы построения цифровой модели рельефа.

3.1.1. Простой итеративный алгоритм.

3.1.2. Итеративный алгоритм "Удаляй и строй".

3.1.3. Итеративный алгоритм с индексированием центров треугольников квадродеревом.

3.1.4. Итеративный алгоритм с динамическим кэшированием поиска.

3.1.5. Итеративный алгоритм с измененным порядком добавления точек.

3.1.6. Алгоритм "Разделяй и властвуй".

3.1.7. Пошаговый алгоритм.

3.2. Алгоритмы отображения и решение прикладных задач.

3.2.1. Вывод триангуляции на экран.

3.2.2. Фильтрация исходных данных.

3.2.3. Построение горизонталей.

3.2.4. Построение изолиний.

3.2.5. Сглаживание изолиний.

3.3. Разработка нового алгоритма создания цифровой модели рельефа.

4. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ.

4.1. Архитектура программного модуля.

4.2. Оценка работы программного модуля.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка структуры и алгоритмов формирования базы данных для создания цифровой модели рельефа»

Получение цифровых моделей рельефа (ЦМР) является неотъемлемой частью выполнения любых современных топографо-геодезических работ. Такие модели строятся на основе данных, получаемых различными способами. Основные из них — тахеометрическая съемка, лазерное сканирование, аэрофотосъемка, космические снимки и оцифровка аналоговых материалов [40; 42]. В каждом из них совершенствуются инструменты по сбору данных для построения ЦМР.

В связи с быстрым ростом производительности вычислительной техники стремительно растут объёмы данных, получаемых с них. Например, уже сейчас доступна сеточная модель ЦМР с шагом в 30 м на территорию Земного шара от "ASTER GDEM", что составляет порядка 1,68 триллиона точек. Изучение обширных территорий используется в мониторинге и оценке динамики рельефа, моделировании радиовидимости и др. Но и на малой территории для исследования локальных процессов может потребоваться обработка такого же большого количества точек, которые могут быть представлены и нерегулярным набором. Обработка такого объёма информации без использования баз данных невозможна, а существующие алгоритмы не адаптированы на работу с ними. Поэтому требуется усовершенствование существующих и разработка новых структур и алгоритмов построения ЦМР [27].

В настоящее время главным требованием к структуре данных является сохранение элементов и связей между ними. В современных условиях, от правильной организации структуры исходных данных зависит скорость обработки и качество получаемых результатов при решении задач определения геометрических параметров рельефа (высоты, объёма, профилей, сечений, горизонталей рельефа и т.д.) [12].

Решение этих задач требует комплексного подхода к разработке структур и алгоритмов формирования базы данных объектов для создания ЦМР.

Цель работы - разработка структуры и алгоритмов формирования базы данных для обработки больших объемов исходной информации при построении цифровой модели рельефа.

Задачи исследования;

1. Анализ существующих структур и алгоритмов построения цифровой модели рельефа.

2. Разработка оптимальной структуры БД цифровой модели рельефа.

3. Разработка алгоритмов формирования БД цифровой модели рельефа.

4. Построение, исследование и оценка цифровых моделей рельефа на основе данной структуры и алгоритмов.

Методы исследования.

При выполнении диссертационной работы были использованы методы геодезической обработки данных, оценки сложности алгоритмов, вычислительной геометрии, машинной графики, аналитической геометрии, геоинформатики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработанная на основе предложенных элементов ЦМР структура базы данных позволяет обрабатывать большие объемы данных.

2. Разработанный алгоритм фильтрации исходных данных позволяет исключить грубые погрешности при формировании ЦМР.

3. Разработанный на итеративном принципе алгоритм построения триангуляции позволяет сократить количество арифметических операций за счет использования функции индексирования и условия минимальной суммы сторон охватывающих прямоугольников при проверке корректности построения элементов ЦМР в восемь раз, по отношению к классическому на основе условия Делоне.

Разработанные структуры и алгоритмы встроены в программные продукты "Апертура", использующийся в учебном процессе в МИИГАиК и "Justin" компании ООО "JAVAD GNSS", служащий для обработки спутниковых измерений и обмена данными с устройствами.

Основные положения диссертационной работы докладывались автором в 2010-2012 г. на:

1. 65-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК, посвящённой 65-летию победы в Великой Отечественной войне (конференция проходила 6-7 апреля 2010 года).

2. 66-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК, посвящённой 50-й годовщине первого полета человека в космос - лётчика-космонавта СССР Героя Советского Союза Юрия Алексеевича Гагарина (конференция проходила 5-6 апреля 2011 года).

3. 67-ой научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных МИИГАиК, в рамках проводимого в Российской Федерации Года российской истории (конференция проходила 3-4 апреля 2012 года).

Кроме того, основные положения, а также результаты исследований по теме диссертации были опубликованы в 2011-2012 г. и отражены в следующих статьях:

1. Джавад A. (Javad Ashjaee), Разумовский А.И., Рапопорт Л.Б., Удинцев В.Г., Бахарев Ф.С. Justin - программа для постобработки спутниковых измерений JAVAD GNSS // Геопрофи. - 2011. - Вып. 3. - С. 30-33.

2. Разумовский А.И., Бахарев Ф.С. Justin Link - офисное приложение // Геопрофи. - 2012. - Вып 1. - С. 18-22.

3. Чугреев И.Г., Владимирова М.Р., Бахарев Ф.С. К вопросу о выборе методики проведения тахеометрических съемок в современных условиях // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. -2012.- №2.-С. 20-24.

4. Чугреев И.Г., Бахарев Ф.С. Некоторые особенности получения и обработки полевой информации // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 3. - С. 21-23.

5. Бахарев Ф.С. Современные структуры баз данных цифровых моделей рельефа // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2012. - № 5. - С. 80-85.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Бахарев, Федор Сергеевич

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Проведен анализ состояния существующих структур и алгоритмов для создания цифровых моделей рельефа, который показал, что на сегодняшний день имеют недостатки при обработке больших объемов геодезической информации.

2. Разработана структура базы данных на основе предложенных элементов цифровой модели рельефа, которая обеспечивает эффективную работу с большими объемами данных.

3. Разработанный алгоритм преобразования пикетно-цифровой геоинформации в псевдоматрицу позволяет вести обработку ПЦМР.

4. Разработанный алгоритм условия минимальной суммы сторон пересечения охватывающих прямоугольников позволяет выполнять построение триангуляции значительно быстрее существующих. Результаты исследования разработанных алгоритмов на тест-объектах показали, что полученные триангуляции на 90% совпадают. Стоит отметить, что треугольники, не удовлетворяющие условию Делоне, но удовлетворяющие условию минимальной суммы сторон пересечения охватывающих прямоугольников, отображают рельеф корректно. Анализ с другими известными продуктами показал совпадение полученных ЦМР на 90%, но при этом разработанный модуль выполняется быстрее и может обрабатывать большие объемы данных.

5. Реализованный на основе полученных автором результатов исследований и разработок программный модуль внедрен в продукты "Апертура" и "Justin", показав свою эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бахарев, Федор Сергеевич, 2012 год

1. "Google Maps Structure" // Inc. Microimages, 2009.

2. ArcView GIS : Руководство пользователя. M.: Дата+, 2008. - 142 с.

3. Maplnfo Professional : Руководство пользователя (Полное). М. : ESTI MAP, 2004.-517 с.

4. БакнеллД. М. Фундаментальные алгоритмы.-М., 2003.

5. Бахарев Ф. С. Современные структуры баз данных цифровых моделей рельефа // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2012. - № 5. - С. 80-85.

6. Берлянт А. М. Картография : учебник для студентов вузов, обучающихся по географическим и экологическим специальностям. -М., 2001.-336 с.

7. Боцула A.B., Евграфов И.П., Лалушкин Ю.Л. Анализ требований к ГИС при ее интеграции в комплекс задач ситуационного центра // Материалы форума ГИС97. М.: ГИС-Ассоциация, 1997.-С. 102-104.

8. Варфоломеев И. В., Ермакова И. Г., Савельев А. С. Алгоритмы и структуры данных геоинформационных систем : Методические указания. Красноярск, 2003. - 34 с.

9. Васильев А. Эрнст Аббе и "Карл Цейсс, Иена" // Из истории науки. -Квант. 2000. - № 1 - С. 1-3.

10. Ю.Вейцман В. М. Проектирование экономических информационных систем. Ярославль : МУБиНТ, 2002. - 213 с.

11. Геоинформатика : учебник для студентов вузов, обучающихся по специальностям 012500 "География", 013100 "Природопользование", 013600 "Геоэкология", 351400 "Прикладная математика (по областям)" // под ред. В. С. Тикунов. М.: Академия. - 2005. - 477 с.

12. Гиршберг М. А. Геодезия . М.: Недра, 1967 - С. 75-83.

13. Горев А., Ахаян Р., Макашарипов С. Эффективная работа с СУБД // СПб, 1997.-С. 10-15.

14. ГОСТ Р 52055 2003. Геоинформационное картографирование. Пространственные модели местности. Общие требования. — Введ. 2004 - 01 - 01. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 7 с.

15. ГОСТ Р 52438 2005. Географические информационные системы. Термины и определения. - Введ. 2005 - 12 - 28. - М. : Изд-во стандартов, 2005. - 6 с.

16. ГОСТ Р ИСО 19113-2003. Географическая информация. Принципы оценки качества. Введ. 2003 - 12 — 09. - М. : Изд-во стандартов, 2003. -Зс.

17. П.Григорьев А. О чём не пишут в книгах по Delphi // http://www.delphikingdom.com/ 2003.

18. Гришин В. Н., Панфилова Е. Е. Информационные технологии в профессиональной деятельности. М. : Инфра-М, 2005. - 416 с.

19. Джавад А., Разумовский А. И., Рапопорт JI. Б., Удинцев В. Г., Бахарев Ф. С. Justin программа для постобработки спутниковых измерений JAVAD GNSS // Геопрофи. - 2011. - Вып. 3. - С. 30-33.

20. Козодев А. В., Привезенцев А. И., Фазлиев А. 3. // Вычислительные технологии; 2005. - Т. 10, спец. выпуск - С. 82-91.

21. Кошкарев А. В., Тикунов В. С. Геоинформатика. М. : Картгеоцентр -Геоиздат, 1993.

22. Кузнецов С. Д. Проектирование и разработка корпоративных информационных систем // «Корпоративные базы данных 2010»: Материалы XV ежегодной технической конференции, 22-23 апреля 2010 г. / ИСП РАН, М., 2010.

23. Кузнецов С. Д. Современное состояние и перспективы баз данных // Введение в теорию открытых систем. М. : Центр информационных технологий, 1995. - С. 54-64.

24. Маклин С., Нафтел Дж., Уильяме К. Microsoft .NET Remoting. M. : Русская редакция, 2003. - 384 с.

25. Никитина Т. П. Информационные системы в экономике : учебноепособие.-Ярославль. : МУБиНТ, 2003. С. 90.

26. Петров Ю. А., Шлимович E.JL, Ирюпин Ю.В. Комплексная автоматизация управления предприятием: Информационные технологии теория и практика. - М. : Финансы и статистика, 2001. -160 с.

27. Построение баз геоданных. Пер. с англ. М. : Дата+, 2003. - 426 с.

28. Путятин Е. П., Аверин С. И. Обработка изображений в робототехнике // Машиностроение. 1990. - С. 63-86.

29. Разумовский А. И., Бахарев Ф. С. Justin Link офисное приложение // Геопрофи. - 2012. - Вып 1. - С. 18-22.

30. Середович В.А., Ферулев Д.А. Компьютерные технологии при создании баз данных в топографо-геодезическом производстве. М. : Геодезия и картография, 2007. - Вып. 9. - С. 25-28.

31. Скворцов А. В., Гриценко Ю. Б. Вопросы построения универсальной графической системы для работы с территориально определённой информацией // Геоинформатика. Теория и практика. 1998: - Вып. 1. - С. 169-180.

32. Скворцов A.B. Триангуляция Делоне и её применение. Томск. : Изд-во Томского ун-та, 2002 - С. 11-78.

33. Стрельцов И. Сервер пространственных данных ArcSDE / И. Стрельцов // ArcReview. 2004. - №3 (30).

34. Тайле Э. Концепция и базовые принципы создания и функционирования системы геоинформации AFIS-ALKISATKIS // Геодезия и картография. 2007. - Вып. 9. - С. 46-51.

35. Уильям Г. Инмон (William H. Inmon) "Building the Data1. Warehouse", -1992.

36. Федечкин С. Хранилище данных: вопросы и ответы // PC WEEK. -2003.-№31.-С. 86-90.

37. Хоменко A. Delphi 7. Наиболее полное руководство. СПб. : БХВ-Петербург, 2006. - С. 140-156.

38. Цветков В.Я Геоинформационные системы и технологии. М. : Финансы и статистика, 1998. - С. 228.

39. Чеботарев А.С. Геодезия 4.1. М.: Геодезиздат, 1949. - С. 43-50.

40. Чугреев И. Г., Бахарев Ф.С. Некоторые особенности получения и обработки полевой информации // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2012. - № 3. - С. 21-23.

41. Чугреев И.Г., Владимирова М.Р., Бахарев Ф.С. К вопросу о выборе методики проведения тахеометрических съемок в современных условиях // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка, 2012. № 2. - С. 20-24.

42. Шабельникова Т.Г. Геоинформатика в нефтегазовой отрасли // Информационный бюллетень ГИС-Ассоциация, 1998.-С. 137-139.

43. Шекхар Ш., Чаула С. Основы пространственных баз данных. М.: Кудиц-Образ, 2004. - 336 с.

44. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. - 830 с.

45. Широкова С.Л., Ловцкая О.В., Шелепов С.М. Интеркарто-2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды. Иркутск.: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 1996. - С. 207-209.

46. Шуленин А., Марк Р., Оленин О., Марк Б. Пятнадцатая ежегодная техническая конференция «Корпоративные базы данных-2010». — : Интернет-альм. 2010. - Режим доступа: http://citforum.ru/seminars/cbd2010/.